（工程热物理专业论文）多孔介质干燥过程传热传质的理论分析与实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 多孔物料的对流干燥是物料内部热湿迁移和外部质热传递相结合的过程。为准 确评价干燥过程的能质平衡关系，提出了采用变质量热力学方法的观点，并进行了 第一定律和第二定律分析。为揭示物料在外部条件作用下的内部水分迁移机理，运 用不可逆热力学理论，建立了多孔物料内部传热传质的唯象方程模型，并离散求解， 结果与实验值吻合较好。最后分析了四组干燥实验方案的数据，结合模型，提出了 符合实验对象热湿迁移规律的干燥方案。 关键词：干燥过程，变质量热力学，不可逆热力学，实验研究，干燥方案 a b s t r a c t t h ec o n v e c t i v ed r y i n gp r o c e s so fp o r o u sm e d i u mi n c l u d e ss i m u l t a n e o u sh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri n s i d ea n do u t s i d e f o re v a l u a t i n ge n e r g ya n dm a s se q u i l i b r i u mr e l a t i o n s h i pd u r i n g c o n v e c t i v ed r y i n gp r o s e s so nac l o s u r eh e a tp u m pd r y i n gs y s t e mw i t ha na s s i s t a n tc o n d e n s e r , ac o m p l e t ev a r i a b l e - m a s st h e r m o d y n a m i ca n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nt h ef i r s tl a w , t h es e c o n d l a wa n dt h ec o m p a r i s o no fe n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c sa r ep r o c e s s e d i no r d e rt od i s c o v e r t h ei n t e r i o rm o i s t u r et r a n s f e rm e c h a n i s mi n f l u e n c e db yt h ee x t e r i o rc o n d i t i o n sd u r i n gd r y i n g ， ap h e n o m e n o l o g i c a lm a t h e m a t i c sm o d e lf o rh y d r o u sp o r o u sm e d i ad u r i n gc o n v e c t i v ed r y i n g i ss e t u pb a s e do ni r r e v e r s i b l e l it h e r m o d y n a m i c st h e o r y a c c o r d i n gt ot h es o l u t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em o d e li sq u a l i f i e d f i n a l l y , f o u rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a ld r y i n g s c h e m e sa r ed o n e w i t hr e f e r e n c et ot h em o d e l ，t h eo p t i m u md r y i n gs c h e m eo ft h i sd r y i n g m a t e r i a lj sc o m f i r m e d s uh a n g ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e y w o r d s ：d r y i n gp r o c e s s ，v a r i a b l e - m a s st h e r m o d y n a m i c s ，i r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，d r y i n gs c h e m e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 多孔物料的对流干燥是物料内部热湿迁移和外部质热传递相结合的过程。为准 确评价干燥过程的能质平衡关系，提出了采用变质量热力学方法的观点，并进行了 第一定律和第二定律分析。为揭示物料在外部条件作用下的内部水分迁移机理，运 用不可逆热力学理论，建立了多孔物料内部传热传质的唯象方程模型，并离散求解， 结果与实验值吻合较好。最后分析了四组干燥实验方案的数据，结合模型，提出了 符合实验对象热湿迁移规律的干燥方案。 关键词：干燥过程，变质量热力学，不可逆热力学，实验研究，干燥方案 a b s t r a c t 砀ec o n v e c t i v ed r y i n gp r o c e s so fp o r o u sm e d i u mi n c l u d e ss i m u l t a n e o u sh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri n s i d ea n do u t s i d e f o re v a l u a t i n ge n e r g ya n dm a s se q u i l i b r i u mr e l a t i o n s h i pd u r i n g c o n v e c t i v ed r y i n gp r o s e s so nac l o s u r eh e a tp u m pd r y i n gs y s t e mw i t ha na s s i s t a n tc o n d e n s e r , ac o m p l e t ev a r i a b l e - m a s st h e r m o d y n a m i ca n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nt h ef i r s tl a w , t h es e c o n d l a wa n dt h ec o m p a r i s o no fe n g i n e e r i n gt h e r m o d r 7 n a m i c sa r ep r o c e s s e d i no r d e rt od i s c o v e r t h ei n t e r i o rm o i s t u r et r a n s f e rm e c h a n i s mi n f l u e n c e db yt h ee x t e r i o rc o n d i t i o n sd u r i n gd r y i n g ， ap h e n o m e n o l o g i c a lm a t h e m a t i c sm o d e lf o rh y d r o u sp o r o u sm e d i ad u r i n gc o n v e c t i v ed r y i n g i ss e tu pb a s e do ni r r e v e r s i b l e it h e r m o d y n a m i c st h e o r y a c c o r d i n gt ot h es o l u t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h em o d e li sq u a l i f i e d f i n a l l y , f o u rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l d r y i n g s c h e m e sa r ed o n e w i t hr e f e r e n c et ot h em o d e l ，t h eo p t i m u md r y i n gs c h e m eo ft h i sd r y i n g m a t e r i a li sc o m f i r m e d s uh a n g ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e y w o r d s ：d r y i n gp r o c e s s ，v a r i a b l e m a s st h e r m o d y n a m i c s ，i r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，d r y i n gs c h e m e 士= q明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多孔介质干燥过程传热传质的理 论分析与实验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特另1 1 ) j n 以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学硕士学位论文 第一章引言 多孔介质对流干燥过程是指含湿多孔物料以对流换热方式从干燥介质中吸收 热量使物料内部湿分( 一般为水分) 汽化、扩散，产生的蒸汽以对流传质的方式扩 散至于燥介质中去，从而达到去除物料内部湿分的目的i l 】。它广泛存在于化工、食 品、农业、建筑、木材、轻工等领域。由于物料种类繁多，且干燥过程复杂多变， 目6 ，j 人们的研究只能采用机理分析和实验研究相结合的方法，其核心是研究多孔介 质内部多种输运现象的规律【2 1 。而尽管从本世纪初人们就丌始对干燥过程进行数学 描述，但迄今为止，还没有找到一种既具有明确的物理意义，又具有广泛实用价值 的干燥机理模型【3 】。为此，本文在宏观热力学分析的基础上，建立了描述含湿多孔 介质对流干燥过程的不可逆热力学模型，并进行了求解和实验研究。该模型能够普 遍描述合湿多孔介质对流干燥的整个过程，模型中的各系数物理意义明确，可以通 过成熟的实验手段得到，因而具有一定的实用价值。 1 1 本课题的研究背景和意义 干燥是所有单元操作中能耗最大的一种操作。这是由于不论是干燥液体、浆状 还是固体物料，都要将液态水分变成气态，因此需要供给较大的汽化潜热。从理论 上讲，在标准条件( 干燥在绝热条件下进行，固体物料和水蒸汽均不被加热，也不 存在其它热交换条件) 下蒸发l k g 水分所需要的能量达2 2 0 0 2 7 0 0 k j k g ，而实际干 燥过程的单位能耗比理论值要高得多。据统计1 3 】干燥介质逆流循环的木材干燥，其 单位能耗为3 0 0 0 6 5 0 0 k j k g ；对某些软薄层物料( 纸张、纺织品等) 高达 5 0 0 0 8 0 0 0 k j k g 。资料表明1 4 - 5 1 ，在各种工业部门总能耗中，干燥能耗从4 ( 化学 工业) 到3 5 ( 造纸工业) 。发达国家，有1 2 15 左右的工业能耗用于干燥。然 而，世界上干燥业平均能源利用率却只有1 0 - 2 0 。2 0 0 4 年我国超过日本己成为世 界第二大能源消费大国。因此如果能够提高干燥过程的能量利用效率，则每年节约 的能量将是很可观的。 物料的干燥是物料内部和外界进行热湿传递的过程。干燥速率主要受控于内部 水分的迁移过程，而这一过程具有强烈的非线性和内在的耦合性。众多的学者通过 实验观察和理论分析，提出了重力、浓度梯度、温度梯度及压力梯度这4 种质传递 推动力及包括力学流动和毛细流动在内的8 种质迁移机理【6 】，建立了诸多物料内部 的热湿迁移模型( 见1 2 2 节) 。这些模型对传热过程的看法比较一致，但对传热过 程机理的认识却千差万别。其中，扩散模型过于简单，忽略了传热对传质的影响： 渗透蒸发自，j 沿理论认为蒸发过程在一个面上进行，将问题绝对化；以d a r c y 定律为 基础，采用w h i t a k e r 体积平均理论的各种模型虽然克服了这些缺点，但涉及到的系 l 华北电力火学硕士学位论文 数太多，而且未能揭示出不同湿分的气化扩散机制：a v l u i k o v 在上世纪6 0 年代 初利用不可逆热力学原理【7 】分析了多孔介质内部的传热传质过程，提出了耦合传热 传质理论，根据质量守恒、能量守恒和动量守恒建立了传热传质微分方程，首次在 方程中体现了传热与传质的相互影响，但未给出这一模型的解。近年来，随着不可 逆热力学的发展，研究多孔介质质热传递的唯象热力学方法得到发展，但在目前建 立的模型中，热流、质流唯象方程仍未全面揭示热、质交叉效应1 8 母】。特别是由于 湿迁移速率慢于热迁移速率，且一直缺少测试湿分分布的有效手段和方法，关于湿 迁移性质的研究数据往往不够可靠，影响了模型的通用性。模型改良指引技术创新， 半个多世纪以来，探寻更合理的干燥过程热湿迁移模型的步伐从未停止过。 近年来，干燥质量问题被提上日程。如何在不改变节能和环保的同时提高干燥 质量，成为干燥研究领域积极探索的方向。欧盟八国提出了q u i d ( q u a l i t yi nd r y i n g ) 研究计划，试图研究干燥过程物料的物理、化学和生物等性质的变化，最终通过改 进工艺参数保证物料的干燥品质。干燥基础和应用研究发展迅速，在传统干燥过程 传热传质研究的基础上，对特殊物料干燥特性的研究取得了新的进展i l0 1 。为设计干 燥工艺提供了理论依据。以模拟与实验结合的手段进一步探寻传热传质过程机理， 优化和改进现有模型，从而改进干燥工艺，提高用能效率，改善干燥质量，已成为 干燥研究中具有长远战略意义的课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 现代干燥技术的研究进展 由于热泵具有节能和环保的优点，目前，尤在中小规模操作中，使用热泵干燥 成为主流的方式。近二十年来，对热泵干燥系统的优化工作从未中止。n d p a t i l | j 在1 9 8 7 年就提出了改进的热泵再循环交叉流干燥机模型并以此进行了谷物干燥的 仿真与实验研究：s s o k h a n s a n n j 1 2 】整理了压缩式热泵循环的实验结果，提出了能 很好预知复杂形状干燥曲线的时变边界扩散模型，以及可以精确预言谷物表面温度 的蒸发边界导热模型。另外他还提出了在计算谷物温度时使用导热公式与集总传热 公式的差异。新近值得一提的是，z y l l a 1 3 l 总结性地研究了蒸发温度与冷凝温度差、 蒸发器内过热度及干燥介质的温度、流速等对热泵c o p 及s p c 的影响；c e y l a n i i 4 j 详细分析了使用热泵驱动的木材干燥炉中的能质平衡情况，给出了松木连续干燥的 失水量同干燥时间的完全关系，他所给出的能分析和火用分析过程具有极强的典范 性。此外，g o p a l n a r a y a n a n 、r a d e r m a c h e r 、g o l d b e r g 等学者对热泵干燥装置的外部 换热器的布置及其节能情况进行了深入的研究，但因过于依赖实验手段，有些结果 仍值得探讨l l ”。 2 华北电力人学硕十学位论文 国内方面的研究始于上世纪六十年代【l 引。西南农业大学等单位在八十年代中期 进行了茶叶热泵干燥中期试验研究，结果表明，与传统烘干工艺相比能源费用节约 3 0 4 0 ，综合成本下降2 0 5 。上海市能源研究所从1 9 8 5 年开始研制热泵式木材 干燥机l l7 1 ，并与上海种子公司合作丌发了粮食种子热泵干燥装置，节能效果和干燥 品质都非常理想。天津大学也在热泵工质替代、系统节能和运行特性等方面取得可 喜进展【l 骷旧】，给出了白菜种子和茄子种子热泵干燥数学模型和干燥特性曲线。北京 林业大学张璧光教授带领的科研团队一直致力于木材热泵干燥的研究，积累了大量 的实验数据和实践经验，运行中的节能效果和干燥效果均为理想【旧五1 1 。广东省农机 研究所丌发出应用于农副产品的热泵干燥装置b 烈。上海能源研究所与上海种子公司 丌发了粮食种子热泵干燥装置【2 引。特别值得一提的是，利用热泵系统实验条件，我 国学者在多孔介质干燥技术研究方面已取得国际先进水平的成果。在未饱和多孔介 质传热传质、多孔介质的热湿迁移测试理论、多孔介质对流相变传热传质、高温条 件下的流动和扩散模型研究上，得到了一系列有别于传统规律的特性和现象，提出 了较为新颖的设计算法，模型计算结果与实验值符合得很好【24 。 1 2 2 干燥过程热湿迁移模型 干燥过程中，含湿物料从干燥介质中吸取热量，使物料内部湿分汽化、扩散， 产生的蒸汽以对流传质方式扩散到干燥介质中去，从而达到干燥除湿的目的。然而 伴随着流体的相变，使得物料内部的各种运动形式十分复杂，尤其是湿分的迁移机 制，受到各种物理量的支配。干燥过程中同时发生着热量、动量和质量的传递，并 且三者是高度非线性耦合的。各国学者依掘物料干燥特性和干燥方式的不同提出了 不同的热湿迁移模型，现举例如下。 1 ) s h e r w o o d i 2 5 - 2 6 1 扩散理论。 l e w i s 于1 9 2 1 年提出用f i c k 第二定律研究干燥的运动特性1 2 鄂。1 9 2 9 年， s h e r w o o d 对一系列固体干燥理论研究中，首先提出以液态水浓度梯度作为瀑份迁移 动力的假说，不考虑传热对传质的影响，并假定质扩散系数p 为常数，得到如下形 式的模型： 掣：脚v ( g r a d m ) ( 1 - 1 ) a i 事实上，随干燥的进行，物料内部温度不断升高，含湿量不断减少，湿分的扩 散系数也不断改变。v a n a r s d e l ( 1 9 4 7 ) 以f i c k 第二定律为基础，建立了变扩散系数的 非线性扩散理论。即： 掣：d i v ( d , g r a d m ) ( 1 - 2 ) a t v ( 1 3 , 足r a c t m 一= 口r 一 华北电力人学硕士学位论文 其中眈被认为是有效质扩散系数，假定它是由液体扩散、毛细管势引起的液 体移动及蒸汽扩散等多种因素、多种驱动力共同作用的结果。后来又有学者进一步 指出d 。不仅与物料温度有关，而且还与物料的含湿量有关【2 6 1 。这一模型后来被各 国学者广泛应用，得到了相应的扩散系数，数值模拟与实验结果符合得很好【2 5 伪l 。 2 ) 蒸发冷凝理论。 h e n r y ( 1 9 3 9 ) 等【2 7 1 提出了蒸发冷凝理论，首次在水份迁移过程中涉及到温度 场对湿份迁移的影响。该理论指出，只要有温度梯度存在，就会产生相应的蒸汽压 力梯度，因而水分可以以蒸汽扩散的形式发生迁移。g u r r ( 1 9 5 2 ) 指出，液体区域上 的蒸发冷凝会强化蒸汽的扩散。p h i l i p ( 1 9 5 7 ) 2 8j 综合考虑了温度场对湿分迁移的 影响，将蒸汽迁移的扩散过程和毛细作用、液体扩散和蒸发凝结作用相联系，提出 了以饱和度和温度为变量的双参数模型，这是干燥过程热湿迁移理论的一个里程 碑。但该模型忽略了压力的变化对流动和传热的影响，理论值与实验值只有部分吻 合。 3 ) 毛细管模型。 h o u n g e n 2 0 i 等学者经过对砂石的传热传质实验研究后，认为毛细管吸附势是唯 一的干燥推动力，由此发展了毛细管模型。以后，许多学者采用过毛细管模型来分 析含湿多孔介质的干燥机理【3 0 引】。 4 ) 热质传递耦合理论。 k r i s c h e r l 3 2 l 等学者提出了考虑液态水毛细管移动和蒸汽扩散运动同时存在的多 机制模型。p h i l i p 和v r i e s 2 8 3 2 1 在土壤科学研究中也应用了热质传递耦合模型，综合 考虑了温度对水分运动的影响，把蒸汽移动的扩散过程和水分在重力势、毛细管和 温度势的作用下的移动机制联系起来，提出了改进的d a r c y 定律和f i c k 定律。 p r e s m y c k 以k r i s c h e r 模型为基础提出了三区域分析法，一些学者用此方法分析了土 壤中的热湿迁移规律。 5 ) l u i k o v 不可逆热力学模型。 不可逆热力学理论的建立使得干燥这种复杂的传热传质现象能够获得较为完 备的数学描述。上世纪6 0 年代，l u i k o v ( 1 9 6 1 ，1 9 6 6 ) 3 3 - 3 5 】认为，在多空介质内 部热质传递过程中，浓度场、温度场和压力场是相互影响、相互制约的。之后他从 传热传质过程的类似性出发，利用不可逆热力学理论，分析了干燥过程推动力( 热 力学力) 和迁移量( 流通量) 之间的耦合关系，建立了多孔介质热湿迁移温度场、 湿度场、压力场相互耦合的热力学模型和非线性微分方程组。理论上来讲，l u i k o v 方程是描述各类干燥过程的通用数学模型。但由于方程中的系数是由多种机制共同 作用的现象因子，不能直接反映各种驱动力的特征，缺乏直观性，而且难以确定， 4 华北电力人学硕十学位论文 一般在实际应用中都进行简化求解。例如，t r i p a t h i ( 1 9 7 3 ) 对无限长圆柱体内传热 传质过程进行了研究，在l u i k o v 方程的基础上，对边界条件处理后采用拉普拉斯 变化法，得到了圆柱体内的温度分布和湿度分稚1 3 引。 6 ) w h i t a k e r 体积平均理论。 w h i t a k e r ( 1 9 7 7 ) 【37 】利用连续介质的概念建立了一套体积平均准则，将多相共 存的多孔介质转换成较粗水平的连续介质，导出组非饱和多孔介质中流体流动和 能量守恒的体积平均方程。由于推导严谨以及控制方程和物理量数目的增加，使得 w h i t a k e r 方程组能够广泛应用。它的缺点在于不同物料各迁移系数的匮乏和强烈的 非线性。自八十年代起，w h i t a k e r 模型陆续引起各国学者的重视和应用。 7 ) 渗透蒸发前沿理论模型。 s h e r w o o d ( 1 9 2 9 ) 【巧峙旨出，随干燥过程进行，当含湿量下降到某一值时，湿分 的蒸发过程将渗透到物料内部；l u i k o v ( 1 9 6 1 ，1 9 6 6 ) 3 3 j 后来指出，当蒸发过程渗 透剑物料内部时，蒸发在一个面上进行，此蒸发面将物料分成千区( 湿分的迁移主 要是蒸汽扩散) 和湿区( 湿分的迁移主要是液念渝分的运动) 。1 9 7 5 年，m i k h a i l o v t 粥j 明确提出了渗透蒸发前沿模型，并得到了半无限大多孔物料内部的湿分分稚和温度 分布精确解。而后，p a l a n c z ( 】9 8 7 ) 3 9 】提出了一种有限区域多孔介质中渗透蒸发f ； 沿 模型的求解方程。 1 2 3 传热传质理论的研究历程与进展方向 关于干燥过程传热传质理论的发展史和研究现状。若以l8 5 6 年的d a r c y 定律 的确立为起点，以后漫长的lo o 年时间为第一阶段( 初级发展阶段) 的话，那么， 1 9 5 7 年p h i l i p ，d ev r i e s 理论的建立则标志着多孔介质干燥的研究进入了第二阶段 ( 相对完善阶段) 。在他们的经典理论之上，通过大量研究又发展、派生出来其他 各种理论【40 1 ，而j 下是有了s h e r w o o d 和l u i k o v 等人的工作，有关传热传质的系统化 理论j 得以较快地发展。在这两大阶段的交会点之后，传热传质研究逐渐由等温过 程向非等温过程、由单场驱动向多场驱动、由饱和向非饱和、由非耦合向祸合、出 单一理论向混合理论、由单学科向交叉学科方向发展进化。而目前，建立干燥过程 传热传质数学模型的主要理论大体上分为l u i k o v 唯象理论和w h i t a k e r 体积平均理 论。前者控制方程的唯象系数难于确定，后者的控制方程呈高度的菲线性而不易求 解和应用。此外，现有的理论大多是直接或间接地对干燥物使用“大尺度虚拟连续 介质”概念1 4 l 】：在数学建模时，用假想包含固、液、气相的连续介质代替实际的多 相多孔介质：或者干脆用所谓“容积平均法”，将物性参数与体积一同平均。这些 处理手段虽然一定程度上能满足工程设计需要，但因其只能近似地在大尺度范围内 拙述介质中的传递过程而无法揭示局部与整体之问的本质联系，所得结果与实际测 5 华北电力大学硕士学位论文 量有着较大误差。 关于耦合传热传质数学模型的演化和求解。大量的事实和经验表明，无论在多 孔介质或是在一般介质中，各种不可逆传递过程之间存在着相互影响和干扰。在不 可逆热力学中，称这种广义“力 与广义“流”之间的相互作用为耦合效应。与干 燥过程相关的“流”主要有热量流、质量流、动量流、化学反应流，对应相应的“力” 为温度梯度、浓度梯度、速度梯度、化学反应驱动力。当两种传递过程同时存在时， 传热传质过程将发生直接的相互作用，产生所谓的交叉耦合扩散效应【42 。最早提出 多孔介质中热湿耦合传递理论的是j r p h i l i p 和d a d ev r i e s ，他们建立了土壤质热 耦合传递的数学模型；紧接着，l u i k o v 根据不可逆过程热力学、宏观质量、能量守 恒定律，首先提出迁移势( t r a n s f e r p o t e n t i a l ) 的概念p 引，认为传质不仅取决于传热， 还取决于质的再分布，并因此将热交换和质交换问题看成一体。l u i k o v 回顾了前苏 联学者在多孔毛细介质传热传质数学描述上的成果，研究了紊流传热传质以及使用 迪拉克6 函数和单次海维西特函数的运动边界条件下的传递方式，并在文献【3 4 】中 根据动力学和统计学数据给出了这一问题的系统化描述，包含了有限热传播速率下 的热传导以及粘弹性体中的应力弛豫问题：针对l u i k o v 的方程，b r u i n l 43 j 认为含湿 势梯度影响下的湿量移动可以忽略；m d m i k h a i l o v 和b k s h i s h e d j i e v t 4 4 j 则抛开 这一限制给出了精确的分析解，并例解了无量纲参数对温度和含湿势梯度的影响。 后来，w h i t a k e r 和b e a r 45 l 结合经典输运理论、空间平均定律，在作了必要的假设后， 通过体积平均方程建立了热湿耦合传递的多相运动方程和能量方程；最近，m a m o r u m a t s u m o t o a l 4 6 】等人又提出了含湿多孑l 材料介质中有融冻现象存在时热湿耦合传递 问题的数学模型。该模型把湿化学势( m o i s t u r ec h e m i c a lp o t e n t i a l ) 作为湿迁移势， 建立了三相共存模型的平衡方程组。我国女学者王馨【47 i 等人在考虑非傅立叶效应和 非f i c k 效应的基础上，建立了适合高强度干燥过程多孔介质内部超常传热传质特性 的普遍方程组。他们对快速传热传质的耦合方程进行了对流边界条件的数值模拟。 研究表明，由于超常传热传质的耦合作用会造成多空介质内部的“局部增湿”现象， 且温度和湿度的变化会出现滞后现象。 传热传质数学模型通过数十年的探索被不断改进，伴随网格生成技术的进步， 发展了如有限差分法、有限元法、边界单元法及蒙特卡洛法等诸多数值求解方法。 其中基于有限差分法和有限元法的数值计算已较为成熟，出现了所谓变网格和“特 征有限元方法1 4 引，可以在不同的时间层采用不同的有限元空间，在需要时可以进 行加密或稀疏网格，进行基函数调整。近来的研究重点大多集中于多孔介质的相变 导热和变物性问题的应用上。r y b i c k i ( 1 9 9 4 ) 改进了有限元法1 4 9 1 ，他的这一贡献被 k o w a l s k i 用于从热变形学出发来研究物料的变形和裂解上【5 0 l ：来自台湾的h a n t a w c h e n 和j a e y u hl i n t 引】依据来自物料内部的温度测定数据，应用结合了拉普拉斯变 6 华北电力人学硕十学位论文 换和容积控制手段的数值模拟方法实现了对单位体积导热系数和比热的同时估算。 一阶微分方程组的数值处理方面，戴命和【5 2 j 研究了喷雾干燥技术的机理及工艺优 化，理论推导了逆流喷雾干燥过程的维双向静态热力学数学模型，并用m a t l a b 进行求解，得到了物料温度、速度、热风温度和含湿量等沿干燥管高度的变化。这 些手法都极其直接而具典型性。 关于新的仿真模式和实验模式探究。最具代表性的当属e r r i g u i b l e 等人【5 ”的成 果。a e r r i g u i b l e 研究了在真空干燥条件下，适合实验的多重介质的特性及其对应边 界条件的重组，使用c f d 方法提出了足够低压力情形下崭新的耦合模型。他的整 个模拟过程是两种数值程序段的耦合。首先，多孔介质单元采纳一种现有的2 d 结 构f o r t r a n 程序：其次，在n a v i e r s t o k e s 方程求解单元使用了商业数值模拟软件 f l u e n t6 。e r r i g u i b l e 的这一方法已被广泛用于对流干燥过程的仿真中 5 4 j 。针对目前 箱形干燥室还没有精确理论解的问题，我国学者李明滨【5 5 等人采用有限元仿真分析 软什a n s y s 对一一智能系统控制的薄壁箱彤结构干燥炉进行了仿真分析，为炉体结 构的合理设计和减少材料用量提供了理论依摒：文献1 5 6 1 对一种木材干燥过程进行 了数值模拟和实验研究，因二者结果相当吻合，成为对撞流干燥领域代表性的理论 成果1 5 。近年来，诸如s i m u l i n k 干燥系统稳定性控制、分布交互，以及s m n n 算法技术【5 引等等现代仿真技术逐渐流行丌来。另一方面，干燥实验手段也同新月异。 a r u i z 和s r o j a s 提出了干燥橄榄时薄层红外干燥机新的优化运行模式1 5 9 1 ； f b e n t a y e b 等人【6 0 1 首次从理论上提出了太阳能木材干燥器的改进方案。在高效实验 手段的研发上，我国也已取得喜人进展。我国自行研发的r c g 系列热泵除湿干燥 机，由于它在制冷系统过冷方式、热泵进风系统设计和二次风补充方式等方面有重 大创新，其节能率要比普通热泵干燥机高15 2 0 ，而制造成本降低了5 - - - lo 。 该创新成果已获得国家专利，并于1 9 9 6 至1 9 9 8 年先后获北京市、林业部及国家的 多项科技进步奖1 6 。 干燥是最为复杂的工艺过程之一，干燥微分方程组的理论分析解无法实现。而 随着核磁共振、中子穿透、计算机图像分析、神经网络等一系列高新技术的出现， 使得人们可以更深入分析干燥机理。在传统干燥理论的基础上，干燥机理的研究， 更多地集中在干燥过程中与传热传质相关的物料物理性质和化学性质的变化上。对 其中的有利变化加以利用，有害变化加以控制，从而提高干燥质量，成为基础研究 努力的焦点和趋势。 1 3 本课题主要研究内容 本文针对对流干燥问题的研究现状，利用现有的中央空调系统搭建试验台，以 阜平婆枣为干燥物，主要进行以下内容的研究： 7 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 干燥过程热力学分析。应用变质量热力学方法进行干燥过程的宏观热力学 分析。包含适合变质量热力学的质量守恒分析、变质量热力学第一定律分析和第二 定律分析，以及与常规热力学分析方法的比较。在分析的基础上，根据实验结果， 求解干燥系统的物料参数和热量参数。 2 ) 干燥过程的数学建模。在分析考察现有模型的基础上，建立适合研究对象 的干燥过程传热传质数学模型。模型包含热湿迁移微分方程组，以及相应的初始条 件和热湿边界条件。推导相关系数，进行模型的求解，并与实验结果进行比较，验 证模型的准确性。 3 ) 干燥过程实验研究。拟定不同的干燥方案，通过控制入口空气的温度、湿 度、速度和流量，进行干燥过程的实验研究，最终拟定适合实验对象的最佳干燥方 案。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章热泵干燥系统的热力学分析 本文选用的干燥过程驱动方式为热泵干燥。热泵干燥系统是热泵单元与干燥单 元的有机结合。为全面评价系统的热力学完善度，探索节能的方向和途径，对系统 进行热力学分析是很有必要的。干燥理论涉及到热交换、质交换、水分同物料的结 合形式学说、不可逆过程热力学、理化力学和流变力学等多种分支学科，而现有的 干燥过程分析多以常规热力学方法为主【6 引。本文首次应用变质量热力学方法对干燥 过程进行了分析，并初步探索了这一方法的优势所在。 在干燥器的任务给定以后，进行物料衡算和热量衡算，以解决去除多少湿分， 消耗多少干燥介质，需要消耗多少热量，是评价干燥过程优劣的必要步骤。而其中 物料衡算又是热量衡算的基础。它们的原理虽然简单，应用起来却灵活多变。 2 1 热泵干燥系统的选择 为了在干燥过程中便于对冷凝温度进行调节，综合考虑干燥物在干燥过程中的 生物特性，本系统设计为带有辅助冷凝器的闭式热泵干燥系统，并以此为基础进行 理论和实验研究。如图2 1 所示，系统由热泵与干燥两个单元组成，在系统中有两 个循环回路，即制冷剂循环( 实线部分) 与空气循环( 虚线部分) 。考虑到当今制 冷剂的利用现状和节能环保需要，热泵系统的制冷剂选用r 1 3 4 a 。 压缩机 图2 1热泵十燥系统示意图 9 华北电力人学硕十学位论文 2 1 1 辅助冷凝闭式热泵干燥系统的特点 相比丌路式，闭式热泵干燥系统干燥介质在干燥箱内全部循环使用，靠制冷除 湿，其热量可以回收，热损失小，节能效果显著。目前这种干燥方式多用于低温干 燥，如种子等生物材料以及木材的干燥【6 们。闭式热泵干燥系统进行连续干燥运行时， 能量以压缩机功率的形式源源不断地输入到系统，这会使系统的温度持续升高，而 在实际干燥过程运行时应严格控制干燥温度，因此为了维持干燥箱内温度恒定，压 缩功必须要以热的形式排入环境。辅助冷凝器的加入可很好地解决这一问题1 6 5 1 。它 将冷凝器分成两部分，多余的热量在辅助冷凝器中放给环境。此结构的优势在于控 制干燥温度灵活方便，能保持干燥箱在恒定的温度下运行，尤其适合大枣等热敏性 和干敏性都很强的植物性物料。另外，还可利用辅助冷凝器加热外界空气对物料进 行预干，回收这部分温度较高的冷凝热，既节约了能源，又提高了系统效率。 利用辅助冷凝器除了起到贮液器的作用外。还可调节流过冷凝器的空气温度。 具体操作如下：当流出冷凝器的空气温度高出设定值时。就丌大阀门b 关小阀门a 使流入冷凝器的制冷剂量减少，这样也就减小了空气的加热量，使冷凝器出口的温 度降低到设定值。反之当流出冷凝器的空气温度低于设定值时，就开大阀门a 关小 阀门b 使流入冷凝器的制冷剂流量增加，这样就加大了空气的加热量，使冷凝器出 口空气温度上升到设定值。 2 1 ，2 干燥单元的设计选型 本文选用的干燥模式为对流干燥。干燥单元的空气的流速为3 o m s ，风管为2 0 0 x 2 0 0 m m ，用镀锌薄钢板加工制作，外用聚乙烯板做保温层，用铝箔做保护层。风 机选取鞍山徕亚贸易有限公司生产的型号为l s 4 0 2 0 l 方接口管道式风机。 干燥室设计为水平气流箱式干燥器，将干燥器分为上、中、下三层，干燥室的 横截面为3 2 0 3 2 0 m m 。考虑到实验人员操作方便，将干燥器每层分为5 个小抽箱， 小抽箱下设光滑轨道：小抽箱的长度为5 0 0 m m ，抽箱的底部和侧面均为镀锌钢丝网 孔目为1 5m m x1 5 m m ，小抽箱两侧的镀锌钢丝网高度为4 5 m m ，故干燥器实际长度 为2 5 m 。干燥器外用聚乙烯板做保温层，厚度为3 0 m m ，用铝箔做保护层。如图2 2 所示1 6 6 1 。 l 一一! 竺生一 1 曼丝! ! 盟 图2 - 2 十燥箱立面图 1 0 华北电力人学硕十学位论文 2 2 热泵单元的炯损评价 热泵装置的c o p 仅仅是从能量的数量角度出发揭示设备的能量传递和损失的 情况1 67 1 ，而对于存在不可逆的热泵干燥过程而言，仅用“能效率 评价其热力学完 善度是不完整的。炯分析法的本质是结合热力学第一定律和第二定律，从能量的质 和量相结合的角度出发揭示能量中有效能的转换、传递、利用和损失的情况，其主 要热力学指标为“炯效率 瑁。【6 8 1 。在目前，解释压缩式制冷循环热泵干燥装置炯平 衡与炯效率的方法已被研究界广泛认可【6 9 1 。在本文中，不再重复进行系统单元分拆 式的热力学分析，而仅对现有结论进行综合评价。研究表明，取环境温度 t o = 2 9 8 1 5 k ，本系统各部件的炯损失如表2 一l 所示，各部件的炯损率如图2 3 所示。 表2 1热泵各部件的炯损失分析结果【7 0 1 蒸发器节流阀冷凝器压缩机 图2 - 3热泵系统各部件：懒率分稚图 从图2 3 可以看出压缩机的炯损失所占比重最大，为4 7 2l 。其次为冷凝器， 为2 7 8 3 。节流阀的炯损失为2 4 0 9 ，蒸发器中：i 蹶失所占的比重最小。所以对 该系统，其节能的主攻方向应该是努力提高压缩机的性能。下面主要就这一问题进 行分析。 5 4 3 2 l 0 0 0 0 o o 华北电力火学硕士学位论文 h 图2 4不同爪缩过程在媚滁图上的表示 理想气体压缩有图2 4 所示的可逆绝热压缩1 2 ，可逆定温压缩1 5 和可逆多变 压缩1 4 或1 3 等过程，压缩机进口工质压力为p l ，温度与环境温度死相同，压缩 到相同的冷凝压力p k 。町见，可逆定温压缩功耗最小，如图中的线段5 d ，图中6 d 表示定熵压缩过程1 2 的功耗，它比5 d 大。6 5 所代表的炯差，相当于上质在定压 p k 下出温度孔升高到疋所消耗的热量炯，这部分热量最终在冷凝器中随着放热冷 却而退变为火无，即为i n j 接的外部炯损失。 同样，可逆多变压缩过程卜4 ，其功耗为w 1 4 = ( e x 4 一p x l ) + e 、q ，其中e 。q 代表放热 的热量炯，是随着向外散热而损失的，称为直接的外部炯损失。而( e x 4 一p 。1 ) 可用线段 c d 表示，显然长度c d 5 d ，其差值f 5 也相当于定压p k 下工质由死升温至乃所消 耗的炯，是一种f 日j 接的外部炯损失。 可见，除了在下的可逆定温压缩外，其他的可逆压缩过程都是不可避免地有 删接的外部炯损失，该损失用，8 表示。因此，与下的可逆定温压缩相比，其他 的可逆压缩要多消耗直接外部炯损失e 。和l 日j 接外部炯损失，。两部分。若加上不可 逆的实际压缩过程，则还有压缩机内部不可逆炯损失l 所以，实际压缩过程与可 逆定温压缩过程相比，多消耗的烟量为丹歹。+ p x q 。要减少压缩机的炯损失，就要设 法减少这三种炯损失。其中内部的炯损失，主要取决于压缩比和压缩机的制造技术， 内部摩擦力越大，就越大；f b j 接的外部j 娴损失，。与直接外部炯损失e 州取决于压 缩机的循环过程。 2 3 干燥过程质量守恒分析和物料衡算 2 3 1 变质量热力学简介 通常所称的热力学，实质上是热静力学【7 ，它只研究热运动的特殊形态热 动平衡念或近乎乎平衡的准静态。工程热力学是热静力学的个重要分支，其所研 1 2 华北电力火学硕士学位论文 究的系统通常是常质量系统，即在进行热力过程和热力循环时系统内工质的数量保 持不变，丽且每个工质微团所经历的热力过程和热力循环均相同。对于开口系，常 质量系统只研究稳定流动，也就是进入和离开系统的质量流率时时相等，系统中质 量恒定不变。对于常质量热力系，可以任取单位工质作为分析对象，全部工质的总 效果只是单位工质效果的简单放大f 7 2 l 。 出于工程实际问题的进化，工程热力学的内容不断有所发展。常常遇到这样的 情况。即在过程进行中工质的数量也在变化，且会对热力过程参数变化和热功交换 构成重要影响。在这样的热力过程中，每个工质微团所经历的热力过程和循环不尽 相同。分析这些循环就必须借助变质量热力学方法。变质量热力学是工程热力学的 延伸和扩展。它以变质量热力系为研究对象，研究变质量系统热功转换的规律和方 法，内容包括：适用于变质量系统的热力学基本定律的表达式；变质量热力过程的 参数变化规律；以变质量热力过程为主要过程的热机循环。变质量热力学属宏观热 力学范畴，因而它也是以两大定律为基本依据，运用演绎方法得出各种结论。 2 3 ，1 1 变质量热力学的基本观点 1 ) 变质量热力系统指系统在进行热力过程时，系统中工质的数量也同时发生 变化。有相变或有化学反应的过程，