含湿多孔介质的干燥特性(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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综上所述，水分在多孔介质内部的迁移既可能是液态传输，也可能是蒸汽传输，并且随着物料的种类、干燥方法与工艺及干燥过程的不同而各自表现出不同的作用，因此前述的液态扩散、毛细流动、蒸发冷凝等理论都不能完整地解释实际干燥中的湿分阶段迁移过程。目前还缺少满意的理论，无法建立通用的干燥过程传热传质模型，只能针结某一特定的干燥过程与被干燥物料，建立其传热传质模型并预测干燥过程的特征，以指导干燥工艺的设计，达到提高干燥过程能量利用率与干燥产品质量的目的。
3体积收缩特性
当干燥过程进入降速阶段时，蒸发过程开始深入到物料内部，主要发生在毛细管内水分的迁移，蒸发速度主要取决于蒸发面的位置和蒸发弯液面上水蒸汽的分压

定律[7，8]，在半径为

面上饱和蒸汽压

的关系为

上式表明，在降速干燥阶段，多孔湿物料中毛细管弯液面上蒸汽分压

成反比，毛细管半径

愈低，传质推动力愈小，水分蒸发速率愈慢，干燥过程愈难进行。当干燥过程进入降速阶段后，由于多孔物料的毛细管半径较小，毛细管中弯液面的形成将会使蒸发界面上蒸汽分压

下降，进而使毛细管壁的受力状况发生根本性的改变，如图1所示，此时有

即在蒸发弯液面两侧，由于表面张力

如果此毛细管内蒸发气相侧与相邻的充满空气和水蒸汽的大毛细管贯通，或者与此相邻的较大毛细管内水分已蒸发完全，则可近似认为此毛细管外侧压力也为

这样，在毛细管内液体段管壁两侧将承受一个较大的压差作用力

例如对于8nm的毛细孔来说，水的表面张力

此时将使产生的压力达到80MPa。这么大的压力，孔壁的强度是承受不了的，因必在此力的作用下，毛细管壁必然被压缩变形甚至坍塌，从而导致多孔介质组成颗粒的聚集，使得整个物料产生体积收缩。
体积收缩是多孔湿介质在干燥过程中的一个固有特性。由于第一降速阶段是弯液面的形成期，因此体积收缩较大；在第二降速阶段，蒸发过程均在物料内部进行，弯液面仍然存在，但在此阶段新的弯液面形成较少，因此体积收缩相较较小。
综上所述，在降速干燥阶段，多孔介质体积收缩率主要取决于孔隙率和毛细孔半径的大小以及固体间架（毛细管壁）的强度：毛细孔径愈小，固体间架强度愈低，体积收缩率愈大，反之亦然。
4 外部干燥条件对体积收缩率的影响
外部干燥条件如干燥介质的速率和温度等对含湿多孔介质在干燥过程中发生的体积收缩特性也有影响。
由于干燥介质的速度大小不影响固体间架强度及受力状况，因此干燥介质的速度对多孔物料在干燥过程中的体积收缩特性无影响。
随着干燥介质温度的升高，一方面将会使物料温度上升，作用于毛细管壁上的压差作用力增大，另一方面，物料温度的升高还会使固体间架的强度下降，因而将会使多孔物料在干燥过程中发生的体积收缩加剧。
5 结论
通过对干燥过程的机理分析，可以看出，在含湿多孔介质的干燥过程中，由于毛细孔内弯液面的形成而产生的作用于毛细管壁上的压差作用力将会使多孔介质在干燥过程中发生体积收缩。体积收缩率随干燥介质的温度升高而增大，但与干燥介质的流速无关。

参考文献
[1] 林瑞泰. 多孔介质传热传质引论[M]. 北京：科学出版社，1995
[2] 施明恒，余莉，刘雅琴. 快速干燥过程中多孔介质内部湿分迁移机理的研究[C]. 1999中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集
[3] 金国淼主编. 干燥设备设计[M]. 上海：上海科技出版社，1986
[4] Masters, K., Spray Drying Handbook[M], Co-published in the United States with John Wiley

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