西安建筑科技大学：《材料工程基础》课程教学资源（PPT课件）第五章 物料干燥——干燥原理（干燥速率和干燥过程、干燥技术）

第5章干燥原理 千燥静力学 千燥速率和千燥过程 千燥技术

1 第5章 干燥原理 干燥静力学 干燥速率和干燥过程 干燥技术

53千燥速率和干燥过程 5.3.1恒定干燥条件下的干燥速率 ●5.3.1.1千燥动力学实验 千燥条件:恒定干燥 H,长 空气各项性质可取进、出口的平均值 0 左 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 i t-r 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、 0 干燥时间r 干燥时间的关系曲线。 恒宠干燥条件下物料的千燥曲

2 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 干燥条件：恒定干燥 空气各项性质可取进、出口的平均值。 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

53千燥速率和干燥过程 531.2干燥速率曲线 20 物料的千燥速率 降速阶段恒速阶段 noda kg/(ms) fdt FdC 自10 干燥曲线 05 干燥速率曲线 预热阶段(A→B) 001 02 03XX1 kg水·kg千料 干燥过程恒速干燥(B→C) 恒定干燥条件下的干燥滾 降速干燥(C→D→E) 率曲绕

3 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 物料的干燥速率 ： w 0 dm m dX j Fd Fd   = = − kg/(m2 .s) 干燥曲线 干燥速率曲线 干燥过程 预热阶段（A→B） 恒速干燥（B→C） 降速干燥（C→D→E）

53干燥速率和干燥过程 (1)恒速干燥阶段 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。 Xm 对流传热速率:q=ht-1)2h=jm k,(d -d)=-(t-t. 传质速率 k,(d -d) 干燥速率 恒速干燥速率特点: 1)千燥速率不随物料的含水量改变而变化; 2)千燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外扩散控制, 干燥速率取决于千燥条件。 4

4 （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： ( ) w w w w Xm q h t t j Fd    = − = = 传质速率： ( ) d w j k d d = − ( ) ( ) d w w w h j k d d t t  = − = − 干燥速率 1) 干燥速率不随物料的含水量改变而变化； 2) 干燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外扩散控制)， 干燥速率取决于干燥条件。 恒速干燥速率特点：

53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。 降速干燥特点: 干燥气流 1)千燥速率取决于水分在物料 内部的扩散(内扩散)速率,与 物料本身的结构、形状和尺寸 第一降速阶段 等因素有关,受外部干燥介质 干气流 干燥气流 的条件影响较小。 2冰水分迁移形式:主要以液态 形式扩散,少量以气态形式扩b第二降速阶段 干燥终了 散 水分在多孔物料中的分布

5 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。 1)干燥速率取决于水分在物料 内部的扩散(内扩散)速率，与 物料本身的结构、形状和尺寸 等因素有关，受外部干燥介质 的条件影响较小。 2)水分迁移形式：主要以液态 形式扩散，少量以气态形式扩 散。 降速干燥特点： 水分在多孔物料中的分布

53千燥速率和干燥过程 (3)临界含水量 恒速干燥阶段与降速千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(X) 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: X=X+ DARPA 分析:物料的平均临界含水量总是大于其最大吸湿量X,随着物 料厚度的增加和千燥速度的提高,X值加大;在干燥过程中p0和k 的增大,则使κ下降。值越大,干燥中产生的内应力越大

6 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： D A j X X AB c m   = + 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ρ0和k 的增大，则使Xc下降。Xc值越大，干燥中产生的内应力越大

53干燥速率和干燥过程 5.32影响干燥速率的因素 5.3.,1恒速干燥阶段 在恒速干燥阶段,Le=1,Nu=Sh,即有a=D hl k/ k=h=shah 刘伊斯 A D 关系式 k,(d -d) j=k,d-d)=kp(d-d)=c(d-d 影响干燥速率的主要因素: (1)空气流速 h=14.3mn0 i=068-8.14kg/(m2s 条件:绝热且空气流动 t=45~150℃ 方向与物料表面平行 0.8

7 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 D hl k l c =    p  c c a h h D k = h = = 刘伊斯 关系式 ( ) ( ) ( ) d w c w w p h j k d d k d d d d C = − = − = −  ( ) d w j k d d = − 影响干燥速率的主要因素： ⑴ 空气流速 0.8 h = 14.3m  m  =0.68~8.14 kg/(m2.s) t = 45~150℃ j∝ 0.8 m  条件：绝热且空气流动 方向与物料表面平行

53干燥速率和干燥过程 条件:空气垂直穿过物料颗粒堆积层时,设物料颗粒直径为d,则: h=00189 >350 049~0.59 ×m1 0.49 h=0.0118 350 (2)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(dhd)将增大, 干燥速率增加 (3)空气温度 t2-l2、y y ●(4)空气与物料接触方式 物料颗粒悬浮分散在气流,物料的干燥速率较大; 气流掠过物料层表面时,干燥速率较低; 气流垂直穿过物料时,干燥速率介于两者之间

8 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         = 0.0189 ,  350 0.41 0.59  d m d m h p p           = 0.0118 ,  350 0.41 0.49  d m d m h p p   j∝ 0.49~0.59 m  ⑵ 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。 ⑶ 空气温度 2 1 1 1 2 2 2 1 w w w w t t t t j j    − − = (4) 空气与物料接触方式 物料颗粒悬浮分散在气流，物料的干燥速率较大； 气流掠过物料层表面时，干燥速率较低； 气流垂直穿过物料时，干燥速率介于两者之间

53千燥速率和干燥过程 。5.3.2.2降速干燥阶段 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: DV 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Sore效应。 Ja=DPos, Vt 物料中水分在压力梯度作用下所产生的质量扩散通量/A可表示为: Pop

9 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： j Aw = −DAB  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。 j D s t At = − t 0 t   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： j D p Ap = − v 0 

53千燥速率和干燥过程 ●根据物料中各种传递过程的耦合分析有 jA=J+ja+jan=-Dvp-Dipos,vt-D Po Vp 对沿枋向上的一维干燥过程,内扩散速率可用下式表示 at j4=-D()±D.,0(x)-DP0() 对厚度为δ的平板制品进行两面对称干燥时,湿扩散速率: JA=-Dop-4D(P-Ps) 总结: 1)热湿扩散中水分扩散与加热强度及加热方式有关。 2)外部加热时,热扩散与质扩散方向相反;内热源加热时,热扩散 与质扩散方向相同,这有利于千燥速率的提高。 3)湿扩散和热湿扩散中的扩散系数D和D的大小与物料的种类、结 构、形状、大小等性质有关,可由实验测得。 10

10 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： j A = j Aw + j At + j Ap = −D − Dt 0 stt − Dv 0p     对沿X方向上的一维干燥过程，内扩散速率可用下式表示： ( ) ( ) ( ) 0 0 x p D x t D s x j A D t t v   −      = −    对厚度为δ的平板制品进行两面对称干燥时，湿扩散速率：      4 ( ) 0 −  =        = − D x jA D 1)热湿扩散中水分扩散与加热强度及加热方式有关。 2)外部加热时，热扩散与质扩散方向相反；内热源加热时，热扩散 与质扩散方向相同，这有利于干燥速率的提高。 3)湿扩散和热湿扩散中的扩散系数D和Dt的大小与物料的种类、结 构、形状、大小等性质有关，可由实验测得。 总结：