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刖S多孔介质对流干燥过程是个由外部传热传质过程和内部热湿迁移过程相互影响相互制约的耦合过程,外部传热传质能力的强弱将直接影响干燥速度的快慢。为此,许多学者进行了研究,得到了些可供工程设计使用的结果31但是,早期的研究都认为物料外部水蒸汽的扩散过程驱动势为水蒸汽质量浓度梯度或者分压力梯度,如果这样的话,会得出些令人困惑甚至与热力学原理相悖时,按照0和,121的计算,结果发现,在汽液界面处,空气的扩散过程将沿化学势,高的方向进行,这与热力学原理是相违背的4.因此,本文拟从非平衡热力学理论出发,以广义热力学力作为传质过程驱动势,建立描述多孔介质恒速干燥阶段外部对流传热传质过程的非平衡热力学理论模型,并进行数值计算,同时,还将计算结果与传统的理论进行比较,以揭外部对流传热传质过程的物理本质。
基金项目国家自然科学基金资助项目3.595760,3热能利用与节能技术循环流化床及干燥技术等方面的研究。
2热力学理论模型2.1物理模型物理过程分析时假定外部干燥条件恒定;动量热量和质量的传递过程都为稳态过程;干燥介质为由过热水蒸汽和子空气组成的理想混合气体,且总压力为个大气压;含湿多孔物料只接受干燥介质的对流换热;物料面温度为干燥介质湿球温度,= 2.2控制方程在含湿多孔物料面附近,水份的汽化而产生温度和各组份传质势以了在介质流动横向上的梯度比其在流动方向上的梯度大的多,此时,边界层理论成立,其控制方程为气系统可按下式计算1451边界条件界面上元混合物系的径向速度,可由界面质量平衡条件确定在水蒸汽质量传递方程中,似;与7并非都是独立变量,它们通过水蒸汽分压力圹相互关联,其关系式为2.3相似性方程由于外部条件恒定,壁面温度不变,定存在。其相似性方程为故相似解流区中的值之比。
边界条件界面上的质量平衡式可变为2.4计算方法采用打靶法求解,即先将边值问化为初值问阶1叫6尺,法积分求解,具体过程可参文3计算结果分析与讨论3.1计算结果的检验为便于比较,定义面水分蒸发速率为4,可认为是绝干空气计算结果与Haj1等的实验结果的比较,显然两者吻合较好;3给出了本文计算结果与,等的计算结果的比较,当干燥介质温度较低时,两者吻合较好,而当温度较高时。=500.0,与本文计算结果相比界等的计算结果偏,产生这种现象的主要原因是0等3.2与传统理论的比较对于多孔介质对流干燥时外部水蒸汽空气系统的传热传质过程,传统的理论认为,热量传递过程的驱动势为温度梯度,水蒸汽质量传递过程的驱动势为其分压力梯度或质量分数梯度,据此,得到了系列的研究成果。下面将本文的计算结果与传统的对流传热传质理论进行比较。
多孔介质对流干燥外部传热传质过程的热力学理论同样认为热量传递过程的驱动势为温度梯度质量传递的驱动势为其传质势梯度久,乃,即广义热力学力,因此,两种理论的本质区别在于对质量传递过程的驱动势的认识不同,故这里仅比较与传质过程有关的因素,如边界层内分数7.分布的部分计算结果,对于水蒸汽而言,其质量分数为爪边界层内的温度梯度对传质驱动势的影响。
质势71分布的部分计算结果。由可,3.
在壁面附近,由热力学理论计算出的传质势梯度比按照传统理论计算出的传质势梯度大;当干燥介质湿度较低时,两种理论的计算结果差异较大,此时按照传统的传热传质理论计算出的传质势分布似乎偏离了边界层的特性,而当干燥介质湿度较时,两种理论的计算结果差异较小干燥介质温度对两种理论的计算结果差异影响较小4.6给出了典型干燥工况下边界层内空气传质势财=了分布的部分计算结果,然,按照传统的理论计算出对流项总是沿正方向进行,凶此,其空气的扩散必沿的反方向进,即沿着传质势乃,高的方向进行,然,这与热力学原理是相违背的。按照热力学理论的计算结果,空气的传质势从壁面处开始沿2方向将先升达到某极值后再下降。
4结论建立了描述多孔介质恒速子燥阶段外部对流传热传质过程的非平衡热力学理论模型,并进行了数值计算,水分蒸发速率的计算结果与已有的实验数据吻合较好;同时,分析还明,非平衡热力学理论能合理解释边界层内水蒸汽和空气的扩散过程,因而,更能反映过程的物理本质。
林瑞泰。多孔介质传热传质引论。北京科学出版社,1995.
李友荣。多孔介质对流干燥过程的热力学理论博士学位论文。,庆甫庆大学热能丁程学院,1999