關(guān)于離心流化床烘干機(jī)熱量與質(zhì)量傳遞的試驗(yàn)研究#中英文翻譯#外文翻譯匹配

南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 1 關(guān)于離心流化床烘干機(jī)熱量與質(zhì)量傳遞的試驗(yàn)研究 M.H Shi， H.Wang， Y.L.Hao 中國(guó)南京東南大學(xué)電力工程系 210096 摘要 我們正在做一項(xiàng)熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗(yàn)研究，就是前兩天潮濕的物質(zhì)在離心流化床（ CFB）烘干機(jī)的干燥過程。每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)要 300 到 500 之間。測(cè)試材料有濕的沙，玻璃粉和切成片的食物。入口和出口的氣體溫度和濕球溫度，以及床的溫度都被測(cè)出。通過質(zhì)量平衡法，在氣體階段立即決定了水分含量。可以測(cè)出表面氣流速度、顆粒直徑和形狀、床的厚度、床的轉(zhuǎn)數(shù)以及干燥特性最初的溫度的影響。我們獲得了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可以用來(lái)計(jì)算在離心流化干燥器內(nèi)氣體顆粒的熱量傳遞系數(shù)。 關(guān)鍵詞：干燥；熱量和質(zhì)量傳遞；離心流化床 1. 引言 CFB干燥是一項(xiàng)新技術(shù)，潮濕的材料要離心力范圍內(nèi)通過機(jī)床的旋轉(zhuǎn)來(lái)完成一個(gè)被高度提高的熱量和質(zhì)量傳遞。這種機(jī)床本質(zhì)上是一個(gè)圍繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形籃子，上面有一個(gè)能滲水的圓柱形墻體。干燥物進(jìn)入籃子，因?yàn)樾D(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力，它們被迫在籃子周圍形成一個(gè)環(huán)形層。氣體通過能滲水的圓柱墻注入，當(dāng)力量通過流化介質(zhì)平衡了離心力，機(jī)床開始流化。不像垂直機(jī)床一樣有一個(gè)固定的引力力場(chǎng)，離心床的體積力成為一個(gè)可調(diào) 節(jié)的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)由旋轉(zhuǎn)速度和籃子的半徑?jīng)Q定。原則上，在任何氣體流速情況下，通過改變機(jī)床旋轉(zhuǎn)速度都能達(dá)到最小流化作用。用一個(gè)比引力還大得多的強(qiáng)離心力場(chǎng)，機(jī)床可以經(jīng)得起一個(gè)大的流速，而不形成大的氣泡。因此，在高氣體流速下氣體 -液體的聯(lián)系得到了改進(jìn)，并且在干燥過程中能達(dá)到熱量和質(zhì)量傳遞。因?yàn)檫@個(gè)原因， CFB干燥器在干燥業(yè)得到頗多關(guān)注。 文獻(xiàn)中只能找到一些研究 CFB干燥的調(diào)查著作。拉扎爾和法卡斯 1,2布朗 3執(zhí)行了 CFB切片水果和蔬菜的干燥過程，卡爾森 4調(diào)查了 CFB大米干燥情況。這些調(diào)查報(bào)告都非常的有益 ，但它們主要關(guān)注的是工業(yè)申請(qǐng) CFB的可能性。 CFB的流動(dòng)行為和干燥特性是非常復(fù)雜的，并且仍然不是很清楚。為了評(píng)估物體表面溫度，從氣體到物體的熱量傳遞知道是標(biāo)非常有必要的。為了特定的目的，定量的 CFBs 熱量傳遞特性的知識(shí)是必須的。 在這篇論文中，做了一個(gè)關(guān)于流動(dòng)行為和 CFB的氣體 -液體的熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗(yàn)，影響干燥過程的主要因素被檢測(cè)和討論。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 2 2. 實(shí)驗(yàn)裝置 圖 1 為實(shí)驗(yàn)裝置示意表。一個(gè)圍繞水平軸的圓柱形籃子安裝在一個(gè)密封的圓柱形盒子內(nèi)。籃子直徑為 200mm，寬度為 80mm?；@子的側(cè)面有直徑為 3mm 的洞，用來(lái)分 散氣體，有 22.7%的開放區(qū)域。 圖 1.實(shí)驗(yàn)裝置 內(nèi)表覆有 200個(gè)不銹鋼絲網(wǎng)，用來(lái)防止機(jī)床材料腐蝕。在籃子末端墻體的中心處有一個(gè)直徑為 80mm的洞，用來(lái)排出氣體。一個(gè)變速發(fā)動(dòng)機(jī)被用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)籃子，通過一個(gè)軸來(lái)連接籃子墻體的另一端。用一個(gè) LZ-45轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。空氣由一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)吹入?？諝赓|(zhì)量流率的測(cè)量采用孔板流量計(jì)?？諝饧訜崾褂玫氖且粋€(gè)電熱器。 一個(gè)t形管閥是用來(lái)控制流體方向。 空氣溫度穩(wěn)定在期望值 (約 100 )后，打開球上的閥門，干燥實(shí)驗(yàn)便開始了； 熱空氣流經(jīng)分散器到達(dá)機(jī)床后進(jìn)入大氣層。壓降是通過一個(gè) U形量表來(lái)測(cè)量的。 一個(gè)壓力探針沿著中心線伸到籃筐里，離端壁 10毫米遠(yuǎn)。在相同的操作條件下，也進(jìn)行了不使用機(jī)床材料來(lái)獲取穿過分散器的壓力差異的試驗(yàn)。穿過機(jī)床的壓降通過 pBed = pTotal p分散器來(lái)測(cè)量。 入口氣體溫度、出口氣體溫 度和在不同位置的床溫度隨時(shí)間變化是使用熱電偶探頭來(lái)測(cè)量的，數(shù)據(jù)記錄是采用3497A記錄數(shù)據(jù)采集 /控制單元。在干燥過程中測(cè)試材料的含水量是通過在氣體階段的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 3 水分平衡法來(lái)測(cè)量，即通過測(cè)量在氣體階段用 干濕燈泡溫度計(jì) 來(lái)入口與出口 處的濕潤(rùn)度 。 圖 2.離心流化床的一個(gè)特別部分 時(shí)間間隔從 tj到 tjC1的水分平衡是 1 1)(tjtjxjxj dxMsdtH i nH o u tG（公式 1）。在時(shí)間 tj+1,測(cè)試材料的水含量是dtttG HHMxx inoutsjjjj)(11 (公式 2）。采用干燥重量法測(cè)試材料樣品達(dá)到初始含水率 ,我們能得到隨著時(shí)間的含水率的變化 ,因而 ,干燥率計(jì)算為 dtdxR SMps（公式 3） . 干燥的表面 Sp作為測(cè)試材料全部表面積為VaV dSpsp )1(6 （公式 4）。 忽略射線熱傳導(dǎo)和周圍的熱損失， 如圖 2所示，不同體積時(shí) , 在任何給定的時(shí)間機(jī)床的能量等式是這樣的：dllhaHdG TTrTc sggpg )(2 0 （公式 5）。 該方程可以使用在整個(gè)機(jī)床來(lái)獲得傳熱系數(shù) : )ln ()2( ,0 TTTTrGcsingsoutgpgLLaHh （公式 6） 3.結(jié)果與討論 3.1.機(jī)床的壓降與初始流化特 性 圖 3顯示機(jī)床壓降的變化， 沙床 表 面氣流速度 ,在干燥測(cè)試中不同的旋轉(zhuǎn)速度，在初始流化階段 ,壓降增大均隨著流速。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 4 圖 3.CFB沙子的流化曲線 (dpD0.245 mm, nD400rpm).材料 (上 /下 ): (m/h) 沙 ; (d/s) 玻璃珠 當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，壓降將保持幾乎不變。但是，切片，觀察成塊的材料所得的結(jié)果不同。壓降曲線有一個(gè)最大值，它對(duì)應(yīng)的臨界液化點(diǎn) ,如圖 4。在初始流化階段 ,慢慢增大壓力降的增加與流速。當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn) ,壓 降隨著氣速的增加而下降。這是因?yàn)樵陔x心力場(chǎng)內(nèi)，切片材料的自鎖現(xiàn)象逐漸減弱 ,并且因?yàn)闄C(jī)床變得統(tǒng)一。這造成了一個(gè)流阻。降低機(jī)床轉(zhuǎn)速可以降低機(jī)床壓降和臨界氣速，如圖 4。 這是由于減在了床上 旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)削弱離心力場(chǎng)和導(dǎo)致流動(dòng)阻力減少。它也可以從圖4看出來(lái) :切片土豆的臨界流化速度要小于塊狀土豆，是由于片狀材料更大地觸風(fēng)面積。 圖 4.不同形狀材料的流化曲線（切片土豆 10mm_10mm_1.5 mm, nD300 rpm; (h) 塊狀土豆5mm_5mm_5 mm, nD300 rpm; (s)塊狀土豆 5mm_5mm_5 mm, nD250 rpm. 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 5 3.2.干燥曲線 典型的氣體溫度和機(jī)床層溫度曲線和濕沙的干燥曲線的在間歇干燥 過程中顯示如圖 5。 圖 5.CFB間歇干燥曲線 (sand,dpD0.411mm,MD2.48kg, !D41.9rads1,U0D1.71ms1,HinD0.016kg kg1): (1) Tg;in ; (2) Tg;out ;(3) Tb; (4) R; (5) x. 并且，片狀材料機(jī)床的 壓降也小于塊狀物料機(jī)床，是因?yàn)樗槠牧显?CFB有更好的流化特性。這從理論性顆粒物 質(zhì)模型 6是獲得的初始流化關(guān)系并不適合切片材料。不同形狀切片材料的初始流化條件是試驗(yàn)性的，單獨(dú)決定的。 圖 6片狀土豆的水份含量變化（曲線 6）和干燥率（曲線 7） 這也顯示出像沙子這種干燥材料的特點(diǎn) ,其中水分含量主要是表面的水分 , 就像在一個(gè)普通的干燥機(jī)，整個(gè)干燥過程即可分為三個(gè)階段。在一個(gè)簡(jiǎn)短的初期階段 ,材料預(yù)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 6 熱和干燥速度迅速增加 ; 機(jī)床溫度增加到一個(gè)穩(wěn)定值。第二階段是干燥速率恒定階段 ,從氣體到材料的熱量轉(zhuǎn)移完全為材料表面水分的蒸發(fā)。材料溫度保持不變 ,干燥速率也不變。最后一個(gè)階段被稱為降速階段，材料 的溫度和干燥速率也逐漸增加，直到干燥過程的最后。 CFB片狀食品產(chǎn)品的干燥行為與圖 6所示的沙子又有些不同。顯然 ,CFB切片土豆的干燥特性與在傳統(tǒng)的干燥 過程 基本相似 。 在一開始 ,有一個(gè)短暫的最初階段。在這一時(shí)期 ,機(jī)床材料預(yù)先加熱 ;機(jī)床溫度迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，干燥速率快速增加。這個(gè)初步的時(shí)期之后是一個(gè)干燥速率穩(wěn)定階段。在恒定的速率期 ,測(cè)試材料的表面覆蓋著一層很薄的水膜。氣體流動(dòng)至材料的熱轉(zhuǎn)移用來(lái)完全蒸發(fā)水分 ,所以切片材料的溫度保持平衡， 溫度和干燥速度是在最大 值。這是很重要的 ,土豆的主要的水分含量是細(xì)胞水分 ,所以恒 定的速率時(shí)期是很短暫的。最重要的干燥過程是在降速時(shí)期完成的。在降速時(shí)期 ,表面附近的干燥層出現(xiàn)并由于內(nèi)部水分外流的運(yùn)輸阻力更大而逐漸減弱。這導(dǎo)致熱傳遞阻力增加 ,干燥速率 在第一階段迅速降低。 干層后的 溫度已上升到一定的值 ,干燥速率慢慢的減少。這表明 ,在該降速時(shí)期，切片土豆在循環(huán)流化床干燥機(jī)可以分開成兩個(gè)不同的階段。這對(duì)工程設(shè)計(jì)與操作都至關(guān)重要。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 干燥過程中切片土豆比塊狀土豆有一個(gè)更大的干燥速率和較短的 干燥時(shí)間。這是因?yàn)樵谇衅牧现袕膬?nèi)細(xì)胞到外蒸發(fā)表面的水分運(yùn)輸距離比在塊狀材料中要短。特別值得一提的是 ，在干燥過程中，在第二階段的降速時(shí)期片狀材料更短。 一般來(lái)說(shuō) ,由于薄片材料可能被流態(tài)化和混合得很好 ,干燥時(shí)間極 短。例如 ,CFB切片土豆的干燥時(shí)間比隧道式干燥機(jī)短 15倍，比常規(guī)流化干燥器短 5倍。 3.3.操作參數(shù)的影響 3.3.1表面氣體流速 很明顯 ,表面流速的增加將增加流化的程度 ,因此 ,氣體階段與固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞可能會(huì)大幅提高。這導(dǎo)致了干燥速度更大和干燥時(shí)間短 ,是 ,如圖 7。這臨界水分含量會(huì)隨氣流速度增加而增加，如圖 7虛線所示。對(duì)于食品原料 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ,在穩(wěn)定速度時(shí)期和在第一時(shí)期，干燥速度會(huì)隨著在低氣流速度區(qū)域的氣體流速的增加而增加。因此 ,總干燥時(shí)間會(huì)減少。然而 ,當(dāng)流速增加到一定值 ,恒定的速率會(huì)消失 ,降速時(shí)期的第一階段減短而第二階段增長(zhǎng)。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 7 . 圖 7表觀氣速對(duì)水分含量的影響 (dpD0.411 mm, MD2.50 kg, !D41.9 rad s1, HinD0.016 kg kg1): (1) U0D1.66ms1; (2) U0D2.17ms1. M.H. Shi et al. / 化工雜志 78 (2000) 107113 111 總干燥時(shí)間就會(huì)保持不變 ;這是因?yàn)轳R鈴薯的主要水含量是內(nèi)層細(xì)胞水和主要的干燥過程是在降速時(shí)期的第二階段。增加進(jìn)口燃?xì)鉁囟?,所有的干燥速率和干燥周期總數(shù)增加，干燥時(shí)間就減少。然而 ,燃?xì)鉁囟鹊脑黾訒?huì)受制于干燥食物的質(zhì)量。我們的測(cè)試中 ,最好的入口氣體溫度大約是 100-110 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明 , 在相同的操作條件下，固定尺寸的切片蘿卜的干燥速率比切片土豆的更大。這是因?yàn)槲⒂^組織的測(cè)試實(shí)例表明 ,蘿卜比土豆有一個(gè)更大的帶有一種更加規(guī)則性排列細(xì)胞結(jié)構(gòu)， 而且，蘿卜細(xì)胞里液體的粘性更?。贿@些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)讓蘿卜容易干燥。 3.3.2.旋轉(zhuǎn)速度 相同的氣速 ,降低床上旋轉(zhuǎn)速度將會(huì)減少離心力作用于物質(zhì)的流態(tài)化程度 ,而提高材料的流化程度 ;這導(dǎo)致氣體階段和固體階段之間的熱量和質(zhì)量傳遞會(huì)增加。 因此 ,當(dāng)減少機(jī)床的旋轉(zhuǎn) 速度 ,干燥速度增加了 ,如圖 8。并且整個(gè)機(jī)床的干燥過程會(huì)比較均勻。這意味著 ,對(duì)于 CFB一個(gè)給定的材料干燥 ,機(jī)床轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量放低， 直到流化狀態(tài)可能就不能維持。當(dāng)通過提高在 CFB干燥器內(nèi)的氣體速度來(lái)增強(qiáng)干燥過程， 同時(shí) ,必須增加速度 ,避免干燥材料從機(jī)床上吹出去。在理論上 ,通 過限制 CFB機(jī)床的旋轉(zhuǎn)速度，在任何氣體流速下機(jī)床操作都能是最佳流化狀態(tài)。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 8 圖 8.旋轉(zhuǎn)速度的影響 (dpD0.411 mm, MD2.41 kg, U0D 1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) !D52.4 rad s1; (2) !D41.9 rad s1. 圖 9. 粒子直 徑的影響 (MD2.4 kg, !D41.9 rad s1, U0D 1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) dpD0.245 mm; (2) dpD0.411 mm. 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 9 3.3.3.粒子直徑 圖 9顯示了 CFB下粒子直徑對(duì)干燥行為的影響。顯而易見的是 ,對(duì)于走直徑更大的粒子，由于氣體和固體顆粒之間更大的下滑速度，干燥過程中的熱量與質(zhì)量傳遞將會(huì)增強(qiáng)。 因此 ,CFB干燥速率會(huì)隨著粒子直徑的增加而增加，如圖 9所示。 然而 ,隨著增加物質(zhì)維度 ,內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力會(huì)增加 ,因此 ,對(duì)于一個(gè)給定的干燥材料 ,在特定操作條件下，那對(duì)于決定干燥過程中最佳材料規(guī)模是非常重要的。 3.3.4.機(jī)床厚度 圖 10顯示初始床厚度的影響上干燥工藝?？?以看出 ,以提高料層厚度 ,干燥速率會(huì)減少 ,這是因?yàn)闅怏w階段和固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞的驅(qū)動(dòng)力在陜窄的機(jī)床條件下更大。 圖 10. 機(jī)床厚度的影響 (dpD0.411 mm, !D41.9 rad s1, U0D1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) L0D30 mm; (2) L0D20 mm. 112 M.H. Shi et al. / 化工雜志 78 (2000) 107113 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 10 圖 11.初始水分含量 (dpD0.411 mm, MD2.48 kg, !D41.9 rad s1, U0D1.71ms1, HinD0.016 kg kg1): (1) x0D0.221 kg kg1; (2) x0D0.0574 kg kg1. 3.3.5.初始水分含量的影響 很明顯 ,初始水分含量越大的材料干燥時(shí)間更長(zhǎng) (圖 11),但是干燥特性都是相同的。唯一的區(qū)別在于恒定速率階段的持續(xù)時(shí)間。 3.4.熱量傳遞關(guān)聯(lián)性 65%的 實(shí)驗(yàn)操作都是通過濕沙和玻璃珠進(jìn)行的，機(jī)床高度固定為 10-30mm之間，雷諾系數(shù)從 5.47到 35.3以及離心 力這重力的 10.08到 28倍。熱量傳遞系數(shù)被轉(zhuǎn)換成努塞系數(shù)，看作是平均溫度下的平均直徑和熱電導(dǎo)率。使用迴歸分析的程式，獲得了在干燥過程中的 CFB氣體與粒子間熱量傳遞的無(wú)量綱關(guān)聯(lián)。擴(kuò)散系數(shù)的指數(shù) 比 (Prandtl號(hào)碼 )已被假設(shè)為 1 / 3; 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 11 圖 12.試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較 )RePr1079.021.048.059.1315 (33.5gspocNu dLF （ 公式 7） 因此， 合適的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)上述二者的相互關(guān)系 是 ,FcD10.0-28.0 ReD5.0-42.0。 努塞爾系數(shù)定義為 NuDhdp / ;雷 諾數(shù)為 ReD gU0dp / ;普朗特?cái)?shù)是 PrDCpg / ; 然后 ,無(wú)量綱的離心力被定義為 Fc=ro /g。圖 12顯示的是試驗(yàn)的熱量傳遞與公式 7的計(jì)量值比較。這項(xiàng)工作測(cè)試得到的所有數(shù)據(jù)偏差在 25%以內(nèi)。 4. 結(jié)語(yǔ) 1.CFB可能可以在填充床上操作 ,剛剛出現(xiàn)的流化或流化機(jī)床在給定的流速下，通過使用一個(gè)強(qiáng)流率的離心力場(chǎng)，可以維持穩(wěn)定的流化狀態(tài)。 2.CFB分散器附近沒有明顯的“活躍區(qū)域” 。在表觀氣速、粒子直徑、粒子形狀因子、粒子密度、機(jī)床厚度和機(jī)床 轉(zhuǎn)速 的影響下，氣體與團(tuán)體之間的熱傳遞產(chǎn)生 。 3.CFB干燥器中，干燥過程可以分為三個(gè)階段 ,干燥速度隨著表觀氣速和顆粒直徑的增加及旋轉(zhuǎn)速度和初始機(jī)床厚度的減少而增加， 4在 CFB中切片食品產(chǎn)品能夠流化和混合和非常好。壓降曲線有一個(gè)最大值，臨界流化參數(shù)隨著干燥產(chǎn)品及材料本身形狀和大小的變化及操作條件的變化而變化。 5.切片食品產(chǎn)品可以干得很好很快。干燥的主要過程是在降速期間 ,干燥速率速率取決于干燥產(chǎn)口的材料、形狀、和尺寸以及操作條件。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 外 文翻譯 12 5術(shù)語(yǔ) a 顆粒表面每單位體積 Cpg,Cps 氣體或固體的比熱容 Dp 平均粒子直 徑 DAB 分子擴(kuò)散性 Fc 無(wú)量鋼的離心力， G 氣體質(zhì)量流率 h 熱傳系數(shù) H 機(jī)床寬度；氣體可濕性 Lo 固定床厚度 M 干燥材料的重量 n 機(jī)床轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)速） Nu 努塞爾數(shù)， hdp/ P 壓降（ kpa） Pr 普朗特系數(shù)， R 干燥速率 Re 雷諾系數(shù) T 溫度 U0 表面氣體流速 x 水分含量 希臘字母 多孔性 導(dǎo)電性 氣體粘度 氣體運(yùn)動(dòng)粘度 sg,氣體或