Гідродинамічні процеси при фільтраційному сушінні волокнистих матеріалів

ГІДРОДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ФІЛЬТРАЦІЙНОМУ СУШІННІ ВОЛОКНИСТИХ МАТЕРІАЛІВ

С.М. Балабан, канд.техн.наук; Я.М.Ханик, д-р.техн.наук; Ю.С. Рассказов

Впровадження у виробництво високоефективних технологій вимагає поглибленого їх вивчення і встановлення зв'язків між процесами, що їх супроводжують. До таких технологій належить фільтраційне сушіння газопроникних матеріалів. У цьому випадку за допомогою вентиляційного обладнання створюють різницю тиску з двох боків плоских матеріалів або виробів складної форми. Сушильний агент під дією різниці тисків проходить через структуру пор та капілярів об'єкта, що сушиться, віддає своє тепло, насичується вологою і виводиться з нього. Інтенсифікація сушіння досягається за рахунок багаторазового збільшення поверхні тепломасообміну, більш повного використання теплової енергії сушильного агента і заміни молекулярної дифузії вологи до поверхні матеріалу внутрішньокапілярним конвективним сушінням.

Теоретичні та експериментальні дослідження показують, що під час фільтраційного сушіння в матеріалі проходять нестаціонарні гідродинамічні та тепломасообмінні процеси. При цьому вологість матеріалу і гідравлічний опір руху сушильного агента через пори і капіляри зменшується від максимального значення на початку сушіння до мінімального значення при досягненні матеріалом рівноважної вологості .

У загальному процес фільтраційного сушіння можна розділити на три періоди. Для першого періоду характерне механічне витиснення вологи з макропор матеріалу першими порціями сушильного агента. Механічне витиснення спостерігається протягом перших 5-10 секунд сушіння і на кінетичних кривих відображається майже вертикальними кривими лініями. Сам процес механічного витиснення вологи можна подати як інтенсивне поршневе витиснення сушильним агентом певної кількості вологи, в результаті чого в повністю заповнених рідиною макрокапілярах утворюються вільні канали. Гідравлічний опір матеріалу при цьому миттєво зменшується. Але у капілярах ще міститься значна кількість вологи, що затримується як за рахунок адсорбційних сил, так і завдяки наявності тупикових капілярів з яких волога не витискується. У каналах складної форми потоки сушильного агента турбулізуються, розривають плівку вологи і у вигляді туману і дрібних крапель виносять їх із структури матеріалу. Такі процеси проходять в елементарному шарі і переміщуються у товщині матеріалу за напрямом руху сушильного агента. У мірі того як даний процес переміщується у глибину матеріалу, що сушиться, у верхніх шарах волога, що міститься у мікрокапілярах, випаровується. Але на даному етапі сушіння кількість механічно витісненої вологи значно перевищує кількість вологи, що випаровується.

Другий період фільтраційного сушіння на кінетичних кривих зображається прямими нахиленими лініями, кут нахилу яких залежить від швидкості проходження процесу сушіння. Протягом даного періоду як механічне винесення вологи, так і її випаровування відбуваються доволі інтенсивно. На початку періоду механічне винесення вологи домінує над процесом випаровування. У процесі сушіння інтенсивність механічного винесення вологи зменшується, а кількість випаруваної вологи збільшується. Спільне проходження даних процесів відбувається таким чином, що протягом всього періоду сумарна кількість видаленої вологи за одиницю часу залишається практично постійною. Тому другий період фільтраційного сушіння можна назвати періодом постійної швидкості сушіння.

Третій період фільтраційного сушіння на кінетичних кривих зображається криволінійними ділянками і називається періодом спадної швидкості сушіння. Протягом даного періоду спостерігається випаровування вологи з пор і капілярів матеріалу, що сушиться.

Для групи досліджуваних волокнистих матеріалів перший період фільтраційного сушіння продовжується від 5 до 25 секунд. При цьому вологість матеріалу зменшується від 350% - 300% до 150% - 90%.Другий період фільтраційного сушіння може продовжуватися від 300 сек. до 25 сек. При цьому вологість матеріалу зменшується до 5%. Практично для досліджуваної групи матеріалів це є рівноважна вологість. Тобто продовжувати фільтраційне сушіння в періоді спадної швидкості сушіння недоцільно.

Для одержання аналогічної залежності між біжучою вологістю матеріалу, його геометричними характеристиками і параметрами сушильного агента запропонована [1,2] модель ідеального витискання. Вона базується на диференціальних рівняннях матеріального балансу в шарі і кінетики процесу сушіння. Розв'язання таких рівнянь дозволяє отримати рівняння кінетики сушіння у вигляді

, (1)

де - біжуча вологість матеріалу, %; - кінетичні коефіцієнти;
- товщина матеріалу, м; - час сушіння, с; - зведена початкова вологість матеріалу, %.

Для дослідження залежностей між гідродинамічними параметрами запропонована модель [3]. При цьому встановлення залежності між гідродинамічними і масообмінними процесами, які відбуваються під час фільтраційного сушіння матеріалу, є складною задачею.

Відомо [4], що для організації фільтраційного сушіння важливе значення має вивчення закономірностей зміни гідравлічного опору сухих матеріалів у залежності від фіктивної швидкості фільтрації сушильного агента. Для опису цих закономірностей доцільно використовувати двочленне рівняння Форхеймера у вигляді

; (2)

де - гідравлічний опір матеріалу, Па; - числові коефіцієнти;
- в'язкість сушильного агента, Па·с; - фіктивна швидкість фільтрації сушильного агента, м/с; - питома поверхня, м²/м³;
- пористість матеріалу, м³/м³; - густина сушильного агента, кг/м³.

Встановлено, що коефіцієнти і залежать від пористості і питомої поверхні матеріалів, що піддаються сушінню.

Зі зміною пористості матеріалу змінюється його гідравлічний опір продуванню сушильного агента через структуру матеріалу. У свою чергу, пористість матеріалу залежить від його вологості. На основі результатів експериментальних досліджень встановлено, що для волокнистих матеріалів залежність між пористістю і вологістю у загальному вигляді можна записати

, (3)

де - пористість сухого матеріалу, м³/м³; - числовий коефіцієнт.

Тоді рівняння (2) набуде вигляду

. (4)

Таким чином, рівняння (1) і (4) дозволяють проводити розрахунки біжучих значень гідравлічного опору фільтрації сушильного агента через структуру матеріалу в залежності від вологості матеріалу і параметрів сушильного агента.

У таблиці 1 наведені результати визначення експериментальним шляхом величин коефіцієнтів, що використовуються у рівняннях (1) і (4) для типу волокнистих матеріалів, які досліджуються. Відомо, [5] що для даного типу матеріалів залежність між кінетичним коефіцієнтом і параметрами сушильного агента має вигляд

, (5)

де - числовий коефіцієнт; - гідравлічний опір сухого матеріалу, Па; температура сушильного агента, К; = 273 К.

Таблиця 1 - Залежність значень коефіцієнтів від пористості і питомої поверхні матеріалів із волокнистою будовою

Для одного з досліджуваних матеріалів, який характеризується пористістю = 0,797 м³/м³ і питомою поверхнею = 5803160 м²/м³, залежність = , яку можна одержати, використовуючи рівняння (1), (4) і (5), набуває вигляду

(6)

та

. (7)

Для проведення запропонованих розрахунків фільтраційного сушіння необхідні точні характеристики матеріалів, що піддаються сушінню. На жаль, така інформація в довідковій літературі відсутня. Тому авторами розроблений новий спосіб визначення об'єму порового простору і пористості матеріалів, на який одержано патент на винахід.

SUMMARY

Analyses of the hydrodynamic processes taking the filtration drying of the fibre materials is presented. The model of the liguid displace ment daring the drying, is proposed. The possibility to apply binomial eguation of the Forhemer type to calculate the current value of the hydrolic filtration resistance of the drying agent through the gas hermeable fibre material depending on the humidity and parameters of the drying agent, is proved.

список Літератури

1. Ханык Я.Н. Исследования сушки газопроницаемых материалов фильтрационным способом: Автореф. диссертация канд.техн.наук. - Киев, 1980. - 32 с.

2. Аксельруд Г.А., Ханык Я.Н., Балабан С.Н. //Химическая технология, 1986. - № 4 (148).-С.38-42.

3. Аксельруд Г.А., Ханык Я.Н., Топчий В.И. //ИФЖ. - 1986. - Т № 6. - С. 959-963.

4. Аксельруд Г.А., Ханык Я.Н., Балабан С.Н. Изд. вузов: Технология текстильной промышленности. - 1988. - № 3. - С. 84-87.

5. Балабан С.Н. Фильтрационная сушка теплоизоляционных материалов: Автореф. дис...канд.техн.наук. - Львов, 1989. - 16 с.