Зерносушение — Внутренний тепло - и влагоперенос

Внутренний тепло - и влагоперенос

В процессе сушки в материале создаются градиенты температуры и влагосодержания, под действием которых происходит перенос теплоты и влаги.

Плотность теплового потока определяется известным уравнением Фурье:

(3.2.1)

где               q - плотность теплового потока;

λ- теплопроводность;

- градиент температуры.

Перемещение влаги в материале в процессе сушки происходит под воздействием потенциала переноса. Потенциал переноса влаги является параметром, аналогичным температуре при переносе теплоты.

Механизм внутреннего влагопереноса обусловливается формой связи влаги. Так, при переносе адсорбционно связанной влаги, потенциалом переноса является парциальное давление пара. Капиллярная влага может перемещаться в виде жидкости или в виде пара. В первом случае потенциалом переноса является капиллярный потенциал, во втором - парциальное давление пара. При переносе осмотически удержанной влаги в виде жидкости потенциалом переноса является осмотическое давление.

При интенсивной сушке резко возрастает объем пара, образующегося внутри зерна, что может создать градиент общего давления внутри материала. Потенциалом переноса в этом случаи будет являться общее давление внутри материала.

По аналогии с основным законом переноса теплоты основной закон влагопереноса может быть записан в следующем виде:

 

(3.2.2.)

где     - плотность потока влаги, т.е. количество влаги, переносимое в единицу времени через единицу изопотенциальной поверхности,  кг/(м2 ч );

- градиент потенциала переноса влаги, ед. потенц./м;

λm - влагопроводность материала, кг/(м . ч . ед.потенц.);

λm - аналогичен коэффициенту теплопроводности в  уравнении  Фурье.

Градиент потенциала переноса влаги , аналогичный градиенту давления пара, или градиенту капилярного потенциала, или градиенту осмотического давления.

При изотермических условиях потенциала переноса влаги принимают линейно зависящим от влагосодержания u, т.е.

(3.2.3.)

где   – средняя удельная влагоемкость материала кг  влаги / (кг сухого вещества ед.потенц.)

Удельная влагоемкость материала характеризует его влагоаккумулирующую способность. Она определяется количеством влаги, которое необходимо сообщить при данной температуре единице массы абсолютного сухого вещества, чтобы повысить на единицу его потенциал влагопереноса.

Исходя из уравнения, зависимость между градиентом потенциала переноса и градиентом влагосодержания можно представить в следующем виде:

 

(3.2.4.)

где    u - влагосодержание материала, Кг/кг;

- средняя удельная влагоемкость в интервале потенциала

от 0 до   θm, кг/(кг. ед.потенц. ).

С учетом уравнения 3.2.4. , уравнение влагопереноса  3.2.2.может быть записано в следующем виде:

,                                 (3.2.5.)

 

где        ρо - плотность абсолютного сухого тела;

- градиент влагосодержания, кг вл/(кг с.в.м.).

Коэффициент пропорциональности аm называют коэффициентом

диффузии влаги, имея в виду все виды переноса (не только диффузионный):

(3.2.6.)

Коэффициент аm аналогичен коэффициенту температуропроводности а:

(3.2.7.)

Коэффициент диффузии влаги характеризует влагоинтерционные свойства материала, оказывающее наибольшее влияние на интенсивность внутреннего влагопереноса. Знание этого коэффициента необходимо для изучения явлений, происходящих при сушки материала, а также для научного обоснования ,рациональных режимов сушки.

Коэффициент диффузии влаги зависит от влажности и температуры материала. Характер зависимости от влажности обусловливается формой связи влаги в материале.

На рисунке 3.2.4. представлена зависимость коэффициента диффузии влаги в зерне пшеницы от влагосодержания. Видно, что коэффициент диффузии влаги изменяется по сложной зависимости, что обусловлено той формой связи влаги, удаление которой преобладает на данном этапе процесса.


 

Рис. 3.2.4. Зависимость коэффициента диффузии влаги пшеницы от влагосодержания.

Сушка зерна - типичный неизотермический процесс. Прогрев зерна обусловливает появления в нем не только градиента влажности, но и градиента температуры. Влага внутри зерна перемещается не только под действием градиента влажности, но и благодаря градиенту температуры. Перемещение влаги под действием температурного градиента называют термовлагопроводностью или термодиффузией. Термовлагопроводность является причиной перемещения влаги по направлению потока тепла.

При конвективной сушке зерна возникающий градиент температуры вызывает поток влаги от поверхности зерна к его центру, то есть противоположенный потоку влаги, вызванному градиентом влагосодержания. Термовлагопроводность в этом случае препятствуют продвижению влаги внутри зерна к его поверхности.

При охлаждении зерна направления потоков влагопроводности и термовлагопроводности совпадают.

Выражение для термического потока влаги q можно представить в виде:

(3.2.8.)

где      -  называется коэффициентом    термовлагопроводности.

Суммарный поток влаги:

(3.2.8.)

 

где     -  плотность потока влагопроводности, кг/(м2.ч);

- плотность потока термовлагопроводности, кг/(м2.ч);

-  градиент температуры, град/м;

- ермоградиентный  коэффициент или коэффициент термовлагопроводности материала, кг вл./(кг с.вещ.град).

Термоградиентный коэффициент характеризует интенсивность влагопереноса под действием  градиентатемпературы и показывает, какой перепад влагосодержащий создается при перепаде температуры, равном 1.

Интенсивность внутреннего переноса влаги может быть повышена за  счет уменьшения тормозящего влияния термовлагопроводности (созданием условий изотермического влагопероноса), или за счет увеличения потока влагопроводности путем повышения  градиента влагосодержания и увеличения коэффициента диффузии влаги. Однако, при увеличении градиента влагосодержания сверх допустимого предела происходит ухудшение качества зерна. Поэтому, предпочтительно интенсификацию процесса сушки обеспечивать за счет увеличения коэффициента диффузии влаги путем предварительного нагрева зерна.

Еще полезные статьи: