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          物料的干燥特性

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          发布时间:2020-09-10 16:27:27

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          物料的干燥特性

          • 分类:科普知识
          • 作者:YOLI
          • 来源:
          • 发布时间:2021-03-12
          • 访问量:907

          【概要描述】

          物料的干燥特性

          【概要描述】

          • 分类:科普知识
          • 作者:YOLI
          • 来源:
          • 发布时间:2021-03-12
          • 访问量:907
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          太阳能干燥的对象称为物料,如:食品、农副产品、木材、药材、工业产品的物料具有不同的干燥特性,而且即使同一种物料在不同的干燥阶段也会表现出不同的内部特性。

          实践已经证明,只有充分掌握干燥过程中物料的内部特性及干燥介质的物理特性,才能确定合理的干燥工艺,并设计出有效的太阳能干燥器。物料的内部特性包括被干燥物料的成分、结构、尺寸、形状、导热系数、比热容、含水量、水分与物料的结合形式等。干燥介质的物理特性包括空气的温度、湿度、比热容、湿空气状态参数的变化规律等。

          一、物料中所含的水分

          物料中所含的水分有不同的分类方法,一般可以根据物料的含水状况进行分类或者根据物料中水分除去的难易程度进行分类

          1.根据物料的含水状况进行分类

          (1)游离水分:指存在于物料孔隙或表面的水分,它对物料可以起到均匀的浸润作用,水分含量随物料浸润程度的不同而不同。此类水分与物料的结合力较弱或自由分散于物料表面,在干燥过程中易于除去。

          (2)物化结合水分:指以一定的物理化学结合力与物料结合起来的水分,譬如:物料的吸附水分、结构水分和毛细管水分等。此类水分与物料结合比较稳定,且有较强的结合力,较难除去,所以,除去或部分除去此类水分是物料干燥的任务之。

          (3)化学结合水分:指按照一定的数量或比例与化合物结合而生成带结晶水的化合物中的水分。此类水分与化合物的结合力很强,一般常温干燥过程难以除去。若要除去此种化合物的结晶水,必须在较高的温度下加热,才能够实现。因此,一般在干燥过程中不必考虑。

          2.根据物料中水分除去的难易程度分类

          (1)非结合水分

          包括存在于物料表面的吸附水分以及物料孔隙中的水分等,其主要是以机械方式结合,它与物料的结合强度较弱。物料中非结合水分所产生的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压,因而非结合水分的除去与水的汽化相同,比较易于除去。非结合水分有时也称为自由水分。

          (2)结合水分

          包括物料细胞内的水分以及物料内部毛细管中的水分等,它与物料的结合力强,会产生不正常的低气压,其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压,因而比较难于除去。

          物料的干燥过程与物料中所含水分的特征关系极大。例如:

          砂粒、焦炭、石粉等疏松物料,以含有游离水分为主,干燥比较容易进行;

          谷物、烟草、瓷坯、棉织品等物料,虽然含有一定的游离水分,但物化结合水分含量较多,干燥过程比较缓慢;

          肉质水果、橡胶、蚕丝等特殊物料,干燥难度较大,往往需要经过长时间的缓慢干燥或尽量提高干燥温度,才能最后完成。

          二、物料的平衡含水率

          物料的平衡含水率,是指一定的物料在与一定参数的湿空气接触时,物料中最终含水量占此物料全部质量的百分比。

          一定的物料在某特定温度及水分含量下会有相应的水蒸气压力。当物料内部所维持的水蒸气分压等于周围空气的水蒸气分压时,物料的含水率即为该状态下的物料的平衡含水率,而此时物料周围空气的相对湿度则称为平衡相对湿度。

          平衡含水率的概念对于研究物料的干燥过程是十分重要的,因为在任何已知或已设定的干燥状态下,可以由平衡含水率的关系,决定物料经过干燥后可能达到的最终含水量。这也就是说,掌握平衡含水率的规律,可以帮助我们确定物料的最终干燥状态。

          不同物料的平衡含水率是不同的,可以通过实验予以测定。通常使用的方法是将湿物料置于恒温、恒湿的环境空气中,经过长时间的充分接触,使物料达到恒重,然后测定此时物料的水分含量,用湿基百分数表示,即为该物料在该状态下的平衡含水率。

          三、物料干燥过程的汽化热

          从湿润物料中将单位质量的水分蒸发所需要的热量,称为物料干燥过程的汽化热,单位为kJ/kg。

          物料的汽化热与物料的含水率及干燥温度有关。在干燥初期,物料含水较多,物料的汽化热与自由水分的汽化热比较接近;随着物料含水率降低,物料汽化热就逐渐增加,其原因是物料水分汽化时,除了使水分汽化需要能量之外,还需要克服水分子与物料表面的物化结合力而多消耗能量。此外,物料汽化热与干燥温度的关系,其规律性与自由水分汽化的规律性大致相同,即干燥温度越低,消耗的汽化热就越多。

          物料干燥过程的汽化热必定高于自由水分的汽化热,而且物料含水率越低时,汽化热高出的幅度越大,汽化热的这种规律,在计算太阳能干燥器的干燥效率时必须加以注意。

          四、物料的干燥特性曲线

          如果把非常湿润的物料放在具有一定温度、湿度和流速的热风中,物料的温度和水分就将随着干燥时间而变化。物料含水率随时间变化的曲线,称为物料的干燥特性曲线

          通常,物料的干燥特性曲线包括三个阶段:预热干燥阶段、恒速干燥阶段和减速干燥阶段,如图所示:

           

          I一预热干燥阶段Ⅱ一恒速干燥阶段Ⅲ一减速干燥阶段

          (1)预热干燥阶段(A-B)

          干燥过程从A点开始,热风将热量转移给物料表面,使表面温度上升,物料水分蒸发,蒸发速度随表面温度升高而增加。在热量转移与水分蒸发达到平衡时,物料表面温度保持一定值。

          (2)恒速干燥阶段(B→C)

          干燥过程到达B点后,水分由物料内部向表面扩散的速度与表面蒸发的基本相同,移入物料的热量完全消耗在水分的蒸发,即达到新的平衡。在这一段中,物料表面温度保持不变,含水率随干燥时间成直线下降,干燥速度保持一定值即保持恒速干燥。

          (3)减速干燥阶段(C→D→E)

          干燥过程过C点以后,水分的内部扩散速度低于表面蒸发速度,使物料表面的含水率比内部低。随着干燥时间增加,物料温度就增高,蒸发不仅在表面进行,而且还在内部进行,移入物料的热量同时消耗在水分蒸发及物料温度增高上,这一阶段称为减速干燥的第一阶段(C→D)。

          干燥过程继续进行,表面蒸发即告结束,物料内部水分以蒸汽的形式扩散到表上来。这时干燥速度最低,在达到与干燥条件平衡的含水率时,干燥过程即告结束。这一阶段称为减速干燥的第二阶段(D→E)。

          从恒速干燥阶段转为减速干燥阶段时的含水率,称为临界含水率(C点)。一般来说,物料的组织越致密,水分由内部向外部扩散的阻力就越大,这样临界含水率值也就越大。

          五、物料的干燥速率

          干燥速率的定义是单位时间内在单位干燥面积上汽化水分的质量,可用下式表示:

          式中,

          R为干燥速率,kg/(h·m2);

          Ge:为湿物料中绝干物料量,kg;

          A为物料表面积,m2;

          U为物料干基含水率,kg/kg;

          r为时间,h

          式中负号表示物料含水量是随干燥时间的延长而减少的。

          干燥过程中实际上存在两种速率的概念:一种是物料表面水分的汽化速率,另一种是物料内部水分的扩散传递速率。一般来说,对于疏松性物料(如毛纤织物)两种速率大致相等,因而干燥过程的干燥速率取决于汽化速率;对于粘性物料(如肉质水果),干燥前期取决于汽化速率,后期由于物料表面水分汽化后,内部水分扩散传递速率较慢,导致干燥速率下降。由此可见,干燥速率的大小取决于上述两种速率中的主要矛盾方面?;痪浠八?,干燥速率主要是由速率较低的过程所支配。

          六、影响干燥速率的因素

          影响干燥速率的因素可以从空气和物料两个不同方面

          1.热空气的影响

          (1)温度

          在空气含湿量不变的情况下,提高热空气温度,不但可以加强汽化和带走水分的能力,而且可以对物料进一步升温,提高物料表里之间水分的扩散速率,这无论对恒速干燥阶段还是对减速干燥阶段都有好处。但应注意,每一种物料都存在一个允许的最高温度值,超过此值会使它糊化或焦化,影响物料品质

          (2)含湿量

          空气含湿量越低,带走物料水分的能力越强,干燥过程的推动力越大,因而干速率也越高。为了提高干燥速率,通常有如下两种处理方法

          在热空气含湿量不变的情况下,提高温度,使空气相对湿度下降,从而增大气的脱水速度和脱水能力;

          ②在温度不变的情况下,降低热空气的含湿量,办法是使用石灰、活性炭、硅胶、无水氯化钙和沸石分子筛等吸收空气中的水分,使之更为干燥,达到更大的脱水能力。

          (3)流动速度

          提高热空气的流动速度,对传热和传质都有利,可以有效地强化干燥过程。然而,空气流速越大,与湿物料的接触时间就越短,从而会降低热能的有效利用率。尤其是对于一定采光面积的太阳能干燥器来说,空气流速增大,集热温度必然会相应降低,故空气流速应认真加以控制。

          (4)空气与物料接触情况

          为了提高干燥速率,干燥过程中应尽量使空气与物料有一个良好的接触状态,而且尽可能不产生死角,否则会使物料干燥不均匀。为此,应认真研究干燥装置的结构,合理安排气流通道。采用气流垂直穿透物料层,可增加气一固接触面积,增强气一固之间的传热和传质,从而强化干燥过程。

          2.物料的影响

          (1)物料尺寸

          从干燥和水分扩散的角度考虑,物料直径越小或料层厚度越薄越好,这样不但使气一固接触面积增加,而且减少物料内部的扩散距离,缩短减速干燥阶段的持续时间,当然,颗粒越小,颗粒间的孔隙率减小,气流穿透阻力增加。因此,必须根据实际情况适当控制物料颗粒的大小。

          (2)物料堆置方式

          物料堆置方式取决于物料的形状。对于颗粒状物料,例如:稻谷、小麦、大豆、玉米、花生等,可采用厚层堆叠方式进行干燥,因为增加料层的厚度可以提高热能利用率,提高干燥效率;对于片状物料,例如:皮革、烟叶、丝绵、纸张、面条等,可采用悬挂方式进行干燥,因为这样可以使物料表面充分暴露在热空气之中。

          (3)物料温度

          物料温度越高,一方面有利于提高物料表面水蒸气压强,加速物料水分的汽化;另一方面可以降低物料内部溶液的粘度,有利于水分向表面扩散。然而,在干燥过程中,物料内外温度并不是一致的,通常是表面温度高于内部温度,正由于温度差和湿度差的推动方向正好相反,结果减小了内部扩散的推动力,这对于干燥作业反而是不利的。

           

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