关于离心流化床烘干机热量与质量传递的试验研究#中英文翻译#外文翻译匹配

南昌航空大学科技学院 外 文翻译 1 关于离心流化床烘干机热量与质量传递的试验研究 M.H Shi， H.Wang， Y.L.Hao 中国南京东南大学电力工程系 210096 摘要 我们正在做一项热量和质量传递特性的试验研究，就是前两天潮湿的物质在离心流化床（ CFB）烘干机的干燥过程。每分钟转数要 300 到 500 之间。测试材料有湿的沙，玻璃粉和切成片的食物。入口和出口的气体温度和湿球温度，以及床的温度都被测出。通过质量平衡法，在气体阶段立即决定了水分含量。可以测出表面气流速度、颗粒直径和形状、床的厚度、床的转数以及干燥特性最初的温度的影响。我们获得了一个经验系数，可以用来计算在离心流化干燥器内气体颗粒的热量传递系数。 关键词：干燥；热量和质量传递；离心流化床 1. 引言 CFB干燥是一项新技术，潮湿的材料要离心力范围内通过机床的旋转来完成一个被高度提高的热量和质量传递。这种机床本质上是一个围绕对称轴旋转的圆柱形篮子，上面有一个能渗水的圆柱形墙体。干燥物进入篮子，因为旋转产生的强大的离心力，它们被迫在篮子周围形成一个环形层。气体通过能渗水的圆柱墙注入，当力量通过流化介质平衡了离心力，机床开始流化。不像垂直机床一样有一个固定的引力力场，离心床的体积力成为一个可调 节的参数，这个参数由旋转速度和篮子的半径决定。原则上，在任何气体流速情况下，通过改变机床旋转速度都能达到最小流化作用。用一个比引力还大得多的强离心力场，机床可以经得起一个大的流速，而不形成大的气泡。因此，在高气体流速下气体 -液体的联系得到了改进，并且在干燥过程中能达到热量和质量传递。因为这个原因， CFB干燥器在干燥业得到颇多关注。 文献中只能找到一些研究 CFB干燥的调查著作。拉扎尔和法卡斯 1,2布朗 3执行了 CFB切片水果和蔬菜的干燥过程，卡尔森 4调查了 CFB大米干燥情况。这些调查报告都非常的有益 ，但它们主要关注的是工业申请 CFB的可能性。 CFB的流动行为和干燥特性是非常复杂的，并且仍然不是很清楚。为了评估物体表面温度，从气体到物体的热量传递知道是标非常有必要的。为了特定的目的，定量的 CFBs 热量传递特性的知识是必须的。 在这篇论文中，做了一个关于流动行为和 CFB的气体 -液体的热量和质量传递特性的试验，影响干燥过程的主要因素被检测和讨论。 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 2 2. 实验装置 图 1 为实验装置示意表。一个围绕水平轴的圆柱形篮子安装在一个密封的圆柱形盒子内。篮子直径为 200mm，宽度为 80mm。篮子的侧面有直径为 3mm 的洞，用来分 散气体，有 22.7%的开放区域。 图 1.实验装置 内表覆有 200个不锈钢丝网，用来防止机床材料腐蚀。在篮子末端墙体的中心处有一个直径为 80mm的洞，用来排出气体。一个变速发动机被用来转动篮子，通过一个轴来连接篮子墙体的另一端。用一个 LZ-45转速计来测量发动机的转速。空气由一个鼓风机吹入。空气质量流率的测量采用孔板流量计。空气加热使用的是一个电热器。 一个t形管阀是用来控制流体方向。 空气温度稳定在期望值 (约 100 )后，打开球上的阀门，干燥实验便开始了； 热空气流经分散器到达机床后进入大气层。压降是通过一个 U形量表来测量的。 一个压力探针沿着中心线伸到篮筐里，离端壁 10毫米远。在相同的操作条件下，也进行了不使用机床材料来获取穿过分散器的压力差异的试验。穿过机床的压降通过 pBed = pTotal p分散器来测量。 入口气体温度、出口气体温 度和在不同位置的床温度随时间变化是使用热电偶探头来测量的，数据记录是采用3497A记录数据采集 /控制单元。在干燥过程中测试材料的含水量是通过在气体阶段的南昌航空大学科技学院 外 文翻译 3 水分平衡法来测量，即通过测量在气体阶段用 干湿灯泡温度计 来入口与出口 处的湿润度 。 图 2.离心流化床的一个特别部分 时间间隔从 tj到 tjC1的水分平衡是 1 1)(tjtjxjxj dxMsdtH i nH o u tG（公式 1）。在时间 tj+1,测试材料的水含量是dtttG HHMxx inoutsjjjj)(11 (公式 2）。采用干燥重量法测试材料样品达到初始含水率 ,我们能得到随着时间的含水率的变化 ,因而 ,干燥率计算为 dtdxR SMps（公式 3） . 干燥的表面 Sp作为测试材料全部表面积为VaV dSpsp )1(6 （公式 4）。 忽略射线热传导和周围的热损失， 如图 2所示，不同体积时 , 在任何给定的时间机床的能量等式是这样的：dllhaHdG TTrTc sggpg )(2 0 （公式 5）。 该方程可以使用在整个机床来获得传热系数 : )ln ()2( ,0 TTTTrGcsingsoutgpgLLaHh （公式 6） 3.结果与讨论 3.1.机床的压降与初始流化特 性 图 3显示机床压降的变化， 沙床 表 面气流速度 ,在干燥测试中不同的旋转速度，在初始流化阶段 ,压降增大均随着流速。 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 4 图 3.CFB沙子的流化曲线 (dpD0.245 mm, nD400rpm).材料 (上 /下 ): (m/h) 沙 ; (d/s) 玻璃珠 当到达临界点时，压降将保持几乎不变。但是，切片，观察成块的材料所得的结果不同。压降曲线有一个最大值，它对应的临界液化点 ,如图 4。在初始流化阶段 ,慢慢增大压力降的增加与流速。当达到临界点 ,压 降随着气速的增加而下降。这是因为在离心力场内，切片材料的自锁现象逐渐减弱 ,并且因为机床变得统一。这造成了一个流阻。降低机床转速可以降低机床压降和临界气速，如图 4。 这是由于减在了床上 旋转速度就会削弱离心力场和导致流动阻力减少。它也可以从图4看出来 :切片土豆的临界流化速度要小于块状土豆，是由于片状材料更大地触风面积。 图 4.不同形状材料的流化曲线（切片土豆 10mm_10mm_1.5 mm, nD300 rpm; (h) 块状土豆5mm_5mm_5 mm, nD300 rpm; (s)块状土豆 5mm_5mm_5 mm, nD250 rpm. 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 5 3.2.干燥曲线 典型的气体温度和机床层温度曲线和湿沙的干燥曲线的在间歇干燥 过程中显示如图 5。 图 5.CFB间歇干燥曲线 (sand,dpD0.411mm,MD2.48kg, !D41.9rads1,U0D1.71ms1,HinD0.016kg kg1): (1) Tg;in ; (2) Tg;out ;(3) Tb; (4) R; (5) x. 并且，片状材料机床的 压降也小于块状物料机床，是因为碎片材料在 CFB有更好的流化特性。这从理论性颗粒物 质模型 6是获得的初始流化关系并不适合切片材料。不同形状切片材料的初始流化条件是试验性的，单独决定的。 图 6片状土豆的水份含量变化（曲线 6）和干燥率（曲线 7） 这也显示出像沙子这种干燥材料的特点 ,其中水分含量主要是表面的水分 , 就像在一个普通的干燥机，整个干燥过程即可分为三个阶段。在一个简短的初期阶段 ,材料预南昌航空大学科技学院 外 文翻译 6 热和干燥速度迅速增加 ; 机床温度增加到一个稳定值。第二阶段是干燥速率恒定阶段 ,从气体到材料的热量转移完全为材料表面水分的蒸发。材料温度保持不变 ,干燥速率也不变。最后一个阶段被称为降速阶段，材料 的温度和干燥速率也逐渐增加，直到干燥过程的最后。 CFB片状食品产品的干燥行为与图 6所示的沙子又有些不同。显然 ,CFB切片土豆的干燥特性与在传统的干燥 过程 基本相似 。 在一开始 ,有一个短暂的最初阶段。在这一时期 ,机床材料预先加热 ;机床温度迅速达到一个稳定值，干燥速率快速增加。这个初步的时期之后是一个干燥速率稳定阶段。在恒定的速率期 ,测试材料的表面覆盖着一层很薄的水膜。气体流动至材料的热转移用来完全蒸发水分 ,所以切片材料的温度保持平衡， 温度和干燥速度是在最大 值。这是很重要的 ,土豆的主要的水分含量是细胞水分 ,所以恒 定的速率时期是很短暂的。最重要的干燥过程是在降速时期完成的。在降速时期 ,表面附近的干燥层出现并由于内部水分外流的运输阻力更大而逐渐减弱。这导致热传递阻力增加 ,干燥速率 在第一阶段迅速降低。 干层后的 温度已上升到一定的值 ,干燥速率慢慢的减少。这表明 ,在该降速时期，切片土豆在循环流化床干燥机可以分开成两个不同的阶段。这对工程设计与操作都至关重要。 实验结果表明 , 干燥过程中切片土豆比块状土豆有一个更大的干燥速率和较短的 干燥时间。这是因为在切片材料中从内细胞到外蒸发表面的水分运输距离比在块状材料中要短。特别值得一提的是 ，在干燥过程中，在第二阶段的降速时期片状材料更短。 一般来说 ,由于薄片材料可能被流态化和混合得很好 ,干燥时间极 短。例如 ,CFB切片土豆的干燥时间比隧道式干燥机短 15倍，比常规流化干燥器短 5倍。 3.3.操作参数的影响 3.3.1表面气体流速 很明显 ,表面流速的增加将增加流化的程度 ,因此 ,气体阶段与固体阶段之间的热量与质量传递可能会大幅提高。这导致了干燥速度更大和干燥时间短 ,是 ,如图 7。这临界水分含量会随气流速度增加而增加，如图 7虚线所示。对于食品原料 ,实验结果表明 ,在稳定速度时期和在第一时期，干燥速度会随着在低气流速度区域的气体流速的增加而增加。因此 ,总干燥时间会减少。然而 ,当流速增加到一定值 ,恒定的速率会消失 ,降速时期的第一阶段减短而第二阶段增长。 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 7 . 图 7表观气速对水分含量的影响 (dpD0.411 mm, MD2.50 kg, !D41.9 rad s1, HinD0.016 kg kg1): (1) U0D1.66ms1; (2) U0D2.17ms1. M.H. Shi et al. / 化工杂志 78 (2000) 107113 111 总干燥时间就会保持不变 ;这是因为马铃薯的主要水含量是内层细胞水和主要的干燥过程是在降速时期的第二阶段。增加进口燃气温度 ,所有的干燥速率和干燥周期总数增加，干燥时间就减少。然而 ,燃气温度的增加会受制于干燥食物的质量。我们的测试中 ,最好的入口气体温度大约是 100-110 。实验结果也表明 , 在相同的操作条件下，固定尺寸的切片萝卜的干燥速率比切片土豆的更大。这是因为微观组织的测试实例表明 ,萝卜比土豆有一个更大的带有一种更加规则性排列细胞结构， 而且，萝卜细胞里液体的粘性更小；这些结构特点让萝卜容易干燥。 3.3.2.旋转速度 相同的气速 ,降低床上旋转速度将会减少离心力作用于物质的流态化程度 ,而提高材料的流化程度 ;这导致气体阶段和固体阶段之间的热量和质量传递会增加。 因此 ,当减少机床的旋转 速度 ,干燥速度增加了 ,如图 8。并且整个机床的干燥过程会比较均匀。这意味着 ,对于 CFB一个给定的材料干燥 ,机床转速应尽量放低， 直到流化状态可能就不能维持。当通过提高在 CFB干燥器内的气体速度来增强干燥过程， 同时 ,必须增加速度 ,避免干燥材料从机床上吹出去。在理论上 ,通 过限制 CFB机床的旋转速度，在任何气体流速下机床操作都能是最佳流化状态。 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 8 图 8.旋转速度的影响 (dpD0.411 mm, MD2.41 kg, U0D 1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) !D52.4 rad s1; (2) !D41.9 rad s1. 图 9. 粒子直 径的影响 (MD2.4 kg, !D41.9 rad s1, U0D 1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) dpD0.245 mm; (2) dpD0.411 mm. 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 9 3.3.3.粒子直径 图 9显示了 CFB下粒子直径对干燥行为的影响。显而易见的是 ,对于走直径更大的粒子，由于气体和固体颗粒之间更大的下滑速度，干燥过程中的热量与质量传递将会增强。 因此 ,CFB干燥速率会随着粒子直径的增加而增加，如图 9所示。 然而 ,随着增加物质维度 ,内部传热传质阻力会增加 ,因此 ,对于一个给定的干燥材料 ,在特定操作条件下，那对于决定干燥过程中最佳材料规模是非常重要的。 3.3.4.机床厚度 图 10显示初始床厚度的影响上干燥工艺。可 以看出 ,以提高料层厚度 ,干燥速率会减少 ,这是因为气体阶段和固体阶段之间的热量与质量传递的驱动力在陕窄的机床条件下更大。 图 10. 机床厚度的影响 (dpD0.411 mm, !D41.9 rad s1, U0D1.43ms1, HinD0.0123 kg kg1): (1) L0D30 mm; (2) L0D20 mm. 112 M.H. Shi et al. / 化工杂志 78 (2000) 107113 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 10 图 11.初始水分含量 (dpD0.411 mm, MD2.48 kg, !D41.9 rad s1, U0D1.71ms1, HinD0.016 kg kg1): (1) x0D0.221 kg kg1; (2) x0D0.0574 kg kg1. 3.3.5.初始水分含量的影响 很明显 ,初始水分含量越大的材料干燥时间更长 (图 11),但是干燥特性都是相同的。唯一的区别在于恒定速率阶段的持续时间。 3.4.热量传递关联性 65%的 实验操作都是通过湿沙和玻璃珠进行的，机床高度固定为 10-30mm之间，雷诺系数从 5.47到 35.3以及离心 力这重力的 10.08到 28倍。热量传递系数被转换成努塞系数，看作是平均温度下的平均直径和热电导率。使用迴归分析的程式，获得了在干燥过程中的 CFB气体与粒子间热量传递的无量纲关联。扩散系数的指数 比 (Prandtl号码 )已被假设为 1 / 3; 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 11 图 12.试验结果与计算结果的比较 )RePr1079.021.048.059.1315 (33.5gspocNu dLF （ 公式 7） 因此， 合适的参数范围内对上述二者的相互关系 是 ,FcD10.0-28.0 ReD5.0-42.0。 努塞尔系数定义为 NuDhdp / ;雷 诺数为 ReD gU0dp / ;普朗特数是 PrDCpg / ; 然后 ,无量纲的离心力被定义为 Fc=ro /g。图 12显示的是试验的热量传递与公式 7的计量值比较。这项工作测试得到的所有数据偏差在 25%以内。 4. 结语 1.CFB可能可以在填充床上操作 ,刚刚出现的流化或流化机床在给定的流速下，通过使用一个强流率的离心力场，可以维持稳定的流化状态。 2.CFB分散器附近没有明显的“活跃区域” 。在表观气速、粒子直径、粒子形状因子、粒子密度、机床厚度和机床 转速 的影响下，气体与团体之间的热传递产生 。 3.CFB干燥器中，干燥过程可以分为三个阶段 ,干燥速度随着表观气速和颗粒直径的增加及旋转速度和初始机床厚度的减少而增加， 4在 CFB中切片食品产品能够流化和混合和非常好。压降曲线有一个最大值，临界流化参数随着干燥产品及材料本身形状和大小的变化及操作条件的变化而变化。 5.切片食品产品可以干得很好很快。干燥的主要过程是在降速期间 ,干燥速率速率取决于干燥产口的材料、形状、和尺寸以及操作条件。 南昌航空大学科技学院 外 文翻译 12 5术语 a 颗粒表面每单位体积 Cpg,Cps 气体或固体的比热容 Dp 平均粒子直 径 DAB 分子扩散性 Fc 无量钢的离心力， G 气体质量流率 h 热传系数 H 机床宽度；气体可湿性 Lo 固定床厚度 M 干燥材料的重量 n 机床转速（每分钟转速） Nu 努塞尔数， hdp/ P 压降（ kpa） Pr 普朗特系数， R 干燥速率 Re 雷诺系数 T 温度 U0 表面气体流速 x 水分含量 希腊字母 多孔性 导电性 气体粘度 气体运动粘度 sg,气体或