83干燥过程的物料衡算与热量衡算

8.3.5干燥器的热效率8.3.2干燥过程的物料衡算8.3.3干燥过程的热量衡算8.3.4干燥器空气出口状态的确定8.3干燥过程的物料衡算与热量衡算8.3.1湿物料中含水量8.3干燥过程的物料衡算与热量衡算进行干燥计算，必须解决干燥中湿物料去除的水分量及所需的热空气量。干燥过程是热、质同时传递的过程。湿物料中的水分量如何表征呢？GGww湿物料总质量湿物料中水分质量一、湿基含水量w:[kg水/kg湿物料]8.3.1湿物料中含水量湿物料中含水量有两种表示方法：（8-33）水分在湿物料中的质量百分数。二、干基含水量X[kg水/kg干物料]wwGGGX湿物料中绝干物料质量湿物料中水分质量三、两者关系:1XwX1wXw湿物料中的水分与绝干物料的质量比。（8-34）（8-35）（8-36）w与X之间的换算关系的推导：设：水分质量为mw，绝干料质量为mc。cwwmmmwcwmmX则XmmmwXccw1XXw1二式相除得：XXw1wwX1由可推得干燥过程中，湿物料的质量是变化的，而绝干物料的质量是不变的。说明：因此，用干基含水量计算较为方便。8.3.2干燥过程的物料衡算湿物料与热空气并流进入干燥器，连续操作图9-10干燥器物料衡算W——单位时间内汽化的水分量，kg/s。符号说明：G1——湿物料进口的质量流率，kg/s；G2——产品出口的质量流率，kg/s；Gc——绝干物料的质量流率，kg/s；w1——物料的初始湿含量；w2——产品湿含量；L——绝干气体的质量流率，kg/s；H1——气体进干燥器时的湿度；H2——气体离开干燥器时的湿度；通过干燥过程的物料衡算，可确定出将湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量。目的：从而确定在给定干燥任务下所用的干燥器尺寸，并配备合适的风机。出干燥器的绝干物料=入干燥器的绝干物料221111cGGwGw（8-37）一、绝干物料量Gc[kg干物料/hr]211211wwGG则（8-38）二、湿物料的水分蒸发量W[kg水/h]通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变的，又因为湿物料中蒸发出的水分被空气带走，故湿物料中水分的减少量等于湿物料中水分汽化量等于湿空气中水分增加量。即：1211221221()[][()]cGGGwGwGXXWLHH水分汽化量＝湿物料中水分减少量＝湿空气中水分增加量（8-39）三、绝干空气用量L[kg干气/h])(12HHLW12HHWL211LlWHH令[kg干气/kg水]l称为比空气用量，即每汽化1kg的水所需干空气的量。（单位空气消耗量）（8-40）（8-41）021211HHHHl因为空气在预热器中为等湿加热，所以H0＝H1；因此l只与空气的初、终湿度有关，而与路径无关，是状态函数。（8-42）四、湿空气参数1、湿空气用量：)1(0'HLL)1(0'Hllkg湿气/hkg湿气/kg水（8-43）（8-44）sHVLV'sHVlV2、湿空气体积：m3湿气/hm3湿气/kg水（8-45）（8-46）VH——压力P、温度t下湿空气比容。[m3湿气/kg干气]3.湿空气密度：''0'ssH1HLlVVV[kg湿气/m3湿气]（8-47）例、用干燥器对某盐类结晶进行干燥，一昼夜将10吨湿物料，由最初湿含量10%干燥到最终湿含量1%（以上均为湿基），经预热器后的空气的温度为373K，相对湿度为5%，空气离开干燥器时的温度为338K，相对湿度为25%，且已知进预热器前空气温度为293K。当338K时，水的饱和蒸气压为101.3kPa。试求：（1）产品的质量流率kg·h-1；（2）如干燥器的截面为园形，假设热空气在干燥器的线速度为0.4，m·s-1干燥器的直径。如图所示：解：)1()1(1122wGwG（1）121128.378)01.01()1.01(2410011hkgwwGG（2）思考路线2112'0.785'()()HcVDuVLVLHHGXX1111110.6220.05101.30.622101.30.05101.30.0327pHPpkgkg－干空气p1即为373K或100℃时水的饱和蒸气压，应为1大气压，即101.3kPa。0409.099.2425.03.10199.2425.0622.02H111.010.0110.01111wwX0101.001.0101.01222wwX221(1)378.8(10.01)374.2cGGwkgh12211()374.2(0.1110.0101)0.04090.03274609cGXXLHHkgh干空气湿空气比容，按进入干燥器的空气状态计算，即T1、H1。11131(0.7731.244)273373(0.7731.2440.0327)2731.112HTVHmkg湿空气流量为：13131'46091.11251251.42HVLVmhms干燥器直径：muVD13.24.0785.042.1785.0'8.3.3干燥过程的热量衡算通过干燥器的热量衡算，可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率的依据。湿物料Gc,X1,1,I’1干燥产品Gc,X2,2,I’2热气体L,H1,t1,I1湿废气体L,H2,t2,I2湿气体L,H0,t0,I0QpQdQl预热器干燥器图8-11干燥器热量衡算一、流程图符号说明：θ1、θ2——分别为湿物料进入和离开干燥器时的温度；温度为t0，湿度为H0，焓为I0的新鲜空气，经加热后的状态为t1、H1、I1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t2、H2、I2，固体物料进、出干燥器的流量为G1、G2，温度为θ1、θ2，含水量为X1、X2。通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量Qp，干燥器内加入热量Qd。外加总热量Q＝Qp＋Qd。将Q折合为汽化1kg水分所需热量DpDPqqWQQWQq（8-48）二、预热器热量衡算（8-49）若忽略热损失，以1[s]为基准，对上图预热器列焓衡算：10LIQLIP故单位时间内预热器消耗的热量为：10PQLII（8-50）三、干燥器的热量衡算对上图干燥器列焓衡算，以1[s]为基准，得：物料基准：绝干物料（入方、出方Gc不变）''1122入方:出方cDcLLIGIQLIGIQQL——为热损失（8-51）故单位时间内向干燥器补充的热量为：''2121DcLQLIIGIIQ（8-52）联立式（8-50）和（8-52）得：''2021PDcLQQQLIIGIIQ式（8-50）、（8-52）、（8-53）为连续干燥系统中热量衡算的基本方程式。（8-53）2020220024902490HHLIILctHctH02201.882490HWtLctt200220202490HHHLcctHHctt0202201.882490HLHHtLctt（8-54）而：式中：1.011.88HgVCCHCH()2490(1.011.88)2490gVgVIIHICHCtHHtH新鲜空气L（湿度为H0）被加热至t2所需的热量：020(1.011.88)()LHtt原湿物料12GGWG2从θ1被加热至θ2后离开干燥器，所耗热量为：2221()mGC水分W由液态温度θ1被加热并汽化，在温度t2下以气态形式离开干燥器所需热量为：2124901.884.187WtHCHCCCswsm187.4（8-55）Cm——湿物料的比热容，kJ/kg绝干料℃；式中：湿物料的比热容可用加和法求算；Cs——绝干物料的比热容，kJ/kg绝干料℃；Cw——水分的比热容，kJ/kg水分℃；2''2121121()()ccmmmcGIIGCCCG（8-56）将（8-54）、（8-56）代入（8-53）得：0202121(1.011.88)()()24901.884.187PDcmLQQQLHttGCWtQ（8-57）若忽略空气中水气进出干燥系统的焓的变化L1.88H0（t2-t0）和湿物料中水分代入干燥系统的焓（W4.187θ1），则（8-57）变为：2022121.01()()1224901.88（）（）（3）（4）PDcmLQQQLttGCWtQ（8-58）上式表明：干燥系统的总热量消耗于：（1）加热空气；（3）蒸发水分；（2）加热湿物料；（4）损失于周围环境中（设备热损失）；热效率高，表明热的利用程度好，操作费用低，同时可合理利用能源，使产品成本降低。干燥器的热效率是干燥器操作性能的一个重要指标。因此，在操作过程中，希望获得尽可能高的热效率。四、干燥设备的热效率1、热效率100%QQV蒸发水分所需的热量输入干燥设备的总热量（8-59）式中：QV——蒸发水分所需要的热量；Q——总耗热；2124901.884.187QWtWV若忽略湿物料中水分代入的焓，上式变为：224901.88QWtV则224901.88100%WtQ（8-60）2、提高热效率途径。；22Ht22wwtttHH但，传热推动力（），传质推动力（）1）当t0，t1一定时，t2要比热空气进入干燥器时的湿球温度tw高2050℃。因此在设计时规定：2）当t0，t2一定时，1t。不能经受高温的材料，采用中间加热的方式，即在干燥器内设置一个或多个中间加热器，往往可提高热效率。提高空气的预热温度，可提高热效率。空气预热温度高，单位质量干空气携带的热量多，干燥过程所需要的空气量少，废气带走的热量相应减少，故热效率得以提高。但是，空气的预热温度应以湿物料不致在高温下受热破坏为限。3）回收废气中热量4）加强管道保温，减少热损失尽量利用废气中的热量，如用废气预热冷空气或湿物料，或将废气循环使用，有助于热效率的提高。减少设备和管道的热损失，同样有助于热效率的提高。8.3.4空气出口状态的确定由于空气在干燥器内发生增湿降温变化过程，如何确定废气出口状态，需对不同干燥过程进行分析。一、等焓干燥过程（绝热干燥过程或理想干燥过程）等焓干燥过程是指干燥在绝热情况下进行的，空气进出干燥器的焓值不变。即：21II（8-61）QlG1,ω1,tM1L,H0H1,t1t0,I0I1H2,t2,I2预热器干燥室QdQPG2,ω2,tM2图8-12干燥流程图过程分析：11221122MMDMMLLIGctQLIGctQ112212MMDMMLGctQGctQ若通常QD=0、QL=0、物料带进、带出的热量均可忽略不计，21II则：（8-61）式（8-61）说明：空气通过干燥器时焓恒定，即等焓过程；实际操作中很难实现等焓过程，故这个过程又称理想等焓过程。图8-13等焓过程IHBCAI0I1=I2H0=H1H2t0t1t2φ2φ1φ0φ=1理想干燥过程（又称等焓干燥过程）101210100%100%HPHLcttQQLctt汽化理想%1000121tttt理想（8-62）等焓干燥过程有以下两种情况：A、整个干燥过程无热损失、湿物料不升温、干燥器不补充热量、湿物料中汽化水分带入的热量很少。B、干燥过程中湿物料中水分带入的热量及补充的热量刚好与热损失及升温物料所需的热量相抵消。二、实际干燥过程（非绝热过程）很显然，只有在保温良好的干燥器和湿物料进出