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农产品干燥过程中扩散系数理论计算

时间:?2018-06-04 14:03??来源:?未知 ??编辑:?chinagzsb ??点击: ?

  由于固体物料的不均匀结构和扩散成分的影响,干燥时物料内的蒸汽和液体的扩散运动情况复杂。式(2-9)用于计算均质多孔介质的扩散系数(D):

  D=( E / T2 ) DA (2-9)

  式中E——孔隙率

  t——毛细管弯曲度

  &一物料收缩率

  Da一在物料没有孔隙情况下的蒸汽扩散率式(2-9)形式简单,除了验证孔隙模型外,不具有实际效用,这些参数(E.T.&)由系统确定,可合理地说明固体物料内部结构对水分扩散的影响。

  由于农产品的多孔特性,其有效扩散率与其物理特性有关,如体密度、蒸汽空间渗透率、水分活度、水蒸气压力、热传导率、吸附热和温度等,通过构建经验模型,可计算农产品等多孔物料的有效扩散率。

  3、热导率

  热导率是表征物料的热传导能力的特性参数。对于均质物料,可应用傅立叶定律定义其热导率:

  aT/ at = (k/pc)△²T (2-10)

  式中k——热导率,W/[m.K)

  p——密度,kg/m3

  cp一物料的比热容,KJ/(kg.K)

  T一温度,K

  t——时问,S

  k/pcp一热扩散率

  如果干燥过程属于内控过程,可以应用式(2-10)计算热导率。

  表2-6给出一些农产品物料在不同温度下的热导宰。

一些物料的有效热导率

  影响热导率的因素均质物料的热导率主要受温度和成分的影响,可运用一阶和多阶多项式函数来描述温度的影响,也可通过经验方程进行计算获得。

  对于非均质物料,使用结构模型时,必须考虑几何形状的影响。Luikov等人曾提出用单位晶格代表物料结构模型,计算粉末状和固体孔隙物料的有效热导率,构建了多种结构模型,其中一些有代表性模型列于表2-7中。垂直模型是假设在两个阶段的交替层中,热量是垂直传导的,而平行模型则假设两个阶段是平行进行热传导的。在混合模型中,假没热传导是在平行和垂直热量流相结合下发生的。在随机模型中,假设两个阶段是自由混合的。麦克斯韦模型假设一个阶段晶格是连续的分布,而另一个阶段的晶格是离散分布的。

  使用这些模型可计算出多孔物料的热导率(除有效介质理论模型外),如图2-12所示,平行模型给出了最大的热导率值,而垂直模型给出的値最小,其它模型预测的健在二者之间。对于农产品及食品等物料,可选择适合的结构模型,计算热导率。

  如在淀粉的挤压过程中,可以把粒状淀粉看作由漫颗粒和在粒间孔隙中的空气/蒸汽组成的混合物,淀粉颗粒也是由干淀粉和水两部分组成。在不同温度下的干淀粉热导率可由实验浦定。粒状淀

  粉的热导率由各个组成部分(干淀粉、水、空气和蒸汽)的热导率组成,是温度的函数。平行模型对块状淀粉和淀粉颗粒最适用。

有效热导率
  4、相间传热系数和传质系数

  假设在干燥期间,作为干燥介质的气体与固体表面充分接触,形成相对静止层,那么相间传热系数与该层内气体的热传递有关,可由牛顿定律的式(2-11)中的计算比例系数求得

  Q-hHA{TA-T) (2-1 1)

  式中hH——物料与空气界面间的表面传热系数,kw/(m²·K)

  Q——热传递量,kw

  A——有效表面积,mz

  T——界面间的固体温度,K

  TA——空气总体温度,K

  用同样方法定义表面传质系数,如式口一12)所示

  J-HmA (Xa-Xas) (2-12)

  式中M——物料与空气界面间的表面传质系数,kg/(M².s)

  J一质量传递率,kg/s

  A——有效表面积,m²

结构模型中的几何形状
 

  Xas、Xa一固体界面和介质的空气湿度,kg/kg当热传递和质量传递的毕奥数(Bih;Bim)小于0.1时(毕奥数是指物体内部导热热阻与物体外部对流热阻比值),干燥过程属于外控现象,可以使用式(2-11)和式(2-12)定义相间传热系数和传质系数。

  体积传热系数和体积传质系数经常被用来替代表面传热系数和表面传质系数,式(2-13)和式(2-14)给出了定义:

  Hvh=ahh (2-13)

  Hvm=ahm (2-14)

  式中Hvm、Hvh一物料与空气界面间的表面体积传质系数

  a一比表面系数,定义如下:

  a=A / V (2-15)

  式中A——有效表面积,m²

  V——物料的总体积,m3

  影响传热系数和传质系数的因素

计算器系数和传质系数的方程
 
用无量钢数表示传热系数和传质系数
 
 
  传热系数和传质系数都受空气的热特性和流动特性以及系统的几何形状影响,表2-8中归纳了干燥过程中常用的传热系数和传质系数方程。表2-8中的方程I~5是常用米计算简单几何形状的传热系数和传质系数的方程(填充床,平板)。对于喷雾干燥机,表2-8中的方程13和方程14是计算传热系数和传质系数的两种通用方程。通过类似于Sh-Nu的方程可计算出传质系数。

  在喷动床中,由于气体动力学条件的不同,层流特性复杂,没有通用方法研究热传递和质量传递过程,但仍然可以使用表2-8的方程15和方程16描述喷动床十燥过程。

  使用表2-8中的方程计算传热系数和传质系数,图2-13和图2-14描述的是二者与气流速度的关系曲线。从这些曲线中,可以大致计算出不同干燥机的传热系数和传质系数,该值与干燥介质和物料条件有关。

  表2-9是用无量纲数群表示的传热系数和传质系数的经验方程。

  振动可以増强颗粒和气体间的热传递和质量传递过程。在有振动的情况下,物料传热系数hH,和传质系数hM!如下式所示

  Hh=Hh(Af/ua)(2-16)

  hM=hM (Af/Ua) aoe (2-17)

  式中uA——气体速度,m/s

  A——振幅lm

  f——振动频率,Hz
 

(责任编辑:chinagzsb)
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