浙大干燥特性曲线的测定(计算机远程控制干燥实验).doc
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实验报告
专业：
化学工程与工艺
姓名：
学号：
日期：
地点：
教十2203
课程名称：
过程工程原理实验指导老师：
杨国成成绩：
_________________
实验名称：
干燥特性曲线测定实验类型同组学生姓名：
一、实验目的（必填）二、实验仪器与装置（必填）
三、实验原理（必填）四、操作方法和实验步骤
五、数据记录和处理六、结果与分析（必填）
七、讨论与心得
一、实验目的
1、了解洞道式干燥装置的结构、流程和及其操作方法。
2、作出物料在恒定干燥条件下的干燥特性曲线（X~t，U~X），并求出临界含水量XC、平衡含水量X*及恒速阶段的干燥速度U恒速。
3、求出恒速阶段的传质系数KH和传热系数a。
4、改变气温或气速等操作条件，作出不同空气参数下的干燥特性曲线，同时求出各自的临界含水量、平衡含水量以及恒速阶段的干燥速度、传质系数和传热系数。
二、实验仪器与装置
实验装置如下图所示。
1——风机2——孔板流量计3——压差变送器4——电动调节阀5——加热器
6——温控系统7——湿球温度计8、10——干球温度计9——重量传感器11——干燥物料
图1干燥实验装置流程图
风机将空气送入预热室进行预热，冷空气经电加热器加热到T1温度后，进入干燥室将热能供给物料，然后直接排放入大气。
空气的流量由孔板流量计测量，孔板两端差压利用差压变送器测量，其中孔板的孔径为34mm,风管内径为68mm，干燥室截面积0.1*0.1m2，空气流量由电动调节阀经计算机在线控制调节。
系统内空气温度由铜-康铜热电偶测定，干燥室内空气入口及出口的干球温度由传感器8,10测量，温度传感器7测量干燥室出口的湿球温度。
空气进口温度T1采用计算机自动控制。
物料重量变化由重量传感器测量并由计算机检测显示。
三、实验原理
干燥是利用热量去湿的一种方法，它不仅涉及到气、固两相间的传热与传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料内部向表面传质的机理。
由于物料的含水性质和物料形状的差异，水分传递速率的大小差别很大，概括起来，它受到物料及其含水性质，干燥介质的性质、流速，干燥介质与湿物料接触方式等各种因素的影响。
目前对干燥机理的研究尚不够充分，干燥速度的数据还主要依靠实验。
若将湿物料置于一定的干燥条件下（即干燥介质空气的温度，湿度，速度以及与物料接触的方式均维持恒定）进行干燥实验，测定被干燥物料的重量随时间的变化关系，将数据加以整理可得物料的干燥曲线X-τ和干燥速率曲线U-X。
干燥过程中，根据其不同时期的特点，可分为两个阶段：
第一个阶段为恒速干燥阶段。
过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部水分能迅速地达到物料表面，因此干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制。
在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定，物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。
第二个阶段为降速干燥阶段。
当物料被干燥达到临界湿含量后，水分子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。
随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减小，故干燥速率不断下降。
临界湿含量Xc，即为恒速与降速阶段的转折点，临界湿含量对于干燥过程研究和干燥器的设计都是十分重要的。
1、干燥干燥特性曲线的求取
干燥速率的定义为单位时间、单位干燥面积所除去的湿分质量。
（1）
式中U ---干燥速率，kg/m2·s；
A---干燥面积，m2；
W---汽化的湿分量，kg；
Τ---干燥时间，s；
Gc---绝干物料的质量，kg；
X---物料干基湿含量，kg水/kg干料。
根据计算机和重量传感器测出的不同时刻物料重量与时间的关系曲线G~t，可得不同时刻物料的干基湿含量Xi：
（2）
式中：
Xi---物料干基含水量，kg水/kg绝干物料；
Gi---固体物料量（包括附件重），kg；
Gc---绝干物料量（包括附件重），kg。
按
（2）式可得τi时刻所对应的Xi值，据此即可作出干燥曲线X~τ，从X~τ曲线图中可找出，再在X~τ曲线上取代表性的点作图求出dX/dτ，再按
（1）式可计算出干燥速率Ui，然后绘出干燥速率曲线U~X，从U~X图中可以找出和。
2、恒速干燥阶段传质系数与传热系数的测定
根据传质速率方程，在恒速干燥阶段：
（3）
即 （4）
根据“汽化所需热量等于空气与湿物料间的对流传热量”这一热量衡算关系，即
（5）
于是
（6）
即
（7）
式中：
---恒速干燥阶段的干燥速率，kg/（m2.s）；
---恒速干燥阶段的传质系数，kg/（m2.s.△H）；
H---空气湿度，kg水/kg干空气；
---湿球温度tw下空气的饱和湿度，kg水/kg干空气；
---干燥器内的空气湿球温度，℃；
t---干燥器内的空气的干球温度，℃；
---湿球温度tw下的水的汽化潜热，J/kg。
在本实验中，测出物料湿与时间的关系，即可得X~τ，U~X曲线，进而求出,和，并最终求出恒速干燥阶段的传质系数和传热系数a。
四、操作步骤
1.打开计算机，运行干燥实验客户端程序，进入干燥实验操作控制界面。
2.点击电源开关和开始试验按钮，先启动风机，全开电动调节阀的开度，将风量调到最大，设置空气入口温度，待空气温度在计算机上显示为一条直线时，可采样进行稳定分析，当计算机判断为稳定后，可对物料进行加水浸湿，同时对湿球温度计进行加水，加水结束后，干燥即自动开始。
3.当干燥物料的重量不再明显减轻时，计算机会自动提醒实验者此燥条件下的干燥实验已结束，实验者可将此条件下的数据进行取点保存，一般取20-30个实验点。
4.保存实验数据，结束实验。
5.关闭加热电源，全开空气流量调节阀，待空气进口温度降至50℃以下后，依次关闭空气流量调节阀、风机电源和总电源。
6.实验完毕，实验装置恢复至原状。
五、数据记录和处理
1、实验参数
管道直径D：
0.068m，物料绝干重量GC：
11.769g，干燥面积A：
43.71cm2。
2、数据记录和处理表（为减少数据处理量，舍弃了部分干燥达到平衡后的数据）
表1、原始数据记录和处理表
时间/s
干燥物重量/g
干燥室出口湿球温度/℃
干燥室出口温度/℃
干燥室进口温度/℃
风机出口温度/℃
空气流量/（kg/s）
含水量Xi
0
16.058
16.303
59.284
71.023
9.642
0.069
0.364
60
15.737
18.483
59.6
71.337
9.642
0.068
0.337
120
15.641
20.097
60.021
71.337
9.737
0.068
0.329
180
15.417
21.146
60.232
71.442
9.831
0.069
0.310
240
15.096
21.792
60.232
71.337
9.926
0.068
0.283
300
14.936
22.357
60.021
71.128
9.926
0.068
0.269
360
14.615
22.599
59.81
70.71
10.02
0.068
0.242
420
14.455
22.76
59.705
70.396
9.926
0.069
0.228
480
14.134
22.922
59.705
70.396
10.02
0.069
0.201
540
14.038
23.083
59.705
70.291
10.02
0.069
0.193
600
13.782
23.164
59.81
70.291
10.02
0.069
0.171
660
13.622
23.325
60.021
70.5
10.02
0.068
0.157
720
13.397
23.406
60.126
70.605
10.02
0.068
0.138
780
13.269
23.406
60.126
70.5
10.115
0.067
0.127
840
13.141
23.487
60.126
70.5
10.115
0.069
0.116
900
13.141
23.648
60.126
70.291
10.115
0.068
0.116
960
13.141
23.648
60.232
70.291
10.115
0.069
0.116
3、恒定干燥条件下的干燥特性曲线X-τ（经过平滑处理），U-X
图2X-τ曲线
X-τ拟合曲线的方程为:
X=
-0.0003τ+0.3631（0s<τ<600s）
=
4*10-7τ2-0.0008τ+0.514（600s<τ<1080s）
-2.15*10-6τ+0.002150<τ<600
0.00081600<τ<960
图3U-X关系曲线
六、结果与分析
1、求出临界含水量XC、平衡含水量X*及恒速阶段的干燥速度U恒速。
由U-X关系曲线图可知，临界含水量Xc=0.171，平衡含水量X*=0.116，恒速阶段Uc=0.00081Kg/（m2•s）。
2、恒速阶段的传质系数KH和传热系数α。
恒速阶段为0-600s，湿球温度、风机出口温度、进出口干球温度均为恒速阶段的加权平均值，其中湿球温度tw=21.34℃，风机出口温度t0=9.88℃,进口干球温度t1=70.88℃，出口干球温度t1=59.83℃，进出口干球平均温度t=65.36℃。
查冯霄、何洪潮主编的《化工原理》下232页（第二版，科学出版社）101.3KPa下空气t-H图，得tw=21.34℃下，Hw=0.018kg水/kg干空气，干燥室内出口空气湿度H=0.00088kg水/kg干空气。
=0.0473kg/（m2.s）
=0.0451kW/（m2·℃）=45.1W/（m2•℃）
查冯霄、何潮洪主编的《化工原理》上315页（第二版，科学出版社）饱和水蒸汽物性，得rw=2450.1KJ/Kg
3、误差分析
①在测量过程中，观察到悬挂的物料受空气流体的作用，做有规律的小角度摆动。
实验测得物料重量总是有小幅抖动，因此存在一定的误差。
②由于实验数据的波动比较厉害，无法判断恒速段和降速段的分界点，因此在做X~τ曲线时，对所得曲线进行了平滑处理，恒速段和降速段的方程也是根据平滑处理后的曲线拟合的，故会有一定误差。
③计算时用到的HW和rW分别是通过读湿度图和查睡得汽化潜热表并用插补法估算得到的，故都存在一定误差。
七、思考题
1、
本实验如何做到恒定条件干燥？
答：
本实验中通过控制空气流量不变，加热器功率恒定来确定恒定干燥条件。
2、实验中空气的湿度H、HW如何求得？
答：
实验中求得了t和tW，HW可通过查常压下的湿度表获得，然后通过查水的汽化潜热表得到相应湿球温度下rW，进而通过公式可以得到H。
3、改变气流速度或温度，临界湿含量、平衡湿含量如何改变？
答：
如果气流速度增大，物料内部水分移动到表面的速度跟不上表面水分蒸发速度的时间提前，因此临界含水量增大；平衡湿含量仅与空气温度有关，故不变；同理如果温度增大，会使临界含水量增大，平衡湿含量减小。
4、空气循环式干燥装置和废气排放式干燥装置各有什么优缺点？
答：
空气循环式优点：
废热部分再利用，能耗低
缺点：
入口空气湿度增大，干燥速度降低
废气排放式优点：
空气湿度比循环式小，干燥速度快
缺点：
热量利用率低、能耗大
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