Тепловой баланс конвективной сушки. Удельный расход теплоты. Тепловой КПД.

Уравнение теплового баланса процесса конвек-тивной сушки составим для наиболее простой схемы сушильной установки – для так называемого нормального сушильного варианта, в который входит калорифер (К) и сушильный аппарат (С), последовательно проходимые сушильным агентом (рис. 10.5). В калорифере сушильный агент (чаще – воздух атмосферных параметров) получает теплоту (Q _кал) от какого-либо источника теплоты, например от греющего пара.

Уравнение теплового баланса непрерывного процесса сушки составляется для всей установки в целом (контур, представленный на рис. 10.5 пунктиром), для чего приравниваются все входящие в установку количества теплоты (левая часть равенства (10.11)) всем выходящим количествам теплоты (правая часть равенства):

где G _тр – масса поступающих в сушилку и выходящих из нее в единицу времени транспортных средств, на которых влажный материал перемещается внутри аппарата (вагонетки, ленточный транспортер и т. п.), кг/с; J _{тр. н} и J _{тр. к}– энтальпии транспортных средств на входе и выходе из сушильного аппарата, Дж/кг; Q _доп – теплота, которая может дополнительно вводиться непосредственно в сушильном аппарате, Вт; Q _пот – потери теплоты в окружающую среду, Вт; J _н и J _к – энтальпии материала на входе и выходе из аппарата, Дж/(кг мат.); I ₀ и I ₂ – энтальпии сушильного агента на входе в калорифер и на выходе из сушилки, Дж/(кг сух. вх);  – расход сушильного агента, кг сух. вх/с.

Уравнение теплового баланса (10.11) обычно решается относительно количества теплоты, которое необходимо подводить к сушильному агенту в калорифере Q _кал:

Из соотношения (10.12) следует, что теплота, которая должна быть подведена к сушильному агенту в калорифере, расходуется на повышение энтальпии сушильного агента от I ₀ до I ₂, на нагрев материала, на нагрев возможных транспортных средств, на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Теплота Q _доп уменьшает необходимое количество вводимой в калорифере основной теплоты Q _кал.

Обычно при конвективной сушке основным по величине является первое слагаемое уравнения теплового баланса (10.12), которое в неявной форме содержит теплоту, расходуемую на испарение влаги из высушиваемого материала. Тогда, обозначая всю группу оставшихся слагаемых символом , соотношение (10.12) можно переписать в компактном виде:

С другой стороны, можно записать тепловой баланс отдельно для калорифера; при этом сделаем предположение о том, что с наружной поверхности калорифера не происходит потерь теплоты в окружающую среду (такое предположение основано на том обстоятельстве, что наружная поверхность хорошо теплоизолированных калориферов обычно много меньше наружной поверхности сушильного аппарата и поэтому потери теплоты Q _пот с поверхности всей установки можно отнести к поверхности только одной сушилки). Тогда подводимая в калорифере теплота полностью расходуется на повышение энтальпии сушильного агента:

Правые части соотношений (10.13) и (10.14) оказываются, таким образом, равными:

Из выражения  = G _к J _к – G _н J _н + G _тр(J _{тр. к} – J _{тр. н}) + Q _пот – Q _доп следует, что вполне реальной может оказаться такая ситуация, когда дополнительно подводимая непосредственно в сушилку теплота Q _доп компенсирует затраты теплоты на нагревание материала, на нагревание транспортных средств и на потери теплоты в окружающую среду. Здесь следует еще иметь в виду, что первое и второе слагаемые в выражении для  могут быть близкими по значению, поскольку увеличение энтальпии нагретого высушенного материала (J _к J _н) частично компенсируется убылью общей массы высушенного материала (G _к G _н). Кроме того, транспортные средства во многих сушильных аппаратах отсутствуют (см. далее).

Сушильный аппарат, для которого можно принять  = 0, называется теоретической сушилкой. Для такого аппарата из равенства (10.15) следует I ₂ = I ₁, т. е. в теоретической сушилке энтальпия сушильного агента не изменяется.

На первый взгляд, это кажется не очень понятным, поскольку температура сушильного агента при прохождении им сушильного аппарата уменьшается, а значения энтальпии и воздуха, и пара пропорциональны температуре (см. соотношение (10.3)). Но одновременно с понижением температуры происходит увеличение количества водяных паров (x), приходящихся на 1 кг сухого воздуха, что и компенсирует понижение температуры сушильного агента, сохраняя постоянным значение энтальпии влажного сушильного агента, которая относится к одному килограмму сухой основы воздуха. Иными словами, в теоретической сушилке теплота, отдаваемая сушильным агентом влажному материалу, возвращается в сушильный агент в том же количестве с теплотой испаренной влаги.

При анализе сушильных процессов широко используется понятие удельного расхода теплоты (q), затрачиваемой на испарение одного килограмма влаги из материала, т. е. q = Q _кал/ W. Подставляя в это определяющее равенство выражение для Q _кал из общего равенства (10.13), получим

где l = L / W – удельный расход сушильного агента (см. соотношение (10.10)),  = / W – удельные затраты теплоты на нагревание материала, транспортных средств и на компенсацию теплопотерь, отнесенные к 1 кг испаряемой из материала влаги, Дж/(кг исп. вл.) (для теоретической сушилки  = 0).

При анализе сушильных процессов широко используется понятие удельного расхода теплоты (q), затрачиваемой на испарение одного килограмма влаги из материала, т. е. q = Q кал/ W. Подставляя в это определяющее равенство выражение для Q кал из общего равенства (10.13),

получим

q = Q кал/ W = L (I 2 – I 1)/ W + Δ/ W = l (I 2 – I 1) + δ

где l = L / W – удельный расход сушильного агента, Δ=δ/ W – удельные затраты теплоты на нагревание материала, транспортных средств и на компенсацию теплопотерь, отнесенные к 1 кг испаряемой из материала влаги, Дж/(кг исп. вл.) (для теоретической сушилки Δ = 0). Значение удельного расхода теплоты q характеризует экономичность конкретного процесса сушки. Однако при термической сушке существует физический минимум, ниже которого значение удельного расхода теплоты быть не может. Это связано с величиной удельной теплоты испарения (r, Дж/кг) влаги, удаляемой из материала, поскольку при термической сушке удаляемую влагу как минимум необходимо перевес-

ти из состояния жидкой фазы в фазу паровую. Показателем экономичности процесса термической сушки является термический коэффициент полезного действия (КПД):η = r/q, где удельный расход теплоты на сушку q превышает удельную теплоту испарения влаги r на величину затрат теплоты на нагревание материала, транспортных средств, на потери теплоты с поверхности сушилки в ок-

ружающую среду и на теплоту, теряемую с отходящим из сушилки сушильным агентом. Для теоретической сушилки (Δ = δ = 0) неравенство q > r (т. е. η < 1) также сохраняется за счет отвода теплоты из сушилки с отходящим сушильным агентом, имеющим температуру t 2 > t 0. Более того, чаще всего в процессах конвективной сушки основные потери теплоты – это потери с отходящим сушильным агентом.

29.Изображение основных вариантов сушильных процессов на диаграмме I - X.

1.Нормальный сушильный вариант (теоретическая сушка). 1-калорифер; 2-сушилка.

2.Сушка с рециркуляцией воздуха. Часть воздуха из сушки подадим до 1. .

Снижение температуры.>

 – уравнение описывающее прямую через 3 точки => не лежат на изотерме, они разные. 3.Сушка с промежуточным подогревом воздуха (вместо 1 мощного калорифера поставим 1 калорифер и ещё 2- всего 3).