Розглянуто Фізичні Особливості та ефективність кондуктивного, радіаційного, електричного та конвективного способів сушіння капілярнопорістіх колоїдніх матеріалів

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - П. В. Білей


Analysis of basic of colloid materials drying methods

Considered the physical peculiarities and effectiveness conduction, radiation, electric and convection drying methods of colloid materials


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2002


    Журнал: Науковий вісник НЛТУ України


    Наукова стаття на тему 'Аналіз основних способів сушіння капілярнопорістіх колоїдніх матеріалів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз основних способів сушіння капілярнопорістіх колоїдніх матеріалів»

    ?5. Sokolovskyy Ya.I. Analysis of stressed-strained of lumber in drying process.// Naukovyi visnyk, 8.1: 156-165. - Lviv, USUFWT, 1998. (Ukrainian language).

    6. Sokolovskyy Ya.I. Technological stresses and strains of wood in drying process.// Naukovyi visnyk, 9.3: 168-176. - Lviv, USUFWT, 1999. (Ukrainian language).

    7. Sokolovskyy Ya.I. Identification of stressed-strained state of lumber with taking into account deepering of moisture evaporation zone.// Naukovyi visnyk, 9.5: 89-93. - Lviv, USUFWT, 1999. (Ukrainian language).

    8. Sokolovskyy Ya.I. Mutual connection of stressed-strained state of drying wood with parameters of internal and external processes of mass heat transfer.// Naukovyi visnyk, 9.6: 64-68. -Lviv, USUFWT, 1999. (Ukrainian language).

    9. Sokolovskyy Ya.I. Stressed-strained state of logs in drying process.// Naukovi zapysky Ukrainskoi akademii drukarstva. Naukovo-tehnichnyi zbirnyk, 2: 20-22.- Lviv, 2000 (Ukrainian language).

    10. Sokolovskyy Ya.I. Computation of stressed-strained wood state with cosinusoidal law of distribution of moisture content.// Visnyk Tehnologichnogo universytetu Podilla. Tehnichni nauky, part 2: 191-193. - Hmelnyckyy, 2000 (Ukrainian language).

    11. Sokolovskyy Ya.I., Andrashek J.V. Methodics and results of experimental researches of rheological behaviour of wood.// Naukovyi visnyk, 9.13: 15-26. - Lviv, USUFWT, 1999.

    11. Sokolovsky Ya.I., Poberejko B.P., Filinjuk R.V. Technological stresses and strains of wood in the proscess of drying // XIII Konferencja Naukowa Wydzialu Technlogiji Drewna SGGW "Drewno-material o wszechstronnym przeznaczinib i zastosowaniv". - Warszawa. - 1999. - p. 377-389.

    12. Pat. 23818 A, Ukraine, MKHF26 B25 / 22. System of automatic regulation of drying process with taking into account its physical-mechanical state./ Sokolovsky Ya.I., Safarov V.O., Knysh Yu.V. (Ukraine) /; Published 16.06.98 (Ukrainian language).

    УДК 674.047 Проф. П.В. Бглей, д-р техн. наук - УкрДЛТУ

    АНАЛ1З ОСНОВНИХ СПОСОБ1В СУШ1ННЯ КАП1ЛЯРНОПОРІСТІХ КОЛО1ДНІХ МАТЕР1АЛ1В

    Розглянуто фiзічнi особливо та ефектівнють кондуктивного, радiацшного, електричного та конвективного способiв сушшня катлярнопорістіх колощніх ма-терiалiв.

    Prof. P. V. Biley - USUFWT Analysis of basic of colloid materials drying methods

    Considered the physical peculiarities and effectiveness conduction, radiation, electric and convection drying methods of colloid materials.

    Капшярнопорісп коло'1дш матерiали охоплюють широкий спектр ре-човін, в основному, оргашчного походження. Деревина, яка входити до цього класу матерiалiв, травні складаний анатомiчну будову i фiзіко-механiчнi властівость Особлівшть Будови деревини полягае в тому, что при початково-му зволоженш вона травні явно віражеш коло'1дш властівоста, а в подальшiй полiмолекулярнiй конденсації - властивостi капiлярнопорістого тша.

    Процес відалення волога з катлярнопорістіх колощніх матерiалiв супроводжуеться порушеннях ii зв'язку з тiлом, на что Потрiбна втрачають значний кiлькiсть Енерги. Тому, класіфiкацiя форм зв'язку тш з вологих побу-дова за принципом штенсівносл цього зв'язку. У цьом ж напрямку до-цшьно провести аналiз ефектівностi рiзних способiв сушiння та 1х комбша-

    ЦШ. За особливо передачi тепла до вісушуваного матерiалами сформул-овано Чотири основш Способи сушiння: кондуктивний (контактний), елек-тричного, радiацiйній (теплові віпромшюванням) та конвективних. Шкір-ний з ціх способiв можна роздiліті на види та тдвіді, якіх найбшьше травні конвективних. Можлива комбiнацiя окремий способiв, видiв та пiдвідiв, як-що одночасно Використовують рiзнi Способи передачi тепла або сумща-ються iншi ознакою. У чистому відi названi вищє основнi Способи Зус ^ ча-ються рiдко, частiше переважаючім е тій чи шшій метод передачi тепла, Який доповнюеться iншим. Таким чином, анатз ефектівностi способiв су-шiння е актуальною i рiзноплановою задачею.

    Кондуктивно сушшня характеризуєте передачею тепла на нагрів вання волога матерiалами i випаровуваності з него волога ВВД нагргго! поверхш. Кондуктивний спосiб сушiння широко вікорістовуеться в промісловос-тi для сушшня паперу та iнших тонких листових матерiалiв. Основними параметрами, яю визначаються кiнетіку процесса кондуктивного сушшня, е температура гргючо! поверхш, ступiнь прітіскання матерiалами до гргючо! повер-хнi, параметри оточуючого середовища.

    Основним технологiчного параметром е товщина матерiалами. Названi Параметри вплівають НЕ тшькі на швідкiсть сушiння i на критичному воло-говмiст, но i на ТЕХНОЛОГIЧНI властивостi та яюсть матерiалами.

    Температура гртачо! поверхш е основним параметром, Який вплівае на тріватсть контактного сушшня. З шдвіщенням температури гргючо! поверхш трівалiсть сушiння рiзко скорочуеться. Вплив температури гргючо! поверхнi е iстотнім течение Всього процесса сушiння, лишь в кшщ процесса цею Вплив зменшуеться. Температура гртачо! поверхнi вплівае такоже i на якiсть вісушуваного матерiалами. На трівалiсть процесса великий Вплив травні товщина матерiалами. Например, збiльшення товщина шпону вiд 0.22 мм до 0.44 мм веде до збшьшення трівалосл сушiння почти у три рази. Наступний збшьшення товщина веде до ще бшьшого зростання (на два-три порядки) за-гально! трівалостi сушiння. Сила прітіскання матерiалами до контактуючо! поверхнi травні незначна Вплив на теплофiзічну суть процесса, но значний мь рою вплівае на формирование поверхнi матерiалами i его Загальну якiсть.

    Для практичних розрахунюв загально! трівалостi контактного сушшня Використовують [1] Наближення залежшсть:

    т = --- [1 + 2,3 ^ ш "], (1)

    N хи

    де: N - швідюсть сушiння в Першому перiодi,% / с; X- вiдносній коефiцiент сушшня, 1 /%; Wo 'i РК - початкова i кiнцева вологiсть матерiалами,%.

    Кiлькiсть тепла, яка получила ВВД гртачо! поверхнi в Першому перiодi процесса сушiння, вітрачаеться на випаровуваності та Втрата тепла на віпромь нювання вщкрітою поверхні матерiалами в середовище i на конвектівт Втрата. Альо цi Втрата е невелика (3 .. .5%) i ними можна знехтуваті. Отже,

    Ч = го], (2)

    де: г0 - Питома теплота пароутворення, кДж / кг; / - iнтенствнiсть віпарову-вання, кг / (м2 с).

    В условиях контактного сушшня перенесення вологих вiдбуваeться у виглядi парі (Частка перенесення волога у рщкому станi дуже мала i нею можна знехтуваті), тому розповсюдження тепла в матерiалi здшснюеться Шляхом теплопровiдностi i перенесенням парі, тобто:

    Ч + К / п, (3) ап

    де: X - коефiцieнт теплопровiдностi матерiалами, Вт / м град; &/ Ап - градieнт температури; кп - ентальпiя парі; / п - iнтенсівнiсть перенесення парі.

    З рiвняння (3) знаходімо Густиня потоку в перетин матерiалами, около до гртачо! поверхнi

    г0 / + Мг / ап

    / П -, (4)

    До

    Спiвставляння величин (4) та (Маг / ап) показуем, что потiк тепла, зумовле-ний теплопроввдтстю е значний меншим вiд загально потоку тепла (4), тобто мехатзм теплопровiдностi НЕ может Забезпечити передачу тепла в юлькосп (4) i вона здiйснюеться значний мiрою Перенесені масі парі. Таким чином, перенесення теплоти парою в середінi матерiалами е вірiшальнім в процесi контактного сушшня тонких капшярнопорістіх кологдніх матерiалiв.

    На пiдставi наведення вищє кондуктивно сушiння нельзя рекомен-дувати для Товсте матерiалiв, например, Пилопродукция. Неефективно е такоже кондуктивно на ^ мвання піломатерiалiв, Пожалуйста спостерiгаеться у вакуумному та шдукцшному способах сушшня.

    На ^ вання та сушiння матер1а.ів в електромагнiтному полi Грун-тует на явіщi поляризаці. Вологi матерiали е полярізацшно-релаксацшні-ми системами, в якіх прикладом напряжение електричного i магнiтного полiв роз-повсюджуеться НЕ Міттева, а з Деяк швідюстю, яка характеризуєте перь одом релаксації. Ця властівiсть вологих матерiалiв зумовлюе! Х нагрiвання в змiнному електрична полi (сушiння Струм високо! Частоти).

    Ввдмшною особлівiстю нагрiвання вологих матерiалiв Струм високо! частоти за умови тепло- i вологоiзоляцii поверхш тiла i рiвномiрного початкових розподшу вологовмiсту е рiвномiрне відiлення тепла по всьому об'ему волога тта за рахунок превращение електрично! Енерги в тепло. Це дае змогу отріматі дуже велику швідкiсть шдведення тепла або точнiше -отріматі Надзвичайно потужш джерела тепла, яю рiвномiрно розподiленi в середінi матерiалами. Однако, в реальних условиях процес теплообмшу матерiалами з оточуючім середовище виробляти до Утворення поля температур, Пожалуйста, в свою черга, віклікае перенесення волога, а, вiдповiдно, до Утворення полiв вологовмiсту. Вініклi поля температур i вологовмiсту в свою черга безпосе-редную вплівають на електричне поле в середіш матерiалами, Пожалуйста i зумовлюе процес нагий ^ вання волога тiла.

    На ввдмшу ВВД Звичайно способiв сушшня, для якіх перенесення волога в середіш матерiалами вiдбуваeться шд дieю градieнтiв вологовмiсту, тим-ператури i загально тиску, при сушшш в змiнному електромагнiтному полi на перенесення вологих вплівають термодінамiчнi рушшш сили, в якостi якіх Прийнято результуючi Вектори напруженостi електричного та магштно-го полiв. Волога матерiали е гетерогенність середовища, Пожалуйста складаеться iз скелету i зв'язано! Речовини в рiзних фазових станах. У таких ттах ма ють мiсце нд види поляризаці, яю характернi для нашвпроввдніюв та дiелектрі-кiв. У дiелектріку поворот діполiв та! Х коливання пiд дiею зовнiшнього електричного поля зв'язаш з відiленням тепла. Таким чином, енерпя, яка вітрачаеться на полярізащю дiелектріка, генеруеться у виглядi тепла. Если через позначіті кiлькiсть тепла, яка відшяеться в одініцi об'ему матір алу (Вт / см3), можна Записати залежшсть:

    <2У = 0,555Е, (5)

    де: Е - напружешсть зовшшнього електричного поля, в / см; / - частота електричного поля, Гц; ? - дiелектрічна проніклівiсть або дiелектрічна стала; 8 - кут дiелектрічніх Втрата.

    Нагрiвання волога матерiалами Струм високо! частоти вiдбуваеться Досить штенсівно, тому швідкiсть випаровуваності на много р ^ в перевищуе швідкiсть перенесення парі в середіш пористого тша, там вінікае градiент Загальна тиску, Який е основною рушшною силою вологоперенесення в цьом способi сушшня. Даного явіщу спріяе діфузiя ковзання в мшрокаш-лярах та ефузшне натiкання повiтря в мiкрокапiлярах, оскшькі температура в центрi матерiалами е бшьшою, нiж на его поверхш. На качана процесса висо-кочастотного сушшня температура в середіш матерiалами рiзко зростан, а потам Деяк годину трімаеться на рiвнi температури кіпiння води. Далi температура может зростаті до великих значень (300 .. .500 ° С). Тому на ^ мвання бажа-но переріваті, но з шшого боку, при вологостi матерiалами менше 15.20%, вісокочастотній генератор может не включать через вщсутшсть суцiльного електричного поля за умов низько! вологостi.

    У вісокочастотному полi вінікають значнi градiенті вологовмiсту, яю віклікають напруженного i небезпеки з'явилися внутршшх трiщін. Змiнюючі градiент температури можна досягнуть рiвномiрного розподiлу вологовмiсту в середінi матерiалами. Тому з технолопчно! точки зору Кращi результати так-ють комбiнованi Способи сушшня, что дозволяе почти вдвiчi Зменшити віт-раті електрично! енергії на процес сушшня. Альо навггь iз ЗАСТОСУВАННЯ оп-тімальніх режімiв, сушшня Струм високо! частоти для бшьшосл матір алiв е в 3.5 разiв дорожча за конвективного сушшня. Крiм того, складнiсть обслуговування обладнання, его висока вартасть, ненадiйнiсть роботи висо-кочастотніх генераторiв дають шдставі для висновкiв про передчаснiсть ві-користання даного способу сушiння піломатерiалiв.

    Радiацiйне сушшня характеризуєте передачею тепла на назви волога матерiалами i випаровуваності з него волога шфрачервонімі променя-ми. Деколи застосовують спещальш лампи, якi, крiм iнфрачервоніх, відшя-

    ють ще i відімi променi. Ламповi сушарки ма ють обмеження галузь застосу-вання,! Х Використовують тiльки у випадка, коли теплоенергетічш показна-но не ма ють iстотного значення порiвняно з трівалiстю процесса i яюстю готового продукту.

    Тепловi променi пронікають у Деревини лишь на глибінь 7 ... 10 мм. Проникнення iнфрачервоніх променiв в матерiали зменшуеться iз збiльшення довжина хвнт, тобто Зменшення температури (за формулою вшак Лтах = 2886 / Т). За основнову оптичні характеристику матерiалами пріймають коефiцiент ослаблений-ня променя - км Який визначаеться з формули Ламберта-Бугера:

    I = Ioe ~ км, (6)

    де: I - штенсівшсть променево потоку, Який заглібівся через кулю матір алу товщина - х; 10 - iнтенсівнiсть теплового потоку, Який падає на повер-хню матерiалами.

    Для розрахунку променево теплообмшу Потрiбна знаті такоже величину коефщента вiдбівання - кг, поглінання - ка, ступiнь чорноті тша - ета оптично-геометрічнi характеристики матерiалами. У бiльшостi випадкiв Радь ацiйне сушiння супроводжуеться конвективних сушшням нагрiтімі газами. Ознакою чисто радiацiйного сушiння е рiвнiсть температури поверхш матір алу гпов температурi середовища - гс. У цьом випадка для перюду постiйноi

    швідкостi сушшня (коли - = 0) можна Записати:

    ат

    г DNu '

    чь = го / = roa'p (Pnoe - Pc) = ^ - Рс), (7)

    де: Ч'- поглінутій поверхні тша променево полк; - - коефщент дифузії парі в приповерхневому шарц ар - коефiцiент радiацiйного масообмшу; N і - масообмiнній крітерш Нусельта; Рпов - Тиск парі коло поверхш матерiалами, Р = Р

    * Пов * нУ процес радiацiйного сушiння в середіш матерiалами могут форму-ватісь значш градiенті температур Лг по товщіш: в Першому перiодi сушш-ня Лг = 10 ... 20 ° С, а в іншому перiодi - Лг = 60 ... 100 ° С. Швидке збiльшення температури матерiалами пiсля критично! вологосл виробляти до трівало! ді високих температур на матерiали, что негативно позначаеться на структурно-мехашчніх властівостях, технологiчного та СПОЖИВЧИХ якости деревини. Значний Температурний градiент такоже негативно вплівае на вологопроввд-шсть, зменшуючі !! через протилежних направлешсть термовологопроввднос-тi. Все це Робить недоцшьнім радiацiйній спосiб сушiння піломатерiалiв.

    У конвективному способi сушшня тепло до поверхш матерiалами пе-редаеться Шляхом конвекцією нагрiтого середовища (рвдіні або газу). Конвектор-тивно сушшня дшять на два основнi види: конвективно-атмосферне та конвективно-теплове. Останнш вигляд деколи назівають технiчний, оскшькі воно Вимагаю! Застосування Певного обладнання.

    Основними особливо конвективно-атмосферного сушiння е ві-користання теплоти атмосферного повггря, сезоннiсть процесса та нізькi температури середовища. Процес атмосферного сушшня піломатерiалiв малок-

    вання i потребуе врахування багатьох аспекпв: впліву мiкроклiмату, со-нячно! радiацii, способу складання i розмiщення матерiалами, сили i напрямку вiтру, характеристики Пилопродукция та й призначення. Цей спомб сушiння потребуе проведення Додатковий дослвджень для создания примусових! цир-куляці та вiдповiдно мiкроклiмату, розробки нас ^ зно! технологи комбо нованіі атмосферно-камерного сушшня. Ефектівнiсть такого поеднання НЕ віклікае жодних сумнiвiв i шдтверджуеться проведення дослiдження i виробничою практикою.

    Конвективно-теплове сушшня можна підшиті на много пiдвідiв за тiею чи iншою ознакою. За видом середовища розрiзняють: сушшня в рвдін-ному або газовому середовіщц сушiння з Використання Додатковий ефек-тiв: ротацiйне (вікорістовуеться ввдцентровій ефект вiд Обертаном матір алу), вакуумний (создания вакууму з рiзнімі способами нагрiвання матір алу), адсорбцшне (использование для вісушування середовища рiзнімі адсорбентами), конденсацiйне (использование кондіцiонерiв для нагрiвання i вісушування середовища). Проаналiзуемо! Х ефектівнiсть.

    Для сушшня піломатерiалiв в рiдина, як агенти ОБРОБКИ, может вико-рістовуватісь нагргга вода, гiдрофобнi чи гiдрофiльнi рщіні. Комбiнуючі нагрiвання деревини у водiй з Наступний охолодження i сушшням на повiтрi можна для Деяк порщ досягті вологостi 15.20%. Сушiння у гiдрофобніх рiдина (масло, розплаві парафшу, сiркі, металiв) е високотемпературна штенсівнім процесом. Такi матерiали можна вікорістаті тiльки в окремий галузь (будiвництво, транспорт). Сушiння в пдрофшьніх рiдина доцiльно використовуват перед просочування матерiалiв. Сушiння піломатерiалiв в середовіщi топкових газiв НЕ дае належно! якостi. Сушiння в середовіщi пе-регрiто'i парі - високотемпературна процес, а в середовіщi парі оргашчніх Речовини е можливий, но недоцiльнім за багатьма ознакою. Тому у 95.98% віпадюв промисловим е использование, як агента сушшня, паропо-вірян! сумiшi.

    Сушiння деревини, як правило, ввдбуваеться iз змшою агрегатного стану рiдина з витратами значний! кiлькостi Енерги. Тому ротацшне зневоднен-ня дозволяе ВИДАЛИТИ вшьну (механiчного зв'язану з матерiалами) волога без витрачання Теплово! енергЦ. Однако, создание належно ЕФЕКТ вiдцентро-вих сил потребуе складного устаткування i ретельного балансування матерi-алу на платформ ^ что е складаний техшчною проблемою.Більше. Адсорбцiйне сушiн-ня в пароповггряному середовіщi вікорістовуеться в окремий випадки, коли ^ м сушшня Потрiбна ще ВИДАЛИТИ i деяю домiшкі чи аромати. Кондом-сацшне сушiння нашли бiльш Широке! Застосування через бажання отрима-ти своервдній "вiчній двигун": вiд кондіцiонера отрімуемо тепло на нагрi-вання деревини i випаровуваності з нє! Волога, а конденсащя парі (в кондиції онерi) дозволяе повернути теплоту пароутворення в сушарки. Ефектівшсть такого способу сушшня е сумшвнім, вiн потребуе доопрацювання.

    Найбшьш розрекламованім способом е вакуумні сушшня. У матір ал ^ Який розмiщення у вакуумi, створюеться позитивний градiент тиску в

    напрямку потоку волога (ВВД центральних до зовшшшх шарiв). Для тдсілен-ня цього ЕФЕКТ матерiали Потрiбна нагрiті. Використовують контактне, кон-вектівне та дiелектрічне нагрiвання деревини. Найбiльш ефективного е дь електричне нагрiвання у полi струмiв високо! частоти (вакуумно ^ електріч-ні сушшня). Такий спосiб сушiння потребуе складного i дорогого обладнан-ня, ВВД чого собiвартiсть сушiння збшьшуеться у 2-3 рази порiвняно з конвектор-тивно. Контактне нагрiвання е громiздкім i неефективно, тому застосо-яття дуже рiдко. Конвективні нагий ^ вання вікорістовуеться двох видiв: нагрiтім повір або водяною парою. Нагрiте повггря ціркулюе примусових в камерi, а тсля нагрiвання деревини вiдсмоктуеться вакуумний насос. Аналогiчно перiодічно в камеру запускаеться Насіч пара, матерiали нагрів вається до визначили! Температура, а потам створюеться вщповвдноТ Глибинне вакуум. У нагртй до температури кітння води деревінi (для дано! Глибинне вакууму) очшуеться создания надлишково тиску. Таким чином, нд три рушшш сили повиннi iнтенсівно переносіті волога до поверхнi матерiалами. Однако, очшуваного ЕФЕКТ вакуумні сушiння НЕ дае i НЕ может дати з тає! причини, что вакуумпроніклівшть деревини поперек волокон е дуже малою, повггря вiдсмоктуеться тшькі з поверхнево шарiв. Про ті, Що в центральних кулях немае вакууму, сввдчіть зростання до високих значень (300.400 ° С) температури матерiалами в процес дiелектрічного нагрiвання (температура деревини не винних зростаті вищє температури кітння води). В процес конвективного на ^ вання температура в матерiалi НЕ досяжними точки кітння (гк = 100 ° С). Таким чином, перемщення волога здiйснюеться тiльки за раху-нок градiента вологостi, Який в поверхнево кулях тдсілюеться вакуумом (перепадом тиску). Однако, це НЕ дае тдстав фiрмам, что виготовляють вакуум-умнi сушарки, стверджуваті про! Х ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ ефектівнiсть - вона фiзичних е Неможливо. Трівалiсть вакуумного сушшня лишь на 20.30% менше за трівалiсть конвективного.

    Висновки. На основi наведення вищє аналiзу ефективного рiзних способiв сушiння можна стверджуваті, что найбшьш дешевим i доступним е конвективного сушiння Пилопродукция нізькотемпературнімі режимами. Для Досягнення потрiбноi якостi сушiння необхiдно застосовуваті постшній контроль за вологiстю матерiалами i розвитку внутрiшнiх напруженного.

    Л ^ ература

    1. Ликов А. В. Теорія сушки. - М .: Енергія, 1968. - 462 с.

    2. Білей П. В. Сушіння деревини твердих листяних порід (видання друге). - М .: Екологія, 2002. - 224 с.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити