粒状物料干燥过程中的传热传质分析.pdf

第 2 0卷第 5期 1 9 98年 1 0月北京科技大学学报 OJ u r n a l o f U n i v e r s i ty o f 反 i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 2 0 N o . 5 0 e t . 1 9 9 8 粒状物料干燥过程中的传热传质分析淮秀兰王立倪学梓北京科技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘要建立了粒状物料干燥过程中传热传质数学模型 , 并采用数值方法进行了处理 . 该模型能较好地预测干燥过程中物料的含湿量及温度等的变化 . 模型计算结果与实验结果吻合良好 . 关挂词粒状物料 ;干燥 ;传热传质 ;数学模型分类号 T Q o z l . 3 ( 4 ) , T Qo 2 8 . 6 7 2 正确的设计干燥装置和进行干燥操作 , 是保证和改善产品质量的重要手段之一 [ ’ 〕 . 而物料干燥过程中传热传质机理的研究 , 对干燥装置的设计、控制及运行具有直接指导作用 . 1 数学模型物料干燥过程为 : 热空气通过物料表面时 , 由于空气与物料间存在着温度差 , 空气以对流方式把热量传向物料表面 , 再以导热方式传向物料内部 . 物料表面的水分受热汽化后以对流方式传向气流主体 , 物料内部的水分以扩散方式传向其表面 . 质、热是同时而反向的传递过程 , 机理甚为复杂 . 为此 , 首先作出以下几点假设 : (l )物料为各向同性的均匀球形物 ; (2) 物料的初始温度及含湿量分布均匀 ; ( 3) 干燥过程中物料的体积收缩可忽略不计; (4) 水分由物料内部扩散至表面 , 蒸发仅在表面进行 ; (5) 热空气与物料表面间进行对流换热 , 再以导热的方式传向物料内部 . 微分方程 : 要 l(2(345(6 一景 (D : 鄂 · 影 D : 要暨黔1 一最。鄂 · 乡、鬃初始条件 : 边界条件 : r 二 0, sT = sT , , Ms = 从 , T > 刁双 a从 o r = 0 二二一 = 0 一二一一 = 0 口r 口r r = R 刁从 D . es 二 , se + h _ (从一从) = 0 ` 口r 一、刁皿 K 。 , 、 l a从几 , 亩一 ” t (几一 sT ) 一 p s ’ 不[ h f g + , · L几一 sT ,” 丽一。 1 9 9 7 一 10 一 2 5 收稿淮秀兰女 , 32 岁 , 博士 * 国家教委博士基金资助项目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 05. 018

Vol.20 No.5 准秀兰等：粒状物料干燥过程中的传热传质分析 ·485· 物料颗粒平均含湿量： (7 物料颗粒平均温度：元影0 (8) 其中：T,为气体温度；h为汽化潜热；c为水蒸汽的定压比热容；R为物料颗粒半径，V,为物料颗粒体积；A,为物料颗粒表面积；M,为物料颗粒第j层的含湿量，T,为物料颗粒第层的温度； 1为导热系数；x为时间；D为扩散系数. 2数值处理方法由于物料干燥过程中热质传递过程的相合耦合作用，以及物性参数随干燥过程的变化而变化，使整个问题的数值方法复杂化.为此，采用全隐格式的差分方法对传热传质微分方程组进行求解，以保证计算结果的稳定性；又由于颗粒的平均温度及平均含湿量的求解公式为积分形式，所以采用复合辛普生法进行求解，以提高计算精度， 3结果与讨论本模型可以用于预测各种粒状物料的干燥过程，这里主要介绍对1组流化床大麦干燥实验的模拟计算.其实验装置如图1所示.干燥器为截面积1m×0.2m,高 0.8m的矩形卧式流化床，沿其长度方向将其分为4段，实验时只用了其中的1段，分布板开孔率为9.0%；加热装置由4组3k W的电热管及1个风箱组成；供风系统采 4 用现有的18kW可调风量的风机及送风管道；测量装置有天平，数字热电偶、干湿图1流化床谷物干燥实验装置系统示意图球温度计、皮托管、U型管、烘干炉等. 1-风机：2-流量调节阀；3-加热箱；4电热管；5U型管 (1)实验条件.静态床层高度为0.29 6送风阀；7-压力测试孔；8-温度测试孔：9-压力及温 m,人口空气温度为58~70℃，入口空气度测试孔：10-流化床；11-隔板：12布风板；13-风箱；绝对湿度为1kg干燥空气中含水 14-放气阀 0.0092kg水，空气流速为1.86~1.62m/s,1kg大麦初始含湿量为含0.1834kg水，大麦颗粒平均当量直径为0.004m. (2)物性参数大麦的导热系数： 2,=0.14+0.68M,(W/(m·℃) (9) 质扩散系数： D,=a·exp(B·M)(m2/s) (10) 其中：a=a1·exp(T,·aB=B,·expB2·(T,-f,)];a,=0.32×1012;a2=4.35×10-1, 61=17.1,β2=-1.8×104,63=77.2. (3)比热容 C=c=+cpw·M(J/(kg·℃) (11) 其中：cp:为干物料的定压比热容；cpu为水的定压比热容

V of . 2 0 N 心 . 5 淮秀兰等 : 粒状物料干燥过程中的传热传质分析 . 4 8 5 . 、产少. ù了一J 汉à 矛产.、了龟一尺3 物料颗粒平均含湿量一 : 又一壳丁孙 ·恤 j d · J 。 r 似 , , u r 物料颗粒平均温度 : 兀典{ R 夏J r Z T d r 吕 J 其中 : 几为气体温度;h f g为汽化潜热 ; 气、为水蒸汽的定压比热容 ; R : 为物料颗粒半径 , K 为物料颗粒体积;A .为物料颗粒表面积;城 j 为物料颗粒翔层的含湿量 , 兀 ,为物料颗粒均层的温度 ; 几为导热系数 ; r为时间; D 为扩散系数 . 2 数值处理方法由于物料干燥过程中热质传递过程的相合藕合作用 , 以及物性参数随干燥过程的变化而变化 , 使整个问题的数值方法复杂化 . 为此 , 采用全隐格式的差分方法对传热传质微分方程组进行求解 , 以保证计算结果的稳定性 ; 又由于颗粒的平均温度及平均含湿量的求解公式为积分形式 , 所以采用复合辛普生法进行求解 , 以提高计算精度 . 3 结果与讨论本模型可以用于预测各种粒状物料的干操过程 , 这里主要介绍对 1 组流化床大麦干燥实验的模拟计算 . 其实验装置如图 1 所示 . 干燥器为截面积 1 m x .o Z m , 高 0 . 8 m 的矩形卧式流化床 , 沿其长度方向将其分为4 段 , 实验时只用了其中的 l 段 , 分布板开孔率为.9 0% ; 加热装置由4 组 3 k W 的电热管及 1个风箱组成 ; 供风系统采用现有的 18 k w 可调风量的风机及送风管道 ; 侧量装置有天平、数字热电偶、干湿球温度计、皮托管、 U 型管、烘干炉等 . ( l) 实验条件 . 静态床层高度为 .0 2 9 m , 人口空气温度为 58 一 70 ℃ , 入口空气绝对湿度为 I k g 干燥空气中含水 0 . 0 0 9 2 吨水 , 空气流速为 1 . 5 6 一 1 . 6 2 耐 s , l 均当量直径为.0 0 4 m . (2 )物性参数 . 大麦的导热系数l2] : 又 s = .0 14 质扩散系数2I] : D s = a · 其中: a = a , · e x (P 双 · a Z ) : 月= 声 , · e x p叨 2 口 , = j l 7 · l , P Z = 一 1 . 8 X 10 一 ` , 月。 = 7 7 . 2 . ( 3 ) 比热容 . c : = , + 称 w 9 l / / } I } } I 至土且上止图 1 流化床谷物干燥实验装置系统示意图 l es风机 ; 2一流 t 调节阀 ; 3一加热箱 ; -4 电热管 ; -S U型管企送风阀 ; -7 压力测试孔 ;卜温度测试孔 ; 9一压力及温度测试孔 ; 1卜流化床 ; 1 1一隔板 ; 1 2 es布风板 ; 13 e风箱 ; 1-4 放气阀 k g大麦初始含湿量为含 0 . 1 83 4 k g 水 , 大麦颗粒平 + 0 . 6 8 Ms e x p价 · Ms ) · ( 双一吞飞 ) , ] (W / ( m · ℃ )) (m , / s ) : a 一 o · 3 2 X 10 一 12 ; a Z - (9 ) ( 10 ) 4 . 3 5 x 1 0 一 12 , Ms ( J / (k g · oC ) ) ( 11 ) 其中二“ , s 为干物料的定压比热容 ; 。 , w 为水的定压比热容 ·

·486 北京科技大学学报 1998年第5期 (4)对流传质系数： .1.ReS) d (12) 其中：临界流化Reynold数Remr=P,“mrd,/4,Schmidt数Sc=4,/p,D,)y为非扩散组分的摩尔分数；d,为物料颗粒直径；U.为临界流化速度；p为气体密度；4为气体动力粘度. (5)对流传热系数， (13) 其中：阿基米德数4r=P,gd/p,,H为静态床层高度，Y。=“。/Pg 图2为计算与实验的大麦干基平均含湿量随时间的变化.由图可知，二者吻合良好，图3为计算的大麦中心、表面及平均含湿量随时间的变化.干燥起始阶段大麦表面与中心的湿度梯度较大，平均含湿量介于二者之间，随后湿度梯度逐渐减小，直到最后表面、中心及平均含湿量几乎相同. 0.20 0.20 ·表面 0.16 实验 0.16 《平均哲计算。中心 0.12 聪 0.12 如 99 0.06 0.06 0.04 非年水 0.04 0 100020003000400050006000 0100020003000400050006000 t/s t/s 图2计算与实验的大麦含湿量随时间的变化图3大麦中心，表面及平均含湿量随时间的变化 T-58~70℃，Ho=0.29m,Ug=1.86~1.62m/s T58~70C,Ho-0.29m,U=1.86~1.62m/s 当热空气从湿的大麦表面流过时，大麦与热空气间存在着传热推动力（温度差），空气以对流方式把热量传递给大麦，大麦接受这部分热量用于汽化其中的水分.而由于水分的汽化，使在大麦表面的空气与气流主体之间形成传质推动力（湿度差），蒸汽就由大麦表面传递到气流主体，并不断被气流带走，同时大麦内部与其表面间形成了较大的湿度梯度，在毛细管与扩散渗透力的作用下使大麦内部的水分向其表面传递.大麦越湿其湿度梯度越大，扩散及对 75 流传质越迅速，干燥速率就越快.随着干燥过 65 程的进行，大麦的含湿量逐渐降低，湿度梯度 55 逐渐减小；另一方面，毛细管一部分失去水 0000000000-00000066 45 0中心分，引起其孔径收缩或完全消失，这时颗粒内 35 。表面残留水分将沿着迁回曲折的途径向外移动，使干燥速率开始下降，其含湿量的变化也越 25 0 100020003000400050006000 来越平缓. t/s 图4为计算的大麦表面与中心温度随时图4大麦中心及表面温度随时间的变化间的变化曲线.由图可以看出大麦表面与中 T=58~70℃，Ho=0.29m,U。=1.86~1.62m/s

. 4 8 6 . 北京科技大学学报 1 9 9 8年第 5期 (4 ) 对流传质系数 ]l4 : , , 一念 (2 · ` · SR一尹 ’ cS 。 ” , ( 12 ) 其中: 临界流化 R e y n o ld 数 R e 二 f 一户 : u 二 f d s /群: ; S e h m i d t数 cS 一月: /勿 : D : ) ; , 为非扩散组分的摩尔分数 ; ds 为物料颗粒直径 ; 叽内临界流化速度 ;凡为气体密度 , 拜。为气体动力粘度 · (5 )对流传热系数 5[] . , 1 一瓮( 。一二 : ` 5 (鲁) 一 ” ’ ` ) ( 1 3 ) 其中: 阿基米德物 : 二 p s g 谓 / 勿巍) , H 。为静态床层高度 , v g 一 , : /凡 · 图 2 为计算与实验的大麦干基平均含湿量随时间的变化 . 由图可知 , 二者吻合良好 . 图 3 为计算的大麦中心、表面及平均含湿量随时间的变化 . 干燥起始阶段大麦表面与中心的湿度梯度较大 , 平均含湿量介于二者之间 , 随后湿度梯度逐渐减小 , 直到最后表面、中心及平均含湿量几乎相同 . 0 . 2 0 0 . 2 0 0 . 1 6 实验一计算 0 . 16 表面平均中心气 · 、润咧如未 0 . 0 6 0 . 0 4 扁赐 0 · 12 几卜.狱、、叔邻。一 { 、 0 . 0 4 热 . 卜. 阅匕. , 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 t / S _ _ , 1 . 10 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 t / s 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 图2 计算与实验的大麦含湿 t 随时间的变化图3 大麦中心、表面及平均含湿 t 随时间的变化 2仙= 5 8一 7 0℃ , 0H = 0 · 2 9 m , 叽= 1 · 8 6 一 l . 6 2 m / s 几尸 5 8 一 7 0 oC , 0H = 0 · 2 9 m , 吮= 1 . 8 6 一 l . 6 2 m / s 当热空气从湿的大麦表面流过时 , 大麦与热空气间存在着传热推动力 (温度差 ) , 空气以对流方式把热量传递给大麦 , 大麦接受这部分热量用于汽化其中的水分 . 而由于水分的汽化 , 使在大麦表面的空气与气流主体之间形成传质推动力 (湿度差 ) , 蒸汽就由大麦表面传递到气流主体 , 并不断被气流带走 , 同时大麦内部与其表面间形成了较大的湿度梯度 , 在毛细管与扩 ù尸、一、 é 7 . 6 散渗透力的作用下使大麦内部的水分向其表面传递 . 大麦越湿其湿度梯度越大 , 扩散及对流传质越迅速 , 干燥速率就越快 . 随着干燥过程的进行 , 大麦的含湿量逐渐降低 , 湿度梯度逐渐减小 ; 另一方面 , 毛细管一部分失去水分 , 引起其孔径收缩或完全消失 , 这时颗粒内残留水分将沿着迂回曲折的途径向外移动 , 使干燥速率开始下降 , 其含湿量的变化也越来越平缓 . 图4 为计算的大麦表面与中心温度随时间的变化曲线 . 由图可以看出大麦表面与中尸 5 5 4 5 3 5 2 5 O 中心 0 表面 1 t l _ 1 0 10 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 OC r / s 图4 大麦中心及表面温度随时间的变化几= 5 8 一 7 0 oC , 0H = 0 . 2 9 m , 叽= 1 · 8 6 一 l . 6 2 m / s

Vol.20 No.5 淮秀兰等：粒状物料干燥过程中的传热传质分析 ·487· 心的温度梯度很小，亦即大麦内部的传热阻力很小，温度分布很平缓.AB雷科夫四通过实验证明，当湿物料内部存在温度差时，热量的传递将会引起物料中的水分从高温部位向低温部位转移，即沿着热流方向移动，并称之为温湿传导，其大小与物料中的温度梯度成比例.温湿传导的方向与水分扩散方向相反，因此温湿传导为水分自物料内部向其表面扩散的阻力，本实验中大麦内部的温度梯度很小，所以水分扩散主要是由其内部的湿度梯度控制，温度梯度的影响较小，即温湿传导可以忽略不计. 4结论简要介绍了预测粒状物料干燥过程中传热传质的数学模型，采用了恰当的数值处理方法，并以流化床谷物干燥实验为例进行了模拟计算.结果表明，该模型能较好的预测干燥过程中物料的含湿量及温度随时间等的变化，其计算与实验结果吻合良好，参考文献 1伍沅.干燥技术的进展和应用.化学工程，1995,23(3)：47 2 Bruce D M.Exposed-Layer Barley Drying:Three Models Fitted to New Data up to 150C.J Agric Eng Re8,1985,32:337 3粮食干燥编写组.粮食干燥北京：中国财政经济出版社，1982 4 Ranz W E.Fiction and Transfer Coefficients for Single Particles and Packed Beds.Chem Eng Prog, 1952,48:247 5童景山，张克.流态化干燥技术.北京：中国建筑工业出版社，1985 Heat and Mass Transfer during Granular Materials Drying Huai Xiulan Wang Li Ni Xuezi Machanical Engineering School,UST Beijing,Beijing,100083,China ABSTRACT A mathematical model of heat and mass transfer during the granular materials drying has been presented.Both the variation of the materials'temperature and moisture content can be predicted.The model prediction agrees with the experiment data. KEY WORDS granular materials;drying;heat and mass transfer;mathematical model

v吻l.o 205 . 淮秀兰等 : 粒状物料干燥过程中的传热传质分析 · 4 8 7 · 心的温度梯度很小 , 亦即大麦内部的传热阻力很小 , 温度分布很平缓 . A . B 雷科夫 3[] 通过实验证明 , 当湿物料内部存在温度差时 , 热量的传递将会引起物料中的水分从高温部位向低温部位转移 , 即沿着热流方向移动 , 并称之为温湿传导 ,其大小与物料中的温度梯度成比例 . 温湿传导的方向与水分扩散方向相反 , 因此温湿传导为水分自物料内部向其表面扩散的阻力 . 本实验中大麦内部的温度梯度很小 , 所以水分扩散主要是由其内部的湿度梯度控制 , 温度梯度的影响较小 , 即温湿传导可以忽略不计 . 4 结论简要介绍了预测粒状物料干燥过程中传热传质的数学模型 , 采用了恰当的数值处理方法 , 并以流化床谷物干燥实验为例进行了模拟计算 . 结果表明 , 该模型能较好的预测干燥过程中物料的含湿量及温度随时间等的变化 , 其计算与实验结果吻合良好 . 今考文做 1 伍沉 . 干操技术的进展和应用 . 化学工程 , 1 9 95 , 2 3 (:3) 47 2 B ucer D M . E x 卯s e -d L a卿 B ar l e y D汀in g : T hl e e M o d e l s F i t e d t o N e w D a at u p t o 15 0℃ . J A g r i e E ng R朋 , 19 85 , 32 : 337 3 粮食干操编写组 . 粮食干燥 . 北京 : 中国财政经济出版社 , 19 82 4 Ran Z W E . F i e it o n an d T n 双` fer C o e if c i e n st fo r S m g l e P art i e l e s a n d P a c k e d B e d s . C h e m E n g P r o g , 19 5 2 , 4 8 : 24 7 5 童景山 . 张克 . 流态化干操技术 . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 1 9 8 5 H e at an d M a s s T arn s fe r du ir n g G r an u lar M a t e r i a l s D ry i n g 月扮ia iX u al n 环ar n g iL iN Xu ez i M ac ha 画 c ia E n ign e e ir 目9 S e h o l , U S T B e ij in g , B e ij in g , 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T m a t e ir ia s d ry in g m o i st ir e C o in e n t K E Y W O R D S A m aht e m at i e a l m o d e l o f h e at a n d m a s s tr a n s fe r d u ir n g ht e g r a n u l ar h as C S D b e e n Pre s e in e d . B o ht ht e v iar at i o n b e P r e d i e t e d . T h e m o d e l P r e d i e t i o n o f ht e m at e ir a l s , t e m P e r a ut r e a n d a g r e e s w iht ht e e x P e r im e n t d at . 盯a n u l ar m a t e ir a l s: 勿in g : h e at an d m as s tr an s fe r ; m a ht e m at i e a l m o d e l