干燥速率曲线的测定

一. 实验目的

1.掌握恒定干燥条件下物料干燥曲线和干燥速率曲线的测定方法。

2.了解湿物料的临界含水量XC，恒速阶段传质系数KH、对流传热系数α的测定方法。

3.熟悉洞道式循环干燥器的基本流程、工作原理和操作方法。

二. 实验原理

    采用具有恒定温度t、湿度H的热空气作为干燥介质与含水湿物料进行接触，物料中的水分向介质中转移，完成干燥。物料含水的性质决定干燥经历预热以及恒速干燥和降速干燥阶段。完整的干燥过程中，物料含水率、物料温度以及干燥速率的变化如下图所示：

图中，U 表示干燥速率，其定义为：

干燥曲线中 a~b 段为预热段，出现在干燥开始，持续时间较短，该阶段物料温度迅速升到空气的湿球温度 t w ；在随后的 b~c 段中，物料温度维持在 t w，在温差 t ? t w 作用下空气将热量传递给物料而使物料所含非结合水汽化，水气在物料表面饱和湿度 H w与空气湿度之差 H w  ? H 作用下扩散到空气中被带走。此阶段干燥速率恒定；在物料中的非结合水被祛除之后，干燥进入图中 c~d 所示的降速段，以祛除物料中的结合水为主，干燥速率受到水分从物料内部扩散到物料表面的扩散速率控制，且随干燥进行不断下降，物料温度亦不断上升。恒速段与降速段的交界点 c 所对应的含水量称为临界含水量，以 X c表示。若干燥持续进行，最终达到物料与空气的平衡，物料含水率为平衡含水率。物料的种类、含水性质、料层厚度和颗粒大小，热空气温度、湿度、流速，空气与固体物料间的相对运动方式等都是影响干燥速率的因素，采用理论计算确定干燥速率十分困难，因此干燥速率大多采用实验测定的方法。

三. 实验内容

1.测定恒定干燥条件下干燥曲线和干燥速率曲线，湿物料的临界含水量。

2.测定恒速干燥阶段空气与物料间的对流传热系数。

四.实验装置与流程

（1）实验装置流程图

1―鼓风机

2―孔板流量计

3―压力变送器

4―加热器

5―重量传感器

6―显示仪

7.8―干、湿球温度计

9、10―调节阀

11―观察窗

（2） 流程简介

参照图3-7，鼓风机1将新鲜空气送入系统，经电加热器2加热后经孔板流量计计量流量后进入洞道与湿物料接触，部分热空气经阀9返回循环使用，部分经阀10放空。湿物料重量由传感器5测得。

（3） 设备主要技术参数

1 鼓风机：BYF7122,370W；

2 电加热器：额定功率4.5KW；

3 干燥室：180mm×180mm×1250mm；

4 干燥物料：湿毛毡或湿砂；

5 称重传感器：CZ500型，0～300g

五. 实验方法及步骤

1．打开实验装置的进气阀门和排气阀门，放空阀10全开，循环阀门9可适当开启或不开。

2．打开仪表电源和风机开关，用空气流量调节阀调整空气流量，建议流量在 140~150m3/h左右。

3．打开加热开关，在控制面板上设置加热温度为80℃。

4．观察湿球温度计和干球温度计，当温度基本稳定后，从水中取出试样，试样控水至无水珠滴下， 将支架从干燥洞道内取出，插入试样，将支架连同试样平行放入干燥洞道中，并安插在其支撑杆 上，注意支架不要触壁。合上观察窗，尽快启动秒表开始计时。建议每隔 30s 记录一次数据，后 期重量降低较慢时，可每隔 60s 记录一次数据，直到重量不变并维持 5 分钟以上为止。

六. 实验注意事项

1．实验测试中要注意不能有水滴从试样上滴下。

2．为了设备的安全，要先开风机，后开加热器，否则电阻丝容易过热烧断。停止时关闭加热器后应 待加热部分冷却后再关风机。

3．特别注意传感器的负荷量仅为 300 克，放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，以免损坏称重 传感器。

4.实验过程中，不要拍打、碰扣装置面板，以免引起料盘晃动，影响结果。

七、实验数据记录、处理及结果分析

1、 干燥曲线及干燥速率曲线的绘制

实验中，物料的质量随着时间的变化记录如下：

实验中各参数记录如下：

数据处理如下：

已知干基物料含水率X由以下公式可得

则第m+1组的干燥速率为

现知，θ=60s，物料干燥面积A=0.01m²，绝干物料的质量为Gc=59.6g ，计算X即可。

以时间为横坐标，以干基含水率为纵坐标可以做干燥曲线如下：

通过拟合物料干基含水率—干燥速率图，如下：

实验图分析：

         通过干燥曲线图可以看出：在恒定的干燥条件下，随时间的增加，物料的干基含水率会不断的下降。干燥速率大致可分为三个阶段：第一个阶段为预热段，在干燥开始时，持续的时间非常短，该阶段物料的温度会迅速上升到空气的湿球温度t_w。第二个阶段，干燥速率不变，是恒速干燥的阶段，空气会将热量传递给物料而使物料所含非结合水汽化，水气在物料表面饱和湿度H_w与空气湿度之差H_w—H作用下扩散到空气中被带走。第三个阶段，干燥速率会逐步降低，以祛除物料中的结合水为主，这时干燥速率受到水分从物料内部扩散到物料表面的扩散速率控制，且随干燥进行不断下降，物料温度亦不断上升。

恒速干燥段空气与物料间的对流传热系数

通过干燥速率曲线可得到恒速段与降速段的交界点c为(0.119128，1.166667)，即临界含水量为 Xc=0.119128 。

同时可以算得此点处的干燥速率为：U_c=1.166667ｘ10^-3kg/(m²?s)

已知湿球温度t_w=45.0℃，干球温度t=70.0℃

由内插法可求得在t=t_w=45.0℃下的汽化热 r_w=2389.6KJ/kg

根据以下公式，可以计算对流传热系数：

            

由上面两个公式可以得到：

八、思考题

1、何为恒定干燥条件，如何实现恒定干燥条件？

答：恒定干燥条件：在干燥的过程中，干燥环境的温度、湿度以及空气的流速均保持恒定不变，使得物料在一个始终没有变化的化境中得到干燥。

实现的方式：采用调节管路调节阀，使通入的空气量变大，以保证干球和湿球温度始终处于稳定的状态。

2、 实验中若加大循环气体使用量，会引起什么结果？

答：加大循环气体的使用量，会导致干燥速率增大，干燥时间变短。同时，也会使临界湿含量也增大。

3、 干燥速率的变化分为什么不同的阶段，各阶段影响干燥速率的主要因素是什么？

答：干燥速率的变化可以分为恒速阶段和降速阶段。在恒速阶段，主要是非结合水的干燥，影响干燥速率的主要因素是水在表面气化的速度。在降速阶段，主要是结合水的干燥，过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。

九、实验心得

   通过这次实验，巩固了以前所学习过的化工原理知识，同时挺高了自己的实验技巧。了解了如何通过实验测量干燥速率曲线，掌握了完整的方法。通过实践提升了以前的理论基础，对日后的学习和发展有了很大的帮助。

第二篇：干燥曲线与干燥速率曲线的测定

干燥曲线与干燥速率曲线的测定

一、            实验目的及任务

1、了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。

2、学习测定物料在守恒干燥条件下干燥特性的试验方法。

3、掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界水含量、平衡含水量的实验分析方法

4、学习恒速干燥阶段干燥条件对于干燥过程特性的影响；加加深对物料临界含水量Xc的概念及其影响因素的理解。

5、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。

6、学习用误差分析方法对实验结果进行误差估算。

二、            基本原理

当湿物料与干燥介质接触时，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，干燥过程可以分为两个阶段。

第一阶段为恒速干燥阶段。干燥速率为物料表面上的水分的汽化速率控制，故此阶段也称为表面汽化控制阶段。在此阶段，干燥介质传给物料的热量全用于水分的汽化，物料表面的温度也保持恒定，物料表面的水蒸气分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。

第二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汽化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。故此阶段也称内部迁移控制阶段。随物料湿含量减少，物料内部的水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降。

恒速段干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：固体物料种类及性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间相对运动方式。

本实验恒定干燥条件下对工业呢物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速干燥段速率和临界含水量的测定方法和影响因素。

1、干燥速率的测定 U=dW/(Adτ)≈ΔW/(AΔτ)

2、物料干基含水量 X=(G- G_c)/G_c

3、恒速干燥阶段，物体表面与空气之间的对流传热系数的测定 U_c= dW/(Adτ)=dQ/(r_twAdτ)= α(t-t_w)/ r_tw   α= U_c·r_tw/(t-t_w)

4、干燥器内空气实际体积流量的计算 V_to=C₀×A₀×Ö2×ΔP/ρ   A=π·d²/4

三、            实验装置与流程

1、实验装置

       C01、风机   E01、加热器    M01、洞道干燥器    V01、蓄水瓶

                洞道干燥实验流程示意图

2、装置流程

将润湿的工业呢，悬挂于干燥室内的料盘，干燥室其侧面与底面均外包绝热材料，防止导热影响。空气由鼓风机送入电加热器，经加热的空气流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由重量传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来。

四、            实验步骤与注意事项

1、实验步骤

1)        将干燥物料放入水中浸湿。

2)        向湿球温度计的附加蓄水瓶内，补加适量的水。

3)        调节送风机吸入口的蝶阀到全开的位置后开启动风机。

4)        废气排出阀和废气循环阀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温度。

5)        在空气温度、流量稳定的情况下，用重量传感器测定支架重量并记录。

6)        把充分浸湿的干燥物料固定在重量传感器上并与气流平行放置。

7)        在稳定条件下，记录干燥时间每隔两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。

8)        改变空气流量与温度，重复上述实验。

9)        关闭加热电源，待干球温度降至常温时关闭风机电源和总电源。

10)    实验完毕，一切复原。

2、注意事项

1)        干燥器内必须有空气流过才能加热，防防止干烧损坏加热器，出现事故。

2)        干燥物料必须充分浸湿，但不能有水滴自由滴下，否则影响实验数据的正确性。

3)        实验中不要改变智能仪表的设置。

五、            实验数据记录与处理

     干燥实验装置实验原始及整理实验数据表

30HZ时的干燥实验数据

空气孔板流量计压差  0.41Kpa      流量计处得空气温度t₀25.7^oC

干球温度t  70.4^oC    湿球温度t_w65.6 ^oC      框架质量G_D  115.8 g

绝干物料量G_c22.8 g  干燥面积A 0.024992 m²   洞道截面积0.0221 m²

 

计算实例：

以第一组数据为例

1．计算干基含水量X=（总重量G-框架重量G_D-绝干物料量G_C）/绝干物料量G_C

=(170.7-115.8-22.8)/22.8=1.4079（kg/kg）

2．计算平均含水量 X_AV=两次记录之间的平均含水量=(1.4079+1.3333)/2

=1.3706（kg水/kg绝干物料）

3．计算干燥速率U=-（绝干物料量GC/干燥面积S）*（△X/△T）

=-(22.8*0.001*(1.3333-1.4079)/(0.024992*3*60))

=0.00037790   [kg/（s·m²）]

4．绘制干燥曲线（X—T曲线）和干燥速率曲线（U—X_AV曲线）

5. 恒定干燥速率：U=0.00026675  Kg/(s*m²）

   临界含水量：    0.3772*22.8=8.6g

   平衡含水量： 1.0789*22.8=24.6g

6、计算恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数α[W/m²℃]  

Uc—恒速干燥阶段的干燥速率，kg/（m2?s）=0.0002668

t=70.4℃   tw=65.6℃

γtw—tw℃下水的气化热，kJ/ kg。查表P351, tw=65.6℃ .查表得,γtw=2600 kJ/ kg

α=2.668*0.0001*2600*1000/(70.4-65.6)=144.5 W/(m2* ℃)

50HZ时的干燥实验数据

空气孔板流量计压差  0.41Kpa      流量计处得空气温度t₀25.7^oC

干球温度t  70.4^oC    湿球温度t_w65.6 ^oC      框架质量G_D  117.5g

绝干物料量G_c21.3 g  干燥面积A 0.024992 m²   洞道截面积0.0221 m²

 

六、            思考题

1、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？

答：温度越高，空气流量越小，，恒定干燥速率越高，临界含水量也越大。

2、恒定干燥条件是指哪些条件要恒定，完成本实难要测取哪些数据？

答：指空气的温度、湿度、速度和与物料的接触状况都不变。本实实验要测相同时间间隔物料的重量变化、干燥速率、干球温度、湿球温度、干燥面积、框架重量。

3、如果气速温度不同时，干燥速率曲线有什么变化？

答：如果气速温度增大，恒定干燥速率也增高，Xc变大，干燥将愈早由恒速转入降速阶段，图形总趋势不变，BC段时间变短，CD段时间变长。