過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的直觀分析_連政國

1、農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械1999年第6期總第264期試驗(yàn)與設(shè)計過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的直觀分析連政國蔣金琳劉學(xué)兵李考年萊陽農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系影響時對換熱系數(shù)的修正值,無單位參數(shù)。()T可用下式來表示,T=RT摘要:從熱力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)對“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”的存在進(jìn)行了直觀分析。結(jié)果表明:過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的存在是兩種干燥介質(zhì)的對流換熱系數(shù)、溫度驅(qū)動力、蒸發(fā)潛熱等三因素隨溫度不同而改變的結(jié)果。敘詞:過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)直觀分析過熱蒸汽干燥是一項(xiàng)最近發(fā)展起來的新技術(shù),是指利用過熱蒸汽直接與被干燥元料接觸而去除水分的一種干燥方式,與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥相比具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。近年來美國、加拿大、德國、日本、新西蘭、丹麥和英國等國家已將

2、過熱蒸汽干燥技術(shù)用于烘干木材及木頭壓片、煤炭、紙張、甜菜渣、城市污泥、酒糟、牧草、魚骨、魚肉、蔬菜、食品及城市廢棄物等多種物料。,它條件相同時,。,文獻(xiàn)對其存在進(jìn)行了模擬研究?！澳孓D(zhuǎn)點(diǎn)”的存在進(jìn)行了直觀分析。其中,RT=()。hW式中CP干燥介質(zhì)的定壓比熱,kJ/kghw水分在蒸發(fā)溫度下的汽化潛熱,kJ/kgT介質(zhì)溫度,(3(T-(1)1。在對流換熱中,當(dāng)考慮質(zhì)傳遞對對流換熱量的影響時,單位時間單位換熱面積的對流換熱量由下式來確定,q=3(T-TW)3式中是考慮傳質(zhì)對傳熱影響時對流換熱系數(shù),kJ/m2s。在高溫干燥的條件下,須考慮1理論分析物料恒速干燥段,干燥速度一般是由外部熱傳遞決定。干燥速

3、度的大小除了與傳熱量有關(guān)外還與物料在干燥過程中水分的蒸發(fā)熱有關(guān),一般的熱風(fēng)干燥,物料中水分的汽化熱變化不大,可通過換熱量的大小來比較干燥速度的大小。采用不同的干燥介質(zhì)時,由于水分蒸發(fā)溫度差別較大,應(yīng)將物料的蒸發(fā)熱對干燥速度的影響加以考慮。因(T)此,干燥速度可由下面的關(guān)系式確定:m=hW質(zhì)傳遞對熱傳遞的影響。q對流換熱量,J/m2sT干燥介質(zhì)溫度,TW被干物料表面的溫度,研究表明,過熱蒸汽干燥,當(dāng)不考慮蒸汽的輻射作用時,對流換熱系數(shù)可以用和熱風(fēng)干燥相同的式子來表示。圖1是在不同的溫度條件下,兩種干燥介質(zhì)的質(zhì)量、流量式中m表示水分蒸發(fā)速度,kg/m2shW在蒸發(fā)溫度下水分的汽化熱,kJ/kgTW

4、,T分別表示物料中水分的蒸發(fā)溫度和干燥介質(zhì)的溫度,對流換熱系數(shù),kJ/m2s考慮傳質(zhì)時的對流換熱系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)介紹3可由下式來表示,3=T,其中,是不考慮質(zhì)傳遞對熱傳遞影響時的對流換熱系數(shù);T是考慮質(zhì)傳遞對換熱系數(shù)收稿日期:1999-08-026圖1蒸汽、空氣熱力學(xué)參數(shù)對換熱系數(shù)的影響1999No16連政國蔣金琳劉學(xué)兵等比值。圖2為在不同的介質(zhì)進(jìn)口溫度下,過熱蒸汽和干空氣的修正系數(shù)的比值,Tb計算時取為100。過熱蒸汽干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的直觀分析物料的溫差對傳熱量影響隨氣體溫度的變化而變化。在較低的氣體溫度時,熱風(fēng)的(T-TW)之差比過熱蒸汽的(T-TW)之差要大。另一方面,隨著介質(zhì)干球溫度的增大,(

5、T-TW)中過熱蒸汽與熱風(fēng)干燥相比,空氣這方面的優(yōu)勢逐漸減小,圖3為不同的干球溫度下過熱蒸汽和干空氣干燥時,介質(zhì)與物料的溫度差之比。圖2過熱蒸汽和空氣修正系數(shù)對比從圖1和圖2中可見,在選定的溫度范圍內(nèi),過熱蒸汽的修正系數(shù)要比干空氣的修正系數(shù)大,這說明當(dāng)不考慮傳質(zhì)對換熱系數(shù)的影響時,過熱蒸汽的換熱系數(shù)比空氣的大,當(dāng)考慮傳質(zhì)對換熱系數(shù)的影響時,過熱蒸汽條件下的換熱系數(shù)與空氣相比還要加大。從圖2中可見,雖然隨溫度的上升二者的比值逐漸變小,但是這種趨勢非常緩慢,并且該值的大小始終比1要大,它不及不考慮質(zhì)傳遞時兩種干燥介質(zhì)換熱系數(shù)之比增加得快,件下,空氣的要大,大的,。112對流干燥過程,單位時間、單位

6、換熱面積傳熱量q的大小既受對流換熱系數(shù)的影響,也受介質(zhì)與物料之溫差的影響。熱風(fēng)干燥,在恒速段物料表面的溫度為熱風(fēng)的濕球溫度,過熱蒸汽干燥,物料表面的溫度為對應(yīng)操作壓力下的沸點(diǎn)溫度,常壓下應(yīng)為100,很明顯,采用熱風(fēng)干燥和過熱蒸汽干燥,在相同的介質(zhì)溫度條件下,換熱量隨進(jìn)口溫度的不同發(fā)生不同的變化。表1不同干球溫度下的濕球溫度干球溫度T濕球溫度TW干球溫度T濕球溫度TW120311852404617615036116270491791804030052165圖3蒸汽、空氣不同進(jìn)口溫度下溫度驅(qū)動力對比從圖中可見,用熱風(fēng)干燥時濕,在高溫的條,在較低溫度時,熱風(fēng)干燥與過熱蒸汽干燥相比具有較大的溫度驅(qū)動力

7、,這很容易補(bǔ)償熱風(fēng)干燥時換熱系數(shù)小的影響。而在較高的溫度時,這個差值的比例逐漸降低,可以預(yù)見,在更高的溫度下,過熱蒸汽干燥和熱風(fēng)干燥溫度驅(qū)動力之比將趨向一致。從這里初步可以看出,高溫時過熱蒸汽與干空氣相比較大的對流換熱系數(shù)優(yōu)勢就逐漸的表現(xiàn)出來了。113過熱蒸汽與熱風(fēng)干燥水分汽化熱的對比干燥過程中,恒速干燥段物料中水分的蒸發(fā)速度除了與傳給濕物料的熱量有關(guān)外,還與水分的蒸發(fā)溫度有關(guān)。前面的分析指出,在過熱蒸汽中干燥時,蒸發(fā)溫度水的沸點(diǎn)溫度;熱風(fēng)干燥時蒸發(fā)溫度為干球溫度下的濕球溫度,干空氣的濕球溫度要比水的沸點(diǎn)溫度要低。使得地?zé)嵴羝稍飼r單位去水分需要的熱量要小一些,也就是說如果這兩種干燥介質(zhì)傳遞同

8、樣的熱量給被干燥物料,在恒速干燥段必然是過熱蒸汽干燥的速度要快一些,這一點(diǎn)也使過熱蒸汽干燥比在熱風(fēng)干燥有利。表2為不同的干燥溫度下,在過熱蒸汽中蒸發(fā)單位水分所需的熱量與熱風(fēng)蒸發(fā)時的比值。從表中可清楚的看到,熱風(fēng)蒸發(fā)時所需的熱量要大一些。在120時要大818%,在350時也大518%。這個比值雖然隨著溫度的升高而降低,但是,在常壓下濕空氣其濕球溫度不會超過水的沸點(diǎn)溫度,因此,用過熱蒸汽干燥蒸發(fā)單位質(zhì)量水分所需的熱量總是比熱風(fēng)中要低。表2不同蒸發(fā)溫度時在熱風(fēng)和過熱蒸汽中水分蒸發(fā)熱之比溫度120比值150180210240270300350110881108311079110741107110661

9、106311058單位:2104315135057110表1為熱風(fēng)在不同的干球溫度下求得的濕球溫度值,可以看出,其它條件不變時,隨著進(jìn)氣溫度上升濕球溫度略有上升,熱風(fēng)干燥溫度差大的優(yōu)勢會逐漸的降低,但是總體變化不大。例如,介質(zhì)溫度由120上升到350提高了230時,濕球溫度變化了2318。濕物料表面的濕球溫度比水的沸點(diǎn)溫度要低得多。例如,干球溫度為120時二者相差接近60,即使干球溫度上升到350二者的差值仍有43左右。用熱風(fēng)干燥時較低的表面溫度,增加了溫度驅(qū)動力和傳遞到物料表面的熱量。介質(zhì)與1999No167農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械1999年第6期總第264期3過熱蒸汽、空氣干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)直觀分析將熱風(fēng)、

10、過熱蒸汽的對流換熱系數(shù)、溫度驅(qū)動力、蒸發(fā)熱隨溫度的變化情況進(jìn)行綜合的比較。采用式(1)定義的干燥速率,將熱風(fēng)和過熱蒸汽在相同干燥條件下,干燥速率之比隨干燥介質(zhì)溫度的變化規(guī)律繪于圖4中。圖中的水平線是縱坐標(biāo)為1的對比線,從圖中可以看出,存在一個溫度值,在此之前msteam/mair的值小于1,說明空氣的干燥速度比過熱蒸汽快;在此之后該值大于1,說明過熱蒸汽的干燥速度已超過熱風(fēng)。此溫度的大小(即逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的溫度值)為230左右。試驗(yàn)與設(shè)計于其基本熱力學(xué)特性的不同,在不同的蒸發(fā)溫度下會反映出不同的蒸發(fā)速率變化規(guī)律?？紤]恒速干燥段,在較低的介質(zhì)溫度下,熱風(fēng)干燥時物料表面溫度和介質(zhì)的溫度差比過熱蒸汽大許多,

11、使得在較低溫度時,熱風(fēng)的干燥速度比過熱蒸汽要快;隨著溫度的升高,這種溫差大所占比例優(yōu)勢明顯下降;過熱蒸汽的對流換熱系數(shù)隨溫度的升高較熱風(fēng)增長得要快,抵償了溫差小的劣勢;而蒸發(fā)單位水分需用的熱量,過熱蒸汽比同樣條件下的熱風(fēng)所需的熱量要小。正是這三方面的結(jié)合使得逆轉(zhuǎn)點(diǎn)存在。參考文獻(xiàn)1連政國,曹崇文1過熱蒸汽干燥的發(fā)展現(xiàn)狀1農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報1996,26(4):1361412WenzelL,WhiteR.DryinggranularsolidsinsuperheatedsteamIndustrialandEngineeringChemistryVol.43No.8p1829183719513ChuJC,

12、LaneAM,ConklinD.EvaporationofliquidsintotheirsuperheatedvaporsIndustrialandEngineeringChemistryVol.45No.7p1586159119534連政國,王延耀等11萊陽農(nóng)1圖4蒸汽、空氣逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的直觀分析5,Capillary-proousBodies,press1967,HyodoT.BehaviorofinversionpointtemperatureandnweapplicationsofsuperheatedvaporDrying85,p517523HemispherepublishingCor

13、poration19854結(jié)論,由(上接第3頁)的個性隨時設(shè)計,敏捷制造。同時利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí),可以使使用者參與設(shè)計,在產(chǎn)品生產(chǎn)出來前試用產(chǎn)品。由于設(shè)計制造的敏捷性,減少了產(chǎn)品的庫存和積壓,減少了銷售中間環(huán)節(jié),個性化的農(nóng)業(yè)裝備價格并不高。農(nóng)民大腦的知識裝備是知識經(jīng)濟(jì)時代最大的農(nóng)業(yè)裝備。知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不再依賴稀缺的物質(zhì)資源,而依賴于取用不盡的人的智力資源,它表現(xiàn)為人的知識、技能、經(jīng)驗(yàn)和熟練程度?？偟恼f來,表現(xiàn)為人的能力和素質(zhì)。知識經(jīng)濟(jì)也使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高科技化、復(fù)雜化,它要求農(nóng)業(yè)勞動者能夠運(yùn)用和管理好以計算機(jī)為核心的強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)軟硬件、裝備和國際化的信息網(wǎng)絡(luò)。同時,也要求農(nóng)民以自己的經(jīng)驗(yàn)、智慧參與知識

14、共享和知識創(chuàng)新,這一切智力資源(上接第5頁)都來自于教育和培訓(xùn)。因此,用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)裝備農(nóng)民的大腦,既是農(nóng)業(yè)裝備的熱點(diǎn),也是農(nóng)業(yè)教育的熱點(diǎn)。江澤民同志講,創(chuàng)新是一個民族的靈魂。知識經(jīng)濟(jì)是創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì),知識經(jīng)濟(jì)的到來是我們期盼了200年的一次產(chǎn)業(yè)升級,上一次產(chǎn)業(yè)升級時,我們還處在閉關(guān)鎖國的落后狀態(tài),失去了一次難得的機(jī)遇。今天,發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)裝備早已機(jī)械化,正在朝著知識經(jīng)濟(jì)時代的方向發(fā)展。我國農(nóng)業(yè)裝備還十分落后,還處在半機(jī)械化半手工狀態(tài),而我國農(nóng)業(yè)落后主要是裝備的落后。而對知識經(jīng)濟(jì)的步步逼近,面對我國農(nóng)業(yè)裝備的落后面貌和投入的嚴(yán)重不足,我國農(nóng)業(yè)如何在下個世紀(jì)中葉趕上世界中等發(fā)達(dá)國家的水平,我們?nèi)绾卫煤眠@次產(chǎn)業(yè)升級帶來的機(jī)遇,發(fā)展我國農(nóng)業(yè),裝備我國農(nóng)業(yè),是我們現(xiàn)在就必須考慮的問題。改善調(diào)溫精度。合理設(shè)計生化培養(yǎng)箱的結(jié)構(gòu),盡量減小加熱(致冷)源熱傳遞延時,使之與生化培養(yǎng)箱時間常數(shù)的比/T1降低,可以改善溫控性能。以上結(jié)論也適用于人工氣候室、