2005.04
干燥特性曲线测定实验
一、实验目的
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. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法，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、临界含水量、平衡含水量的实验分析方法。
3. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。
二、基本原理
在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定。
按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度、与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。
1. 干燥速率的定义
干燥速率的定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量。即
(10－1)
式中，
－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；
－干燥表面积，m2；
－汽化的湿分量，kg；
－干燥时间，s；
－绝干物料的质量，kg；
－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示随干燥时间的增加而减少。
2. 干燥速率的测定方法
将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，随着干燥时间的延长，水分不断汽化，湿物料质量减少。若记录物料不同时间下质量
，直到物料质量不变为止，也就是物料在该条件下达到干燥极限为止，此时留在物料中的水分就是平衡水分*。再将物料烘干后称重得到绝干物料重，则物料中瞬间含水率为
（10－2）
计算出每一时刻的瞬间含水率，然后将对干燥时间作图，如图10－1，即为干燥曲线。
图10－1恒定干燥条件下的干燥曲线
上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同下的斜率
，再由式（10－1）计算得到干燥速率，将对作图，就是干燥速率曲线，如图10－2所示。
图10－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线
3. 干燥过程分析
预热段 见图10－1、10－2中的AB段或AB’段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度tW,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。
恒速干燥阶段 见图10－1、10－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图10－2中，BC段为水平线。
只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总有恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。
降速干燥阶段 随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动力也仍为湿度差，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界含水率，用
表示，对应图10－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。
干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。
降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。
与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。
三、实验装置
1．装置流程
本装置流程如图10-3所示。空气由鼓风机送入电加热器，经加热后流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。
图10-3干燥装置流程图
1－风机； 2－管道； 3－进风口； 4－加热器； 5－厢式干燥器； 6－气流均布器； 7－称重传感器； 8－湿毛毡； 9－玻璃视镜门； 10，11，12－蝶阀
2．主要设备及仪器
（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：CZ300型，0～300g。
四、实验步骤与注意事项
1．实验步骤
（1）放置托盘，开启总电源，开启风机电源。
（2）打开仪表电源开关，加热器通电加热，旋转加热按钮至适当加热电压（根据实验室温和实验讲解时间长短）。在U型湿漏斗中加入一定水量，并关注干球温度，干燥室温度（干球温度）要求达到恒定温度（例如70℃）。
（3）将毛毡加入一定量的水并使其润湿均匀，注意水量不能过多或过少。
（4）当干燥室温度恒定在70℃时, 将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛毡时应特别注意不能用力下压，因称重传感器的测量上限仅为300克，用力过大容易损坏称重传感器。
（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。
（6）待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下毛毡。
（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。
2. 注意事项
（1）必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏。
（2）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。
（3）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。
五、实验报告
1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；
2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线；
3. 读取物料的临界湿含量；
4. 对实验结果进行分析讨论。
六、思考题
1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？
2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？
3. 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？何判断实验已经结束？
4. 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？
第二篇：教案-洞道干燥
洞道干燥实验
一、 实验目的：
1. 了解常压干燥设备的构造，基本流程和操作；
2. 测定物料干燥速率曲线及传质系数；
3. 研究气流速度对恒定干燥速率的影响；（选作）
4. 研究气流温度对恒定干燥速率的影响。（选作）
二、 实验原理及说明：
1、干燥曲线
干燥曲线即物料的干基含水量x与干燥时间θ的关系曲线。它说明物料在干燥过程中，干基含水量随干燥时间的变化关系：
x=F(θ) （1）
典型的干燥曲线如图3-11所示。
实验过程中，在衡定的干燥条件下，测定物料总质量随时间的变化，直到物料的质量恒定为止。此时物料与空气间达到平衡状态，物料中所含水分即为该空气条件下的平衡水分。然后将物料的绝干质量，则物料的瞬间干基含水量为：
（Kg水/kg绝干物料） （2）
式中：W——物料的瞬间质量（kg）
WC——物料的绝干质量（kg）
将X对θ进行标绘，就得到如下图所示的干燥曲线。
图1、 干燥曲线和干燥速率曲线
干燥曲线的形状由物料性质和干燥条件决定。
2、干燥速率曲线
干燥速率曲线是指在单位时间内，单位干燥面积上气化的水分质量。
A——干燥面积（物料的表面积）（m2）
W——从被干燥物料中除去的水分质量（kg）
干燥面积和绝干物料的质量均可测得，为了方便起见，可近似用下式计算干燥速率：
[kg/m2s] 或 [g/m2s] （4）
本实验是通过测出每挥发一定量的水分（Δw）所需要的时间（Δθ）来实现测定干燥速率的。
影响干燥速率的因素很多，它与物料性质和干燥介质（空气）的情况有关。在干燥条件不变的情况下，对同类物料，当厚度和形状一定时，速率Na是物料干基含水量的函数。Na = f(X) （5）
3、传质系数(恒速干燥阶段)
干燥时在恒速干燥阶段，物料表面与空气之间的传热速率和传质速率可分别以下面两式表示：
（6）
（7）
——由空气传给物料的热量（KJ）
α——对流传热系数（Kw/m2℃）
t、tw——空气的干、湿球温度（℃）
KH——以湿度差为推动力的传质系数（kg/m2s△H）
H、Hw——与t、tw相对应的空气的湿度（kg/kg干空气）
当物料一定，干燥条件恒定时，α，KH的值也保持恒定。在恒速干燥阶段物料表面保持足够润湿，干燥速率由表面水分汽化速率所控制。若忽略以辐射及传导方式传递给物料的热量，则物料表面水分汽化所需要的潜热全部由空气以对流的方式供给，此时物料表面温度即空气的湿球温度tw,水分汽化所需热量等于空气传入的热量，即：
rw—tw时水的 汽化潜热（KJ/Kg） （8）
因此有：
即： 
（9）
（10）
对于水—空气干燥传质系统，当被测气流的温度不太高，流速＞5m/s时，上式（10）又可简化为：
（11）
KH的计算：
（1）查H、Hw ：
由干、湿球温度t、tw，根据湿焓图或计算出相应的H，Hw；
（2）计算流量计处的空气性质：
因为从流量计到干燥室虽然空气的温度、相对湿度发生变化，但其湿度未变。因此，我们可以利用干燥室处的H来计算流量计处的物性。已知测得孔板流量计前气温是tL，则：
流量计处湿空气的比体积：vH=(2.83×10-3+4.56×10-3H)(t+273) [kg水/m3干气]
流量计处湿空气的密度是：ρ=（1+H）/vH [kg/m3湿气]
（3）计算流量计处的质量流量m[kg/s]：
测得孔板流量计的压差计读数为ΔP [Pa]：
流量计的孔流速度：
[m/s] 本实验C0=0.74。
流量计处的质量流量：m=u0×A0×ρ [kg/s] A0为孔板孔面积
（4）干燥室的质量流速G[kg/m2s]：
虽然从流量计到干燥室空气的温度、相对湿度、压力、流速等均发生变化，但两个截面的湿度H和质量流量m却一样。因此，我们可以利用流量计处的m来计算干燥室处的质量流速G：
干燥室的质量流速为：G=m/A [kg/m2s] A为干燥室的横截面积
（5）传热系数α的计算：
干燥介质（空气）流过物料表面可以是平行的，也可以是垂直的，也可以是倾斜的。实践证明，只有空气平行物料表面流动时，其对流传热系数最大，干燥最快最经济。因此将干燥物料做成薄板状，其平行气流的干燥面最大，而在计算传热系数时，因为两个垂直面面积较小、传热系数也远远小于平行流动的传热系数，所以其两个横向面积的影响可忽略。
根据α经验式：对水-空气系统，当空气流动方向与物料表面平行，其质量流速G=0.68~8.14kg/m2s；t=45~150℃。
[kw/m2℃] （12）
（6）计算KH：
由（12）计算出α代入（11）式即可用式计算出传质系数KH。
三、实验装置
本装置由离心式风机送风，先经过一圆管经孔板流量计测风量，经电加热室加热后，进入方形风道，流入干燥室，再经方变圆管流入蝶阀可手动调节流量（本实验装置可由调节风机的频率来调节风量，实验时蝶阀处于全开状态），流入风机进口，形成循环风洞干燥。
为防止循环风的湿度增加，保证恒定的干燥条件，在风机进出口分别装有两个阀门，风机出口不断排放出废气，风气进口不断流入新鲜气，以保证循环风湿度不变。
为保证进入干燥室的风温恒定，保证恒定的干燥条件，电加热的二组电热丝采用自动控温，具体温度可人为设定。
本实验有三个计算温度，一是进干燥室的干球温度（为设定的仪表读数），二是进干燥室的湿球温度，三是流入流量计处用于计算风量的温度，其位置如图所示。
本装置管道系统均由不锈钢板加工，电加热和风道采用保温。
有关参数：
中压风机：全风压2KPa， 风量22m3/min ，750w
圆管内径：73.6 mm
方管尺寸：150×200 mm （宽×高）
孔板流量计：全不锈钢，环隙取压，孔径57.01mm，m=0.6 C0=0.74
电加热：二组2×1.5 Kw，自动控温
压差传感器：无锡梅园WMF—2000，0～5000 Pa
压差显示仪表：宇电501
热电阻传感器：Pt100
温度数显仪表：宇电501
温度控制器：宇电518
称重传感器：北京正开MCL—L ，0—1000g
称重显示仪表：北京正开MCK—ZS
干燥湿物料：羊毛毡，尺寸为130×80×10（长×宽×厚），绝干重21克
本实验消耗和自备设施：
电负荷：3+0.75Kw
四、实验步骤：
1、 将待干燥试样浸水，使试样含有适量水分约70克左右（不能滴水），以备干燥实验用。
2、 检查风机进出口放空阀应处于开启状态；往湿球温度计小杯中加水；
3、 检查电源连接，开启仪控柜总电源。启动风机开关，并调节阀门，使仪表达到预定的风速值，一般风速调节到600～900Pa；
4、 风速调好后，通过温控器仪表手动调节干燥介质的控制温度（一般在80—95℃之间）。开启加热开关，温控器开始自动控制电热丝的电流进行自动控温，逐渐达到设定温度。
5、 放置物料前调节称重显示仪表显示回零。
6、 状态稳定后（干、湿球温度不再变化），将试样放入干燥室架子上，等约2分种，开始读取物料重量（最好从整克数据开始记录），记录下试样质量每减少3克时所需时间，直至时间间隔超过6分钟左右时停止记录；
7、 取出被干燥的试样，先关闭加热开关。当干球温度降到60℃以下时，关闭风机的开关，关闭仪表上电开关。
友情提示
1、干球温度一般控制在80—95℃之间。
2、放物料时，手要用水淋湿以免烫手；放好物料时检查物料是否与风向平行。
注意事项
1、在总电源接通前，应检查相电是否正常，严禁缺相操作。
2、不要将湿球温度计内的湿棉纱弄脱落，调试好湿球温度后，最好不要让学生乱动。
3、所有仪表按键最好由老师提前设定或调节好，学生不要乱动。
4、开加热电压前必须开启风机，并且必须调节变频器有一定风量，关闭风机前必须先关闭电加热，且在温度降低到60℃以下时再停风机。本装置在设计时，加热开关在风机通电开关下游，只有开启风机开关才能开电加热，若关闭风机，则电加热也会关闭。虽然有这样的保护设计，但是我们还是希望用户在操作时按照说明书进行。
五、调试记录与计算示例
本实验在厂内经过调试数据见附页，现以第1组数据为计算示例：
1、干燥速率曲线
干基湿含量：
干燥速率：
式中：物料表面积A=2（0.13*0.08+0.08*0.01+0.13*0.01）=0.0250 m2
2、KH的计算：
（1）计算H、Hw ：
查得湿球温度tw下：水的饱和蒸汽压Ps= 7113 [Pa] 水的汽化潜热rw=2402 [KJ/Kg]
（2）计算流量计处的空气性质：
流量计处湿空气的比体积：
流量计处湿空气的密度是：ρ=（1+H）/vH =(1+0.02)/1.041=0.980 [kg/m3湿气]
（3）计算流量计处的质量流量m[kg/s]：
流量计的孔流速度：
式中：
流量计处的质量流量：m=q×ρ=0.08528×0.980=0.08357 [kg/s]
（4）干燥室的质量流速G[kg/m2s]：
干燥室的质量流速为：G=m/A=0.08357/0.03=2.786 [kg/m2s] A=0.15×0.2=0.03 m2
干燥室的流速为：u=q/A=0.08528/0.03=2.843 [kg/m2s]
（5）传热系数α的计算：
[kw/m2℃]
（6）计算KH：
3、实测恒速干燥阶段的传质系数
从干燥速率曲线图中可得恒速阶段的平均干燥速率：Na=0.72 [g/m2S]
实测传质系数为：
数据记录表格1：设备物料有关恒定数据
数据记录表格2：测量过程有关恒定数据
数据记录表格3：测量过程有关数据
实验报告要求：
绘制干燥速率曲线图，研究气流速度和气流温度与恒定干燥速率的关系（绘制成两条曲线），确定最佳干燥条件。
思考题：
1.影响干燥速率的因素有哪些？
2.干燥必要的条件是什么 ？
3.对流干燥过程的特点是什么？
4.空气的湿度是如何定义的
5.相对湿度是如何定义的？
6.湿球温度是指什么温度？跟什么有关？
7.湿空气的比容如何定义的？计算式是什么？
8.什么是临界含水量？它与那些因素有关？
9.干燥过程中，产生降速干燥的原因是什么？