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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文翻譯 關(guān)于離心流化床烘干機熱量與質(zhì)量傳遞的試驗研究 M.H．Shi，H.Wang，Y.L.Hao 中國南京東南大學(xué)電力工程系 210096 摘要 我們正在做一項熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗研究，就是前兩天潮濕的物質(zhì)在離心流化床（CFB）烘干機的干燥過程。每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)要300到500之間。測試材料有濕的沙，玻璃粉和切成片的食物。入口和出口的氣體溫度和濕球溫度，以及床的溫度都被測出。通過質(zhì)量平衡法，在氣體階段立即決定了水分含量?？梢詼y出表面氣流速度、顆粒直徑和形狀、床的厚度、床的轉(zhuǎn)數(shù)以及干燥特性最初的溫度的影響。我們獲得了一個經(jīng)驗系數(shù)，可以用來計算在離心流化干燥器內(nèi)氣體顆粒的熱量傳遞系數(shù)。 關(guān)鍵詞：干燥；熱量和質(zhì)量傳遞；離心流化床 1. 引言 CFB干燥是一項新技術(shù)，潮濕的材料要離心力范圍內(nèi)通過機床的旋轉(zhuǎn)來完成一個被高度提高的熱量和質(zhì)量傳遞。這種機床本質(zhì)上是一個圍繞對稱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形籃子，上面有一個能滲水的圓柱形墻體。干燥物進入籃子，因為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大的離心力，它們被迫在籃子周圍形成一個環(huán)形層。氣體通過能滲水的圓柱墻注入，當(dāng)力量通過流化介質(zhì)平衡了離心力，機床開始流化。不像垂直機床一樣有一個固定的引力力場，離心床的體積力成為一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，這個參數(shù)由旋轉(zhuǎn)速度和籃子的半徑?jīng)Q定。原則上，在任何氣體流速情況下，通過改變機床旋轉(zhuǎn)速度都能達到最小流化作用。用一個比引力還大得多的強離心力場，機床可以經(jīng)得起一個大的流速，而不形成大的氣泡。因此，在高氣體流速下氣體-液體的聯(lián)系得到了改進，并且在干燥過程中能達到熱量和質(zhì)量傳遞。因為這個原因，CFB干燥器在干燥業(yè)得到頗多關(guān)注。 文獻中只能找到一些研究CFB干燥的調(diào)查著作。拉扎爾和法卡斯[1,2]布朗[3]執(zhí)行了CFB切片水果和蔬菜的干燥過程，卡爾森[4]調(diào)查了CFB大米干燥情況。這些調(diào)查報告都非常的有益，但它們主要關(guān)注的是工業(yè)申請CFB的可能性。CFB的流動行為和干燥特性是非常復(fù)雜的，并且仍然不是很清楚。為了評估物體表面溫度，從氣體到物體的熱量傳遞知道是標(biāo)非常有必要的。為了特定的目的，定量的CFBs熱量傳遞特性的知識是必須的。 在這篇論文中，做了一個關(guān)于流動行為和CFB的氣體-液體的熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗，影響干燥過程的主要因素被檢測和討論。 2. 實驗裝置 圖1為實驗裝置示意表。一個圍繞水平軸的圓柱形籃子安裝在一個密封的圓柱形盒子內(nèi)。籃子直徑為200mm，寬度為80mm?；@子的側(cè)面有直徑為3mm的洞，用來分散氣體，有22.7%的開放區(qū)域。 圖1.實驗裝置 內(nèi)表覆有200個不銹鋼絲網(wǎng)，用來防止機床材料腐蝕。在籃子末端墻體的中心處有一個直徑為80mm的洞，用來排出氣體。一個變速發(fā)動機被用來轉(zhuǎn)動籃子，通過一個軸來連接籃子墻體的另一端。用一個LZ-45轉(zhuǎn)速計來測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速?？諝庥梢粋€鼓風(fēng)機吹入?？諝赓|(zhì)量流率的測量采用孔板流量計?？諝饧訜崾褂玫氖且粋€電熱器。一個t形管閥是用來控制流體方向。空氣溫度穩(wěn)定在期望值(約100℃)后，打開球上的閥門，干燥實驗便開始了；熱空氣流經(jīng)分散器到達機床后進入大氣層。壓降是通過一個U形量表來測量的。一個壓力探針沿著中心線伸到籃筐里，離端壁10毫米遠。在相同的操作條件下，也進行了不使用機床材料來獲取穿過分散器的壓力差異的試驗。穿過機床的壓降通過ΔpBed =Δ pTotal ? Δp分散器來測量。入口氣體溫度、出口氣體溫度和在不同位置的床溫度隨時間變化是使用熱電偶探頭來測量的，數(shù)據(jù)記錄是采用3497A記錄數(shù)據(jù)采集/控制單元。在干燥過程中測試材料的含水量是通過在氣體階段的水分平衡法來測量，即通過測量在氣體階段用干濕燈泡溫度計來入口與出口處的濕潤度。 圖2.離心流化床的一個特別部分 時間間隔從tj到tjC1的水分平衡是 （公式1）。在時間tj+1,測試材料的水含量是 (公式2）。采用干燥重量法測試材料樣品達到初始含水率,我們能得到隨著時間的含水率的變化,因而,干燥率計算為 （公式3）. 干燥的表面Sp作為測試材料全部表面積為（公式4）。忽略射線熱傳導(dǎo)和周圍的熱損失，如圖2所示，不同體積時, 在任何給定的時間機床的能量等式是這樣的：（公式5）。該方程可以使用在整個機床來獲得傳熱系數(shù):（公式6） 3.結(jié)果與討論 3.1.機床的壓降與初始流化特性 圖3顯示機床壓降的變化，沙床表面氣流速度,在干燥測試中不同的旋轉(zhuǎn)速度，在初始流化階段,壓降增大均隨著流速。 圖3.CFB沙子的流化曲線 (dpD0.245 mm, nD400rpm).材料 (上/下): (m/h) 沙; (d/s) 玻璃珠 當(dāng)?shù)竭_臨界點時，壓降將保持幾乎不變。但是，切片，觀察成塊的材料所得的結(jié)果不同。壓降曲線有一個最大值，它對應(yīng)的臨界液化點,如圖4。在初始流化階段,慢慢增大壓力降的增加與流速。當(dāng)達到臨界點,壓降隨著氣速的增加而下降。這是因為在離心力場內(nèi)，切片材料的自鎖現(xiàn)象逐漸減弱,并且因為機床變得統(tǒng)一。這造成了一個流阻。降低機床轉(zhuǎn)速可以降低機床壓降和臨界氣速，如圖4。 這是由于減在了床上旋轉(zhuǎn)速度就會削弱離心力場和導(dǎo)致流動阻力減少。它也可以從圖4看出來:切片土豆的臨界流化速度要小于塊狀土豆，是由于片狀材料更大地觸風(fēng)面積。 圖4.不同形狀材料的流化曲線（切片土豆10mm_10mm_1.5 mm, nD300 rpm; (h) 塊狀土豆5mm_5mm_5 mm, nD300 rpm; (s)塊狀土豆5mm_5mm_5 mm, nD250 rpm. 3.2.干燥曲線 典型的氣體溫度和機床層溫度曲線和濕沙的干燥曲線的在間歇干燥過程中顯示如圖5。 圖5.CFB間歇干燥曲線(sand,dpD0.411mm,MD2.48kg, !D41.9rads?1,U0D1.71ms?1,HinD0.016kg kg?1): (1) Tg;in ; (2) Tg;out ;(3) Tb; (4) R; (5) x. 并且，片狀材料機床的壓降也小于塊狀物料機床，是因為碎片材料在CFB有更好的流化特性。這從理論性顆粒物質(zhì)模型[6]是獲得的初始流化關(guān)系并不適合切片材料。不同形狀切片材料的初始流化條件是試驗性的，單獨決定的。 圖6片狀土豆的水份含量變化（曲線6）和干燥率（曲線7） 這也顯示出像沙子這種干燥材料的特點,其中水分含量主要是表面的水分, 就像在一個普通的干燥機，整個干燥過程即可分為三個階段。在一個簡短的初期階段,材料預(yù)熱和干燥速度迅速增加; 機床溫度增加到一個穩(wěn)定值。第二階段是干燥速率恒定階段,從氣體到材料的熱量轉(zhuǎn)移完全為材料表面水分的蒸發(fā)。材料溫度保持不變,干燥速率也不變。最后一個階段被稱為降速階段，材料的溫度和干燥速率也逐漸增加，直到干燥過程的最后。 CFB片狀食品產(chǎn)品的干燥行為與圖6所示的沙子又有些不同。顯然,CFB切片土豆的干燥特性與在傳統(tǒng)的干燥過程基本相似。在一開始,有一個短暫的最初階段。在這一時期,機床材料預(yù)先加熱;機床溫度迅速達到一個穩(wěn)定值，干燥速率快速增加。這個初步的時期之后是一個干燥速率穩(wěn)定階段。在恒定的速率期,測試材料的表面覆蓋著一層很薄的水膜。氣體流動至材料的熱轉(zhuǎn)移用來完全蒸發(fā)水分,所以切片材料的溫度保持平衡，溫度和干燥速度是在最大值。這是很重要的,土豆的主要的水分含量是細胞水分,所以恒定的速率時期是很短暫的。最重要的干燥過程是在降速時期完成的。在降速時期,表面附近的干燥層出現(xiàn)并由于內(nèi)部水分外流的運輸阻力更大而逐漸減弱。這導(dǎo)致熱傳遞阻力增加,干燥速率在第一階段迅速降低。干層后的溫度已上升到一定的值,干燥速率慢慢的減少。這表明,在該降速時期，切片土豆在循環(huán)流化床干燥機可以分開成兩個不同的階段。這對工程設(shè)計與操作都至關(guān)重要。實驗結(jié)果表明, 干燥過程中切片土豆比塊狀土豆有一個更大的干燥速率和較短的干燥時間。這是因為在切片材料中從內(nèi)細胞到外蒸發(fā)表面的水分運輸距離比在塊狀材料中要短。特別值得一提的是，在干燥過程中，在第二階段的降速時期片狀材料更短。 一般來說,由于薄片材料可能被流態(tài)化和混合得很好,干燥時間極短。例如,CFB切片土豆的干燥時間比隧道式干燥機短15倍，比常規(guī)流化干燥器短5倍。 3.3.操作參數(shù)的影響 3.3.1表面氣體流速 很明顯,表面流速的增加將增加流化的程度,因此,氣體階段與固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞可能會大幅提高。這導(dǎo)致了干燥速度更大和干燥時間短,是,如圖7。這臨界水分含量會隨氣流速度增加而增加，如圖7虛線所示。對于食品原料,實驗結(jié)果表明,在穩(wěn)定速度時期和在第一時期，干燥速度會隨著在低氣流速度區(qū)域的氣體流速的增加而增加。因此,總干燥時間會減少。然而,當(dāng)流速增加到一定值,恒定的速率會消失,降速時期的第一階段減短而第二階段增長。 . 圖7表觀氣速對水分含量的影響 (dpD0.411 mm, MD2.50 kg, !D41.9 rad s?1, HinD0.016 kg kg?1): (1) U0D1.66ms?1; (2) U0D2.17ms?1. M.H. Shi et al. / 化工雜志 78 (2000) 107–113 111 總干燥時間就會保持不變;這是因為馬鈴薯的主要水含量是內(nèi)層細胞水和主要的干燥過程是在降速時期的第二階段。增加進口燃氣溫度,所有的干燥速率和干燥周期總數(shù)增加，干燥時間就減少。然而,燃氣溫度的增加會受制于干燥食物的質(zhì)量。我們的測試中,最好的入口氣體溫度大約是100-110℃。實驗結(jié)果也表明, 在相同的操作條件下，固定尺寸的切片蘿卜的干燥速率比切片土豆的更大。這是因為微觀組織的測試實例表明,蘿卜比土豆有一個更大的帶有一種更加規(guī)則性排列細胞結(jié)構(gòu)，而且，蘿卜細胞里液體的粘性更??；這些結(jié)構(gòu)特點讓蘿卜容易干燥。 3.3.2.旋轉(zhuǎn)速度 相同的氣速,降低床上旋轉(zhuǎn)速度將會減少離心力作用于物質(zhì)的流態(tài)化程度,而提高材料的流化程度;這導(dǎo)致氣體階段和固體階段之間的熱量和質(zhì)量傳遞會增加。因此,當(dāng)減少機床的旋轉(zhuǎn)速度,干燥速度增加了,如圖8。并且整個機床的干燥過程會比較均勻。這意味著,對于CFB一個給定的材料干燥,機床轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量放低，直到流化狀態(tài)可能就不能維持。當(dāng)通過提高在CFB干燥器內(nèi)的氣體速度來增強干燥過程， 同時,必須增加速度,避免干燥材料從機床上吹出去。在理論上,通過限制CFB機床的旋轉(zhuǎn)速度，在任何氣體流速下機床操作都能是最佳流化狀態(tài)。 圖8.旋轉(zhuǎn)速度的影響 (dpD0.411 mm, MD2.41 kg, U0D 1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) !D52.4 rad s?1; (2) !D41.9 rad s?1. 圖 9. 粒子直徑的影響 (MD2.4 kg, !D41.9 rad s?1, U0D 1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) dpD0.245 mm; (2) dpD0.411 mm. 3.3.3.粒子直徑 圖9顯示了CFB下粒子直徑對干燥行為的影響。顯而易見的是,對于走直徑更大的粒子，由于氣體和固體顆粒之間更大的下滑速度，干燥過程中的熱量與質(zhì)量傳遞將會增強。 因此,CFB干燥速率會隨著粒子直徑的增加而增加，如圖9所示。然而,隨著增加物質(zhì)維度,內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力會增加,因此,對于一個給定的干燥材料,在特定操作條件下，那對于決定干燥過程中最佳材料規(guī)模是非常重要的。 3.3.4.機床厚度 圖10顯示初始床厚度的影響上干燥工藝?？梢钥闯?以提高料層厚度,干燥速率會減少,這是因為氣體階段和固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞的驅(qū)動力在陜窄的機床條件下更大。 圖 10. 機床厚度的影響 (dpD0.411 mm, !D41.9 rad s?1, U0D1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) L0D30 mm; (2) L0D20 mm. 112 M.H. Shi et al. / 化工雜志78 (2000) 107–113 圖 11.初始水分含量(dpD0.411 mm, MD2.48 kg, !D41.9 rad s?1, U0D1.71ms?1, HinD0.016 kg kg?1): (1) x0D0.221 kg kg?1; (2) x0D0.0574 kg kg?1. 3.3.5.初始水分含量的影響 很明顯,初始水分含量越大的材料干燥時間更長 (圖11),但是干燥特性都是相同的。唯一的區(qū)別在于恒定速率階段的持續(xù)時間。 3.4.熱量傳遞關(guān)聯(lián)性 65%的實驗操作都是通過濕沙和玻璃珠進行的，機床高度固定為10-30mm之間，雷諾系數(shù)從5.47到35.3以及離心力這重力的10.08到28倍。熱量傳遞系數(shù)被轉(zhuǎn)換成努塞系數(shù)，看作是平均溫度下的平均直徑和熱電導(dǎo)率。使用迴歸分析的程式，獲得了在干燥過程中的CFB氣體與粒子間熱量傳遞的無量綱關(guān)聯(lián)。擴散系數(shù)的指數(shù)比(Prandtl號碼)已被假設(shè)為1 / 3; 圖12.試驗結(jié)果與計算結(jié)果的比較 （公式7） 因此，合適的參數(shù)范圍內(nèi)對上述二者的相互關(guān)系是,FcD10.0-28.0 ReD5.0-42.0。 努塞爾系數(shù)定義為NuDhdp /λ;雷諾數(shù)為ReDρgU0dp / μ;普朗特數(shù)是PrDCpgμ/λ; 然后,無量綱的離心力被定義為Fc=ro ω2/g。圖12顯示的是試驗的熱量傳遞與公式7的計量值比較。這項工作測試得到的所有數(shù)據(jù)偏差在25%以內(nèi)。 4. 結(jié)語 1.CFB可能可以在填充床上操作,剛剛出現(xiàn)的流化或流化機床在給定的流速下，通過使用一個強流率的離心力場，可以維持穩(wěn)定的流化狀態(tài)。 2.CFB分散器附近沒有明顯的“活躍區(qū)域”。在表觀氣速、粒子直徑、粒子形狀因子、、粒子密度、機床厚度和機床轉(zhuǎn)速的影響下，氣體與團體之間的熱傳遞產(chǎn)生。 3.CFB干燥器中，干燥過程可以分為三個階段,干燥速度隨著表觀氣速和顆粒直徑的增加及旋轉(zhuǎn)速度和初始機床厚度的減少而增加， 4．在CFB中切片食品產(chǎn)品能夠流化和混合和非常好。壓降曲線有一個最大值，臨界流化參數(shù)隨著干燥產(chǎn)品及材料本身形狀和大小的變化及操作條件的變化而變化。 5.切片食品產(chǎn)品可以干得很好很快。干燥的主要過程是在降速期間,干燥速率速率取決于干燥產(chǎn)口的材料、形狀、和尺寸以及操作條件。 5．術(shù)語 a 顆粒表面每單位體積 Cpg,Cps 氣體或固體的比熱容 Dp 平均粒子直徑 DAB 分子擴散性 Fc 無量鋼的離心力， G 氣體質(zhì)量流率 h 熱傳系數(shù) H 機床寬度；氣體可濕性 Lo 固定床厚度 M 干燥材料的重量 n 機床轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)速） Nu 努塞爾數(shù)，hdp/ △P 壓降（kpa） Pr 普朗特系數(shù)， R 干燥速率 Re 雷諾系數(shù) T 溫度 U0 表面氣體流速 x 水分含量 希臘字母 ε 多孔性 λ 導(dǎo)電性 μ 氣體粘度 υ 氣體運動粘度 氣體或固體密度 球形 ω 角速度 致謝 本項目由中國國家自然科學(xué)基金會支持。 參考文獻 [1] M.E. 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