1、1,1,第五章 干燥原理,西安建筑科技大學粉體工程研究所 李 輝,2,2,提 綱,概 述 干燥靜力學 干燥速率和干燥過程 干燥技術,3,第5章 干燥原理,5.1 概述,4,5,處理工業(yè)固體廢棄物的高壓輥式立磨,在磨細的過程中完成對濕物料的干燥。,6,6,材料行業(yè)以對流干燥為主，下圖為對流干燥示意圖：,干空氣將熱量傳給濕物料；濕物料中的水分受熱汽化進入空氣。,7,5.2 干燥靜力學,5.2.1 濕空氣的性質,5.2.1.1 干空氣與濕空氣,完全不含水蒸汽的空氣稱為絕干空氣（簡稱干空氣）。,濕空氣是指含有水蒸氣的空氣,是干空氣和水蒸氣的混合物。,特點：濕空氣中水蒸氣分壓通常很低（0.0030.00

2、4MPa）,可視為理想氣體。濕空氣是理想氣體的混合物，遵循理想氣體狀態(tài)方程。,道爾頓（Dalton）分壓定律 ：,濕空氣中的水蒸氣通常處于過熱狀態(tài)，干空氣與過熱水蒸氣組成的濕空氣稱為未飽和空氣。,當水蒸氣的分壓達到對應溫度下的飽和壓力，水蒸氣達到飽和狀態(tài)。由干空氣與飽和水蒸氣組成的濕空氣稱為飽和空氣。,8,5.2.1.2 濕空氣中水蒸氣的量,5.2 干燥靜力學,表示方式有三種：絕對濕度、相對濕度和濕含量。,（1）絕對濕度,單位體積濕空氣所含水蒸氣的質量稱為濕空氣的絕對濕度，用v表示。,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：,對于飽和空氣：,水在大氣壓下的飽和蒸汽壓僅是溫度的單值函數(shù)。,在0100范圍及標準大氣

3、壓下,說明：絕對濕度僅表示濕空氣中水蒸氣的質量的多少，不能完全說明空氣干燥能力。,9,5.2 干燥靜力學,（2）相對濕度,相對濕度是指濕空氣的絕對濕度v與相同溫度下可能的最大絕對濕度（即飽和空氣的絕對濕度）sv的比值，用 表示。,相對濕度 與干燥能力的關系,10,5.2 干燥靜力學,（3）含濕量,空氣的含濕量是指1kg干空氣所攜帶的水蒸氣質量（又稱為比濕度），以d表示。,（kg水蒸氣/kg干空氣）,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有：,11,5.2.1.3 濕空氣的溫度參數(shù),5.2 干燥靜力學,（1）干球溫度,干球溫度即是濕空氣的實際溫度，也就是通常用普通溫度計（干球溫度計）測量得到的空氣溫度。簡稱為空

4、氣溫度。,（2）濕球溫度,在普通溫度計外包裹濕紗布，濕紗布的一端浸入水中，使得紗布保持濕潤，這種溫度計稱為濕球溫度計。在平衡狀態(tài)下，濕球溫度計測出的空氣溫度稱為濕球溫度，用tw表示。,由干球溫度計和濕球溫度計組合成的溫度計稱為干濕球溫度計。,在平衡狀態(tài)下，空氣向濕紗布傳遞的熱量恰好等于濕紗布表面水分汽化所需熱量。即：,濕球溫度不是濕空氣的狀態(tài)參數(shù),12,5.2 干燥靜力學,（3）絕熱飽和溫度,絕熱飽和過程,以1kg干空氣為基準，熱量平衡關系如下：,濕空氣的狀態(tài)參數(shù),系統(tǒng)由一個裝有足夠多水的絕熱長管道組成，在管道內(nèi)水的溫度等于管道出口空氣達到的飽和狀態(tài)下(絕熱飽和)的溫度情況下，此時管道出口的飽

5、和空氣溫度稱為絕熱飽和溫度，以 表示。,13,5.2 干燥靜力學,（4）露點,當未飽和濕空氣中水蒸氣分壓或含濕量不變時，濕空氣冷卻到飽和狀態(tài)（ =100）的溫度稱為露點，用td表示。,分析：濕空氣在露點溫度下處于飽和狀態(tài)，其含濕量保持不變。,（kg水蒸氣/kg干空氣）,濕空氣的狀態(tài)參數(shù),14,14,5.2.1.4 濕空氣的密度,5.2 干燥靜力學,濕空氣的密度,濕空氣的密度表示單位體積濕空氣的質量，用表示,kg/m3。它也表示濕空氣中空氣的質量濃度與水蒸氣的質量濃度之和，即：,15,5.2.1.5 濕空氣的比熱和焓,5.2 干燥靜力學,（1）濕空氣的比熱,濕空氣的比熱是指1kg干空氣及其所攜帶

6、的dkg水蒸氣升高或降低單位溫度所吸收或釋放的熱量，用cw表示, kJ/(kg干空氣) 。,cw=ca+dcv,0120,cw1.01+1.88d (0120oC),（2）濕空氣的焓,濕空氣的焓是以1kg干空氣為基準，是指1kg干空氣焓與其所攜帶的dkg水蒸氣的焓值之和，用h 表示，kJ/kg干空氣 。,以0時的干空氣和飽和水為焓基準點,0120,h acat1.01t,16,濕空氣的所有狀態(tài)參數(shù)均可由兩個獨立的參數(shù)通過解析法確定。工程上常見的濕度圖有溫度-濕度圖（t-d圖）和焓-濕圖（hd圖）。,5.2 干燥靜力學,空氣-水系統(tǒng)的t-d圖（100kPa）,17,17,濕空氣的h-d圖,1.

7、h-d圖的組成 等濕含量線(等d線) 等焓線(等h線) 等干球溫度線(等t線) 等相對濕度線(等線) 等濕球溫度線(等tw線) 水蒸汽分壓線(等pv線),h-d圖的組成,d,Pv,h2,h1,h,18,18,例：在容積為50m3的空間中，空氣溫度為30，相對濕度為60%，大氣壓強p =101.3kPa。求濕空氣的露點、含濕量、干空氣的質量、水蒸氣質量和濕空氣的焓值。,5.2 干燥靜力學,解：由飽和水蒸氣表5.1查得，t=30時，psv= 4.243 KPa，所以,pv=psv=0.64.243 =2.546kPa,反查飽和水蒸氣表，可得 td =21.25,干空氣分壓：,干空氣質量：,水蒸氣質

8、量：,濕空氣的焓：,=（1.01+1.880.016）30+25010.016 = 71.05 kJ/（kg干空氣）,19,19,例：在一個標準大氣壓下(101.325kPa),由干濕球溫度計測得空氣的干球溫度和濕球溫度分別為30和20。求濕空氣的d、h、pv、pa。,tas20；,asw2453kJ/kg；,dasdw0.0147 kg水蒸氣/kg干空氣， Cw1.01+1.88d,d0.0105,溫度為30時,39.6,56.99kJ/（kg干空氣）,水蒸氣分壓,干空氣分壓,kPa,kPa,【解】：由表5-1中查得，20和30時飽和水蒸氣分壓分別為psv1=2.338kPa和psv2=4.

9、243kPa，由附錄查得20時水的汽化潛熱w=2453kJ/kg，20時飽和濕空氣的濕含量為,kg水蒸氣/kg干空氣,kg水蒸氣/kg干空氣,30時空氣的焓,20,20,5.2.2 濕空氣狀態(tài)的變化過程,5.2 干燥靜力學,5.2.2.1 加熱和冷卻過程,空氣的加熱過程,根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程，加熱和冷卻過程中的吸熱量和放熱量分別等于過程中的濕空氣焓增加值和減小值。,d1 d,h,h2,h1,21,21,5.2.2.2 加濕和去濕過程,5.2 干燥靜力學,熱空氣的加濕過程,無外加熱源的物料干燥過程可以看作是絕熱加濕過程。絕熱加濕過程中，濕空氣的焓保持不變，而相對濕度和濕含量均增加，濕空氣溫度降低

10、。各狀態(tài)參數(shù)之間的具體關系,絕熱去濕過程各狀態(tài)參數(shù)的大小關系與上式相反。,注意：在外界有熱量交換的加濕或去濕過程中，焓值將增加或減小。各參數(shù)在加濕或去濕過程中的計算可以根據(jù)過程特點及狀態(tài)參數(shù)之間的關系確定。,d1 d2,22,22,5.2 干燥靜力學,5.2.2.3 絕熱混合過程,在混合時，氣流與外界的熱交換量很少，此過程可視為絕熱過程。,忽略混合過程中微小的壓力變化，設,混合前： 、d1、h1和 、d2、 h2，,混合后： 、d3、h 3,空氣質量守恒,濕空氣中水蒸氣質量守恒,能量守恒,兩股氣流的混合,23,23,干燥過程,5.2 干燥靜力學,干燥過程包括濕空氣的加熱過程和絕熱吸濕過程。,例

11、:已知空氣t1=30、pv1=2.938kPa，將該空氣送入加熱器進行加熱后，t2=60，然后送入干燥器中作為干燥介質?？諝饬鞒龈稍锲鲿r的溫度t3=35。求空氣在加熱器中吸收的熱量和1kg干空氣所吸收的水分。大氣壓強P=0.1MPa。,解：從飽和水蒸氣表中可知，當t1=30，psv1= 4.243kPa；t2=60， psv2=19.916kPa；t3=35，psv3=5.6231kPa,相對濕度1,濕含量1,焓1,24,24,5.2 干燥靜力學,加熱過程：d2=d1=0.0188kg水蒸氣/kg干空氣，,空氣在加熱器所吸收的熱量：q= h2h1=31.19 kJ/kg干空氣。,在干燥器中的吸

12、濕過程中焓不變：h2=h3=109.4kJ/kg干空氣。,干燥過程中吸收水分：,d= d3d2=0.02890.0188=0.0101 kg水蒸氣/kg干空氣,相對濕度2,濕含量2,焓2,焓3,濕含量3,25,25,5.2 干燥靜力學,h,h2,26,26,5.2.3 水分在氣-固兩相間的平衡,5.2.3.1 結合水與非結合水,能否用干燥方法,化學結合水,物理化學結合水,5.2.3.2 平衡水分和自由水分,物料中所含水分,除水的難易,結合水,非結合水,濕物料中水分,平衡水分,自由水分,（1）平衡水分,平衡含水量是物料在一定空氣狀態(tài)下被干燥的極限。,比較物料的含水量（X）與平衡含水量（X*）的大

13、小可判斷過程進行的方向。,5.2 干燥靜力學,難,易,能,不能,27,27,（2）自由含水量,物料中所含大于平衡含水量的那一部分含水量，即可在一定空氣狀態(tài)下用干燥方法去除的水分稱為自由含水量，其大小為（XX*）。,利用平衡含水量曲線可確定物料中 結合含水量與非結合含水量的大小， 判斷水分去除的難易程度。,物料的平衡含水量 曲線,5.2 干燥靜力學,X X*,干燥不再進行,XX*,干燥進行,28,5.3 干燥速率和干燥過程,5.3.1 恒定干燥條件下的干燥速率,5.3.1.1 干燥動力學實驗,恒定干燥條件下物料的干燥曲線,實驗中記錄每一個時間間隔內(nèi)物料質量的變化及物料的表面溫度，直到濕物料的質量

14、恒定，這時物料中含水量為該條件下的平衡含水量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出物料含水量與物料表面溫度、干燥時間的關系曲線。,29,5.3 干燥速率和干燥過程,5.3.1.2 干燥速率曲線,恒定干燥條件下的干燥速率曲線,干燥曲線,干燥速率曲線,干燥過程,30,（1）恒速干燥階段,5.3 干燥速率和干燥過程,分析：物料內(nèi)部的水分能及時擴散到表面，物料整個表面都有充分的非結合水。,對流傳熱速率：,恒定干燥條件下物料的干燥曲線,31,5.3 干燥速率和干燥過程,（2）降速干燥階段,分析：第一降速階段，物料內(nèi)部水分向表面擴散的速率已小于物料表面水分的汽化速率，實際汽化面積減小，干燥速率下降。第二降速階段，水分的汽化面

15、由物料表面移向內(nèi)部，使傳熱和傳質途徑加長，造成干燥速率下降。,水分在多孔物料中的分布,恒定干燥條件下物料的干燥曲線,32,5.3 干燥速率和干燥過程,（3）臨界含水量,恒速干燥階段與降速干燥階段的分界點稱為臨界點，相應的物料平均含水量為臨界含水量（Xc）。,臨界含水量的影響因素：物料的性質、厚度以及恒速階段干燥速率。,對于粘土制品，在制品水分沿厚度方向按拋物線分布時，臨界水分可表示為：,分析：物料的平均臨界含水量Xc總是大于其最大吸濕量Xm，隨著物料厚度的增加和干燥速度的提高，Xc值加大；在干燥過程中和D的增大，則使Xc下降。Xc值越大，干燥中產(chǎn)生的內(nèi)應力越大。,33,5.3.2 影響干燥速率

16、的因素,5.3 干燥速率和干燥過程,5.3.2.1 恒速干燥階段,在恒速干燥階段，Le=1，Nu=Sh，即有a=D,影響干燥速率的主要因素：, 空氣流速,條件：絕熱且空氣流動方向與物料表面平行,34,條件：空氣垂直穿過物料顆粒堆積層時，設物料顆粒直徑為dp ，則：,5.3 干燥速率和干燥過程,j, 空氣中的含濕量,空氣溫度不變，空氣的含濕量降低，傳質推動力（dw-d）將增大，干燥速率增加。, 空氣溫度,(4) 空氣與物料接觸方式,35,5.3.2.2 降速干燥階段,5.3 干燥速率和干燥過程,水分在物料內(nèi)部擴散的機制主要有液體擴散理論和毛細管理論。,在降速階段的前期，水分的移動靠毛細管作用力，

17、而在后期，水分移動是以擴散方式進行的。,物料內(nèi)部的傳質采用穩(wěn)態(tài)Fick定律：,在非等溫度條件下，存在熱濕傳導，又稱為Luikov效應，在不可逆熱力學中將這種由溫差引起的質量傳遞現(xiàn)象稱為Soret效應。,物料中水分在壓力梯度作用下所產(chǎn)生的質量擴散通量jAp可表示為：,36,5.3 干燥速率和干燥過程,根據(jù)物料中各種傳遞過程的耦合分析有：,對沿X方向上的一維干燥過程，內(nèi)擴散速率可用下式表示：,對厚度為的平板制品進行兩面對稱干燥時，濕擴散速率：,37,5.3 干燥速率和干燥過程,5.3.3 間歇干燥過程的干燥時間計算,5.3.3.1 恒速干燥階段,若物料在干燥前的含水量（X1）大于臨界含水量（XC）

18、，忽略物料的預熱階段，恒速干燥階段的干燥時間(1)可通過下式進行計算。,已知：常壓下將干球溫度t=30、濕球溫度tw=20的空氣預熱到70后送入間歇式干燥器，空氣以6m/s的速度流過物料表面。干燥單位面積的干物料量為23.5kg/m2，物料的臨界含水量 Xc=0.21kg/（kg干料）。 求：（1）恒速干燥階段的干燥速率；（2）將物料含水量從X1=0.45kg/（kg干料）減少到X2=0.24kg/（kg干料）所需要的干燥時間。,38,38,5.3 干燥速率和干燥過程,解：(1) 查附錄得 t w=20時，水的汽化潛熱 =2453kJ/kg，得 t w=70時，Psv=4.243kPa。,干燥器內(nèi)濕空氣的相對濕度 ：,濕空氣的密度：,濕空氣的質量流速：,對流換熱系數(shù)：,W/（m2）,恒速干燥階段的干燥速率：,kg/（m2s）,（2）因X2Xc，恒速干燥階段，干燥時間為 ：,39,5.3.3.2 降速干燥階段,物料從臨界含水量（XC）減少到（X2）所需要的時間2為：,（1）圖解積分法,物料在降速干燥階段，干燥速率與含水量呈非線性變化，采用圖解積分法求解2。,圖解積分法示意,（2）近似計算法,物料在降速干燥階段，干燥速率與含水量的變化關系可近似作為線性關系處理：,干燥時間：,降速干燥速率曲線處理為直線,5.3 干燥速率和干燥過程,總的干燥時間為：,40