Džiovinimo technologija ir būdai

3499 0

Turinys

Įvadas 2

I. Džiovinimo technologija 3

II.Džiovinimo būdai 6

2.1 Konvekcinis džiovinimas 6

2.2 Radiacinis – konvekcinis džiovinimas 8

2.3 Konduktyvinis džiovinimas 10

2.4 Džiovinimas elektromagnetiniame lauke 11

2.5 Sublimacinis džiovinimas 12

Išvada 14Įvadas

Drėgnų kūnų džiovinimo procesas yra ne tik termo-fizinis bet ir technologinis procesas, kuriam vykstant pagrindinį vaidmenį atlieka drėgmės ryšys su kūnu. Džiovinimo teorijos pagrindas yra šilumos ir drėgmės pernešimas drėgnuose kūnuose vykstant mainams su įkaitintomis dujomis, su karštais paviršiais ir taip pat spinduliuojant infraraudonaisiais spinduliais ir elektromagnetinėmis bangomis.

Džiovinimo teorija yra viena iš pagrindinių šilumos- ir masių mainų mokslo dalis. Vienok drėgnų medžiagų džiovinimo procesas gali būti vienu metu ir teechnologinis procesas, kurio metu keičiasi struktūrinės-mechaninės, technologinės ir biocheminės medžiagos savybės. Šių savybių pasikeitimas apibūdinamas – džiovinimo proceso metu surištos drėgmės formos pasikeitimu su kūnu ir jos dalelių pašalinimo garinimo būdu. Todėl džiovinimo teorija apibūdina ne tik šilumą ir masės pernešimą kapiliariniuose kūnuose, bet ir mokslą apie drėgmės sąryšį su drėgnais kūnais, eilę pagrindinių fizocheminės mechanikos ir kai kuriuos biochemijos principus. Visą drėgnų medžiagų įvairovę, reikalaujančių džiovinimo, galima išskirstyti į tris tipus: kapiliaroporinius, koloidinius ir koloidinius-kapiliaporinius kūnus. Šių kūnų džiovinimo procesas bei meechanizmas turi specifinius privalumus, todėl aprašant džiovinimo kinetiką atskirai nagrinėjamas kapiliaroporinių ir koloidinių kūnų džiovinimas. Dabartiniu metu džiovinimo proceso technologija neatsiejamai susijusi su pagrindinėmis šilumos ir drėgmės pernešimo mokslais. Šios žinios suteikia galimybę nustatyti optimalų džiovinimo rėžimą konkrečiam kūnui. Nors op

ptimalaus rėžimo realizacija kuriant konkrečius džiovinimo įrenginius reikalauja detalaus tyrimo termodinamikos srityje.I. Džiovinimo technologija

Drėgnų kūnų džiovinimas yra ne tik termotechninis bet ir technologinis procesas kurio metu keičiasi technologinės medžiagos savybės. Teisingai organizuotas džiovinimo procesas neblogina technologinių savybių, o atvirkščiai jas žymiai pagerina. Pavyzdžiui, grūdų džiovinimas esant optimaliam rėžimui iššaukia didesnę grūdų dygimo energiją. Teisingai išdžiovinti grūdai pakelia derlingumą lyginant su grūdais išdžiovintais ore įprastinėmis sąlygomis.

Džiovinant keraminius dirbinius, pavyzdžiui plytas, padidėja jų tamprumas kas yra būtina tolesniam terminiam apdorojimui. Todėl yra būtina plytą išdžiovinti tokiu būdu kad ji neturėtų įtrūkimų ir kitų struktūros defektų. Tokiu būdu, džiovinimo proceso sekoje pagerėja jos struktūrinės-mechaninės charakteristikos.

Sausų plokščių gamyboje džiovinimo procesas suderinamas su padėklų klijavimo procesu su pagrindine gipso mase. Tam reikalingas toks džžiovinimo rėžimas, kada drėgmės pernešimas į gipso masę turi vykti drėgmės pavidale, o vėliau – garų pavidale. Tai apibūdinama tokiomis aplinkybėmis, kad klijuojančios medžiagos ištirpintos vandenyje liktų gipso masėje. Džiovinimo procese būtina suderinti klijuojančios medžiagos sąlytį su gipso mase. Tik drėgmės pernešimas skysčio pavidalu gipso masėje leidžia įgyvendinti tvirto suklijavimo procesą su pagrindine mase.

Galima surasti keletą tokių pavyzdžių. Visais atvejais optimalus džiovinimo rėžimas turi būti nustatomas technologinėmis medžiagos savybėmis. Džiovinimo technologija yra pagrindinis faktorius parenkant džiovinimo metodą. Technologinės medžiagos savybės plačiausiu supratimu pr
riklauso nuo absorbuojamos medžiagos tipo ir formos.

Pagrindinis daugumos medžiagų, greito džiovinimo trūkumas – jų trūkinėjimas. Įtrūkimų atsiradimo priežastis yra greitas tūrio padidėjimas aukščiau leistinos normos. Šie įtempimai atsiranda dėl nevienodo drėgmės ir temperatūros išsidėstymo medžiagoje. Ši tempimo būklė susiformuoja esant neleistinam medžiagos nusėdimui, kuris savo ruožtu atsiranda dėl netolygaus drėgmės ir temperatūros išsidėstymo medžiagoje. Drėgno kūno nusėdimas, esant tolygiam drėgmės ir temperatūros išsidėstymui yra fizinė kūno savybė. Kai kurie tyrinėtojai laiko, kad nusėdimo deformacijos įvyksta įtempimų relaksacijos rezultate kapiliarinėse sistemose. Tada kyla klausimas apie gamtos jėgas, iššaukiančias įtempimus. Tokios jėgos yra kapiliarinės jėgos. Tokių paviršinių įtempimo jėgų suma priverčia kūną sutrukinėti.

Drėgnų kūnų mechaninių struktūrinių savybių tyrinėjimas vykdomas, kad būtų galima nustatyti fizinių – cheminių džiovinimo procesų kitimą, kurie nusprendžia galutinės produkcijos kokybę. Šie tyrinėjimai vykdomi dviem metodais:

1. studijuojant kreives, kuriose atsispindi paviršinių jėgų įtempimo kitimas su poslinkio kampo kitimu;

2. studijuojant kinetinės deformacijos kreives.

Struktūrinių – mechaninių savybių tyrinėjimai turi būti kiek galima suvienodinami su džiovinimo sąlygomis. Paskutiniai reikalavimai apibūdinami tomis aplinkybėmis labiausiai priklauso nuo apkrovos greičio, kuris atskirais atvejais kinta keletą kartų.

Džiovinimo įtaiso konstrukcija ir džiovinimo metodas apibūdinamas optimaliu džiovinimo režimu konkrečiai duotai medžiagai. Atsižvelgiant į konkrečią medžiagą negalima spręsti apie geriausius džiovinimo metodus (džiovinimas įkaitintomis dujomis, infraraudonaisiais spinduliais ir t.t.) ir taip pat apie džiovyklos konstrukciją ir
r tipą (pneumo – dujinė džiovykla, būgninė džiovykla ir t.t.). Tai kas gerai vienai medžiagai, dažnai pasirodo visai netinkama kitai medžiagai. Kai kuriuos apibūdinimus galima padaryti drėgmės sąsajos su medžiaga pagrindu. Visas drėgnas medžiagas galima išskirstyti į tris pagrindines grupes: kapiliaro – porinės, koloidinės ir kapiliaro – porinės, koloidinės. Metodai, o taip pat ir vieno medžiagų tipo džiovinimo režimai esant vienodai kūnų formai ir dispersijai yra vieni kitiems panašūs. Esant tokiam optimalaus kūnų džiovinimo aparato konstrukcijos pasirinkimui, galima su .mažiausiais nuostoliais parinkti racionaliausią džiovinimo aparato schemą. Žinoma, duoto kūno optimaliausias džiovinimo režimas parenkamas daug išsamesniais tyrinėjimais apie šilumos ir drėgmės pernešimą medžiagos viduje. Didelę reikšmę džiovinimo režimo parinkimui turi teisingas dėsnių taikymas šilumos ir drėgmės pernešime. Drėgmės pernešimas vyksta tokiais fizikiniais reiškiniais: drėgmės absorbcijos (izoterminė difuzija), garinimo, adsorbcijos, konvekcinės difuzijos, terminės difuzijos ir t.t..

Tokiu atveju, sunkus drėgmės judėjimas skysčio pavidalu suintensyvina kūno vidinį garavimą. Tik protingas šios drėgmės garinimo teorijos panaudojimas leidžia pagerinti džiovinamos medžiagos kokybę reguliuojant būtent vidinį išgarinimą. Dar džiovinimo teorija suteikia galimybes inžinieriui – technologui kiek galima racionaliau suderinti džiovinimo režimus be sudėtingų analitinių bei šilumos – masės pokyčių skaičiavimų. Visa tai sutaupo laiko, išteklių ir t.t. Taisyklingas džiovinimo teorijos panaudojimas džiovinimo įrenginiuose leidžia ne tik suintensyvinti džiovinimo procesą, bet ir sukurti na
aujus greito džiovinimo būdus.

Būtina dar kartą pabrėžti, kad pagrinde džiovinimo proceso intensyvinimas pirmiausiai remiasi technologinėmis pačios medžiagos savybėmis ir termoenergetiniais procesais vykstančiais džiovinimo eigoje.II.Džiovinimo būdai

2.1 Konvekcinis džiovinimas

Daugeliu atvejų drėgnų medžiagų džiovinimas vykdomas įkaitintom dujom, oru, inertinėmis dujomis ir t.t. Konvekcinio džiovinimo džiovyklose vykstantys procesai yra susiję su dujų ir jose ištirpusių vandens garų pernešimu. Džiovinimo įrenginiuose džiovinimo režimas keičiasi laiko bėgyje, jis vyksta su pertraukomis. Griežta kinetikos džiovinimo procese analizė, esant tokiomis sąlygomis yra labai sudėtinga. Kad išskirti pagrindines kinetikos džiovinimo proceso principus, pradžioje apžvelgiame režimą esant pastoviam džiovinimui. Kada drėgno oro temperatūra tc,drėgnumas  ir judėjimo greitis v išlieka pastovūs viso džiovinimo proceso metu. Kaip jau buvo minėta, džiovinimas yra kompleksinis procesas, kurio metu tarpusavyje surišti termotechniniai ir technologiniai mokslai. Džiovinimo mokslo kinetika pasireiškia termo ir drėgmės mainais tarp kūno paviršiaus ir jį supančios aplinkos bei tarp kūno paviršiaus ir kūno centro. Prie to būtina pažymėti, kad drėgnos medžiagos yra kapiliaro poriniai koloidiniai kūnai. Medžiagos, reikalaujančios džiovinimo turi pačias įvairiausias drėgmės surišimo formas. Jeigu pagrindinė drėgmės dalis surišta osmosiškai, tai tokia medžiaga savo savybėmis panaši į koloidinius kūnus ir jų džiovinimo proceso reikalavimai panašūs į koloidinių kūnų reikalavimus. Todėl, kad nereiktų peržiūrinėti daugumos medžiagų džiovinimo procesus, apsiribojame dviem tipiniais kūnais: kapiliaro porinių kūnu (kvarco smėlis) ir koloidiniu kūnu (želatinos), o taip pat kai kuriais atvejais ir kapiliaro – poriniais koloidiniais kūnais (mediena, oda ir t.t.). Šių džiovinimo procesų savitumas leidžia pritaikyti džiovinimą ir kitiems kūnams. Džiovinimo procesas įkaitintomis dujomis charakterizuojamas trim parametrais: dujų temperatūra tc, jų drėgme  ir judėjimo greičiu v. Nuo šių parametrų priklauso ne tik džiovinimo eiga, bet ir išdžiovintos medžiagos kokybė. Todėl privalu surasti tokį džiovinimo proceso režimą, kad esant minimalioms išlaidoms ir laikui, gautume kuo geresnę džiovinamo kūno kokybę.

Džiovinimo greičiui turi įtakos ne tik oro judėjimo greitis, bet ir jo kryptis apipučiant džiovinamą medžiagą. Atliekant bandymus buvo išsiaiškinta, kad oro srauto kryptis turi didelę įtaką tik pirmame džiovinimo periode, o džiovinimo pabaigoje beveik neturi reikšmės.

Pagrindiniai džiovinimo proceso kinematinės charakteristikos yra džiovinimo temperatūros koeficientas B ir džiovinimo koeficientas K. temperatūrinis džiovinimo koeficientas yra drėgmės surišimo funkcija ir išreiškiama empirinėmis formulėmis (1 kn. 2 sk.). Džiovinimo koeficientas išskaičiuojamas pagal pirmojo džiovinimo periodo greitį N ir lyginamąjį džiovinimo koeficientą , kuris gali būti išskaičiuotas iš pradinio drėgmės surišimo ūo (=1,8/ūo). Temperatūrinis džiovinimo koeficientas B gali būti išskaičiuotas pagal Ko ir Rb kriterijus. Rb kriterijus nustatomas pagal empirines formules, nors jis pagrinde priklauso nuo kūno drėgmės sąryšio. Drėgno kūno temperatūrinis imlumas tiesiškai priklauso nuo drėgmės surišimo:

čia:

co ir csk – santykiniai šilumos imlumai absoliučiai sauso ir drėgno kūnams (csk=1).

Kai kurių medžiagų gamyboje naudojama drėgnų medžiagų įkaitinimas prisotintais arba perkaitintais vandens garais, kurie savo ruožtu atlieka ir džiovinimo funkciją. Judanti drėgmės mainų jėga išgarinanti drėgmę į orą laikoma parcialinių slėgių skirtumu tarp kūno vidaus ir išorės. Galima įrodyti, kad molinių molekulinių masių mainai kūno paviršiuje bendru atveju apibūdinami cheminio potencialo ir bendro slėgio gradientais. Pirmasis gradientas charakterizuoja pagrinde molekulinę, o antrasis molinę proceso sudėtis.

Susikondensavusios drėgmės kiekį ant medžiagos paviršiaus galima išreikšti termo perdavimo formulėmis. Pagal šias formules skaičiavo O.Л. Данилов ir gavo neblogą sutapimą su eksperimentiniais duomenimis.

čia:

p – periodo trukmė.

Wo – pradinė drėgmė, proc.

Bendru atveju efektyvumas ir ekonomiškumas naudojant šį džiovinimo būdą turi išsi.skirti ne tik temo ekonominiais rodikliais, bet ir ,pirmiausia, džiovinamos medžiagos technologinėmis savybėmis.2.2 Radiacinis – konvekcinis džiovinimas

Drėgnų medžiagų džiovinimą, kuriam esant šiluma reikalinga drėgmės išgarinimui ir medžiagos įšildymui perduodama spinduline energija. Toks džiovinimo būdas vadinamas radiaciniu arba infraraudonųjų spindulių džiovinimu. Kartais išskiriamas džiovinimas subinfraraudonaisiais spinduliais jei spindulių skleidimo generatoriai yra lempos, kurios be infraraudonųjų spindulių skleidžia ir matomus spindulius. Šiuo atveju džiovinimas infraraudonaisiais spinduliais vyks naudojant tokį infraraudonųjų spindulių generatorių, kurio šviesinė temperatūra yra žemesnė nei regimųjų spindulių. Dažnai džiovinimas termine arba šilumine radiacija toliau seka džiovinimu įkaitintomis dujomis, todėl daugeliu atvejų plačiai paplitęs radiacinis – konvekcinis džiovinimas. Džiovinimas subinfraraudonaisiais spinduliais turi naudojimo ribą, kur termoenergetiniai rodikliai neturi apsprendžiančios reikšmės lyginant su džiovinimo laiku ir produkto kokybe. Įvairių medžiagų džiovinimo patyrimas ir praktika rodo, kad gamybinę reikšmę gali turėti kombinuotas džiovinimas infraraudonaisiais spinduliais ir įkaitintomis dujomis, kur generatoriaus vaidmenį atlieka ekranai įkaitinti virš 500 – 600 oC. Tyrinėjimų apie infraraudonųjų spindulių įsiskverbimo į kai kuriuos kūnus rezultate buvo išsiaiškinta, kad praleidžiamų spindulių kiekis priklauso nuo spinduliuotuvo bangos ilgio maksimumo. Spinduliuotuvo bangos ilgio maksimumas išreiškiamas pagal Vino poslinkio dėsnio formulę:

čia:

T – spinduliuotuvo skleidžiama temperatūra, K

Pagrindinės optinės charakteristikos rodiklis yra spindulio silpnėjimo koeficientas k, kuris nustatomas iš Lamberto formulės:

čia:

I – spindulių srauto intensyvumas, praėjusio per kūno storį x;

Io – spindulių srauto intensyvumas kritęs ant kūno paviršiaus.

Dar tikslesniems skaičiavimams reikia žinoti atspindžio, slopinimo koeficientus ir kūno juodumo laipsnį.

Esant radiaciniam – konvekciniam džiovinimui diferencinė šilumos pernešimo kryptis ryškiai keičiasi įvedant šilumos šaltinį surištą su šilumos spindulių sugėrimu. Šio džiovinimo būdo metu temperatūrinis gradientas kūno viduje pasiekia aukštas reikšmes, t.y. 20 – 50oC/cm eilės. Todėl džiovinant infararudonaisiais spinduliais drėgmės terminė difuzija proceso pradžioje atlieka dominuojantį vaidmenį lyginant su koncentracine difuzija. Visa tai vyksta dėl to, kad temperatūrinis laukas išsiskirsto greičiau lyginant su drėgmės surišimo lauku. Džiovinimo proceso metu temperatūros gradiento t kryptis ir drėgmės sąryšio gradiento kryptis kūno viduje yra priešingos. Tuomet drėgmė veikiama temperatūrinio gradiento stengiasi prasiskverbti į kūno vidų, o veikiant drėgmės sąryšio gradientui – iš kūno vidaus į atvirą paviršių. Proceso pradžioje iš karto atsiranda temperatūros kritimas, ir tuo metu drėgmės sąryšio pokyčiai būna nedideli. Viso to rezultate drėgmė, veikiama temperatūros kitimo, pasiduoda temperatūros slinkimui kūno viduje. Kartu vyksta ir drėgmės garavimas nuo kūno paviršiaus kas padidina drėgmės sąryšio gradientą. Tada drėgmė pradeda judėti atvirkščia kryptimi iš gilesnių medžiagos sluoksnių į paviršių.

Kartais greiti temperatūros kilimai priveda medžiagą prie ribinių drėgmės garavimo sąlygų, kas gali pakeisti medžiagos technologines savybes. Todėl iš čia atsiranda būtinybė švitinti kūną su pertraukomis, kurių metu kūnas atšaldomas oru. Spinduliavimo periodu metu kūnas įkaista iki žymaus drėgmės išgaravimo paviršiniuose sluoksniuose, o antrojo periodo metu, kūno paviršių apipučiant šaltu oru, drėgmė garinama iš vidinių sluoksnių į paviršių. Tai vyksta dėka kūne sukauptos vidinės energijos. Esant tokiam džiovinimo metodui, procesas vyksta esant mažam drėgmės surišimo gradientui ir taip yra išvengiama kūno trūkinėjimų ir r

. . .

2.5 Subliumacinis džiovinimas

Kai kurias medžiagas būtina džiovinti esant žemai temperatūrai, nes nedideli jos pokyčiai gali stipriai pabloginti jų technologines savybes. Džiovinimas esant žemom temperatūrom ir atmosferiniam slėgiui vyksta labai lėtai. Todėl proceso džiovinimo intensyvinimo tikslu tokioms termiškai nepastovioms medžiagoms taikomas vakuuminis džiovinimas. Slėgio sumažėjimas stipriai padidina garavimo intensyvumą, dėka masių mainų koeficientų padidėjimo, kuris atvirkščiai proporcingas slėgiui. Kadangi vakuuminis džiovinimas vyksta hermetiškai uždarame aparate, todėl šilumos perdavimo korekcija nedidelė. Kad išlaikyti žymų džiovinimo vakuume intensyvumą, šiluma būtina drėgmės išgarinimui paduodama džiovinamai medžiagai terminiu laidumu nuo įkaitinto paviršiaus dėka (kontaktinis džiovinimas) arba radiaciniu metodu nuo įkaitintų ekranų (džiovinimas infraraudonais.iais spinduliais). Tokiu būdu vakuuminis džiovinimas pagal šilumos perdavimo būdą medžiagai yra kontaktinis džiovinimas arba džiovinimas infraraudonaisiais spinduliais vakuumo sąlygose. Tokių sąlygų pagrindinius šilumos ir drėgmės mainus galima aprašyti formule: (žr. 1kn. – 335psl.). Garai, atsiradę garinant drėgmę medžiagoje, kartu su džiovinimo kameros pratekančiu oru pašalinami vakuuminiu siurbliu. Patirtis parodė, kad esant kapiliaro porinių kūnų užšalimui, pastebimas ryškus temperatūrinis gradientas. Esant sublimaciniam džiovinimui vakuume susiformuoja specifiniai temperatūros ir masės mainai tarp kūno ir jį supančios aplinkos. Šilumos ir masės mainų mechanizmas pirmiausiai išsiskiria vakuumo dydžiu. Priklausomai nuo išsikrovimo lygio, išskiriami surištasis, molekulinis – surištasis ir molekulinis režimai garų mišinyje. Šie režimai nustatomi dėka laisvo molekulių kelio ilgio l ir medžiagos storio d. jeigu santykis l/d<4,6.10-3 tai bus surištasis režimas. Molekulinis – surištasis režimas atitinka kai 4,6.10-3 1,5 – režimas molekulinis.

Bendru atveju sublimacijos intensyvumas priklauso nuo sekančių režimo parametrų:

1. Medžiagos temperatūros;

2. Kondensatoriaus temperatūros;

3. Dujų mišinio temperatūros ir slėgio;

Drėgnų medžiagų sublimacinio džiovinimo proceso kinetika išsiskiria šilumos ir drėgmės pernešimo mechanizmu ne tik medžiagos paviršiuje, bet ir jos viduje. Pagrindiniai technologiniai reikalavimai gaunant kuo geresnę produkto kokybę yra išsaugoti pradines produkto savybes: spalvą, kvapą, skonį, formą ir t.t. Esant džiovinimo įprastiems metodams, sauso produkto kokybė gali pablogėti dėl fizocheminės ir biologinės įtakos.

Paskutiniu metu sublimacinio džiovinimo procesas išanalizuotas nepakankamai, todėl pagrindiniai technologiniai parametrai (džiovinimo laikas, medžiagos temperatūra) nustatomi dėka laboratorinių tyrimų. Šie tyrimai išreiškia kinetine džiovinimo kreivių pagalba (temperatūros, drėgmės sąryšio ir slėgio kitimas kameroje laiko bėgyje).

Žiūrint iš produkto kokybės gavimo pusės, šis džiovinimo metodas yra tobulas. Didžiausias šio džiovinimo technikos uždavinys yra sukurti kuo racionalesnes šio džiovinimo aparato konstrukcijas.Išvada

Priklausomai kokios yra džiovinamos medžiagos cheminės, fizinės ir biologinės savybės, yra parenkamas tų kūnų džiovinimo būdas. Dar džiovinimo būdas ir pats džiovinimas priklauso nuo medžiagoje esančios surištosios drėgmės ir temperatūrinių savybių. Be džiovinimo būdo dar yra svarbu parinkti džiovinimo technologiją ir jos režimus. Taip pat reikia atsižvelgti į ekonominius kiekvieno naudojamo proceso rodiklius. Šiame referate aš paminėjau konvekcinį, radiacinį, konduktyvinį, sublimacinį ir džiovinimą elektromagnetinėmis bangomis būdus. Kiekvienas šių būdų yra pritaikomas skirtingų kūnų džiovinimui ir kiekvienas jų yra savitai tobulas.

Join the Conversation

×
×