含湿多孔介质的干燥特性

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1、D设计研究与设备探讨esignReaserch&EquipmentExploration含湿多孔介质的干燥特性郑阳1廖传华2黄振仁2（1.国家电力公司南京自动化研究所，南京210009；2.南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009）摘要：基于含湿多孔介质的水分蒸发过程及其内部毛细管水分的蒸发特性，分析了含湿多孔介质在干燥过程中发生体积收缩的原因，讨论了多孔介质的物性和外部干燥条件对其体积收缩特性的影响。关键词：多孔介质；干燥；特性含湿多孔介质是一种较为普遍的、由固体骨架和传递的数学模拟和分析成为研究重点，但由于Luikov流体组成的复合介质，广泛存在于能源、材料、化学工理论的特性使

2、模型中系数作了常数性的假设，限制了程、生物技术、药品、生物、农业工程、食品、冶金和水文结果的普遍性，因此近年来对多孔介质干燥过程的传等领域之中，如谷物等农作物的通风储存、中草药的干递机理及其数学模型的研究引起了国内外的广泛关燥问题等等，是大量干燥作业的主体，它的干燥过程，注，众多学科都依据各自研究的物料和干燥方式，提出尤其是发生在高紊流区的高强度干燥过程是一个复杂了各自的干燥机理和模型[3~7]。迄今为止，在研究多孔的传热传质过程，研究多孔介质干燥过程及干燥特性介质干燥过程中湿分迁移的基础上，已发展了一系列对摸索多孔介质传热传质规律具有重要的意义，因此的传热传质机理模型[8~22]，如最早

3、提出的扩散模型、三引起了人们的极大关注。场耦合理论、连续介质模型、等效耦合扩散模型、渗透一般说来，水分在含湿多孔介质中的存在形式有蒸发前沿理论、区域蒸发模型、蒸发—冷凝模型等，所两种基本类型[1]：自由水和结合水，但在实际干燥过程有这些理论都认为物料外部水蒸汽的扩散过程驱动势中，由于物料种类不同，内部多孔结构的错综复杂，外为水蒸汽质量浓度梯度（或分压力梯度），热量传递过部干燥条件与干燥方式各异，使得物料内水分形态与程的驱动势为温度梯度，并据此得到了一系列研究成分布规律不同，水分的排出机理与干燥特性也不同。研果，但都没有考虑物料本身的结构，即多孔物料内孔隙究表明，含湿多孔物料在干燥过程中存在

4、着5种可能大小分布对干燥过程的影响，因此得出了一些令人困的湿分迁移机制[2]，它们分别为（：1）湿分（液体和蒸惑、甚至与热力学原理相悖的结论，如当以质量分数作汽）在浓度梯度作用下的扩散迁移（；2）由毛细管力（表为扩散过程驱动势时，按照ChowandChung的计算会面能力）引起的液体在毛细管内的流动迁移（；3）湿分得到与热力学原理相违背的空气沿化学势增高的方向在压力梯度作用下在多孔介质空隙中的渗流迁移（；4）进行扩散的结论。文献[23~26]在建立干燥理论模型时虽然由于物料内部温度梯度而引起的湿分热扩散迁移（；5）也曾考虑到物料的体积收缩，但只是简单地认为在整湿分在毛细通道中蒸发与冷凝所引

5、起的湿分迁移。在个干燥过程中物料体积随含湿量呈线性减少，没有深上述5种基本的迁移模式中，热扩散迁移是传热传质入分析体积收缩产生的原因及其对干燥过程的影响，过程中的一项交叉效应，与其他几种迁移模式相比要从而使得各种理论模型都只能适用于特定的干燥过程小得多。一般认为，在通常的干燥过程中热扩散迁移可与被干燥物料。以忽略不计。其他4种迁移模式将在不同的干燥工况由于体积收缩特性是含湿多孔介质在干燥过程中中扮演不同的角色。的一个固有属性，它直接影响干燥过程中含湿多孔物自从Luikov利用不可逆热力学原理建立多孔介料与干燥介质之间的热质传递规律，进而影响干燥过质热质传递的系统理论后，多孔介质干燥过程中热

6、质程的组织、干燥设备的设计、过程能量利用率与干燥产30中国制药装备2006第1辑D设计研究与设备探讨esignReaserch&EquipmentExploration品质量的提高[27~29]，因此对多孔物料在干燥过程中发生的体积收缩特性进行深入研究有着极其重要的理论意义和实用价值。为此，本文拟对多孔介质在干燥过程中体积收缩产生的原因、物料种类和外部干燥条件对体积收缩的影响进行初步研究。1含湿多孔介质的水分蒸发过程（a）恒速阶段多孔介质主要由固体间架和水分组成。毛细多孔介质中水分的存在方式是毛细管水分和表面附着水分[30~31]，其蒸发过程如图1所示。在干燥开始时，含湿介质吸收干燥介质的

7、热量，一方面用于表面附着水分的蒸发，另一方面使其自身温度升高。在干燥过程的预热阶段和恒速阶段，水分的蒸发在物料的表面上进行。由于（b）第一降速阶段表面水分的蒸发，在物料表面和内部间将产生湿度差。在此湿度差的推动下，内部水分将以液态水的形式向表面扩散，在此阶段，由于蒸发过程在表面上进行，在确定的干燥条件下，蒸发速度为常数，干燥过程处于恒速干燥阶段，如图（1a）所示。干燥至一定时刻，当内部液态水的扩散速率小于表面蒸发速率后，