Цель работы: Изучить i — d диаграмму влажного воздуха, научиться определять параметры влажного воздуха, исследовать основной сушильный процесс на лабораторной установке.
Приборы и оборудование: Лабораторная установка (труба с вентилятором), цифровой вольтамперметр В7 — 27 A/I, амперметр, вольтметр, весы, датчик температуры.
Теоретический раздел.
Атмосферный воздух является смесью собственно сухого воздуха и водяных паров, поэтому может быть назван влажным воздухом. В сельскохозяйственном производстве атмосферный воздух имеет широкое применение. В воздушных холодильных установках, кондиционерах, в сушильных установках он является основным термодинамическим телом.
В двигателях внутреннего сгорания, в топочных устройствах котельных агрегатах влажный воздух является важной составной частью рабочих тел. Во всех этих случаях содержание влаги в воздухе может изменяться в самых широких пределах и это необходимо учитывать в расчетах.
Известно, что атмосферный воздух обладает ограниченной способностью поглощать влагу извне. Поэтому если при расчете сушильного устройства неправильно определить объем проходящего через него воздуха, то может получиться так, воздуха окажется недостаточно и тогда часть испаренной влаги не будет вынесена из сушилки, или если будет проходить воздух в большем объеме, чем это необходимо, то часть его пройдет неиспользованным. И то и другое экономически невыгодно.
Приведенный пример показывает необходимость знания свойств влажного воздуха и, прежде всего, его технических характеристик.
Одной из таких характеристик является влагосодержание d, под которым имеют в виду отношение массы паров воды, содержащихся во влажном воздухе, к массе сухого воздуха:
D=
, г влаги/кг сух. возд.,
Где mn — масса паров воды, г;
mb — масса сухого воздуха.
Влажный воздух можно рассматривать как смесь идеальных газов и применять к нему закон Дальтона, согласно которому:
P=Pb+Pn,
Где Р — давление влажного воздуха, Рb и Рn — парциальное давление соответственно воздуха и пара.
Записав уравнение состояния для сухого воздуха и водяного пара
PbV=mbRbТ
PnV=mn Rn T
И производя почленное деление этих двух уравнений, получим:
После подстановки значений удельной газовой постоянной для паров Rb = 287,1 Дж/кг’град Rn = 461,5 Дж/кг. град, получим
Или, учитывая определение влагосодержания,
Применяя закон Дальтона для влажного воздуха, можем записать
,
Отсюда влагосодержание
Из этого уравнения следует, что при постоянном давлении влажного воздуха Р с увеличением влагосодержания d будет расти парциальное давление пара Рn. Процесс увлажнения может происходить до тех пор, пока насыщенность воздуха влагой не достигнет максимального значения, соответствующего данному давлению влажного воздуха.
Для оценки качества влажного воздуха по степени его увлажненности вводятся две характеристики: абсолютная и относительная влажность воздуха.
Абсолютная влажность воздуха представляет собой отношение массы водяного пара к объему влажного воздуха.
Как следует из этого определения, абсолютная влажность воздуха равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха, т. е.
,
Влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, где Vвл.- объем влажного воздуха, м3.
Если не изменяя давления, воздух увлажнять, то в тот момент, когда его влагосодержание достигнет значения d, max, плотность пара, содержащегося в воздухе станет максимальной rmax.
Отношение плотности пара при заданном давлении к максимально возможной плотности его при той же температуре называется относительной влажностью:
Другими словами, относительной влажностью воздуха называется отношение действительной абсолютной влажности воздуха, к максимально возможной абсолютной влажности его при той же температуре.
Используя уравнение Клайперона — Менделеева, относительную влажность можно записать как отношение парциального давления действительных водяных паров к максимально возможному, которое зависит только от температуры, т. е.
J = P/РНасыщ.
Умножив на 100% получим величину u в % :
J = P/РНасыщ. Х 100%
Если влажный воздух охлаждать, не изменяя парциального давления водяного пара, то в некоторый момент он станет насыщенным. Температура, при которой это произойдет, называется температурой точки росы. В этот момент относительная влажность будет равна 100%.
Удельная энтальпия влажного воздуха i равна сумме удельных энтальпий сухого воздуха iв и водяного пара din.
I=iв+din
Удельная энтальпия сухого воздуха равна:
Iв=Cpt.
I — d диаграмма влажного воздуха
I — d диаграмма влажного воздуха для суммарного давления 735 мм. рт. с. составлена в 1918 году проф. Л. Рамзиным.
На i — d — диаграмме по оси ординат откладываются значения удельных энтальпий влажного воздуха, а по оси абсцисс — значения влагосодержания воздуха.
Для увеличения масштаба рабочего участка и удобного взаимного расположения линий, наносимых на i-d диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат (о чем есть памятный значок на диаграмме). Однако, чтобы удобнее было производить на диаграмме отсчеты, из начала координат проводится горизонталь, на которую спроектированы значения удельной энтальпии i. При этом линии постоянных значений влагосодержания d идут в виде прямых, параллельных оси ординат, т. е вертикально. Кроме того, на i — d — диаграмме наносятся изотермы и линии постоянных значений относительной влажности j.
Кривая постоянной относительной влажности j = 100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии — это область ненасыщенного влажного воздуха, в которой пар находится в перегретом состоянии. Линия j = 100% — область насыщенного влажного воздуха.
Если внутреннее пространство сушильной камеры изолировано от теплового воздействия внешней среды, то теплота, необходимая для испарения, может быть получена только за счет уменьшения внутренней энергии воздуха, находящегося в камере. Такой процесс сушки может рассматриваться как адиабатный. Проводя его до полного насыщения воздуха получим состояние, которое определяется температурой адиабатного насыщения.
Рассмотрим некоторые процессы в i — d диаграмме.
Подогрев. Поскольку в этом процессе влагосодержание остается постоянным, линия этого процесса должна идти вертикально вверх.
Рис. 1 i — d — диаграмма влажного воздуха
 |
Испарение. Если считать удельную энтальпию воды равной нулю, то теплота, взятая из воздуха для испарения влаги, вернется в воздух вместе с выпаренной влагой. Следовательно, процесс испарения идет до линии t=100° С. Конденсация идет по линии j = 100% от температуры t1, до температуры t2.
Нахождение точки росы. Определим по двум параметрам, например j и t состояния влажного воздуха, что определяется точкой пересечения изотермы и линии постоянной относительной влажности нужно провести вертикаль до пересечения с j= 100% и по изотерме определить температуру точки росы.
При определении параметров влажного воздуха с помощью i — d -диаграммы сначала находят точку пересечения двух параметров, а затем по линиям постоянства параметров определяют их численное значение по соответствующей шкале.
Процессы сушки широко используются в технологии с/х производства. Продукцию или материалы приходится сушить в зависимости от их назначения для разных целей, а затраты средств на сушку составляют до 10% общих производственных расходов. Сушке подвергают зерно, корма, фрукты, а также другие материалы. Для повышения теплоты сгорания твердого топлива его также подвергают сушке. Древесину подвергают сушке для увеличения прочности, предохранения от гниения. Некоторые материалы подвергаются сушке для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания.
Сушкой называют процесс удаления влаги из материала. Для этого необходимо и достаточно, чтобы парциальное давление водяных паров на поверхности материала было больше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде.
Сушка — сложный теплофизический процесс, сопровождаемый некоторым изменением свойств материала, движением влаги по капиллярам, находящейся внутри материала и скорость испарения влаги на поверхности материала или внутри его рассматриваются в зависимости от условий тепло — и массообмена и формы связи влаги с материалом.
В основу классификации формы связи с материалом в настоящее время положена схема, предложенная акад. П. А. Ребиндером. Ее особенностью является то, что при рассмотрении форм связи влаги с материалами определяющим является величина энергии связи, т. е. классификация осуществлена по свободной энергии обезвоживания. Согласно этой схеме различают в порядке уменьшения затрачиваемой энергии на разрыв три формы связи влаги с материалом: а) химическую (связь в точных количественных соотношениях); б) физико-химическую (связь в различных, не строго определенных соотношениях) и в) физико-механическую связь (удерживание воды в неопределенных соотношениях).
Графическую зависимость изменения влагосодержания материала во времени сушки принято называть Кривой сушки. Кривая сушки строится в координатах времени t — влагосодержания (влажность на сухую массу %) материала.
Характерная кривая сушки для постоянного режима сушки приведена на рис.2. В начальный период сушки (период подогрева до точки В) уменьшение влагосодержания идет медленно, кривая сушки на этом участке обращена выпуклостью вверх.
Рис.2. Кривая сушки при постоянном режиме.
В этот небольшой промежуток времени температура материала увеличивается. Этот период носит название периода прогрева материала. После периода прогрева материала влагосодержание его начинает уменьшаться по линейному закону до точки С.
Кривая сушки на участке ВС имеет вид прямой, уменьшение влагосодержания в единицу времени будет величиной постоянной. Все тепло, которое передается от теплоносителя к материалу (теплообмен в этот период постоянен), затрачивается на испарение влаги. Этот период носит название периода постоянной скорости сушки. Начиная с точки С прямолинейный участок кривой сушки переходит в криволинейный, количество отбираемой влаги в единицу времени уменьшается. Этот период носит название периода падающей скорости сушки.
Часто в практике сушки первый период (период подогрева материала) ввиду его небольшой продолжительности не упоминают, говоря, что сушка складывается из двух периодов: периода постоянной и периода падающей скорости сушки.
Влагосодержание материала, которое соответствует переходу к периоду падающей скорости сушки, называют критическим, dкр. Точка перехода от постоянной скорости сушки к падающей (точка С на рис.2) называется критической; она соответствует началу удаления из материала связанной или гигроскопической влаги.
При сушке материала его конечная влажность стремится к равновесной влажности. Теоретически равновесная влажность может быть достигнута лишь при бесконечно большой продолжительности, сушки; влажность, близкая к равновесной, достигается по истечении некоторого промежутка времени.
Кривые сушки недостаточно полно характеризуют динамику сушильного процесса. Поэтому для более качественного анализа динамики процесса строят кривые скорости сушки, которые отображают графическую зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала.
Такая кривая скорости сушки приведена на рис.2. Когда материал помещают в сушилку, скорость сушки в первый период t0 (период прогрева материала) возрастает. Далее наблюдается процесс сушки с постоянной скоростью в период t1 , после чего скорость начинает уменьшаться (период падающей скорости) и по истечении времени t2 сушка прекращается, а материал достигает равновесной влажности с теплоносителем.
На основании большого количества опытов установлено, что скорость продвижения влаги внутри материала определяется формой связи с материалом.
По кривой сушки можно судить о том, до какой конечной влажности целесообразно сушить при данных параметрах воздуха тот или иной материал и получить верное представление о необходимой длительности сушки.
Описание лабораторной установки и порядок проведения опытов:
Поток нагретого воздуха создается в аэродинамической трубе диаметром d, в центре которой помешается высушиваемый материал (1)
Воздух с помощью вентилятора (2) подается в калорифер (3), где за счет использования электроэнергии нагревается до заданной температуры. Температура измеряется термометром (4), установленном вблизи от материала. Регулирование температуры воздуха производиться с помощью лабораторного трансформатора, подающего напряжение на нихромовый нагреватель. Заданная преподавателем температура воздуха (50 или 70°) выдерживается с точностью +3°. Точно такая же температура поддерживается в сушильном шкафу, где высушивается второй материал. После установления заданной температуры предварительно взвешенные с точностью до 1 миллиграмма высушиваемые материалы помещаются на специальной подставке в аэродинамическую трубу и в сушильный шкаф. Через 10 мин. сушки материал вынимается и взвешивается снова. Взвешивание необходимо производить достаточно точно и быстро, чтобы во время пребывания их в помещении испарение влаги было минимальным. Первые 30 мин. сушки материал взвешивается через 10 мин., а затем взвешивание производится через 15 мин. пребывания материала в сушилке. Общее время сушки должно быть не менее 1,5 часа, т. е. количество взвешиваний оказывается равным около 8-10 раз.
Одновременно, через каждые 5 мин., замеряется температура воздуха в сушилках. После окончания опыта определяются размеры материала и рассчитывается его поверхность. Все данные вносятся в таблицы. По полученным значениям строятся графики зависимости интенсивности испарения Q/=F(T) От продолжительности сушки для обоих материалов.
Упрощенный вариант
Данная установка является моделью сушилки, в которой сушильным агентом служит нагретый воздух, а материалом подвергающимся сушке — хлопчатобумажная ткань, смачиваемая водой. Схема стенда показана на рис.3. Установка позволяет замерять температуру нагретого воздуха на входе сушильной камеры; мощность, потребляемую нагревателем калорифера, температуру воздуха, выходящего из нагревателя перед сушильным участком. Установка состоит из калорифера, сушильного участка, блока управления и замера, вентилятора.
Калорифер стенда представляет собой спираль, натянутую на раму и закрепленную в корпусе.
Включение электропитания калорифера осуществляется с панели управления.
Установка и регулировка температуры нагрева воздуха осуществляется ручкой реостата.
Поступающий из калорифера нагретый воздух омывает внутреннюю поверхность смоченного фитиля. В сушильной камере происходит испарение влаги. Для компенсации испаренной влаги в процессе сушки, с целью поддержания стационарного режима, фитиль опущен в сосуд с водой. Перед проведением опыта необходимо провести смачивание фитиля.
1. На установке включить выключатель "Сеть" в верхнее положение.
2. Включить блок мощности.
3. Остановить переключатель цифрового вольтметра и положение "°С" для измерения мощности.
4. Ручкой "Регулировка нагрева" установить заданную мощность, потребляемую нагревателем.
5. При установлении стационарного режима (через 5…10мин.) приступить к измерению параметров путем установления соответствующего положения переключателя температуры входящего в сушилку воздуха, температуры выходящего из калорифера воздуха, температуры, выходящего из сушилки воздуха.
Величина измеряемых параметров в цифровом виде отображается на вольтметре.
Обработка опытов. Требование к отчету.
После снятия параметров t1- температура воздуха в комнате; j1 — относительная влажность воздуха в комнате; t2 — температура после калорифера перед сушильным материалом, t3 — температура воздуха на выходе из сушильной трубы (после фитиля), т. к. на первом участке нет прихода и ухода — влаги, то условием нагрева воздуха является равенство влагосодержания на входе d1, и после калорифера d2:
D1=d2
Если считать, что нет потерь тепла через стенки сушилки, других потерь, а в процессе сушки на втором участке испаренная влага попадает вновь в сушильный агент-воздух, то в идеальном случае пренебрегая потерями тепла, условием собственно сушки можно считать равенство полной энергии воздуха (энтальпии) перед сушильным участком и после него:
I2=i3
В отчете должны содержаться: название, цель работы, описание установки и используемые приборы, кратко порядок проведения опыта, снятые опытные данные; схема обработки опытных данных в i — d диаграмме, найденные значения параметров воздуха в точках, определяющих значения его в трех точках — окружающий воздух, после калорифера и после сушилки, расчетные значения количества подведенного к 1 кг воздуха тепла q и количество влаги, унесенной 1 кг воздуха. Dm.
Количество подведенной теплоты равно разности энтальпии (полной энергии) до и после калорифера
Q=i2-i1
Количество влаги, унесенное 1кг воздуха, определится разностью влагосодержаний до и после сушильного участка:
Dm = d3 – d2
Далее в отчеты должны быть сделаны выводы по полученным результатам анализ качества лабораторной установки.
Вопросы для проверки подготовки к выполнению лабораторной работы.
Где используются в сельскохозяйственном производстве и технологиях влажный воздух?
Что такое влагосодержание воздуха? Размерность параметра.
Что такое абсолютная влажность воздуха?
Что такое относительная влажность воздуха?
Что такое точка росы?
Для какого рабочего тела построена профессором л. Рамзиным i-d диаграмма?
Какие параметры и как могут быть найдены для любой точки состояния воздуха?
Что такое сушка?
Какой сушильный процесс сушки называют основным сушильным процессом?
Какие периоды выделяют в процессе сушки?
Из каких элементов состоит лабораторная установка?
Зачем после включения установку необходимо прогреть в течение 10-15 мин?
Как изображаются процессы нагрева воздуха и, собственно, сушки материала?
Как прочитать в i-d диаграмме значение материалов точек 1,2 и 3 процесса?
Как найти количество тепла, подведенное к 1 кг воздуха и влаги, унесенной 1 кг воздуха?
Литература:
1. Нащекин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высшая школа, 1980.
2. Драганов Б. Х. и др. Теплотехника и применение теплоты в с/х. М. Агропромиздат, 1990.
3. Мальтри В. и др. Сушильные установки с/х назначения, М., Машиностроение, 1979.
4. Захаров А. А. Практикум по применению теплоты в сельском хозяйстве. М.,Агропромиздат,1985.