Расчет процесса сушки

Расчет на основе внутренней массопроводности частиц.

Рассмотрим процесс сушки частиц, которые имеют правильную геометрическую форму. Проводить его расчет можно на основании проведения анализа уравнений внутреннего массопереноса и теплопереноса:

(1)

Есть несколько вариантов анализа данной системы уравнений.

Вариант 1. В этом случае проводится анализ приведенной системы уравнений тепловлагопереноса с граничными условиями конвективной тепло- и массоотдачи:

.

В данном случае термоградиентный влагоперенос принимается пренебрежимо малым, а коэффициент фазового превращения во всех точках в частицах равен 1. Чтобы учесть зависимость коэффициента массопроводности от среднего содержания влаги в частице, нужно вести расчет по последовательным концентрационным зонам. На эти зоны условно разбивают диапазон изменения влагосодержания частиц от начального состояния до равновесного. В момент перехода к каждой из последующих зон с меньшим влагосодержанием полагают, что в процессе сушки в предыдущей зоне распределения температуры и влагосодержания становятся регулярными. Применение этого варианта при анализе предполагает, что известны некоторые параметры системы, а именно: коэффициенты тепло-, массо- и температуропроводности, теплообмена, а также их зависимость от средних показателей температуры и влагосодержания материала.

Вариант 2. Он более простой и основан на использовании одного уравнения массопроводности. В данном случае не применяют уравнение теплопроводности, а вместо него используют интегральную связь между средними по внутренней координате показаниями влагосодержания и температуры. Эту связь можно получить в ходе экспериментов, целью которых является изучение кинетики процессов сушки и нагрева частиц определенного материала. Здесь метод расчета с использованием концентрационных зон применяется практически так же, как и в первом случае, когда проводится анализ полной системы уравнений (1), однако вычислений становится меньше, ведь температуру частицы определяют по экспериментальной кривой. Чтобы воспользоваться вторым вариантом анализа, необходимо знать гораздо меньше исходных данных.

Вариант 3. Он аналогичен предыдущему варианту, но здесь решается только уравнение теплопроводности. Уравнение массопроводности заменяется на температурно-влажностную кривую материала. Чтобы провести расчет процесса сушки по концентрационным зонам, в этом случае нужно знать теплофизические свойства, вместо коэффициента массоотдачи и массопроводных свойств используют ту же температурно-влажностную кривую.

Особенности расчета процесса сушки в слое заключаются в необходимости учитывать изменения влагосодержания частиц материала и их температуры во времени и по высоте слоя, температуры агента сушки. Это может проводиться двумя приемами. Суть упрощенного состоит в том, что проводятся итерационные расчеты по последовательным отрезкам, на них делят весь рассчитываемый интервал сушки. Здесь параметры, которые изменяются по высоте слоя, можно принимать усредненными по всей высоте. Итерационный метод предполагает предварительное установление значений параметров агента сушки в пределах первой концентрационной зоны и дальнейший расчет времени нахождения в ней материала, уточнение параметров агента сушки, используя уравнения теплового и материального балансов, и т.д. до получения требуемой точности.

Второй прием предполагает разделение слоя материала на более тонкие слои. Кинетика процесса сушки этих слоев рассчитывается позонным последовательным итерационным методом (от нижнего слоя к верхнему). Благодаря этому приему можно получить распределения влагосодержания и температуры агента сушки и материала по высоте слоя.

Оба описанных метода расчетов процесса сушки могут совмещаться с приведенными тремя способами описания кинетики процесса тепломассопереноса внутри частиц материала. Однако нужно учесть, что для точности итерационного расчета нужно использовать вычислительную технику. Важно и то, что нужна не только температурно-влажностная кривая, но и сведения о массообменных, а также теплофизических свойствах материала.

Материал подготовлен по книге: В.Ф.Фролов. Моделирование сушки дисперсных материалов. Издательство "Химия" Ленинградское отделение, 1987 г, 208 с.