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物料的干燥特性

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發布時間:2020-09-10 16:27:27

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物料的干燥特性

  • 分類:科普知識
  • 作者:YOLI
  • 來源:
  • 發布時間:2021-03-12
  • 訪問量:907

【概要描述】

物料的干燥特性

【概要描述】

  • 分類:科普知識
  • 作者:YOLI
  • 來源:
  • 發布時間:2021-03-12
  • 訪問量:907
詳情

太陽能干燥的對象稱為物料,如:食品、農副產品、木材、藥材、工業產品的物料具有不同的干燥特性,而且即使同一種物料在不同的干燥階段也會表現出不同的內部特性。

實踐已經證明,只有充分掌握干燥過程中物料的內部特性及干燥介質的物理特性,才能確定合理的干燥工藝,并設計出有效的太陽能干燥器。物料的內部特性包括被干燥物料的成分、結構、尺寸、形狀、導熱系數、比熱容、含水量、水分與物料的結合形式等。干燥介質的物理特性包括空氣的溫度、濕度、比熱容、濕空氣狀態參數的變化規律等。

一、物料中所含的水分

物料中所含的水分有不同的分類方法,一般可以根據物料的含水狀況進行分類或者根據物料中水分除去的難易程度進行分類

1.根據物料的含水狀況進行分類

(1)游離水分:指存在于物料孔隙或表面的水分,它對物料可以起到均勻的浸潤作用,水分含量隨物料浸潤程度的不同而不同。此類水分與物料的結合力較弱或自由分散于物料表面,在干燥過程中易于除去。

(2)物化結合水分:指以一定的物理化學結合力與物料結合起來的水分,譬如:物料的吸附水分、結構水分和毛細管水分等。此類水分與物料結合比較穩定,且有較強的結合力,較難除去,所以,除去或部分除去此類水分是物料干燥的任務之。

(3)化學結合水分:指按照一定的數量或比例與化合物結合而生成帶結晶水的化合物中的水分。此類水分與化合物的結合力很強,一般常溫干燥過程難以除去。若要除去此種化合物的結晶水,必須在較高的溫度下加熱,才能夠實現。因此,一般在干燥過程中不必考慮。

2.根據物料中水分除去的難易程度分類

(1)非結合水分

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,其主要是以機械方式結合,它與物料的結合強度較弱。物料中非結合水分所產生的蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓,因而非結合水分的除去與水的汽化相同,比較易于除去。非結合水分有時也稱為自由水分。

(2)結合水分

包括物料細胞內的水分以及物料內部毛細管中的水分等,它與物料的結合力強,會產生不正常的低氣壓,其蒸汽壓低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓,因而比較難于除去。

物料的干燥過程與物料中所含水分的特征關系極大。例如:

砂粒、焦炭、石粉等疏松物料,以含有游離水分為主,干燥比較容易進行;

谷物、煙草、瓷坯、棉織品等物料,雖然含有一定的游離水分,但物化結合水分含量較多,干燥過程比較緩慢;

肉質水果、橡膠、蠶絲等特殊物料,干燥難度較大,往往需要經過長時間的緩慢干燥或盡量提高干燥溫度,才能最后完成。

二、物料的平衡含水率

物料的平衡含水率,是指一定的物料在與一定參數的濕空氣接觸時,物料中最終含水量占此物料全部質量的百分比。

一定的物料在某特定溫度及水分含量下會有相應的水蒸氣壓力。當物料內部所維持的水蒸氣分壓等于周圍空氣的水蒸氣分壓時,物料的含水率即為該狀態下的物料的平衡含水率,而此時物料周圍空氣的相對濕度則稱為平衡相對濕度。

平衡含水率的概念對于研究物料的干燥過程是十分重要的,因為在任何已知或已設定的干燥狀態下,可以由平衡含水率的關系,決定物料經過干燥后可能達到的最終含水量。這也就是說,掌握平衡含水率的規律,可以幫助我們確定物料的最終干燥狀態。

不同物料的平衡含水率是不同的,可以通過實驗予以測定。通常使用的方法是將濕物料置于恒溫、恒濕的環境空氣中,經過長時間的充分接觸,使物料達到恒重,然后測定此時物料的水分含量,用濕基百分數表示,即為該物料在該狀態下的平衡含水率。

三、物料干燥過程的汽化熱

從濕潤物料中將單位質量的水分蒸發所需要的熱量,稱為物料干燥過程的汽化熱,單位為kJ/kg。

物料的汽化熱與物料的含水率及干燥溫度有關。在干燥初期,物料含水較多,物料的汽化熱與自由水分的汽化熱比較接近;隨著物料含水率降低,物料汽化熱就逐漸增加,其原因是物料水分汽化時,除了使水分汽化需要能量之外,還需要克服水分子與物料表面的物化結合力而多消耗能量。此外,物料汽化熱與干燥溫度的關系,其規律性與自由水分汽化的規律性大致相同,即干燥溫度越低,消耗的汽化熱就越多。

物料干燥過程的汽化熱必定高于自由水分的汽化熱,而且物料含水率越低時,汽化熱高出的幅度越大,汽化熱的這種規律,在計算太陽能干燥器的干燥效率時必須加以注意。

四、物料的干燥特性曲線

如果把非常濕潤的物料放在具有一定溫度、濕度和流速的熱風中,物料的溫度和水分就將隨著干燥時間而變化。物料含水率隨時間變化的曲線,稱為物料的干燥特性曲線

通常,物料的干燥特性曲線包括三個階段:預熱干燥階段、恒速干燥階段和減速干燥階段,如圖所示:

 

I一預熱干燥階段Ⅱ一恒速干燥階段Ⅲ一減速干燥階段

(1)預熱干燥階段(A-B)

干燥過程從A點開始,熱風將熱量轉移給物料表面,使表面溫度上升,物料水分蒸發,蒸發速度隨表面溫度升高而增加。在熱量轉移與水分蒸發達到平衡時,物料表面溫度保持一定值。

(2)恒速干燥階段(B→C)

干燥過程到達B點后,水分由物料內部向表面擴散的速度與表面蒸發的基本相同,移入物料的熱量完全消耗在水分的蒸發,即達到新的平衡。在這一段中,物料表面溫度保持不變,含水率隨干燥時間成直線下降,干燥速度保持一定值即保持恒速干燥。

(3)減速干燥階段(C→D→E)

干燥過程過C點以后,水分的內部擴散速度低于表面蒸發速度,使物料表面的含水率比內部低。隨著干燥時間增加,物料溫度就增高,蒸發不僅在表面進行,而且還在內部進行,移入物料的熱量同時消耗在水分蒸發及物料溫度增高上,這一階段稱為減速干燥的第一階段(C→D)。

干燥過程繼續進行,表面蒸發即告結束,物料內部水分以蒸汽的形式擴散到表上來。這時干燥速度最低,在達到與干燥條件平衡的含水率時,干燥過程即告結束。這一階段稱為減速干燥的第二階段(D→E)。

從恒速干燥階段轉為減速干燥階段時的含水率,稱為臨界含水率(C點)。一般來說,物料的組織越致密,水分由內部向外部擴散的阻力就越大,這樣臨界含水率值也就越大。

五、物料的干燥速率

干燥速率的定義是單位時間內在單位干燥面積上汽化水分的質量,可用下式表示:

式中,

R為干燥速率,kg/(h·m2);

Ge:為濕物料中絕干物料量,kg;

A為物料表面積,m2;

U為物料干基含水率,kg/kg;

r為時間,h

式中負號表示物料含水量是隨干燥時間的延長而減少的。

干燥過程中實際上存在兩種速率的概念:一種是物料表面水分的汽化速率,另一種是物料內部水分的擴散傳遞速率。一般來說,對于疏松性物料(如毛纖織物)兩種速率大致相等,因而干燥過程的干燥速率取決于汽化速率;對于粘性物料(如肉質水果),干燥前期取決于汽化速率,后期由于物料表面水分汽化后,內部水分擴散傳遞速率較慢,導致干燥速率下降。由此可見,干燥速率的大小取決于上述兩種速率中的主要矛盾方面。換句話說,干燥速率主要是由速率較低的過程所支配。

六、影響干燥速率的因素

影響干燥速率的因素可以從空氣和物料兩個不同方面

1.熱空氣的影響

(1)溫度

在空氣含濕量不變的情況下,提高熱空氣溫度,不但可以加強汽化和帶走水分的能力,而且可以對物料進一步升溫,提高物料表里之間水分的擴散速率,這無論對恒速干燥階段還是對減速干燥階段都有好處。但應注意,每一種物料都存在一個允許的最高溫度值,超過此值會使它糊化或焦化,影響物料品質

(2)含濕量

空氣含濕量越低,帶走物料水分的能力越強,干燥過程的推動力越大,因而干速率也越高。為了提高干燥速率,通常有如下兩種處理方法

在熱空氣含濕量不變的情況下,提高溫度,使空氣相對濕度下降,從而增大氣的脫水速度和脫水能力;

②在溫度不變的情況下,降低熱空氣的含濕量,辦法是使用石灰、活性炭、硅膠、無水氯化鈣和沸石分子篩等吸收空氣中的水分,使之更為干燥,達到更大的脫水能力。

(3)流動速度

提高熱空氣的流動速度,對傳熱和傳質都有利,可以有效地強化干燥過程。然而,空氣流速越大,與濕物料的接觸時間就越短,從而會降低熱能的有效利用率。尤其是對于一定采光面積的太陽能干燥器來說,空氣流速增大,集熱溫度必然會相應降低,故空氣流速應認真加以控制。

(4)空氣與物料接觸情況

為了提高干燥速率,干燥過程中應盡量使空氣與物料有一個良好的接觸狀態,而且盡可能不產生死角,否則會使物料干燥不均勻。為此,應認真研究干燥裝置的結構,合理安排氣流通道。采用氣流垂直穿透物料層,可增加氣一固接觸面積,增強氣一固之間的傳熱和傳質,從而強化干燥過程。

2.物料的影響

(1)物料尺寸

從干燥和水分擴散的角度考慮,物料直徑越小或料層厚度越薄越好,這樣不但使氣一固接觸面積增加,而且減少物料內部的擴散距離,縮短減速干燥階段的持續時間,當然,顆粒越小,顆粒間的孔隙率減小,氣流穿透阻力增加。因此,必須根據實際情況適當控制物料顆粒的大小。

(2)物料堆置方式

物料堆置方式取決于物料的形狀。對于顆粒狀物料,例如:稻谷、小麥、大豆、玉米、花生等,可采用厚層堆疊方式進行干燥,因為增加料層的厚度可以提高熱能利用率,提高干燥效率;對于片狀物料,例如:皮革、煙葉、絲綿、紙張、面條等,可采用懸掛方式進行干燥,因為這樣可以使物料表面充分暴露在熱空氣之中。

(3)物料溫度

物料溫度越高,一方面有利于提高物料表面水蒸氣壓強,加速物料水分的汽化;另一方面可以降低物料內部溶液的粘度,有利于水分向表面擴散。然而,在干燥過程中,物料內外溫度并不是一致的,通常是表面溫度高于內部溫度,正由于溫度差和濕度差的推動方向正好相反,結果減小了內部擴散的推動力,這對于干燥作業反而是不利的。

 

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