（工程热物理专业论文）多孔介质对流干燥过程的热力学理论.pdf

多孔介质对流干燥过程的热力学理论 摘要 多孔介质对流干燥过程广泛存在于化工、医药、建筑、农业等生产领域，近几十年 来，对流干燥时物料内、外传热传质过程的研究一直是一个引起人们广泛关注的课题， 在己进行的大量研究中，总是认为质量传递过程驱动势为质量浓度梯度( 或者质量分数 梯度、或者分压力梯度) 这样，往往会得到一些令人团惑不解、甚至与热力学原理相违 背的结论。本文从非平衡热力学的基本原理出发，将传质势梯度( 广义热力学力) x = 矿， ( 胛) 作为质量传递过程的驱动势，对以空气作为干燥介质的多孔含湿物料对流干燥 时内、外传热传质过程进行了深入的分析、研究，得到了许多新的结论。 、1 将传质势梯度( 广义热力学力) 作为质量传递过程的驱动势时，关键问题是唯象系 数p 的确定，为此，本文首先对物料表面处于湿饱和状态时表面水分的蒸发一扩散过程 进行了分析，由于此时的物料表面温度即为干燥介质的绝热饱和温度( 湿球温度) ，因此， 可根据此温度确定唯象系数之值，为 一氖斋( 射( 射”e x p ( 8 0 e 。酶 然后，利用l ”的值对外部传热传质过程进行了数值计算结果表明：乱本理论计算 出的表面水分的蒸发速率与已有的实验结果吻合较好，平均误差约为2 ；b 外部对流 传热传质过程可处理为具有内热源( 汇) 和内质量源( 汇) 的热扩散和分子质扩散过程， 因此，对流传热传质能力的强弱就主要取决于表面附近内热源q 和内质量源i 的大小； c 对于水一空气系统，质量传递过程的存在，会使壁面附近当量内热源减小，甚至q 3 小时) ，内部湿分的传递则主要依靠水分的蒸发和蒸汽的对流一扩散： b 内部水分的蒸发过程在整个物科内部、而不是在某一个蒸茇面上进行：c 内部水蒸汽 的分子质扩散过程沿其传质势降低的方向( 而不是水蒸汽分压力降低的方向) 进行：d f 干 燥介质温度越高、外部传热传质能力越强，干燥速度越快，而其湿度的变化对干燥过程 的影响较小。 同时，为了获取物料的干燥特性提供工程设计必须的实验关联式揭示干燥过程 的物理本质，本文还对不同类型的含湿多孔介质在不同的干燥方式下进行了大量的对流 干燥实验研究，结果表明：a 外部干燥条件的变化对干燥过程的影响与理论分析结果一 致。即干燥介质温度越高，流速越快，传热传质能力越强，则干燥速度越快；b 对于粒 状多孔介质的穿流气流干燥过程，当物料厚度小于某一临界厚度时厚度的变化对干燥 过程无明显影响，即所谓薄层穿透气流干燥过程，就蚕蛹而言临界厚度约为2 7 3 5 m m ； 在蚕蛹薄层穿流气流干燥过程中，介质温度应以蛋白质所能承受的温度为限，流速应以 穿流料层时不发生漏风现象为限；c 对于条状多孔介质的表面对流干燥过程【例如竹 条) ，为了提高干燥速度，应使干燥介质垂直横掠物料表面，并在保证产品质量的前提下， 尽可能提高干燥介质温度、选择合适的流速：d 体积收缩是多孔介质干燥时的固有特性， 体积收缩率十的大小主要取决于多孔介质的毛细孔隙的大小和多孔物料固体骨架的强 度，一般来说，毛细孔隙越大，固体骨架的强度越高，则体积收缩率越小，因此，( p 4 c q e * * m _ t 。) 一一y ，一 关键词：多孔介质对流干燥传热传质非平衡热力学理论传质势 t h et h e r m o d y n a m i ct h e o r yo fc o n v e c t i v e d r y i n gp r o c e s si np o r o u sm e d i a 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 si np o r o u sm e d i ai s w i d e l yp r e s e n ti nc h e m i c a li n d u s t r y , m e d i c i n e ，a r c h i t e c t u r ea n da g r i c u l t u r ef i e l do fp r o d u c t i o n c l o s ea t t e n t i o nh a sb e e na l w a y sp a i d f 打t h er e s e a r c ho nt h ei n t e r n a l e x t e r n a lh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s si nc o n v e c t i v ed r y i n go f p o r o u sm e d i af o rt e n so fy e a r s ，av a s tn u m b e ro fp r e c e d i n gr e s e a r c ha l w a y sc o n s i d e rm a s s c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ( o rm a s sf r a c t i o ng r a d i e n to rp a r t i a lp r e s s u r eg r a d i e n t ) a st h ed r i v i n g o o t e n t i a lo fm a s st r a n s f e r , t h u ss o m eu n c e r t a i np u z z l e dc o n c l u s i o n sw e r ef r e q u e n d yd r a w n ， w h i c hw e r ec o n t r a r y t ot h et h e r m o d ) n e m i cp r i n c i p l e sf r o mt h e “e w p o i n to fn o n - e q u i l i b r i u m t h e r m o d y n a m i ct h e o r y , c o n s i d e r i n gt h em a s st r a n s f e rp o t e n t i a lg r a d i e n t ( g e n e r a l i z e d t h e r m o d y n a m i cd r i v i n gf o r c e ) xw h i c hi sv ( - 岍) a st h ed r i v i n gp o t e n t i a lo f m a s st r a n s f e r , t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e st h ei n t e r n a l e x t e a n a lh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fc o n n e e t i v ed r y i n g p r o c e s si np o r o u sm e d i aa n ds o m en e wc o n c l u s i o n sa r ed r a w n w h i l ec o n s i d e r i n gt h em a s st r a n s f e rp o t e n t i a lg r a d i e n t ( g e n e r a l i z e dt h e r m o d y n a m i cd r i v i n g f o r c e ) a st h ed r i v i n gp o t e n t i a lo fm a s st r a n s f e rp r o c e s s ，t h ek e yi st od e t e r m i n e p h e n o m e n o i o g i c a lc o e f f i c i e n tl 7 ，s ot h ee v a p o r a t i o n d i 仔t t l s i o np r o c e s so fs u r f a c ew a t e ri sf i r s t a n a l y z e di nt h et h e s i sw h e nt h es u r f a c eo fp o r o u sm e d i ai sw e ts a t u r a t e d b e c a u s et h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo fp o r o u sm e d i ai st h ea d i a b a t i cs a t u r a h o nt e m p e r a t u r e ( w e t - b a l kt e m p e r a t u r e ) o f h u m a da i ri nt h i sc a s e ，t h ep h e n o m e n o l o g i c a lc o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e db y m 抄5 x 器( 硝阱“。唧印陉i = o q 弓 a f t e rt h a t 坼u s i n gt h ev a l u ee l l 7t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fe x t e r n a lh e a ta n dm a s st r a n s f e r w a sp e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：e t h ee v a p o r a t i o nr a t eo fs u r f a c ew a t e rb yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na g r e e sw e l lw i t he x p e f i m e n ma n dt h em e a ne r r o ri sa b o u t2 ：b t h ee x t e r n a l c o n v e c t i v eh e a tm i dm a s st r a n s f e rp r o c e s sc m lb et r e a t e da sac o m b i n a t i o no fh e a ta n dm o l e c u l a r m a s sd i f f u s i o np r o c e s s 嘶山i n t e r n a lh e a ta n dm a s ss o u r c e s ( o rs i n k s ) t h e r e f o r e t h ea b i l i t yo f c o i l x e c t i x eh e a ta n dm a s st r a n s f e rm a i n l yd e p e n d so nt h es t r e n g t ho f i n t e r n a lh e a ts o u r c eq 。a n d i n t e r n e lm a s ss o m c ei f l e e rt h es u r f a c eo fm e d i a ：cf o rw a t e r - a i rs y s t e m t h em a s st r a n s f e r p r o c e s sm a k e st h ee q u i v a l e n ti n t e r n a lh e a ts o u r c eq l l e i l rt h ew a l id e c r e a s e c 、c oi n t e r n a ih e a t s o t ”c ei sl e s st h a nz e r o ( q 。 眠s ot h a tw i t ht h ei n c r e a s i n gt e r n p e r a t u r e o ft h ed o i n gm e d i u m t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rr a t ei n c r e a s e s ，t h ew a t e re v a p o r a t i o nr a t e a c c e l e r a t e sa n dt h ei n t e r n a lm a s ss o u r c e sg e t ss t r o n g e r w h e r e a st h ea b s o l u t eh u m i d i t yx fo f d r y i n gm e d i u ma f f e c t st h ed i s t r i b u t i o no fi n t e r n a lh e a ts o u r c es l i g h t l y ef r o mt h er e s u l t s c a l c u l a t e df o re x t e r n a lh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s s t h ec o r r e l a t i o n so fe x t e r n a lh e a tt r a n s f e r c o e f f i e i e n ta n dm a s st r a n f f e rf l u xh a v e b e e no b t a i n e d t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ri np o r o u sm e d i ai sac o m p l i c a t e dp r o c e s sb a s e d0 nt h e 1 0 1 1 一 e q u i l i b r i u mt h e r m o d ) n a m i et h e o r ya n dc o m b i n e dw i t ht h ec o n s e r v a t i o nl a w so fe n e r g ya n d m a s s n o n - h y g r o s c o p i cp o r o u sm e d i u mb r i c ki st a k e n a st h eo b j e c to f s t u d yi nt h ep r e s e n tt h e s i s ac o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od e s c r i b eh e a ta n dm b s st r a n s f e ro f p o r o u sm e d i a a n dn u m e r i c a le a l c u l a f i o nw a sp e r f o r m e d t h er e s u l t sc a l e u l a t e ds h o wt h a t ：a i n t h ei n i t i a lp e r i o do fd 0 j n gp r o c e s s ( t 3h ，) ，i tm a i n l yd e p e n d s o nt h ei n t e r n a lw a t e re v a p o r a t i o na n dv a p o rd i f f u s i o ni n s i d et h ep o r o u sm e d i a ；bt h e e v a p o r a t i o no fi n t e r n a lw a t e rt a k e sp l a c ei n s i d et h ew h o l em e d i a , i n s t e a do fo nt h ee v a p o r a t i o n i n t e r f a c e ：c t h em o l e c u l a rm a s sd i f f u s i o no f t h ei n t e r n a lv a p o ri si nt h ed i r e e f i o no f d e c r e a s i n g m a s si r a n s f e rp o t e n t i a l ( n o ta l o n gt h ed e c r e a s i n gp a r t i a lp r e s s u r eo fv a p o r ) ；dt h eh i g h e rt h e t e m p e r a t u r eo fd r y i n gm e d i u m ，t h es t r o n g e rt h ea b i l i bo fe x t e r n a l h e a ta n dm a s st r a n s f e ra n d t h ef a s t e rt h ed r y i n gr a t ei s ，w h e r e a st h ev a r i a t i o no fm o i s t u r eo l vs h o w ss l i g h te f f e c to nt h e d r y i n gp r o c e s s a ts a m et i m e ，ag r e a tn u m b e ro fc o n v e c t i v ed r y i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fs o m et y p e s o fp o r o u sm e d i au n d e rv a r i o u s 奶矗gw a y sh a v eb e e np e r f o r m e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：a t h ee f f e c to ft h ee x t e r n a lc o n d i t i o no nt h ed r ) 4 n gp r o c e s sa g r e e sw e l lv h t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h a ti s ，t h eh i g h e rt h et e m p e r a n n eo fd r ) 4 n gm e d i u m ，t h es t r o n g e rt h e a b i l i b - o fh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n dt h ef a s t e rt h e 奶i n gr a t e ：bf o rt h ep e n e t r a t i n ga i rd r y i n g p r o c e s so fg r a n u l a rp o r o u sm e d i t m a w h e nt h et h i c k n e s so ft h em e d i u mi sl e s st h a nc r i t i c a l t h i c k n e s s t h ev a r i a t i o no ft h i c k n e s sd o e s n ta f f e c tt h ed r ) 面gp r o c e s sr e m a r k a b l y1 h si st h es o y c a l l e dt h i nl a x e rp e n e t r a t i n ga i rd oi n gp r o c e s st h ec r i t i c a lt h i c k n e s so fw e ts i l h v o r m c h ds a l i s e si sa b o u t2 7 - 3 5m i l l i nt h et h i nl a y e rp e n e t r a t i n gg a sd r y i n gp r o c e s so fs i l k w o r m c h os a l i s e s t h et e l n p e r a h f f eo fd d 7 i a gm e d i m ni ss u b j e c t t ot h a ta tw h i c ht h ep r o t e i nc a l l w i t h s t a n da n dt h ef l o wr a t ei ss u b j e c tt ot h ea l l o w a b l el e a k a g eo fa i rf r o mt i l em e d i al a y e r ：c f o rt h es u r f a c ec o n v c c t i 、e 奶i n gp r o c e s so f s t r i p ep o r o u sm e d i a ( e , gb a m b o ob a r ) t h ed r y i n g m e d i m ns h m d df l o 、a c r o s st h em e d i as u r f a c ep e r p e n d i c u l a r l 、。t oi n c r e a s el h cd oi n gr a t e ，a n d t h eh i g hd r 、，i n pm e d i u mt e m p e r a t u r ea n da 、a i l a b l ef l o wr a t es h o u l d b es e l e c t e du l l d e rt h e c o n d i t i o no fe n s u r i n gt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ；dt h e 、p l u m es h r i n k a g ei s a r ti a t r i n s i c c h a r a c t e ro fp o r o u sm e d i ai nd d i n g t i l er a t eo f 、p l u m es h r i n k a g em a i n l 3d e p e n d so i lt h e 、p l u m eo fc a p i l l a r 3h o l ea n dt h es t r e n g t ho ft h es o l i ds k e l e t o ni np o r o u sm e d i ag e n e r a l l 3 s p e a k i n g t h eb i g g e rc a p i l l a r 3 h o l ea n dt h es t r o n g e rs o l i ds k e l e t o n w i l ll e a dt ol o 、e rr a t eo f 、，p l u m es h r i n k a g e ：t h u st h e 、r p l u m es h r i n k a g er a t e 币o fw h i t ec a r b o nb l a c ki ss m a l l e rt h a nt h a t o f m u s h r o o ma n dg r e a t e rt h a nt h a to f b r i q u e t t e k e y w o r d s ：p o r o u sm e d i a c o n x e e f i v ed d i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e r n o n e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i ct h e o r y m a s st r a n s f e rp o t e n f i a l 重庆：九学博士学位论文主疆符号表 主要符号表 a 热扩散系数，m 2 s ；多孔介质中单位体 积汽一液有效接触面积，1 1 3 ：m 3 ；系数： a系数： b系数； c系数： c 比热容，j k g k ： c i i i 比质容，k g k g ( db ) o m ； d分子质扩散系数，m 2 s ； f 无因次流函数： h 比焓j k g ： h h 汽化潜热，j k g ； i 多孔介质内部体积蒸发速率。k g m 3 s ： 内质量源，k g m 3 s ： j 质扩散通量，k g , - 2s ： k 导热系数，w m k ： k渗透率；系数； l 唯象系数，k g k s m 3 ；物料厚度m ； , 1 2 1 质量分数： m 摩尔质量，k g k m o ! ； m 。传质过程热力学驱动势，m 。= 1 l t ， j k gk ： m 。表面蒸发速率，k g m 2 s ： 1 1 总质通量，k g m 2 s ： p 压力，p a ： 毛细压力，p a ； q热流密度，w m 2 , q 内热源，j i m 3 ： r 气体常数，j k gk ；干燥速度， k g a g f _ db ) 5 s 比熵j k g k ： s 多孔开质湿饱和度； t 泓庋，c ： t 温度k ： u 速度，m s ： v速度，m s ： v 体积，m 3 ： w 多孔介质湿基含湿量，k g & g ( w b ) ； x 空间坐标，m ；空气绝对湿度， k e , k g ( d ，b ) ； x 多孔介质绝对湿度，k g k g ( d b ) ；传质 过程热力学驱动力，x = x z ( 一u t ) ， n k g k ： y空间坐标，m ；气相组分摩尔分数； a表面对流传热系数酽k ； e l 。表面对流传质系数，k g ( m 4 s ) ： 6 热梯度系数；料层厚度。 e 多孔介质孔隙率；相变因子； n 相似性变量： e 无因次温度；传质势0 c ； u 化学势，j k g ；运动粘度， s ； p 质量浓度( 密度) ，k g m 3 ； o表面张力，n m 2 ： t 时闯。s ： 1 i r 无因次传质势；流函数； u 质量分数； 巾体积收缩率； 无因次参数： f of o u r i e r 数，f o = a , c l ： g ug u k h m a n 数，( m = ( t - t w 。) 厂r 。 k o k o s s o 、i c h 数，k o = h f s c 。a o c a t l ul u i k m 数，l u = d a n un u s s e h 数n u = c x l k r cr c 、n o l d s 数，r e - - - u x ，v s c s c h m i d t 数，s c - 、d s h s h e r v , o o d 数，s h = r 。，x d 重庆太学博士学伊论它主露符号表 下标 a v 平均： c对流； d扩散： e 有效： w 蒸发： f自由来流 p 压力； s a t 饱和； t总量： w 壁面； 0 初始： 2 上标 a 空气； g 气相； l 液相； s 固相： v 蒸汽： 无因次参数： 重庆大学惜士学心论t 第一章绪论 第一章绪论 1 一多孔介质对流干燥过程 多孔彳r 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 物料内部湿份( 一般为水份) 汽化、扩教，产生的蒸汽以对流传质的方式扩散至干燥介 藏中去玖菰达蓟除去扬料内部湿份目的鲍过程。含湿多孔贪赝对滤干燥过程广泛存在 子化工、食品、农业，建筑、木材、轻工等领域【1 4 1 ，据不完全统计，干燥过程是所有单 元操作中能量消耗最大的一种单元操作，其能量消耗约占工业生产总能耗的1 0 ，因此， 丰富和完善干燥过程传热传质理论、加深对多孔介质对流干燥过程物理机制的认识对于 合理组织干馔过程、节约干燥过程能耗、提高干燥产品质量具有重要的理论意义和实用 价值。 由于多孔介质对流干燥过程广泛存在于人类生产和生活的各个领域，因此经过长 期实践和不断探索，在本世纪二十年代，逐渐形成了干烽学科，并对干燥过程中的基本 现象有了枥步的了解和认识，包括含湿物料中湿份的存在方式、物料内部的热质扩教机 制、内、外传热传质过程的相互影响、各种含湿物料的对流干燥特性以及最佳干燥条件 的确定等。 由于物料种类繁多，物理性质和几何特性各异，从而使得采用的对流干燥器形式较 多，如气流干燥器、流化床于漂器、喷雾干燥器、穿透气流干燥器、以爰各种隧道式干 燥器等。无论采用哪种干燥设备迸行物料的干燥作业，物料中的湿份首先必须汽化、然 后扩散至干燥介质中、完成干燥过程。但是，由于物料的特性不同、物料与水份的结合 形式不一样因而，使得物料中水份的汽化一扩散机制及扩敢速度不同，表现出来的是 其干燥特性千差万别。 通常可根据物料与水份的结合强弱程度不同把含湿多孔物料分成两大类，即非吸湿 性多孔物料和吸湿性多孔物料。在非吸湿性多孔物料中，水分总是以各种形式存在于大 小不同的毛细管内，主耍包括存在于毛细管死端、或以液球形式粘附于大毛细管壁上的 孤立水分以及以液膜形式粘附于大、小毛细管壁( 内) 的连续水分，对于这两种水份，在 对流热干燥；芏程中部可能汽化、迁移，因此，易于除去。在吸湿性多孔物料中，除存在 孤立水分和连续自由水分外还存在着结合水份，包括被吸附于筘孔物料毛细管内表面 上的以单打子层存在的暧阼水分以及在细胞内、外可溶组舒浓度差( 分压力差) 的作用下 经过细胞壁渗透至细胞内的渗透水分f 叉称胶体结台水分) ，对于结台水份，在对流热干 蠼过程中琏亍黪丢，网此嚣吸艰性彩孔物利的干燥速度 ：瑗瀛性多t 物辫的干燥速度 裂快。 重庆大学博士学位论文 第一章绪论 虽然干燥学科发展到今天已经取得了长足的进展研究成果众多但由于多孔含湿 物料干燥过程的复杂性、多变性和非稳定性使得对多孔含湿物料干燥过程的研究仍然 以实验研究为主，即采用实验方法获得物利的干燥特性曲线和干燥速率曲线，建立干燥 方程以指导工程设计。近几十年来，特别是l u i k o v 耦合传热传质理论建立以来众多学 者开始从理论上探讨含湿物料干燥时的传热传质机制、备种因素对干燥过程的影响等， 所采用的研究方法可归纳为两类： 以含湿多孔物料内湿份的蒸发一迁移过程为研究对象，根据动量、能量和质量守恒 定律以及各种唯象关系，建立起描述物料干燥时内部传热传质过程的微分方程组而将 表面处物料与干燥介质间的动量、能量和质量传递过程作为问题的稳定边界条件处理。 采餍这种研究方法，能较准确地描述物辩内部的传热传质过程，在某些简化条件下，还 可得到较严格的理论分析解，但是，由于将物料内外动置、能量和质量传递过程分开处 理，尤其是在确定边界条件时认为外部传热传质过程不受内部传热传质过程的影响这 种假设与实际干燥过程存在差异。 将干燥过程分为物料内部的传热传质过程和物料外部的传热传质过程分别加以研 究，然后，在边界处予以匹配，即作变边界条件处理。这种研究方法更接近于实际，但 是，由于问题的复杂性目前采用的并不多，而且对外部过程的研究还并不很充分，有 待更进一步完善跚q 。 1 2 多孔介质对流干燥过程研究现状 1 2 1 多孔介质x , f - 流= p 燥时外部传热传质过程 多孔介质对流干燥过程是一个由外部传热传质过程和内部传热传质过程相互影响、 相互制约的耦合过程，因此。外部传热传质能力的强弱将直接影响干燥速度的快慢。 当干燥介质掠过多孔含湿物料表面时，在物料表面附近会形成一层很薄的边界层， 在本世纪六十年代，不少研究者都认为阻1 1 - 1 3 , ”。8 1 边界层内的速度分布、温度分布和水蒸 汽分压力分布是相似的，边界层内水蒸汽扩散过程驱动势为水蒸汽质量浓度差( 密度差) 或水蒸汽分压力差，而且，由于干燥速度较慢，边界层内的速度分布和温度分布不受水 份蒸发过程的影响，在这种前提条件之下，外部换热过程可按常规方法计算，传热传质 过程可采用类比关系式计算，例如： 对平板状物料表面 层流： n u ：0 6 6 4r f l 2p r l 3 s h ：0 6 e i 4 r e ：7 ：靶j ? 3 湍流： n u ：o ? 0 3 6 5 r 2n j 3 4 f l 1 ) f i 一2 j ( 1 一3 ) 重庆大学博士学位论文第一章绪论 s h ：0 0 3 6 5 r e 0 ss c t 3 列粒状物制表面( 2 r e 口，从而，使边 界层内的速度分布和温度分布都会发生变化，同时，干燥介质特性也要影响到外部传热 传质能力。当考虑干燥介质温度影响时。文献【3 】推荐的外部传热系数关联式为： n u = c r e p r t 3 铲5 2 c ，乃 其中，g u 为g l l k h m a l l 数： 白：丝 (1g、t c 、n 为常数，其值为 r e = 3 1 5 0 2 0 0 0 0 r e = 2 2 0 0 0 3 1 5 0 0 0 ， f = d 4 9 ，n = n 6 1 c = o 0 2 5 ，n = 馥9 0 由于干燥过程是一个典型的非稳态过程。物料表面湿度不断减少，而温度不断升高， 这种表面状况的变化必然影响到传热传质过程，1 9 8 5 年，p t z e s m y e k i ，z 和s t r u m i l o , c 1 4 在分析对流干燥过程时就明确指出，在降速干燥阶段，对流传质系数是变化的，并提出 了一种由多孔物料内部含湿量分布反推出表面对流传质系数的方法，但该方法使用起来 不甚方便。 1 9 8 5 年，c h e r t , ps 和p e i ，d c t 1 ”1 在研究砖( b r i c k ) 、羊毛( w 0 0 1 ) 和玉米( c o r nk e r n e l s ) 的对流干燥特性时，考虑到了表面传热传质系数随物料含湿量的变化，所采用的关系式 为： 云划舢船去每 c ，呻， a ox 口一x m | 老观“鲫砉等( i - - 1 0 )a m o x c r x i s 即认为随着干燥过程的进行、表面含湿量的降低，外部对流传热传质系数将随之下 降。 5 重庆大学博士学位论文第一章绪论 1 9 9 2 年c o u a r d ，j ，m ，a m a u d ，g 和f o i i r jp , t q 在研究粘土板( c 吣p l a t e ) f l , g 对流干 燥特性时发现表面传热传质系数与干燥时外部传质驱动势( 干燥介质绝对湿度梯度) 有 关，其关系如图l l 所示，采用这种变传质系数对过程进行模拟时，得到的结果与实验 数据吻合较好。 5 4 m5 2 1 5 o f 弓4 8 暑 4 6 4 4 468l o1 21 4 x l x ic 1 0 4 ) 图l l 表面传质系数随传质驱动势的变化 1 9 9 5 年，李业波和刘登赢t 在模拟土豆片的干燥特性时，采用的表面传热传质系 数的形式为 c t = 1 1 4 5 1 0 4 + 5 0 2 “) a m = n 0 1 9 5 9 + 0 0 8 0 7 3 u e _ 5 量 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，u 为干燥介质速度( m s ) 。 1 9 9 8 年，田跷亮、吕灿仁和涂颉等 2 0 】对可收缩的多孔物料表面传热传质过程进行了 研究，提出了种表面传热传质系数的修正计算式，并与实验结果进行了比较，吻合也 较好。 除了上述从表面传热传质关联式的角度研究外部过程而外，还可以通过直接求解某 些简化条件下的边界层微分方程组来确定表面传热传质能力，最有代表性的是1 9 8 3 年 c h o w , lc 和c h u n g ，j n i ”】的工作，其所研究的对象如图l 2 所示 w a t e rr e s e r v o i r 图l 一2 物理模型 6 y 重庆大学捌十学位论文 第一章绪论 假定边界层内传质过程驱动势为质量分数梯度，则边界层内动量、热量和质量传递 方程为： 盟+ 和- - 2 - ) - ：口 尿 叫 a ta la ( a 、 瓦+ 万2 万p 割 肛誓+ 等= 号p 别肛i v 万2 万i 百j 胪，罢+ 俨，v 等= 参卜等) + 矽( c ；一c ；) 等雾胪，瓦+ 俨，”万2 万i 七万j + 蟒- c ；，百万 表面传热传质关联式为： = p 7 ) 。r e m f 一a m - 7 & 1 4 & j s h ：l 一! 胎。7 2 & 脚；一埘： ( i 1 3 ) ( 1 一1 4 ) ( 1 一1 5 ) ( 1 一1 6 ) ( i 1 7 ) ( 1 一1 8 ) 其部分计算结果如表l i 所示。计算还发现，当干燥介质温度较低时，干燥速度随干燥 介质湿度的增高面降低，相反。当干燥介质温度较高时，干燥速度随干燥介质湿度的增 高而增加，即存在一个所谓的“逆转温度点”，当外部干燥介质为层流时，逆转点温度 为2 5 0 0 c 左右。后来，y o s h i d at ，h y o d ot 【啊，r b m m c l 髓a m ，c r o s b ye j 1 9 7 1 和 w i m m c r s t e d ti l 也得到了类似的结论；而f a b e re f h 肾 d c n r y c hm d 和s e p p a u 【蜉】 等人用过热蒸汽和干空气在流化床上干燥铝土颗粒，确定的逆转点温度为1 6 0 0 c 。 同时，h a j i ，m 和c h o w , l c i ”】对水在空气和过热蒸汽中的蒸发速率进行了系统的实 验研究，并将实验结果与c h o w ，lc ，和c h u n g ，jn 的理论计算值进行了比较，结果表明， 对于水在过热蒸汽中的蒸发过程，两者吻合较好，而对于水在空气中的蒸发过程，在温 度较高时，两者吻合也较好。 后来，j o h a n s s o n , a ，f y h - , c 和r a s m u s o n ，a 等”j 在研究术块在空气和过热蒸汽中的 对流千燥过程时，对外部传热传质过程的处理采用了c h o w lc 和c h u n g , j n 。的研究成 果。 7 重庆大学博士学位论文第一章绪论 表i l 部分计算结果 1 2 2 多孔介质对漉干燥时内部传热传质理论 多孔介质对流干燥时的内部传热传质过程是一个涉及到气( 汽) 相和液相的扩散一迁 移及其相互转化的复杂过程有时还会伴随着某些物理化学变化。为此，许多学者在此 领域己作了大量的研究工作，取得了许多研究成果。 1 9 2 1 年，k m i s ，w r - 1 提出了一个最简单、但最易被人们所接受的扩敖理论模型， 该理论认为，在多孔介质对流干燥过程中，物料内部的湿份首先以液态形式j 壬移至物料 表面然后在物料表面汽化，汽化所需潜热由温度较高的干燥介质提供，汽化产生的蒸 汽以对流方式扩散至干燥介质中去完成干燥过程。物料内部水份的扩散过程满足f i c k 定律，即 ，：一d 婴( i m l 9 ) 蹦 若扩散系数d 为常数，则由质量守恒原理可导出其扩散方程为 8 重庆火学1 冉士学位论文第一章绪论 竺：d 立( 1 _ o ) 向 a 。a i 后来，s h e r w o o d t k 等人口3 刷用常系数扩散模型对一系列固体的干燥过程进行了 研究并得到了比较满意的结果。 然雨，随着研究过程的不断深入，人们开始意识到常扩教系数模型的局限性。事实 上，随着干燥过程的不断进行，物料内部的温度不断升高，含湿量不断减少，湿份的扩 散系数也会随之而变，常扩散系数模型不再适用，例如1 9 4 0 年，h o u g c n o a m c c a n l e g ， h j 和m a r s h a l l w ，r 等l “憾常扩 l 童系数模型的分析解与实验结果进行了比较。发现误差 较大。为此，1 9 4 7 年，v a na r s d d ，w b 拉5 1 以f i c k 第二定律为基础建立了非线性扩散理 论，其扩散方程为 堡：旦f 珑旦! = 1 ( 1 - - 2 1 ) 盘 西。，a c l j 其中，d 。为变扩散系数。同时，作者还将根据模型计算的结果与实验结果进行了比较， 两者吻合较好。后来，k i n g ，c j 2 ”更进一步明确指出，d 。应称之为有效扩散系数，它综 台反映了物料内部各种传输机制对水份扩散过程的影响，其大小主要取决于物料内部的 温度和含湿量的高低。 1 9 8 8 年，d u r r a , s k ，n e m a , v k ，和b h a r & a j ，& k 等在研究谷物( c e r e a l ) 的干燥 特性时采用了非线性扩散理论模型。为了确定扩散系数的变化规律，首先对谷物的对流 干燥特性进行了系统的实验研究，然后，利用下面的扩散系数模型对过程进行数值模拟 d e = a e x p ( b 翮 ( 1 2 2 ) 利用大量的实验数据最后锝到的a 、b 估计值为 口= 5 7 6 1 0 一 e x p ( 0 0 5 3 n b = d9