干燥原理--5.15.2干燥速率.pptVIP

1,1,第五章 干燥原理,西安建筑科技大学粉体工程研究所 李 辉,2,2,提 纲,概 述 干燥静力学 干燥速率和干燥过程 干燥技术,3,第5章 干燥原理,5.1 概述,4,5,处理工业固体废弃物的高压辊式立磨,在磨细的过程中完成对湿物料的干燥。,6,6,材料行业以对流干燥为主，下图为对流干燥示意图：,干空气将热量传给湿物料；湿物料中的水分受热汽化进入空气。,7,5.2 干燥静力学,5.2.1 湿空气的性质,5.2.1.1 干空气与湿空气,完全不含水蒸汽的空气称为绝干空气（简称干空气）。,湿空气是指含有水蒸气的空气,是干空气和水蒸气的混合物。,特点：湿空气中水蒸气分压通常很低（0.0030.004MPa）,可视为理想气体。湿空气是理想气体的混合物，遵循理想气体状态方程。,道尔顿（Dalton）分压定律 ：,湿空气中的水蒸气通常处于过热状态，干空气与过热水蒸气组成的湿空气称为未饱和空气。,当水蒸气的分压达到对应温度下的饱和压力，水蒸气达到饱和状态。由干空气与饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。,8,5.2.1.2 湿空气中水蒸气的量,5.2 干燥静力学,表示方式有三种：绝对湿度、相对湿度和湿含量。,（1）绝对湿度,单位体积湿空气所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，用v表示。,根据理想气体状态方程：,对于饱和空气：,水在大气压下的饱和蒸汽压仅是温度的单值函数。,在0100范围及标准大气压下,说明：绝对湿度仅表示湿空气中水蒸气的质量的多少，不能完全说明空气干燥能力。,9,5.2 干燥静力学,（2）相对湿度,相对湿度是指湿空气的绝对湿度v与相同温度下可能的最大绝对湿度（即饱和空气的绝对湿度）sv的比值，用 表示。,相对湿度 与干燥能力的关系,10,5.2 干燥静力学,（3）含湿量,空气的含湿量是指1kg干空气所携带的水蒸气质量（又称为比湿度），以d表示。,（kg水蒸气/kg干空气）,根据理想气体状态方程，有：,11,5.2.1.3 湿空气的温度参数,5.2 干燥静力学,（1）干球温度,干球温度即是湿空气的实际温度，也就是通常用普通温度计（干球温度计）测量得到的空气温度。简称为空气温度。,（2）湿球温度,在普通温度计外包裹湿纱布，湿纱布的一端浸入水中，使得纱布保持湿润，这种温度计称为湿球温度计。在平衡状态下，湿球温度计测出的空气温度称为湿球温度，用tw表示。,由干球温度计和湿球温度计组合成的温度计称为干湿球温度计。,在平衡状态下，空气向湿纱布传递的热量恰好等于湿纱布表面水分汽化所需热量。即：,湿球温度不是湿空气的状态参数,12,5.2 干燥静力学,（3）绝热饱和温度,绝热饱和过程,以1kg干空气为基准，热量平衡关系如下：,湿空气的状态参数,系统由一个装有足够多水的绝热长管道组成，在管道内水的温度等于管道出口空气达到的饱和状态下(绝热饱和)的温度情况下，此时管道出口的饱和空气温度称为绝热饱和温度，以 表示。,13,5.2 干燥静力学,（4）露点,当未饱和湿空气中水蒸气分压或含湿量不变时，湿空气冷却到饱和状态（ =100）的温度称为露点，用td表示。,分析：湿空气在露点温度下处于饱和状态，其含湿量保持不变。,（kg水蒸气/kg干空气）,湿空气的状态参数,14,14,5.2.1.4 湿空气的密度,5.2 干燥静力学,湿空气的密度,湿空气的密度表示单位体积湿空气的质量，用表示,kg/m3。它也表示湿空气中空气的质量浓度与水蒸气的质量浓度之和，即：,15,5.2.1.5 湿空气的比热和焓,5.2 干燥静力学,（1）湿空气的比热,湿空气的比热是指1kg干空气及其所携带的dkg水蒸气升高或降低单位温度所吸收或释放的热量，用cw表示, kJ/(kg干空气) 。,cw=ca+dcv,0120,cw1.01+1.88d (0120oC),（2）湿空气的焓,湿空气的焓是以1kg干空气为基准，是指1kg干空气焓与其所携带的dkg水蒸气的焓值之和，用h 表示，kJ/kg干空气 。,以0时的干空气和饱和水为焓基准点,0120,h acat1.01t,16,湿空气的所有状态参数均可由两个独立的参数通过解析法确定。工程上常见的湿度图有温度-湿度图（t-d图）和焓-湿图（hd图）。,5.2 干燥静力学,空气-水系统的t-d图（100kPa）,17,17,湿空气的h-d图,1. h-d图的组成 等湿含量线(等d线) 等焓线(等h线) 等干球温度线(等t线) 等相对湿度线(等线) 等湿球温度线(等tw线) 水蒸汽分压线(等pv线),h-d图的组成,d,Pv,h2,h1,h,18,18,例：在容积为50m3的空间中，空气温度为30，相对湿度为60%，大气压强p =101.3kPa。求湿空气的露点、含湿量、干空气的质量、水蒸气质量和湿空气的焓值。,5.2 干燥静力学,解：由饱和水蒸气表5.1查得，t=30时，psv= 4.243 KPa，所以,pv=psv=0.64.243 =2.546kPa,反查饱和水蒸气表，可得 td =21.25,干空气分压：,干空气质量：,水蒸气质量：,湿空气的焓：,=（1.01+1.880.016）30+25010.016 = 71.05 kJ/（kg干空气）,19,19,例：在一个标准大气压下(101.325kPa),由干湿球温度计测得空气的干球温度和湿球温度分别为30和20。求湿空气的d、h、pv、pa。,tas20；,asw2453kJ/kg；,dasdw0.0147 kg水蒸气/kg干空气， Cw1.01+1.88d,d0.0105,温度为30时,39.6,56.99kJ/（kg干空气）,水蒸气分压,干空气分压,kPa,kPa,【解】：由表5-1中查得，20和30时饱和水蒸气分压分别为psv1=2.338kPa和psv2=4.243kPa，由附录查得20时水的汽化潜热w=2453kJ/kg，20时饱和湿空气的湿含量为,kg水蒸气/kg干空气,kg水蒸气/kg干空气,30时空气的焓,20,20,5.2.2 湿空气状态的变化过程,5.2 干燥静力学,5.2.2.1 加热和冷却过程,空气的加热过程,根据稳定流动能量方程，加热和冷却过程中的吸热量和放热量分别等于过程中的湿空气焓增加值和减小值。,d1 d,h,h2,h1,21,21,5.2.2.2 加湿和去湿过程,5.2 干燥静力学,热空气的加湿过程,无外加热源的物料干燥过程可以看作是绝热加湿过程。绝热加湿过程中，湿空气的焓保持不变，而相对湿度和湿含量均增加，湿空气温度降低。各状态参数之间的具体关系,绝热去湿过程各状态参数的大小关系与上式相反。,注意：在外界有热量交换的加湿或去湿过程中，焓值将增加或减小。各参数在加湿或去湿过程中的计算可以根据过程特点及状态参数之间的关系确定。,d1 d2,22,22,5.2 干燥静力学,5.2.2.3 绝热混合过程,在混合时，气流与外界的热交换量很少，此过程可视为绝热过程。,忽略混合过程中微小的压力变化，设,混合前： 、d1、h1和 、d2、 h2，,混合后： 、d3、h 3,空气质量守恒,湿空气中水蒸气质量守恒,能量守恒,两股气流的混合,23,23,干燥过程,5.2 干燥静力学,干燥过程包括湿空气的加热过程和绝热吸湿过程。,例:已知空气t1=30、pv1=2.938kPa，将该空气送入加热器进行加热后，t2=60，然后送入干燥器中作为干燥介质。空气流出干燥器时的温度t3=35。求空气在加热器中吸收的热量和1kg干空气所吸收的水分。大气压强P=0.1MPa。,解：从饱和水蒸气表中可知，当t1=30，psv1= 4.243kPa；t2=60， psv2=19.916kPa；t3=35，psv3=5.6231kPa,相对湿度1,湿含量1,焓1,24,24,5.2 干燥静力学,加热过程：d2=d1=0.0188kg水蒸气/kg干空气，,空气在加热器所吸收的热量：q= h2h1=31.19 kJ/kg干空气。,在干燥器中的吸湿过程中焓不变：h2=h3=109.4kJ/kg干空气。,干燥过程中吸收水分：,d= d3d2=0.02890.0188=0.0101 kg水蒸气/kg干空气,相对湿度2,湿含量2,焓2,焓3,湿含量3,25,25,5.2 干燥静力学,h,h2,26,26,5.2.3 水分在气-固两相间的平衡,5.2.3.1 结合水与非结合水,能否用干燥方法,化学结合水,物理化学结合水,5.2.3.2 平衡水分和自由水分,物料中所含水分,除水的难易,结合水,非结合水,湿物料中水分,平衡水分,自由水分,（1）平衡水分,平衡含水量是物料在一定空气状态下被干燥的极限。,比较物料的含水量（X）与平衡含水量（X*）的大小可判断过程进行的方向。,5.2 干燥静力学,难,易,能,不能,27,27,（2）自由含水量,物料中所含大于平衡含水量的那一部分含水量，即可在一定空气状态下用干燥方法去除的水分称为自由含水量，其大小为（XX*）。,利用平衡含水量曲线可确定物料中 结合含水量与非结合含水量的大小， 判断水分去除的难易程度。,物料的平衡含水量 曲线,5.2 干燥静力学,X X*,干燥不再进行,XX*,干燥进行,28,5.3 干燥速率和干燥过程,5.3.1 恒定干燥条件下的干燥速率,5.3.1.1 干燥动力学实验,恒定干燥条件下物料的干燥曲线,实验中记录每一个时间间隔内物料质量的变化及物料的表面温度，直到湿物料的质量恒定，这时物料中含水量为该条件下的平衡含水量。根据实验数据绘出物料含水量与物料表面温度、干燥时间的关系曲线。,29,5.3 干燥速率和干燥过程,5.3.1.2 干燥速率曲线,恒定干燥条件下的干燥速率曲线,干燥曲线,干燥速率曲线,干燥过程,30,（1）恒速干燥阶段,5.3 干燥速率和干燥过程,分析：物料内部的水分能及时扩散到表面，物料整个表面都有充分的非结合水。,对流传热速率：,恒定干燥条件下物料的干燥曲线,31,5.3 干燥速率和干燥过程,（2）降速干燥阶段,分析：第一降速阶段，物料内部水分向表面扩散的速率已小于物料表面水分的汽化速率，实际汽化面积减小，干燥速率下降。第二降速阶段，水分的汽化面由物料表面移向内部，使传热和传质途径加长，造成干燥速率下降。,水分在多孔物料中的分布,恒定干燥条件下物料的干燥曲线,32,5.3 干燥速率和干燥过程,（3）临界含水量,恒速干燥阶段与降速干燥阶段的分界点称为临界点，相应的物料平均含水量为临界含水量（Xc）。,临界含水量的影响因素：物料的性质、厚度以及恒速阶段干燥速率。,对于粘土制品，在制品水分沿厚度方向按抛物线分布时，临界水分可表示为：,分析：物料的平均临界含水量Xc总是大于其最大吸湿量Xm，随着物料厚度的增加和干燥速度的提高，Xc值加大；在干燥过程中和D的增大，则使Xc下降。Xc值越大，干燥中产生的内应力越大。,33,5.3.2 影响干燥速率的因素,5.3 干燥速率和干燥过程,5.3.2.1 恒速干燥阶段,在恒速干燥阶段，Le=1，Nu=Sh，即有a=D,影响干燥速率的主要因素：, 空气流速,条件：绝热且空气流动方向与物料表面平行,34,条件：空气垂直穿过物料颗粒堆积层时，设物料颗粒直径为dp ，则：,5.3 干燥速率和干燥过程,j, 空气中的含湿量,空气温度不变，空气的含湿量降低，传质推动力（dw-d）将增大，干燥速率增加。, 空气温度,(4) 空气与物料接触方式,35,5.3.2.2 降速干燥阶段,5.3 干燥速率和干燥过程,水分在物料内部扩散的机制主要有液体扩散理论和毛细管理论。,在降速阶段的前期，水分的移动靠毛细管作用力，而在后期，水分移动是以扩散方式进行的。,物料内部的传质采用稳态Fick定律：,在非等温度条件下，存在热湿传导，又称为Luikov效应，在不可逆热力学中将这种由温差引起的质量传递现象称为Soret效应。,物料中水分在压力梯度作用下所产生的质量扩散通量jAp可表示为：,36,5.3 干燥速率和干燥过程,根据物料中各种传递过程的耦合分析有：,对沿X方向上的一维干燥过程，内扩散速率可用下式表示：,对厚度为的平板制品进行两面对称干燥时，湿扩散速率：,37,5.3 干燥速率和干燥过程,5.3.3 间歇干燥过程的干燥时间计算,5.3.3.1 恒速干燥阶段,若物料在干燥前的含水量（X1）大于临界含水量（XC），忽略物料的预热阶段，恒速干燥阶段的干燥时间(1)可通过下式进行计算。,已知：常压下将干球温度t=30、湿球温度tw=20的空气预热到70后送入间歇式干燥器，空气以6m/s的速度流过物料表面。干燥单位面积的干物料量为23.5kg/m2，物料的临界含水量 Xc=0.21kg/（kg干料）。 求：（1）恒速干燥阶段的干燥速率；（2）将物料含水量从X1=0.45kg/（kg干料）减少到X2=0.24kg/（kg干料）所需要的干燥时间。,38,38,5.3 干燥速率和干燥过程,解：(1) 查附录得 t w=20时，水的汽化潜热 =2453kJ/kg，得 t w=70时，Psv=4.243kPa。,干燥器内湿空气的相对湿度 ：,湿空气的密度：,湿空气的质量流速：,对流换热系数：,W/（m2）,恒速干燥阶段的干燥速率：,kg/（m2s）,（2）因X2Xc，恒速干燥阶段，干燥时间为 ：,39,5.3.3.2 降速干燥阶段,物料从临界含水量（XC）减少到（X2）所需要的时间2为：,（1）图解积分法,物料在降速干燥阶段，干燥速率与含水量呈非线性变化，采用图解积分法求解2。,图解积分法示意,（2）近似计算法,物料在降速干燥阶段，干燥速率与含水量的变化关系可近似作为线性关系处理：,干燥时间：,降速干燥速率曲线处理为直线,5.3 干燥速率和干燥过程,总的干燥时间为：,40