对流干燥分析及节能

   干燥是利用热能除去固体物料中湿分(水分或其它液体)的单元操作。干燥操作广泛应用于化工、食品、纺织、建材、冶金等行业，是工业生产中不可缺少的工艺过程，同时，也是主要的耗能大户。据介绍。英国6个工业联合企业用于干燥的能量消耗，1978年是128×10⁹MJ，折合标煤是485×10⁴t，美国每年用于干燥的能量大约是1600×10⁹MJ，前苏联用于干燥的能量消耗约占总燃料消耗量的15%，我国每年用在干燥方面的能量消耗虽然没有精确的统计，但估计也在15%-20%之间。就目前我国的干燥技术状况来看，不论是生产装备程度，还是能量利用水平都还存在很大差距，仅以对流干燥为例，英国最近的能源审计表明，连续对流干燥器的热效率在50%左右。而我国同种类型的干燥器热效率仅为30%，节能潜力很大。

    在多种干燥方式中，对流干燥器以其结构简单，操作方便，适用性强而得到普遍使用，也是目前工业生产中使用最多的干燥设备。对流干燥有它的优点，但也有缺点，即干燥速率较低，热能捎耗量大，热效率低等，是节能改造的重点对象之一。近年来，许多生产企业为此做了大量工作，并且取得了一定的成效。但是，总的说来。还不够理想，热效率仍然偏低。经了解发现，主要原因在于缺乏正确的理论指导，对物料的干燥机理及影响因素认识不够，没有把握住问题的实质，导致工作比较盲目。因此，有必要对干燥问题进行深入研究，提高认识，以指导节能工作的深入开展。

    2 对流干燥分析及强化

    对流干燥的节能方式有多种，归纳起来，可概括为两个方面：一是减少各种能量损失，提高干燥器的热能利用率，如采取密封，保温，热风循环措施等；二是强化干燥过程，提高干燥速率，增加生产率。两者的最终效果均可提高干燥器的热效率。在节能工作中，往往前者最明显，多为工作的重点和主要工作对象，而后者常被忽视或遣漏，显然，这是不全面的，要全面提高对流干燥技术和用能水平，必须两者一起抓，才能取得较大经济效益。

    强化干燥过程，首先要掌握物料的干燥机理，特点及影响因素，做到心中有数，这样才能对症下药，工作有的放矢，收到好的成效。

    干燥过程既是传质过程，也是传热过程。在对流干燥中，热气体以对流方式把热量传给物料表面，物料表面得热后，以传导方式将热传至物料内部。表面得热后，水分汽化蒸发。由热气体带走，而物料内部水分则移向表面补充，再由表面蒸发，直至物料干燥。可见干燥过程是传热和传质相结合的过程，干燥速率同时由传热速率和传质速率所支配。所以，物料干燥过程完成得快慢，取决于物料内部和外部传热、传质条件，或者说与质热传递条件有关。当外部质热传递适应于内部质热传递时，干燥强度******。显然，人为提供的外部干燥条件，应与物料特性相适应，即与物料的干燥曲线相符合。干燥曲线的形式因物料种类不同而异，但是无论哪一种类型的干燥曲线，都可将干燥过程划分为预热、等速、降速三个阶段。在不同的干燥阶段中，干燥机理及影响因素是不同的，因此，所需提供的外部条件也应不同。在等速干燥阶段，为自由水排除阶段，此时由于物料中含水量较高，物料表面蒸发了多少水，内部就补充多少水，物料表面湿含量大于******吸湿湿含量，干燥速率取决于水分的外部蒸发扩散速度。在降速干燥阶段，为大气吸附水排除阶段，此时由于物料中含水量减少，物料内部水分移动速度小于表面水分向外蒸发扩散速度，在此阶段，干燥速率取决于内部水分移动速度。因此，提高干燥速率，必须遵循各干燥阶段的规律及特点，有针对性地采取强化措施。下面通过数学分析，进行表述：

    在恒压条件下，干燥过程的质热传递可用下列微分方程组表达：

    在一般条件下，根据无限大平板在δ=0时的数学解，得到干燥速率的表达式：

 

 

    只要知道λ、B_i、，t_(r)，ε就可以计算干燥速率，则质热交换的计算变成了热交换的计算。

    如果B_i→0或ε=0，说明内部传热强度远大于外部传热强度，物料的干燥过程呈现等速期，即干燥速率将取决于外部热量传递，则

 

 

 

 

 

    在一般的对流干燥器中，干燥介质的流速甚小，在2m/s以下，对流换热系数小，对流传热阻力大，传热过程慢，蒸汽向外扩散阻力大，外扩散过程也慢，使干燥速度的提高受到限制。如果采用高速对流干燥技术(流速为1O-3Om/s，使物料表面气膜减薄，减少传热及外扩散阻力，大大加快了干燥过程。此外，气流方向及角度对干燥速率的影响也是十分重要的。比如，在相同的情况下，穿流气流(垂直流动)与水平气流(平行流动)的效果大不一样，图3列出了一组对比实验数据，可以看出，穿流气流的干燥速度大大高于水平气流。

 

 

    如果B₁→0，表示物料内部传热强度远小于外部传热强度，干燥过程进入降速阶段，此时，干燥速率的表达式为：

 

 

    即干燥速率将取决于物料的导热系数λ和相变系数ε，并且与物料尺寸的平方成反比。

    所以，在降速干燥阶段，提高物料温度(会提高导热系数λ及减小重度γ₀、改变物料的形状和尺寸，将是提高干燥速率很有效的办法，尤其物料尺寸的影响特别显著。此时，改善干燥介质及气流速度条件对干燥速度几乎没有影响。例如，在研究人造丝饼的干燥时，为提高物料的温度，把介质温度由60℃提高到15O℃，干燥时间缩短了75%，而把气流速度从O.6m/s高到了3m/s时，干燥时间却只缩短了35%。

    应予指出，在考虑强化干燥时，不仅要注意到不同阶段特性，还应注意到被干燥物料的工艺性质。如有些物料在过高的干燥速度下表面结皮硬化，致使内部水分难于扩散，反而阻碍了干燥过程的继续进行。再如成形制品干燥时，若干燥速率控制不当，容易出现收缩。开裂现象，造成废品。

3 对流干燥器的能量测定

    据国外有关资料介绍，对流干燥器的能量分布情况如表2所示。

 

 

    从表中看出，在对流干燥中，排气带走热和散热是主要的热损失项，约占总热量的38%，而目前我国的实际情况比这要大得多。因此，减少排气量，增加热风循环量，采取密闭保温措施，降低散热损失，是提高干燥器热效率的有效途径。下面通过两个实验的测定，来进一步认识这个问题。实验流程如图4所示。被干燥物料是湿纸带，热源为蒸汽，循环气体由风门控制并与新鲜空气在加热器中混合被加热后进入干燥器。实验1的气体循环量为59%且保温较差，实验2的气体循环量为90%，干燥器保温良好，将实验测定结果列于表3中。

 

 

    实验数据经整理后，计算得出热平衡结果，见表4。

 

 

 

    从实验结果可以看出，在相同生产力下，把气体循环量由59%增加到90%，并实施保温措施后，干燥器的热效率即由原先的10.8%提高到24.7%，单位蒸汽消耗量由11.21kg汽/kg水变为4.96kg汽/kg水，每小时蒸汽用量下降了62.75%，节能效果非常显著。当然，干燥器的最终热效率24.7％仍然是较低水平，还大有潜力可挖。

 

    4 结束语

    在加强对流干燥节能，提高干燥器热效率的工作中，应从强化对流干燥、提高干燥速率和减少能量损失、提高能量利用水平两方面着手，并注意把握干燥机理及传热、传质特点和相关因素，根据物料特性及工艺要求，有针对性地采取措施，开发、利用新技术，争取高效益。