Чтение онлайн

Пример 3. Определить относительную влажность воздуха, точку росы и парциальное давление водяного пара при t = 90°С и влагосодержании d = 0,07 кг/кг сухого воздуха.

Рис. 2.3. Схема решений примеров по диаграмме h-d для воздуха: а—к примеру 2, б—к примеру 3.

Решение. По диаграмме h-d (Рис. 2.2) находим точку пересечения изотермы t = 90 оС с линией постоянного влагосодержания d = 0,07 кг/кг сухого воздуха. Этой точке соответствует относительная влажность воздуха = 15% и точка росы tр= 47 оС. Схема решения дана на Рис. 2.3, б. Затем по диаграмме h-d (Рис. 2.2) находим точку пересечения влагосодержания d = 0,07 кг/кг с линией парциального давления водяного пара и по шкале справа находим парциальное давление пара рп = 75 мм рт.ст. Расчет парциального давления водяного пара по уравнению (2.15) при общем давлении Р = 745 мм рт. ст. дает близкий результат:

При конвективной сушке сушильный агент – воздух предварительно нагревается в калорифере от температуры t0 до температуры t1, необходимой для сушки (Рис. 2.4, а). Соответствующие значения энтальпии составят h0 и h1. При этом влагосодержание воздуха d остается постоянным, а относительная влажность – уменьшается. На диаграмме h-d этот процесс изображается вертикальным отрезком АВ (от точки А к точке В). Расход тепла в калорифере:

где L – расход сухого воздуха.

Процесс охлаждения воздуха на диаграмме также изображается вертикально, но в противоположном направлении. Если охлаждение воздуха идет до температуры насыщения tн, линия идет вниз до пересечения с линией =100% (отрезок ВС). Точка пересечения линий d = const и == 100% (точка С на Рис. 2.4, а) характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения при d = const (точка росы). Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы tр. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температуры tп) приводит к конденсации из него части влаги и соответственно – к уменьшению его влагосодержания от d0 до dп. На диаграмме процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает с линией = 100% (кривая СЕ).

После нагрева воздуха в калорифере (линия АВ, Рис. 2.4, а) он поступает в сушилку. Если влага из материала будет испаряться только за счет тепла, передаваемого материалу воздухом, и отсутствуют теплопотери или дополнительный нагрев в сушилке (политропная сушка), то энтальпия воздуха после сушки h2 будет равна его энтальпии перед сушкой h1, так как все тепло, отданное воздухом на испарение влаги, возвращается обратно в воздух с удаляющимися из материала парами (адиабатическая сушка). Одновременно в сушилке понижается температура, увеличиваются влагосодержание и относительная влажность воздуха. Такой процесс носит название теоретического процесса сушки (h2 = h1 = h = const, линия ВD на Рис. 2.4, а).

Рис. 2.4 Изменение состояний воздуха на h-d диаграмме:

а – при нагреве (АВ) охлажденнии (ВАСЕ) и сушке (ВD)

б – линии сушки: адиабатическая (ВD), с теплопотерями (ВD'') и с подводом тепла в сушилке (ВD').

Для сушильной практики большое значение имеет понятие о теоретическом процессе адиабатического испарения в системе поверхность испарения – воздух. В этом процессе воздух только испаряет, но не нагревает влагу. Непосредственно над поверхностью испарения воды (а в равной степени и над поверхностью влажного материала в начальный период сушки) образуется слой насыщенного пара ( = 100%), находящегося в равновесии с водой. Температура влаги при этом имеет постоянное значение, равное температуре мокрого термометра tм. Данная температура в процессе испарения не меняется, в то время как температура воздуха по мере его насыщения все время понижается, приближаясь в пределе к температуре мокрого термометра tм (при = 100%). Эту температуру, которую примет воздух в конце процесса насыщения, называют также температурой адиабатического насыщения. Поступающая в воздух испаренная влага W вносит в него некоторое количество тепла W•c•tм, поэтому адиабатический процесс охлаждения воздуха в этом случае происходит с повышением его энтальпии (h2>h1). С учетом расхода сухого воздуха L на испарение получим:

или

где с – теплоемкость воды.

Величина W/L – отражает увеличение влагосодержания воздуха в процессе его адиабатического охлаждения, оно равно (dм– d1), где dм—влагосодержание воздуха при его полном насыщении влагой при температуре мокрого термометра tм. Тогда при d1= 0 (уравнение оси ординат) получим

Уравнение (2.19) служит для нанесения на h-d диаграмму линий адиабатического насыщения воздуха.

Если, например, из точки М (см. Рис. 2.4, а) провести линию h1 = h2 = соnst до пересечения с осью ординат и отложить от точки пересечения R в масштабе, выбранном для энтальпий, отрезок RS, равный dм•с•tм , то полученная точка S и будет искомой, а прямая SМ будет линией адиабатического насыщения воздуха. Эту линию иногда называют также линией постоянной температуры мокрого термометра (tм = соnst) потому, что мокрый термометр, помещенный в воздух, насыщение которого происходит по линии адиабатического насыщения, будет показывать постоянную температуру tм. На h-d диаграммах для воздуха часто наносят пунктиром линии tм = соnst (см. на Рис. 2.4, а и приложение).

Приборы, состоящие из сухого и мокрого термометров (психрометры), широко используются в сушильной практике. Значение tм определяют с помощью термометра, нижний конец которого обернут влажной тканью («мокрый» термометр). Для получения надежных данных приток тепла излучением к нему должен быть минимален (экранирование при скорости воздуха около 5 м/с). По разности показаний «сухого» термометра (температура которого равна температуре воздуха tв) и мокрого термометра tм, пользуясь h-d диаграммой находят относительную влажность воздуха и другие его параметры (влагосодержание, энтальпия и парциальное давление водяного пара). Для этого по изотерме для температуры tм находят ее пересечение с линией = 100% (Рис.2.4, а). Далее двигаясь по линии постоянной температуры мокрого термометра (tм = соnst) доходят до пересечения с изотермой для температуры сухого термометра tв. В точке пересечения находят искомое значение и другие параметры.

Для более точного определения характеристик воздуха необходимо ввести поправку А на скорость движения воздуха u, м/с (обычно u>0,5 м/с) в месте установки психрометра [1] по уравнению:

С учетом этой поправки парциальное давление водяного пара в движущемся воздухе находится как

где рн’– давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра; В – барометрическое давление, атм.

На Рис. 2.4, б показаны варианты процесса сушки от температуры t1 на входе до температуры t2 на выходе из сушилки. Линия ВD соответствует процессу в теоретической сушилке (h = соnst). Линии действительной сушки проходят либо выше нее ВD’, с повышением энтальпии (при подводе дополнительного тепла в сушилку), либо ниже ВD” с понижением энтальпии (при наличии теплопотерь в окружающую среду, на нагрев материала, на нагрев транспортных устройств). По линии теоретической сушки (адиабатического насыщения воздуха влагой) на h-d диаграмме для воздуха происходит изменение его параметров (температуры, влагосодержания и относительной влажности) за счет адиабатического испарения свободной поверхностной влаги в начальный первый период сушки.

Разность между температурой воздуха (сухого термометра) tс и температурой мокрого термометра tм, характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала и носит название потенциала (движущей силы) сушки :

Потенциал сушки характеризует скорость испарения влаги из материала, которая зависит от состояния воздуха и температуры процесса, т. е. определяется совместным влияниям тепло- и массообмена. Когда воздух полностью насыщается влагой (tв = tм), потенциал становится равным нулю, и сушка прекращается.