干燥速率曲线测定实验仿真

一、 实验目的

1． 掌握干燥曲线和干燥速率曲线的测定方法。 2． 学习物料含水量的测定方法。

3． 加深对物料临界含水量Xc的概念及其影响因素的理解。 4． 学习恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数的测定方法。

二、 实验内容

1. 每组在某固定的空气流量和某固定的空气温度下测量一种物料干燥曲线、干燥速率曲线和临界含水量。

2. 测定恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数。

三、 实验原理

当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。根据干

燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。

第一个阶段为恒速干燥阶段。在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地达到物料表面。因此，干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定（等于热空气湿球温度），物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。

第二个阶段为降速干燥阶段，当物料被干燥达到临界湿含量后，便进入降速干燥阶段。此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降。 恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。 恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。

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1． 干燥速率的测定

UdW'W' （7-1） SdS式中：U—干燥速率，kg /（m2·h）；

S—干燥面积，m2，（实验室现场提供）； —时间间隔，h；

W'—时间间隔内干燥气化的水分量，kg。 2． 物料干基含水量

XG'Gc' （7-2） Gc'式中：X—物料干基含水量，kg水/ kg绝干物料； G'—固体湿物料的量，kg； Gc'—绝干物料量，kg。

3． 恒速干燥阶段，物料表面与空气之间对流传热系数的测定 Uc(ttw)dQ'dW' （7-3） SdrtwSdrtwUcrtw  （7-4）

ttw式中：—恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数，W/（m2·℃）； Uc—恒速干燥阶段的干燥速率，kg/（m2·s）； tw—干燥器内空气的湿球温度，℃； t—干燥器内空气的干球温度，℃； rtw—tw℃下水的气化热，J/ kg。 4． 干燥器内空气实际体积流量的计算

由节流式流量计的流量公式和理想气体的状态方程式可推导出： VtVt0273t （7-5）

273t0式中：Vt—干燥器内空气实际流量，m3/ s； t0—流量计处空气的温度，℃；

Vt0—常压下t0℃时空气的流量，m3/ s；

t—干燥器内空气的温度，℃。

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Vt0C0A0 A02P （7-6）

42 （7-7） d0式中：C0—流量计流量系数，C0=0.67

A0—节流孔开孔面积，m2；

d0—节流孔开孔直径， 第１－４套d0=0.0500 m，第５－８套d0=0.0450 m； ΔP—节流孔上下游两侧压力差，Pa； ρ—孔板流量计处t0时空气的密度，kg/m3。

四、 实验装置与流程

1. 仿真工艺图

图1. 洞道干燥实验现场图

2. 主体设备

表1 干燥设备的结构认识

位号 P101 U101 V101

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名称 风机 电加热器 洞道干燥器 用途 提供空气流量 给空气加热 干燥室 类型 非变频动力装置 电导加热设备 通风设备 3. 测量仪表

根据对流程的认识，在下面的表格中填写相关内容。

表2 测量仪表认识

仪表 空气进口温度计 温度 干球温度计 湿球温度计 压降 温度 4. 实验说明

空气通过阀门V12由风机提供动力，一定流量的空气通过电加热后进入洞道干燥室，干燥里面的湿物料，物料重量的变化通过重量传感器传递到仪表显示。携带水分的空气由阀门V10排出。旁路阀V11用来调节进口空气的湿度和流量。本实验有四种物料可供选择，同一种物料下，改变空气流量和温度可以做不同的并行验证实验，检验空气流量和温度对干燥效果的影响。

孔板流量计压降 物料重量传感器 位号 T101 T102 T103 PV GW 单位 ℃ ℃ ℃ Kpa g

五、 实验步骤 A. 实验前的准备工作

1． 将被干燥的物料试样在水中进行充分浸泡； 2． 向湿球温度计的蓄水池中加水；

3． 全开新鲜空气进口阀和废气排出阀，全关废气循环阀； 4． 将空气流量调节阀全开，以启动时保护电机；

5． 将空气预热器加热电压调节旋钮拧至全关状态，防止启动时功率过大，烧坏加热器；

B. 实验操作步骤

1． 请从四种物料中选择一种需要实验测试的物料。

2． 输入实验参数，包括支架重量，浸水后物料重量，浸水前物料重量，空气温度，环境湿度，大气压力，节流孔开孔直径和物料面积。

3． 调节送风机吸入口的蝶阀V12到全开的位置，启动风机，

4． 用废气排出阀V10和废气循环阀V11调节到指定的流量后，开启加热电源。在智能仪表中设定干球温度，仪表自动调节到指定的温度。

5． 在空气温度、流量稳定的条件下，用重量传感器测定支架的重量并记录下来。

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6． 在稳定的条件下，记录干燥时间每隔2分钟干燥物料减轻的重量。直至干燥物料的重量不再明显减轻为止。

7． 变空气流量或温度，重复上述实验。 8． 改变物料，重新进行上述实验。

9． 关闭加热电源，待干球温度降至常温后关闭风机电源和总电源。 10． 实验完毕，一切复原。

六、 注意事项

1． 重量传感器的量程为（0--200克），精度较高。

2． 干燥器内必须有空气流过才能开启加热，防止干烧损坏加热器，出现事故。

3． 干燥物料要充分浸湿，但不能有水滴自由滴下，否则将影响实验数据的正确性，请注意输入物料初始重量的范围。

4． 实验开始后不要改变智能仪表的设置。

七、 报告内容

1． 根据实验结果绘制出干燥曲线、干燥速率曲线，并得出恒定干燥速率、临界含水量、平衡含水量。

2． 计算出恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数。 3． 试分析空气流量或温度对恒定干燥速率、临界含水量的影响。

八、 思考题

1． 空气湿度一定时，相对湿度φ与温度T的关系是： a、T越大，φ越大 b、T越大，φ越小 c、T与φ无关 答案：B

2．临界含水量与平衡含水量的关系是： a、临界含水量>平衡含水量 b、临界含水量=平衡含水量

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c、临界含水量<平衡含水量 答案：A

3．下列关于干燥速率u的说法正确的是： a、温度越高，u越大 b、气速越大，u越大 c、干燥面积越大，u越小 答案：A、B

4．干燥速率是：

a、被干燥物料中液体的蒸发量随时间的变化率

b、被干燥物料单位表面积液体的蒸发量随时间的变化率 c、被干燥物料单位表面积液体的蒸发量随温度的变化率

d、当推动力为单位湿度差时, 单位表面积上单位时间内液体的蒸发量 答案：B

5．若干燥室不向外界环境散热时，通过干燥室的空气将经历什么变化过程？ a、等温过程 b、绝热增湿过程 c、近似的等焓过程 d、等湿过程 答案：B、C

6．本实验中如果湿球温度计指示温度升高了，可能的原因有： a、湿球温度计的棉纱球缺水 b、湿球温度计的棉纱被水淹没

c、入口空气的焓值增大了，而干球温度未变 d、入口空气的焓值未变，而干球温度升高了 答案：A、B、C

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7．本实验装置采用部分干燥介质（空气）循环使用的方法是为了： a、在保证一定传质推动力的前提下节约热能 b、提高传质推动力 c、提燥速率 答案：A

8．本实验中空气加热器出入口相对湿度之比等于什么？ a、入口温度：出口温度 b、出口温度：入口温度

c、入口温度下水的饱和和蒸气压：出口温度下水的饱和蒸气压 d、出口温度下水的饱和和蒸气压：入口温度下水的饱和蒸气压 答案：C

9．物料在一定干燥条件下的临界干基含水率为： a、干燥速率为零时的干基含水率

b、干燥速率曲线上由恒速转为降速的那一点上的干基含水率 c、干燥速率曲线上由降速转为恒速的那一点上的干基含水率 d、恒速干燥线上任一点所对应的干基含水率 答案：B

10． 等式(t-tw)a/r=k (Hw-H)在什么条件下成立？ a、恒速干燥条件下

b、物料表面温度等于空气的湿球温度时 c、物料表面温度接近空气的绝热饱和和温度时 d、降速干燥条件下 e、物料升温阶段 答案：A、B、C

11． 下列条件中哪些有利于干燥过程进行？ a、提高空气温度

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b、降低空气湿度 c、提高空气流速 d、提高入口空气湿度 e、降低入口空气相对湿度 答案：A、B、C、E

12． 若本实验中干燥室不向外界散热，则入口和出口处空气的湿球温度的关系是： a、入口湿球球温度>出口湿球温度 b、入口湿球球温度<出口湿球温度 c、入口湿球球温度=出口湿球温度 答案：C

九、 参考文献

[1] 冷士良. 化工单元过程及操作. 北京：化学工业出版社，2002 [2] 张金利等. 化工原理实验. 天津：天津大学出版社，2005 [3] 杨祖荣. 化工原理实验. 北京：化学工业出版社，2004

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