（化学工程专业论文）热及湿敏性物料吸附式除湿干燥特性研究.pdf

摘要 摘要 低温吸附式除湿干燥技术以其显著的节能和环保优势成为热及湿敏性物料干 燥的首选技术之一，其中吸附式除湿干燥过程中传热传质特性及其强化途径是其 实用化的关键。 本文对热及湿敏性物料吸附式除湿于燥过程中热质传递机制及其强化机理进 行了深入的实验研究和理论探讨，建立了一套多功能的可视化干燥实验台，选取 鲜陈皮和生姜等有代表性的植物性热及湿敏性含湿物料进行吸附式除湿干燥特性 的实验研究，采用正交实验方法分析了不同干燥过程对于制品有效成分含量及复 水性的影响，确定了物料干燥过程中内部湿分的有效扩散系数及相关物性参数。 从热及湿敏性含湿物料干燥过程中内部水分的热湿传递规律出发，建立了基 于f i c k 扩散定律和质能守恒方程的薄层干燥简化传热传质模型，给出了方程的定 解条件，利用有限差分法对方程进行离散，并编制了计算机程序进行求解，模拟 计算了生姜干燥的特性曲线和内部温度场分布。 最后，分析了吸附式除湿干燥系统内外的传热传质过程，探索了强化吸附式 除湿干燥系统干燥性能的途径与方法。结合物料干燥特性，合理的改变了干燥过 程内、外条件，采用吸附式除湿干燥与红外辐射联合干燥的变温干燥工艺对干燥 系统性能进行优化，强化过程的传热传质，以提高过程能量的利用率和干燥速率， 并保持较好的干燥质量。 关键词 热及湿敏性物料；吸附式除湿干燥；传热传质模型； 联合干燥； 有效成分 华南理工大学 a b s t r a c t l o w t e m p e r a t u r ea b s o r p t i o nd r y i n gt e c h n o l o g yh a sb e e no n eo ft h ep r i m a r yt e c h n o l o g i e s f o rd r y i n gt h e r m a ls e n s i t i v em a t e r i a l sw i t hi t sr e m a r k a b l es u p e r i o r i t yi ne n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h ek e y p r o b l e mw h i c hc o m m e r c i a l i z e s t h es y s t e m si s c h a r a c t e r i s t i c so fh e a t m a s st r a n s f e ra n dw a y so fe n b a n c e m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n di t se n h a n c i n gm e c h a n i s mi nt h e a b s o r p t i o nd r y i n gp r o c e s sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h e d e v e l o p m e n to fd r y i n gt h e o r y e x p e r i m e n t a ls t u d yi nu n s a t u r a t e dp o r o u sm e d i aw a s r e v i e w e d as e to fi m p r o v e dm u l t i f u n c t i o n a la n dv i s u a ld r y i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mh a s b e e ns e tu p t h e nf r e s h l y h a r v e s t e do r a n g ep e e la n dg i n g e ra r es e l e c t e dt od oe x p e r i m e n t sf o r d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd r y i n gd y n a m i c a l s ot h ee f f e c t so fd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r s o nt h ed r i e d - q u a l i t ys t a n d a r d ss u c ha sh y d r o s p i cp r o p e r t i e sa n de f f e c t i v ec o m p o s i t i o nl o s ea r e a n a l y z eb yt h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d t h e i re f f e c t i v ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw a sd e t e r m i n e d b a s e do nt h ei n t e r i o rh e a ta n dm a s st r a n s f e rm e c h a n j s mo fm o i s t u r ei nt h ed r y i n g p r o c e s s e so ft h e r m a ls e n s i t i v em a t e r i a l sa sw e l la sf i c k sd i f f u s i o nl a wa n dm a s s & e n e r g y c o n s e r v a t i o nl a w ，m o d e lh a sb e e ns e tu pt od e s c r i b et h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h i n l a y e r d r y i n g a n d a l s ob ym a k i n gu s eo ff i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dr e l e v a n tc o m p u t e rp r o g r a m s ， an u m e r i c a ls o l u t i o ni so b t a i n e dt os i m u l a t et h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h ea b s o r p t i o nd r y i n gs y s t e mw a sa n a l y z e dt oe l u c i d a t et h e p o s s i b l ew a y so fe n h a n c e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo fd r y i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s ，t h ea b s o r p t i o n i n f r a r e d - r a d i a t i o nc o m b i n e dd r y i n g ，w h i c hi nf a c t b e l o n g st ov a r i e dt e m p e r a t u r ed r y i n g ，i sp e r f o r m e dt oe n h a n c et h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n d i n c r e a s et h ed r y i n gv e l o c i t ya sw e ua sk e e pr e l a t i v e l yg o o dd r y i n gq u a l i t y k e y w o r d s t h e r m a ls e n s i t i v em a t e r i a l s ；a b s o r p t i o nd r y i n g ；m o d e lo fh e a ta n dm a s st r a n s f e r ；c o m b i n e d d r y i n g ；e f f e c t i v ec o m p o s i t i o n i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者虢盏文嘿卿月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密呵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 七 作者签名：芝兰 导师签名：j 日期：加j ，年月力口 日期：抛厂年月汐l t ，iillj义驽 第一章绪论 1 1 概论 第一章绪论 干燥就是从物料中脱出液体( 主要是水分) 的过程。而绝大部分被干燥物料 为多孔介质，如热敏性含湿物料就属于典型的胶体毛细管多孔介质“1 。因此多孔 介质干燥过程就是从多孔介质中脱去液体( 主要是水分) 的问题。它涉及到化工、 食品、农业、轻工、木材以及纺织等诸多领域，它的先进与否直接影响着产品的 质量与过程能耗，例如黏土制品烧结与木材干燥过程中因应力而产生的裂纹与变 形、中药材干燥过程中有效成分的损失、食品及种子干燥过程中营养成分及某些 生物特性的破坏等。研究热点主要集中在其内部质量、动量和能量的传递”，。 干燥过程是制造业的一个主要的耗能环节。在我国每年用于干燥行业的能源 消耗约占国家能源消耗的1 0 1 5 ，但其能源利用率只有1 0 2 0 ，较之西方发 达国家还有较大的差距。因此从经济及能源等方面考虑，干燥工艺就要高效、节 能，要降低成本，降低能耗，加强过程能量如余热及一些低品位能源的综合利用。 热及湿敏性含湿材料如食品、中药材等是干燥工艺应用最广泛的领域之一。 它们干燥各有不同的目的，如改善感官属性、减少重量以便于运输等，同时保持 其营养价值及口味。这些都对干燥过程提出了更高的要求。从质量方面考虑，就 要控制产品含湿量，减少化学降解反应，保持产品的质构和组织，获得所需要的 颜色，控制产品密度，发展一种多变干燥过程使之能够生产出不同物理结构的产 品用于各种需求。因此，寻找和发展优质、高效、节能的新型干燥工艺与技术， 加强对产品的质量控制与保护是干燥领域的一个重大课题，具有特别重要的意义。 目前，干燥理论的发展已进入了开展干燥过程中能量和热量传递及其相互耦 合的研究阶段。但由于热及湿敏性物料多属于多孔介质，其本身结构的复杂性及 干燥过程的不可逆性、非稳定性及多变性等，使得其内部热、湿传递过程受到诸 多因素的支配和限制，对其进行机理分析和数值模拟存在巨大困难。目前国内外 对此还没有达到令人满意的完善程度，很多问题仍有待进一步研究。因此开展多 孔介质干燥过程中内部热质传递的理论和实验研究具有重要的理论和现实意义。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 选题的依据与意义 加热干燥是工农业生产产许多部门的重要生产工序之一。对于热及湿敏性含 湿多孔物料，干燥脱水的目的是为了保存或者改善物料本身的某些生物特性。这 些特性本身的动态变化不仅关系到整个物料的干燥品质，而且与物料内、外的传 热传质条件相互耦合m 。但多数含湿物料对温度、湿度等十分敏感，不适当的干 燥技术或干燥工艺条件容易破坏或损坏其有效成分或营养成分，降低其实用价值。 1 2 1 常用的干燥技术与工艺 人们很早就在生产、生活中运用干燥技术。经过长期实践探索，本世纪以来 逐渐形成了干燥学科，并形成了三个主要的研究领域，即干燥理论、干燥技术和 干燥工艺。干燥理论主要阐述干燥过程的基本规律与干燥机理；干燥技术包括实 施干燥的基本方法和干燥设备计算与设计方法；干燥工艺则是研究干燥对象一物 料特性、优化干燥程序、干燥方式及干燥条件等”，。就干燥技术与工艺而言，目 前国内外对热及湿敏性物料的干燥主要采用冷冻真空干燥、热泵干燥、喷雾干燥 以及低温吸附式除湿干燥。 1 2 ，t 1 冷冻真空干燥 冷冻真空干燥又称升华干燥，它可以很好的保存原有食品的色、香、味及形 状，制品的复水性能好，营养成分损失极少，特别适合于热敏性物料的干燥。但 是冷冻干燥设备价格昂贵、能量损失大、过程时间长，致使其产品成本过高而无 法大规模的推广应用。目前，已有的研究表明，采用微波、辐射以及复合加热法 等进行联合冷冻干燥，能强化传热传质过程，提高干燥速率，缩短干燥时间。但 是，仍然需要努力研究新的技术以降低冷冻干燥过程的能耗，缩短过程时问，减 少过程成本“。 1 2 ，1 2 热泵干燥 热泵是一种能够从低温热源吸取热量，并使之在较高温度下作为有用热能而 加以利用的热能装置，能有效利用环境热源，因此可大大降低系统的能耗，还可 以降低干燥介质的温度，这对于食品和药品等热敏性物质的干燥具有重要的意义 w m 。但是，热泵干燥压缩机结构限制了干燥气流的温湿范围，导致干燥时间长以 第一章绪论 及物料组织收缩等问题。 1 2 1 3 红外热辐射干燥 远红外加热技术是利用远红外辐射器发出的远红外线使被加热物料干燥的技 术。辐射源产生的远红外线，照射到被加工物质上，当辐射能量达到一定能级时， 在合适的频带( 波段) 会被该物质吸收，被吸收的能量将加强该物质的分子运动， 使其变热而干燥，具有电热利用效率高、传热速率快、热惯性小等特点，在工农 业生产中已经取得了广泛的应用”“。 在红外加热装置中，对物料加热的红外辐射加热器以辐射加热为主，因此传 热的优化就是要保证红外辐射能量高效率的传递给物料，使能量合理的得到利用， 并且恰当的控制加热过程，使装置能够广泛的适应和满足各种物料加热升温和干 燥的要求。在这个过程中合理选用辐射加热器的型式、表面形状、尺寸以及合理 配置加热器等，对于优化辐射传热是相当重要的n “。目前，该技术在复苏型蔬 菜等热及湿敏性物料的干燥中具有广泛的应用，但多是以辅助的联合干燥为主， 以起到高效、节能的干燥效果。 1 2 1 4 微波和高频干燥 两者干燥方式都属于介电干燥，以物料内部迅速产生的蒸汽所形成的压力梯 度为传质推动力，有一种“泵”的效应，具有干燥高效、节能、均匀、迅速、优 质等特点。但是，在实际干燥过程中，往往由于其加热速度难以控制而导致过快 加热，引起物料焦化、撕裂甚至燃烧等现象。另外值得强调的一点就是这种干燥 装置对人体有一定的影响；一旦发生系统漏能，将对生物体产生生理影响和伤害 作用，甚至还可能产生特殊的生理影响一非热效应。这些潜在的危险限制了它的 广泛应用“。 1 2 1 5 其他干燥工艺 干燥技术将向着“有效利用能源、提高产品质量、减少环境污染、操作安全、 易于控制”的方向发展“，。这种思想促使了一些新的加热与干燥技术的出现，包 括太阳能干燥、过热蒸汽干燥、声波场干燥、脉冲燃烧干燥、感应加热干燥以及 组合干燥等“。其中联合干燥将几种干燥工艺联合使用，如微波一对流联合干燥、 红外辐射一对流联合干燥，充分发挥各自的优点，实现“优势互补”，提供优质 的于燥效果。本文将采用这种干燥思想，将吸附式除湿干燥与红外辐射干燥联合 华南理工大学硕十学位论文 起来以强化前者的干燥性能。 1 2 2 吸附式除湿干燥技术与工艺 低温吸附式除湿干燥技术与工艺是由丁静等”“”。1 提出的一种新型的生物脱水 干燥系统。该技术将吸附式气体净化技术创造性的应用在干燥领域，以传质推动 力为主，综合运用吸附式除湿和冷冻除湿技术，达到了高效、节能和优质的干燥 效果。因此，从某种意义上说，是冷冻干燥的理想替代方法，是一种具有巨大发 展潜力和应用前景的干燥技术。大量的实验结果表明”n m ，该工艺可以很好的保 持原新鲜物料的有效成分和物理化学性能，营养损失小，容易保持原色原味，制 品复水效果好，并且还有干燥效率高，系统耗能低( 与冷冻干燥相比，能耗降低 可达2 0 5 0 ) ，吸附轮对再生能源的品位要求低，较少环境污染等优点。在 干燥介质温度不超过3 5 的情况下，就可以得到理想的干燥速率和干燥效果，非 常适合于热及湿敏性物料如食品、蔬菜、药品以及生化制品的干燥。目前，该工 艺已经实现了工业化的生产和应用，取得了明显的经济和社会效益。 1 2 3 干燥物料的选择 我国幅员辽阔，具有丰富的动植物资源，其中就包含了一些为人们常知、常 用的富含营养的热及湿敏性物料，如中药材、果蔬等。这些产品常含有较高的初 始水分，易腐烂、变质，对热及湿敏感，因此，干燥技术与工艺的选择对其储藏、 储运意义重大。 本文将选择常见的、有代表性的和具有广泛工农业用途的鲜陈皮、生姜为实 验原料，以吸附式除湿干燥多功能实验台为基础，进行其干燥特性研究，为改善 陈皮、生姜等热及湿敏性物料的干燥技术和工艺提供必要的数据和科学依据。 1 3 多孔介质干燥理论与实验研究综述 现代科学技术发展的主要特征是以跨学科的实验研究方法全面地揭示自然规 律并上升为理论，进而再从理论指导实践，干燥学科的发展就生动地证明了这一 观点m ，。干燥有悠久的应用历史，但其逐渐发展成型并上升到理论的高度，却是 近代的事情，包括t ks h e r w o o d 、0 a h o u g e n 、k r i s c h e r 、l u i k o v 、w h i t a k e r 等众多学者为此付出了艰辛的劳动，也取得了丰硕的成果。他们的研究表明含湿 多孔物料的干燥过程具有以下的特点：( 1 ) 是一个非稳态的热力学不可逆过程； ( 2 ) 是一个多组分、多相过程，涉及相间与相变传热传质，影响因素众多；( 3 ) 4 第一章绪 论 是一个传热传质相互耦合的过程，包括湿度、温度及压强等；( 4 ) 是一个与物料 本身特性、含湿组分及状态密切相关的过程。其中，干燥过程中物料内部质量、 能量与动量传递以及湿分场分布、温度场分布是研究重点，各位学者从自己的研 究实际出发，提出了一系列的理论机制和模型，以期能为实际应用提供参考。其 中，多孔介质由于是工业干燥过程的主要研究对象，因此成为干燥研究的主要内 容之一。 1 3 1 多子l 介质内部热湿传递机理和模型研究进展 多孔介质内部热质传递理论的研究是当今学术界研究的热点和焦点：一是因 为这个领域有着广泛的应用背景 二是因为目前还缺少满意的模型理论。这些使 得众多研究者在各自不同的研究领域内对多孔介质热湿迁移过程的机理和数学描 述进行了大量而有益的研究探索。其中，分析湿分在多孔介质中的含量、存在形 式以及运动规律，是揭示含湿多孔介质内部输运机理的关键所在。目前国内外对 于多孔介质的研究，概括起来主要可分为模型与机理研究、应用研究及实验研究 三个方面，特别是含湿非饱和多孔介质内部的流体运动及各相含量的变化都难以 在实验上得到测量，因此对于含湿多孔介质的具体应用研究，如多孔隔热材料或 蓄热系统中伴随相变的热质传递问题、非饱和土壤中的热湿迁移等，人们一般都 采用模型分析的方法，即通过研究多孔介质的内部传输机理，建立或利用数学模 型来描述各种实际物理过程，从可测量去预测不可溺量，而对于含湿多孔介质的 实验研究，一般还只能测量出各物理过程的温度变化及水分含量的变化，用来验 证模型分析的可靠性。另外，人们还可以通过实验来确定非饱和多孑l 介质的各物 性参数与传输系数，如介质的水力传导系数、湿扩散系数、毛细管压力及表观导 热系数等。总之，含湿多孔介质内部热质传递机理及其数学模型的研究是含湿多 孔介质研究的基础，而将数学模型用于各种实际情况的分析是目前含湿多孑l 介质 研究的主要内容。 含湿非饱和多孔介质中的物质运动有两个十分复杂的特征：一是流体在微小 的固体骨架空隙空间内作连续流动，二是经常伴随着流体的相变n ，。这些问题的 存在使问题的研究变的十分复杂，很难用一种十分完善的理想模型去反映所有的 输运机制，即使对于同一种非饱和热质传递现象，用不同的模型分析时，计算结 果也相差很远。为此，我们按照多年来多孔介质研究的主体发展轨迹，简单分析 具有代表性的学者的理论。 华南理工大学硕士学位论文 l _ 3 1 1 以迁移机理为基础的研究理论 液态扩散理论早期的研究者“”1 ，如l e w i s ( 1 9 2 1 ) 、t u t t l e ( 1 9 2 5 ) 、s h e r w o o d ( 1 9 2 9 1 9 3 3 ) 、n e w m a n 、c h i l d s ( 1 9 3 6 ) 等，将液体扩散或多组分气体扩散的 f i c k 定律作为湿分迁移的机理，并通过导热与分子扩散现象的类比，认为多孔介 质中热湿迁移量与湿分的浓度梯度成正比，从而建立了液态扩散模型理论( 假定 扩散系数为常数) ： 掣：d d i v ( g r a d m ) ( 1 一1 ) 口f 改进的液体扩散模型如下： 祟：咖( g r a d m ) ( 1 2 ) 其中，见，为有效扩散系数，假定是由液体扩散、毛细管势引起的液体移动 以及蒸汽扩散等多种因素共同决定。起初，研究者把d ，认为是物料绝对温度的函 数，采用如下的指数形式： 厂f 、 d e y2 d o e x p 【一嚣j q ) 其中，b 为与吸附能量有关的常数。 而另外的一些研究者则指出，j d ，不仅与物料温度有关，而且还与物料的湿 度有关，即：见，= f ( t ，x ) 扩散理论与模型能说明等温条件下湿分迁移的机理，且在许多场合，模型的 理论解与实验的失重曲线、蒸发速率曲线相符。尽管该理论只描述了湿迁移机理 的一个方面，还不能解释热湿迁移的耦合作用，但它使热湿迁移理论前进了重要 的一步。而把d 。认为是随物料参数而变化的函数，也使得改进的液体扩散模型 得到了广泛的应用。 毛细管理论毛细管现象是指由于液体和固体之间存在分子吸引力而产生的、穿 过缝隙或沿固体表面的液体流动。b u c k i n g h a n ( 1 9 0 7 ) 最先分析了这种现象，并 引进了毛细势的概念，发展了毛细管理论，认为毛细势是水分在多孔介质中迁移 的推动力，为研究未饱和多孔介质中的毛细流动理论奠定了基础。c e a g l s k e ( 1 9 3 7 ) 、6 u r r ( 1 9 5 2 ) 、h u t c h o m ( 1 9 5 8 ) 以及h o u g e n ( 1 9 5 7 ) 等学者也对此 进行了研究”。结果证实上述的常系数扩散模型解出的含湿场分布与实验结果不 符，而跟毛细理论解相符。这有力的支持了毛细流动理论。但该理论认为毛细管 势是唯一的湿分迁移机制，一般适用于水分含量高于饱和点的物料的干燥和水分 含量大于大气饱和点的平衡含水量的粒状物料的干燥。尽管如此，该理论还是被 第一章绪论 很多学者采用，尤其在食品研究领域，毛细理论已成为一种基本理论，主要用于 高水分阶段的干燥。它的提出使得人们对液态湿分在毛细管多孔介质内迁移机制 的认识更进了一一层。 蒸发一冷凝理论上述的几种理论模型均没有考虑温度对于湿分迁移过程的影 响。h e n r y ( 1 9 3 9 ) 、g u r r ( 1 9 5 2 ) 、h u t c h e o m ( 1 9 5 8 ) 、k u z m a k 以及s e r e d a ( 1 9 5 7 ) 等m ，研究了具有温度梯度作用的非饱和流动，首次指明只要有温度存在，就会产 生蒸汽压梯度，并认为气一液相变及由蒸汽压梯度引起的蒸汽的扩散和对流作用 对湿分的迁移有重要作用，从而将蒸汽浓度梯度作为迁移机制将相变过程运用于 含湿多孔介质内输运现象的分析，把传热和传质有机结合起来，发展了蒸发一冷 凝理论。其研究结果表明，在低含湿饱和度及有温度梯度存在的场合，蒸发一凝 结理论是湿分迁移的主要机理，即使在较高饱和度时它也是适用的。 蒸汽扩散理论k i n ge w 在研究食品材料的干燥时，假设蒸汽扩散是内部湿分传递 的唯一机制，从而建立了蒸汽扩散模型。h a r m a t h y 基于h e n e r y 关于内部湿分传 递的蒸发一冷凝理论，对内部液态水处于滴状的多孔材料建立了与k i n g 的蒸汽扩 散模型相类似的热质扩散模型。 另外，还有部分学者努力的将某两种迁移机制综合起来考虑多孔介质中湿分 迁移问题“。如，k r is e h e r 和k a s t 、b e r g e r 和p e i 、e c h e r t 等则同时考虑湿分 的两种运动形式，即由毛细势控制的液体流动和由扩散控制的气体流动，分别建 立了液态毛细质量流方程和气态扩散质量流方程，试图用多种机制来解释含湿非 饱和多孔介质的输运机理，但是因为他们并没有把液体的毛细流与蒸汽扩散有机 联系起来，只是用了两个彼此独立的方程，所以仍未摆脱单一机制的束缚。同期 内，在土壤学研究领域，p h i l i p 和d ev r i e s ( 1 9 5 7 ) “”也从类似k r i s c h e r 的出 发点，将含湿量的迁移分为液体的毛细流动和蒸汽的扩散渗透，忽略了温度对毛 细势的影响，并提出了改进的d a r c y 定律和f i c k 定律，提出了一组关于含湿量和 温度的控制方程，其中，液相质量流基于非饱和d a r c y 定律，蒸汽质量流基于 s t e f a n 扩散定律( 该扩散方程表达形式及某些项是凭经验导出的) 。这样，就把 液态湿分方程和气态湿分方程有机的结合起来，把单一迁移机制推广到了两种迁 移，被认为是含湿多孔介质研究的一大进展，并被广泛的应用于砂土学科的研究。 以迁移机理为基础的各种热湿迁移理论，从不同的侧面和具体研究对象及实 验结果出发来描述湿分在多孔介质中的迁移过程，但是由于各种具体的迁移机制 在不同的场合所起的作用是不同的，因此这些理论具有一定的局限性。因此，如 何将各种具体的迁移机制综合考虑和结合起来，全面系统的描述多孔介质中热湿 迁移过程是发展多孔介质迁移理论的关键所在。 华南理工大学硕士学位论文 1 3 1 2 以不可逆热力学为基础的唯象热力学理论 随着不可逆热力学理论的建立和发展，一种新的研究多孔介质热质迁移的理 论出现了，这就是难象热力学方法，研究者包括l u i k o v ( 1 9 6 1 ) 、c a r y ( 1 9 6 4 ) 、 b e n e t 以及夏彦儒、施明恒等。其中以l u i k o v ( 1 9 7 5 ) 的最具有代表性，其成果称 为多孔介质在干燥领域理论发展的第二阶段。该理论从宏观的质量、能量守恒定 律和不可逆热力学原理出发，在经过一系列的简化假设之后，从其模型的原始方 程推导出一组关于含湿量、温度、气相压力的微分方程组n “： 祟= “v 2 t + k 2 m 她3 v 2 p a 1 个 芸= k i v2 t + ，v 2 m + 七2 3 v 2 p ( 1 4 ) d f j d 兰 = 如l v 2 丁+ 七3 2 v 2 m + 七3 3 v 2 p a f 这组方程中的唯象系数k 。( i ，j = 1 , 2 ，3 ) 没有明确的表达式，常常需要假定为常 数，再由实验确定。该理论不涉及到多孔介质内部微观热质传递机理和发生的具 体过程，只考虑产生促使热质迁移的各种流与力之涮的关系和交叉耦合效应。如 果确定了模型原始方程中各相唯象系数、耦合条件以及热力学关系式后，就可以 求得多孔介质中各相物理量的瞬态分布及相变位置和相变率。不过，尽管l u i k o v 的唯象热力学方法避免了对迁移机理具体描述，但是由于控制方程呈现强烈的非 线性，方程的求解十分复杂，目前还只对简单形状的物体，如一维平板、圆球、 柱体可获得精确解m ，。而且所得到的控制方程组中包含了众多的唯象系数，它们 之间缺乏相应的经验关系式，并且其中的一些由蒸汽相和液体混合而定义出来的 唯象系数，物理意义相当模糊。所以，为了使描述过程的数学问题完备化，必须 通过实验的方法来确认这些唯象系数。由于问题的复杂性和实验技术的局限性， 致使确认唯象系数非常困难，因而极大的限制了唯象热力学方法的发展和应用。 1 3 1 3 以连续介质理论和体积平均理论为基础的理论 随着多孔介质热质传递研究的不断深入和发展，通过将各种迁移机理为基础 的分析方法和唯象热力学分析方法综合起来，充分发挥各自的长处，产生了现代 多孔介质的综合理论。从事这方面工作的主要有k r is c h e r ( 1 9 4 2 ) 、p h i l i pd e v e r i e s ( 1 9 5 7 ，1 9 5 8 ) 、l u i k o v 和m i k h a i l o v ( 1 9 6 5 ) 、l e b e d e v ( 1 9 6 1 ) 、h a r m a t h y ( 1 9 6 9 ) 、w h i t a k e r ( 1 9 7 7 ) 、h u a n g ( 1 9 7 8 ) 等。其中，w h i t a k e r 从连续介质 第一章绪论 理论的三个基本守恒定律，即质量、动量和能量守恒定律出发，采用了容积平均 化技术，将多孔介质内部不同各相通过体积平均方法，增加了完备控制方程和场 物理量的个数，创立了多相系统输运理论，为人们在多孔介质中应用连续介质力 学方法来建立基本守恒方程奠定了基础，尤其是他对粒径( 或平均孔径) 、体积 元及过程尺度的划分、体积平均技术，再加上局部热力学平衡条件，使得人们自 然的将连续体理论由单相推广到像含湿未饱和以及多孔介质这样的多相系统，因 此被认为是多孔介质领域研究的最新进展 1 6 1 1 2 0 ，。该模型由总的热能输运方程、液 相和气相连续性方程、液相和气相运动方程、气相扩散方程、容积约束方程以及 五个热力学关系式共1 2 个方程和1 2 个未知变量组成。因此，他不但考虑了液相 的毛细作用，也考虑了各相的扩散、弥散、对流以及重力的作用，通过系统的定 义有效扩散系数，而将弥散项包含在扩散项之中。同样，有效热扩散张量既代表 了液相、蒸汽和非凝结气体的导热，也代表了它们的热弥散，即热弥散也采用扩 散项来模拟。因此，w m t a k e r 模型比其他模型所考虑的迁移机制更全面，在确定 模型中各传输系数的情况下，利用该模型可以得到各相物理量的瞬态分布和流体 相变率，可以进行比较全面的分析。但是，该模型同样具有一个很大的缺陷，那 就是大量的传输系数需要确定，而w h i t a k e r 并没有从事这方面的工作。并且，在 一些情况下，比如介质为非均匀和各向异性，模型中的一些传输系数是非常难以 确定的，甚至是不可能的。所以，它的应用也仍然不能够得到保证。 随后包括s l a t t e r y 、g r a y 、a s s e l l s 、c h e n g 、i l i c 、t u r n e r 、w e i 在内的大批 学者利用连续介质理论和体积平均理沦进行多孔介质热湿传递方面的研究，尽管 各自研究的具体过程不同，但最终他们基本上都得到了跟w h i t a k e r 一致的研究结 果。因此，从某种意义上说，以w h i t a k e r 模型为代表的基于连续介质理论和体积 平均理论是多孔介质多相运动描述的最新研究成果，足基于比较严格的数学推导， 具有明确的物理意义，是现代多孔介质研究领域的一项基础。 另外，还有一些学者针对多孔介质热质迁移过程所表现出来的问题进行了专 项研究，如非均质问题和毛细滞后现象等，形成了多孔介质传递现象研究的多元 化发展方向“。 国内学者在此方面也取得了重要的成果。肖宝成等”“在w h i t a k e r 理论的基础 上提出了非饱和含湿多孔介质内部热质传递的“耦合等效扩散模型”，成功的反 映了多孔介质在于燥升速段和恒速段热质传递的规律。随后杨世铭教授对其降速 段进行了补充分析，使之成为一个能反应整个干燥过程的完整的理论模型n “。卢 涛等“提出了液相残余饱和度s 。的定义，把含湿毛细多孔介质干燥区域分为湿区 和干区，建立了以液相饱和度s 和温度r 为参数的湿区干燥过程相变传热传质常 压模型。虞维平、王补宣、施明恒等n4 ，考虑了毛细滞后现象对热质传递过程的影 响，引入了最小梯度的概念，建立了考虑毛细滞后效应的未饱和含湿多孔介质热 9 华南理工大学硕士学位论文 质传递的系统理论。雷树业、郑贯宇等m ，在系统回顾多孔介质传热传质模型发展 的基础上，提出了含湿多孔介质传热传质的散参数渗流模型，并具体研究了埋管 周围砂土内的传热传质动念变化过程，给出了周围温度、含湿饱和度及压力分布 的变化情况。这些研究更好的发展了多孔介质热湿传递的理论， 1 _ 3 2 热及湿敏性含湿多孔介质内部热质传递的实验研究进展 热及湿敏性含湿多孔介质从本质上讲属于毛细管多孔胶体，其传热传质过 程的研究可以借鉴含湿多孑l 介质的研究方法与理论成果”“，从而为研究热及湿敏 性物料的干燥行为提供了强有力的理论基础，推动了这一领域的研究进展。 天津大学褚治德等( 1 9 9 0 ) 承担了中国药材公司“七五”技术攻关项目，对 2 7 种热及湿敏性的中药材进行了干燥研究，提出了强化与优化工艺操作条件，并 总结实验成果，提出了优化的变温干燥工艺，认为变温干燥能获得较好的干燥速 率曲线及干燥质量m 。王存仓( 1 9 9 0 ) 则研究了常见热及湿性材料山楂、人参等 的干燥特性，建立了p a g e 方程和扩散模型n “。邓京红( 1 9 9 2 ) 尝试将常用薄层干 燥模型引入生物性物料的干燥中，以研究其干燥过程中内部湿分的扩散规律。刘 登瀛、李业波等m ，和王俊、刘正怀等m - 研究了土豆干燥过程中内部热质传递过程， 给出了考虑内部温度梯度的数学模型，为工艺优化提供了依据。李阳春、陈光明 等m ，研究了马铃薯干燥特性，建立了基于b e r g e r 的数学模型，模拟分析了干燥介 质各种因素对干燥过程的影响。 李远志等n “研究了胡萝h 热风与热泵联合干燥特性，并得出结论，认为在干 燥的前期采用高温热风干燥、后期采用低温热泵干燥，很好的解决了表面硬化的 难题，建议采用联合干燥工艺来干燥热敏性物料。同时通过对工艺参数及干燥制 品显微结构和化学成分的比较，认为制品品质指标与干燥速率指标之问是相互制 约的，只有当结合点含水率合适时，两者可达到较优水平。这也为本文进行联合 干燥实验提供了依据和借鉴。 王俊等m ，对洋葱在热风对流干燥过程中的失水温度特性进行了研究，分析了 单位时间内用于物料升温的热量与用于水分蒸发的热量之比，并得出了一个重要 的结论，即物料由于升温消耗的能量与水分汽化相比可以忽略，从而大大简化了 能量方程，获得了温热系数模型。同时，该文作者也对包括土豆、香菇、苹果等 热及湿性物料进行了深入的研究。 同样，王朝晖、涂颉n ”进行了香蕉片的薄层干燥实验，对w h i t a k e r 多孔介质 体积平均理沦进行了简化，认为对于高初始含湿率的生物性材料，用于物料升温 的热量与用于水分蒸发的热量相比可忽略，从而建立了简化的热质传递干燥模型， 取得了较好的拟合效果。该文的作者的结论与王俊”等具有相似之处。 第一章绪论 邵山等m 、王铁军与丁静等”，及丁静、徐娓等m 、分别利用吸附式低温除湿干 燥技术与工艺，进行了包括冬菇、荔枝和胡萝h 等多种含湿物料的干燥特性的实 验研究，指出在低温干燥系统中，水分的浓度差是干燥的主要推动力，因此干燥 介质的相对湿度是影响干燥进程的关键因素。 1 3 3 关于干燥制品质量 对于热及湿敏性含湿物料以及食品、药品等物料来讲，获得好的干燥品质具 有重要的意义。在这些热及湿敏性物料的干燥过程中，会发生一些生化变化、酶 变化、化学变化和物料变化。表1 一l 给出了适合这些物料脱水的质量特性m ，。 表1 一l 物料干燥期间的品质变化 t a b 1 - 1q u a l i t i t i v ec h a n g e so ft h e r m a lm a t e r i a ld u r i n gd r y i n g 注：标“牢”指标为本论文所着重的方面 物料的水分含量、温度和干燥动力学对这些品质特性有重要的影响，同时也 受到诸如p h 、物料组成、原料预处理等的影响。对于某种干燥技术来讲，能够通 过控制干燥动力学参数而有效减少上述变化的发生是衡量其优劣的一个重要条 件。值得说明的一点是，干燥过程中传热传质方面的考虑在干燥工艺与技术选择、 设计和操作过程中是很重要的，但产品品质方面的约束条件却在干燥工艺与技术 的选择和操作中具有决定性的作用。 1 4 本文研究方向及主要工作 根据上述文献分析，可以发现：( 1 ) 干燥工艺一般是从宏观的质量守恒出发 来研究和制定干燥工艺参数，很少涉及干燥过程中物料的微观表征变化；( 2 ) 对 于干燥过程中物料内部热质传递过程的理论和机理研究，尤其是数学模型及其应 用研究，都具有一定的局限性，还缺少令人满意的模型理论；( 3 ) 吸附式低温除 华南理工大学硕士学位论文 湿干燥技术是一种新的节能型干燥工艺，对其开展实验研究，不仅有助于较全面 研究多孔介质干燥过程中的相关理论，并且能为系统的工艺条件和参数的确定和 优化提供必要的参考和数据支持：( 4 ) 目前干燥工艺的发展，越来越倾向于多种 干燥工艺的联合操作，充分利用不同工艺的特点，扬长避短，实现对物料干燥质 量的最优化控制，因此，尝试开展吸附干燥系统与红外辐射干燥的联合实验研究 同样具有重要的意义。 鉴于此，本文将进行热及湿敏性物料吸附式除湿干燥过程传热传质特性与强 化机理的理论与实验研究。 ( 1 ) 设计和建立一套多功能的可视化吸附式除湿于燥工艺系统，借助相关设 备和仪器实现对介质干燥过程内部和表面微观结构的动态表征及相关有效成分的 鉴定、分析和测试； ( 2 ) 从物料干燥过程中内部热湿迁移的具体机制出发，通过一定的假设和简 化条件，建立一组描述热及湿敏性物料干燥过程中内部热质耦合传递现象的偏微 分数学方程，确定了其定解条件，利用有限差分法对方程进行离散，并编制计算 机程序求解模型的数值解； ( 3 ) 鲜陈皮、生姜的多工况干燥实验研究，分析实验结果，与数值模拟结果 比较，并确定优化的工艺条件： ( 4 ) 吸附式除湿干燥和远红外辐射联合干燥的实验研究，分析影响干燥过程 的因素，并分析了变温干燥工艺，讨论了干燥系统的热质强化及过程优化途径。 1 2 第二章低温吸附式除湿干燥实验研究 2 1 引言 第二章低温吸附式除湿干燥实验研究 低温吸附式除湿干燥系统采用吸附式除湿和冷冻除湿相结合的处理方式，利 用了对高温高湿度空气用冷冻除湿成本低，对低温低湿度空气用吸附除湿效率高 的特点，提供低温低露点的干燥介质，以浓度梯度为主要传质推动力，对中药饮 片、药品、生物物料、食品、水果及纤维状物料等热及湿敏性物料进行干燥。 本实验以鲜陈皮、生姜为原料，进行不同工况下的吸附式除湿干燥实验研究， 分析不同物料性质和干燥介质条件等对干燥过程的影响，并确定干燥特性参数。 2 2 实验装置 由图2 1 可知，实验系统主要由以下几个部分组成：( 1 ) 除湿系统：包括 前后表冷器以及实验的核心设备吸附式除湿转轮：( 2 ) 风冷制冷系统；( 3 ) 可 视化于燥箱及物料托盘等：( 4 ) 加热系统：包括处理风加热器和再生风加热器两 部分；( 5 ) 加湿系统；( 6 ) 远红外辐射发生器；( 7 ) 在线观测系统：包括高精 度电子天平：高速c c d 数码显微摄像系统；干燥介质温度、湿度、风速等测量与 输出系统；物料内部温度测量与输出系统；挥发油提取及测试系统等。 图2 - 1多功能低温吸附式除湿干燥系统流程图 f i g 2 - 1l o wt e m p e r a t u r ea d s o r p t i o nd r y i n gs y s t e m 图2 2 是实验现场实物拍摄图片，显示了主要的实验设备与仪器组成。 华南理工人学硕士学位论文 图22 多功能可视化低温吸附干燥装置实景图 f i g 2 - 2l o c a lp i c t u r eo f a d s o r p t i o nd r y i n gs y s t e m 2 2 1 吸附式除湿轮 吸附式除湿轮是本实验系统的核心部件，由特殊的耐热合成材料为基材制成， 并加工成蜂窝状管道结构，改性硅胶复合吸附剂均匀分散在基体上形成一个巨大 的吸附表面，吸附面积可达3 0 0 0 m 2 m 2 以上，其结构如图2 3 。 同时，采用密封装置将除湿轮分为2 7 0o c 的除湿区和9 0 的再生区。湿空气 通过除湿区后，水分被吸附剂吸收，达到获得低湿度干燥介质的目的。而经加热 达到1 0 0 左右的干空气从再生区进入，将吸附剂中所含水分解吸并带走，从而 恢复除湿轮的除湿能力。将处理空气和再生空气逆向通过上述相应区域，转轮则 以一定转速缓慢旋转，以确保连续、周期的除湿解吸过程，得到低温低湿、常温 低湿的干燥介质。实验证明n “”n ”，除湿系统具有除湿量大、节能节电、多功能的 特点。 实验中，采用广州市华工泰除湿设备有限公司加工生产的改性硅胶高效除湿 轮，操作参数主要根据课题组”1 对除湿轮性能及其优化问题的研究成果获得。 1 4 第二章低温