Теория сушки

В книге подробно излагаются статика, кинетика и динамика процесса Сушки влажных материалов (коллоидных капиллярнопористых тел) при разных способах подвода тепла (конвекцией, теплопроводностью, тепловым излучением и при воздействии переменного электромагнитного поля). Перенос тепла и влаги рассматривается на основе современной теории тепло- и массо- обмена, термодинамики необратимых процессов и учения о формах связи влага с влажными материалами. Основной задачей теории сушки является разработка методов расчета длительности сушки, расхода тепла на испарение и нагрев материала, а также методов определения оптимального режима сушки с учетом изменения технологических и структурно-механических свойств влажного материала в процессе его сушки. Книга является учебным пособием для студентов теплотехнических и химико-технологических специальностей высших учебных заведений. «.. ПРЕДИСЛОВИЕ Процесс сушки влажных материалов является не только теплофизическим, но и технологическим процессом, в характере протекания которого решающую роль играет форма связи влаги с материалом. Основой теории сушки являются закономерности переноса тепла и влаги во влажных материалах при взаимодействии их с нагретыми газами, с горячими поверхностями, а также в процессах облучения тепловыми и электромагнитными волнами при наличии фазовых превращений. Теория сушки является важным разделом науки о тепло- и массообмене. Однако процесс сушки влажных материалов является одновременно и технологическим процессом, при котором меняются структурно-механические, технологические и биохимические свойства материала. Изменение этих свойств обусловлено тем обстоятельством, что в процессе сушки происходит изменение форм связи влаги с материалом и ее частичное удаление путем испарения. Поэтому теория сушки включает в себя не только разделы тепло- и массопереноса в капиллярнопористых телах, но и учение о формах связи влаги с влажными материалами, ряд основных разделов физико-химической механики и некоторые разделы технологии и биохимии. Все многообразие влажных материалов, подвергаемых сушке, можно примерно разделить на три вида: капиллярнопористые тела, коллоидные тела и коллоидные капиллярнопористые тела. Процесс сушки этих материалов, механизм тепло- и влагопереноса имеют свои специфические особенности, и поэтому при описании кинетики сушки мы отдельно рассматриваем сушку капиллярнопористых тел и сушку коллоидных тел. Основные положения кинетики процесса сушки были впервые сформулированы русскими учеными: П. С. Коссовичем и А. В. Лебедевым применительно к испарению влаги из почвы. Ими было установлено, что механизм перемещения влаги внутри почвы определяется формой связи влаги с влажными дисперсными материалами, а процесс сушки имеет свою периодичность. В дальнейшем эти положения успешно развивались Ю. Л. Кавказовым, Г. К. Филоненко, И. М. Федоровым, Ф. Е. Калясевым, Я. М. Миниовичем и др. Примерно в 30-х годах американскими учеными У. К. Льюисом и Т. К.Шервудом был применен аппарат классической теории диффузии для описания переноса влаги внутри материала в процессе сушки. Затем Т. К. Шервудом была выдвинута гипотеза углубления поверхности испарения внутрь материала в процессе сушки. Автором этой книги в 1932 году для анализа кинетики процесса сушки были предложены температурные кривые, на основе которых установлены основные закономерности механизма сушки и, в частности, разработана теория углубления зоны испарения. Следующим важным этапом развития теория сушки является установление в 1933—1935 гг. явления термодиффузии влаги (термо- влагопроводность), что совместно с концентрационной диффузией послужило основой для создания системы дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса в капиллярнопористых телах. Эта система дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса находится в полном согласии с основными положениями термодинамики необратимых процессов, где процессы переноса тепла и массы рассматриваются в их неразрывной связи. Источники влаги и тепла учитываются при помощи критерия фазовых превращений. Были установлены основные числа и критерии подобия кинетики процесса суШки. На протяжении более чем 35 лет теория углубления поверхности испарения получила полное экспериментальное подтверждение. Последними работами удалось установить взаимосвязь между скоростью углубления зоны испарения и критерием фазовых превращений. Таким образом, теория сушки получила свое окончательное завершение. Система уравнений тепло- и влагопереноса была решена для разнообразных условий взаимодействия капиллярнопористых тел с окружающей средой и в настоящее время представляет собой аналитическую теорию взаимосвязанного тепло- и массопереноса. В теории сушки широко используются методы теории обобщенных переменных (теории подобия), созданных в Советском Союзе А. А. Гухманом и М. В. Кирпичевым. Исследования А. А. Гухмана в области кинетики сушки являются одновременно и дальнейшим развитием теории обобщенных переменных. В области технологии сушки основное значение приобретает наука о формах связи влаги с материалом, созданная акад. П. А. Ре-биндером и его учениками. Большое значение в технологии сушки имеет физико-химическая механика, которая также развивается школой акад. П. А. Ребиндера. Развитие эти разделы получили в работах С. М. Липатова, Ю. Л. Кавказова, Г. А. Максимова и других ученых. В настоящее время технология процесса сушки неразрывно связана с основными закономерностями тепло- и влагопереноса в капиллярнопористых телах. Совокупность знаний по тепло- и влагопереносу, физико-химической механике и учению о формах связи влаги с влажными материалами дает возможность определить оптимальный режим сушки конкретного материала. Однако реализация оптимального режима при создании конкретных сушильных устройств требует детальных исследований в области термодинамики влажного воздуха, теплопередачи при горении топлив и ряда разделов строительной техники. Достаточно надежный метод расчета сушильных устройств был создан выдающимся русским ученым проф. Л. К. Рамзиным, которым впервые в 1918 г. была предложена диаграмма влажного воздуха. Несмотря на дальнейшее развитие методов расчета, основные исходные положения, разработанные Л. К. Рамзиным, до сих .пор остаются неизменными. Большие исследования как в области расчета сушильных устройств, так и конструирования сушильных установок были проведены сотрудниками сушильной лаборатории Всесоюзного теплотехнического института А. П. Ворошиловым, Н. М. Михайловым, М. Ю. Лурье, И. М. Федоровым и др. Некоторые уточнения в методике расчета сушильных устройств при сушке влажных материалов в гигроскопической области были сделаны проф. Гомареном (Франция), И. В. Кречетовым (СССР) и Щ. Эндрени (Венгрия). Большой вклад в развитие теории сушки внесли работы советских ученых П. Д. Лебедева, М. В. Лыкова, Ю. А. Михайлова, А. Г. Темкина, М. Ф. Казанского, Б. М. Смоль-ского П. Г. Романкова, А. С. Гинзбурга, В. В. Красникова и др. Предлагаемая читателю книга является вторым изданием учебного пособия «Теория сушки», вышедшего в 1950 г. и почти полностью переработанного. В методическом отношении она построена таким образом, что первые четыре главы, посвященные основным разделам теории сушки, являются самостоятельным разделом. Это — учение о формах связи влаги с материалом и их тензиметрический анализ (гл. 1 «Статика процесса сушки»), кинетика процесса сушки (гл. 2), динамика процесса сушки (гл. 3). Глава 4 посвящена основным сведениям из технологии сушки. Остальные главы (5—9) посвящены различным методам сушки — конвективная сушка, кондуктивная сушка, радиационно-конвектив-ная сушка,сушка в электромагнитном поле и сублимационная сушка. В гл. 10 рассматриваются основные закономерности тепло- и влагопереноса в коллоидных капиллярнопористых телах и их взаимодействие с нагретым газом (внешний тепло- и влагообмен). Книга является учебным пособием для студентов теплотехнических специальностей вузов, она отражает в кратком изложении современное состояние теории сушки, включая итог более чем 37-летней деятельности автора и его учеников в области теории сушки, разработки оптимальных режимов и создания новых методов сушки. Автор будет считать цель достигнутой, если этот труд обеспечит студентам возможность изучить теорию сушки, а инженерам-технологам на производстве поможет наметить оптимальные режимы и реализовать их в соответствующих сушильных устройствах. Автор