14-3 间歇干燥过程的干燥时间与干燥速率对临界含水量的影响
常压下将含水量为25%(湿基)的物料300 kg置于温度为90℃，湿球温度为40℃的空气中，空气以7m/s的流速平行流过物料。干燥面积为5.5 m2，湿物料在该条件下的临界含水量为0.12 kg水/kg干料，平衡含水量为0.03 kg水/kg干料，降速段可视为直线。试求：
(1) 除去40 kg水分所需的干燥时间(h)；
(2) 将物料继续干燥，再除去20kg水分所需的干燥时间(h)；
(3) 其他条件不变，只是将物料层厚度减半，求将物料干燥至同第(1)的含水量一样时所需干燥时间。
已知：空气平行于物料表面流动时的对流给热系数为??0.0143G0.8kW/(m2?℃)，G的单位为
kg/(m2?s)；汽化潜热r?2 491.3?2.303t，其中t的单位为℃；r的单位kJ/kg；40℃下水的饱和蒸汽压为7.377 kPa。
思路分析：本题第(1)、(2)问同14-2。求解第(3)问的关键点是明确物料厚度对临界含水量的影响规律，判断出干燥过程所经历的阶段。参看解题过程。
解: (1) 除去40 kg水分所需的干燥时间
40℃下水的汽化潜热 rW?2 491.3?2.303?40?2399kJ/kg 40℃下空气的饱和湿度
HW?0.622pW7.377?0.622??0.0489kg水汽/kg干气
p?pW101.3?7.377空气的湿度
H?HW?1.091.09(t?tW)?0.0489??(90?40)?0.026 kg水汽/kg干气 rW23998.?314?(27390)3
?1.07/kg0干气 m
101.3空气的比体积 vH?(1HRT10.026?)?(??)2918p2918空气的密度
??1?H1?0.026??0.95kg/m93 vH1.070空气的质量流速 G??u?0.959?7?6.713 kg/(m2?s)
恒速段干燥速率
?NA?C???t?tw?rw0.0656??90?40???1.367?10?3 kg/(m2?s)
2399物料的初始干基含水量 X0?0.25?0.33 31?0.25绝干物料质量 GC?300?0.75?225kg 除去40kg水分后物料的干基含水量
X1?300?0.25?40?0.156>XC
225所以除去40kg的干燥过程处于恒速阶段，所需干燥时间
??GC?X1?X0?40??1.48 h ?3A?NA?C5.5?1.367?10?3600X2?300?0.25?60?0.067 225(2) 再除去20 kg水分所需干燥时间 再除去20kg水分后物料的含水量 干燥分为恒速段与降速段，所用干燥时间分别记为?1、?2。 ?1?GC?X1?XC?225?(0.156?0.12)??0.30 h ?3A?NA?C5.5?1.367?10?3600因降速段干燥速率可视为直线，NA?kX?X?X?? NA??GCdX Ad?1.367?10?3 kX???0.015 XC?X?0.12?0.031 ?NA?CGCAkX?2????X2XCGX?X?dX ?ClnCX?X?AkXX2?X? 2250.12?0.03ln?0.67 h 5.5?0.015?36000.067?0.03从物料中再除去20 kg水分共需干燥时间???1??2?0.30?0.67?0.97 h (3) 按题意，XC将减小，而X1不变，故干燥过程仍属恒速段。且X0、A、(NA)C不变，而GC?厚度，W?GC?X1?X2?，故W?厚度，??W/(NA)C?厚度。所以所需干燥时间 ????2?1.48=0.74h 214-4 变动干燥过程的干燥时间 在常压并流操作的干燥器中，用热空气将某物料由初含水量1.2 kg/kg绝干料干燥到终含水量0.1 kg水/kg绝干料。空气进口温度为140℃、湿度为0.01 kg水/kg绝干气，空气出口温度为80℃。干燥器中空气经历等焓干燥过程。根据实验，表面汽化阶段的干燥速率可用式(a)表示： ?dX?30(HW?H) kg水/(kg绝干料?h) (a) d??dX?1.2X kg水/(kg绝干料?h) (b) d?升温段的干燥速率可用式(b)表示： 试计算完成上述任务所需的干燥时间。 思路分析：本题为变动干燥过程。因表面汽化阶段与升温阶段的干燥速率不同，首先要求出这两个阶段分界点对应的物料含水量，以判断物料干燥过程所经历的阶段。其次，表面汽化阶段干燥速率表达式中有X和H两个变量，必需确定X与H间的约束关系式。该关系式可通过作物料衡算得 到。 解：空气与物料在干燥器的变化情况如下图所示： 空气H1=0.01t1=140℃分界点HCXCH2t2=80℃X2=0.1湿物料X1=1.2 kJ/kg 2?.500300.01169 H80.8习题14-4附图 空气与物料在干燥器的变化情况 I1?（1.01?1.H818t1?) I2?（1.01?1.H88)2t2?25H0（?0125H0（?02?1.01?1.88?0.0?1)1?40?1.01H21.?88?)8H02500?2?2650空气在干燥器经历等焓过程，所以I1?I2，即 80.8?2650H2?169.03 解得：H2?0.0333kg水汽/kg干气 设表面汽化阶段与升温段的交点处的空气湿度为HC，物料含水量相应为XC。据H1?0.01kg水汽/kg干气，t1?140℃，沿等焓线查I-H图得HW?0.05kg水汽/kg干气。 根据干燥速率表达式有 对干燥器作物料衡算，有 30(0.05?HC)?1.2XC (c) V(H2?H1)?GC(X1?X2) V(0.0333?0.01)?GC(1.2?0.1) V1.2?0.1 (d) ??47.2 1GC0.033?30.01 自干燥器入口至分界点处作物料衡算，有 V(H?GC?0.01)C (1.?2XC (e) 将式(d)代入式(e)，有 HC?0.035?4 0.0X22 (f) C1联立求解式(c)、(f)得：XC?0.777kg水/kg干料, HC?0.0189kg水汽/kg干气。 因X2?0.1?XC?0.777，所以干燥过程经历表面汽化与升温两个阶段。设该两段所用的干燥时间分别为?1、?2，则有 d???dXVdH47.21dHdH (g) ???1.5730(Hw?H)30GCHW?H300.05?H0.05?HHC ?1?1.57X2H1?0.05?H1dH0.05?0.01?1.57ln?1.57ln?0.395h 0.05?H0.05?HC0.05?0.0189 ?2???XdX110.777?lnC?ln?1.71h 1.2X1.2X11.20.1XC总干燥时间 ???1??2?0.395?1.71?2.105h 14-5 绝热干燥过程 某湿物料在常压干燥器内进行绝热干燥，干燥后的产品为4 000 kg/h，湿物料的含水率为15%(湿基，下同)，产品的含水率不得高于1%，空气的初始温度为20℃，相对湿度为40%。空气预热至120℃后进入干燥器，气体出干燥器的温度选定为70℃。问：⑴ 所需湿空气用量(m3/h)；(2) 预热器的热负荷(kW)；(3) 干燥器的热效率；(4) 若选定气体出干燥器的温度过高(或过低)，其弊端是什么？ 思路分析：空气与物料在干燥系统中的变化过程如图所示： QPH0t0=20℃t1=120℃H1t2=70℃废气H2G2=4 000 kg/hw2≤1%空气预热干燥?0?40%G1w1=15% 习题14-5附图 (1) 空气流量 qV0?VvH0 W?G1?G2?G2I1?I2V?WH2?H0w1?w21?w1绝热过程H2?1.01?1.88H1?t1?2 500H1??1.01?1.88H2?t2?2 500H2H1?H0预热过程 vH01HR(273?t0)?(?0)2918pH0?0.622?pSp??pSpS3=t0下水的饱和蒸汽压 (2) 预热器的热负荷 Qp?Vcp,H0?t1?t0? (3) 热效率 ??Qp?QD?Q3Qp?QD?Vcp,H0(t1?t0)?Vcp,H0(t2?t0)Vcp,H0(t1?t0)?t1?t2 t1?t0解：⑴ 所需湿空气用量 H0?0.622?pS0.4?2.338?0.622??0.0058kg水汽/kg干气 p??pS101.3?0.4?2.338 I1??1.01?1.88?0.0058??120?2500?0.0058?137kJ/kg干气 因干燥过程绝热，所以 I1?I2，即 ?1.01?1.88H2?t2?2 500H2?137 代入已知数据，有 ?1.01?1.88H2??70?2 500H2?137 解得 H2?0.025 2kg水/kg干气 蒸发水分量 W?G1?G2?? ?4000G2?1?w2?w?w2 ?G2?G211?w11?w1 0.1?50.01?659?0.183kg/s kg/h 1?0.15 干空气用量 V?W0.183??9.43kg干气/s H2?H00.025 2-0.005 81H0RT10.00588.314?(273?20)?)?(?)??0.837m3/kg干气 2918p2918101.3 vH0?(湿空气的体积流量 qV?VvH0?9.43?0.837?7.89m3/s?2.84?104m3/h (2) 预热器的热负荷 Qp?Vcp,H0?t1?t0??9.43??1.01?1.88?0.0058???120?20?=963 kW Qp?QD?Q3Qp?QDVcp,H0(t1?t0)?Vcp,H0(t2?t0)Vcp,H0(t1?t0)t1?t2120?70??50% t1?t0120?20(3) 干燥器的热效率 ????(4) 若选定气体出干燥器的温度过高，其弊端是：废气带走的热量增加，干燥器的热效率降低。若选定气体出干燥器的温度过低，其弊端是：降低干燥效率，延长干燥时间，增加设备容积，还可能出现气流在设备及管道出口处因散热而析出水滴，导致产品出现返潮现象。 14-6 实际干燥过程(热损失可忽略) 某常压操作的干燥器的参数如附图所示。其中：空气状况t0=20℃，H0=0.01kg/kg干气，t1=120℃，t2=70℃，H2=0.05 kg/kg干气；物料状况：?1?30℃，?2?50℃，含水量w1?20%，w2?5%，绝干物料比热容cps?1.5kJ/(kg?℃)。干燥器的生产能力为53.5 kg/h(以出干燥器的产物计)，干燥器