干燥计算范文

2024-07-05

干燥计算范文（精选7篇）

干燥计算第1篇

干燥是许多工业生产中的重要工艺过程之一,它直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等[1]。干燥过程是复杂的传热传质过程,对流干燥是指含湿多孔物料以对流换热的方式从干燥介质中吸收热量,物料内部水分汽化、扩散,产生的蒸汽以对流传质的方式扩散到干燥介质中。建立合适的传热传质干燥模型预测物料干燥过程中内部温湿度分布规律,对于干燥工艺的设计和参数的选择具有非常重要的作用[2]。Luikov[3]利用不可逆过程热力学理论,建立每一相中每个组分的传递过程,得到了宏观的质、热传递控制方程。Whitaker[4]在微观层面上列出每一相的质、热守恒方程,然后在控制体上进行体积平均,从而得到宏观水平的方程。目前国内外学者建立的多孔介质传热传质数学模型多以Luikov唯象理论和Whitaker体积平均理论为理论基础,但前者控制方程的唯象系数难以确定,后者的控制方程呈现高度非线性因而不易求解和应用[5]。因此,建立合理的干燥数学模型,提高模型的适用性十分重要。

本研究基于Fick第二扩散定律和Fourier定律建立了球状胡萝卜热风对流干燥的传热传质数学模型,模型简单易懂,运用计算机编程能够精确计算出模拟结果,并且实验验证表明模拟值和实验值吻合较好,验证了模型的准确性。

1 数学模型的建立

基于气流干燥特点,现做如下假设[6]:(1)热物性为当地温度和湿度的函数;(2)忽略水蒸气在物料中的流通量;(3)在干燥物料与热空气之间的热量和质量传递中,存在一定的温差和蒸汽压差;(4)样品为均匀连续的球体;(5)只考虑物料内部半径方向的质热传递;(6)忽略干燥过程中物料的体积变化。根据上述假定,建立以下数学模型。

1.1 传热数学模型

假定热传递仅以热传导的方式通过物料,则由Fourier定律[1]可得物料热平衡方程为:

$ρ c_{p} \frac{\partial Τ}{\partial t} = k_{Τ} \frac{\partial^{2} Τ}{\partial x^{2}} + \frac{1}{r} k_{Τ} \frac{\partial Τ}{\partial x} (1)$

式中:ρ为物料密度,kg/m3;cp为物料比热容,J/(kg·K);T为物料温度,℃;kT为热导率,W/(m·K)。

1.2 传质数学模型

假定球状胡萝卜的干燥速率由内部水分扩散控制,则胡萝卜内部水分迁移可由Fick第二定律描述为:

$\frac{\partial Μ}{\partial t} = D_{e f f} (\frac{\partial^{2} Μ}{\partial r^{2}} + \frac{2}{r} \frac{\partial Μ}{\partial r}) (2)$

式中:Deff为水分有效扩散系数,m2/s; M为干基含水率,即水与干物料的质量比,kg/kg;t为时间,s。

1.3 初始条件和边界条件

当t=0时:

T=T0 (3)

M=M0 (4)

图1为球状胡萝卜模型(半径共分为N层),向上方向定为x坐标,中心定为0点,将球状胡萝卜从圆点沿半径方向10等分,则在x=0时满足的条件为:

$\frac{\partial Τ}{\partial x} = 0 (5)$

$\frac{\partial Μ}{\partial x} = 0 (6)$

在表面考虑对流的影响,其边界条件为:

T=Te (7)

M=Me (8)

式中:Te为物料表面的空气温度,℃;Me为物料达到湿度平衡时的含水率,kg/kg。

2 模型的数值计算

对于上述的非线性方程采用有限差分法运用计算机编程进行模拟计算,模拟步骤如下[7]:(1)输入干燥初始条件,半径长度及划分的层数;(2)计算其他与时间无关的参数;(3)对干燥时间t进行循环;(4)计算t时刻各层与时间无关的参数;(5)求解各差分方程,求出胡萝卜各层的温湿度分布;(6)时间t=t+Δt,返回步骤(3);(7)重复(3)-(6),直到表层和中心层的温湿度差小于或等于预设的数值,并输出模拟计算结果,程序结束。

将球状物料沿图1中的x方向以球心为分界线上下各10等分,中心记为x=0,j=1,上下表面记为x=L,j=11。由于对称性,本研究只对沿x方向10等分中的物料进行分析。根据差分原理分别将式(1)、式(2)离散为:

$\begin{array}{l} Τ_{i, j} = \frac{k_{Τ} Δ t}{ρ c_{p}} (\frac{Μ_{i - 1, j + 1} - 2 Μ_{i - 1, j} + Μ_{i - 1, j - 1}}{Δ r^{2}} + \\ \frac{1}{r_{j}} \frac{Μ_{i - 1, j + 1} - Μ_{i - 1, j}}{Δ r}) + Τ_{i - 1, j} (9) \end{array}$

$\begin{array}{l} Μ_{i, j} = D_{e f f} \times Δ t (\frac{Μ_{i - 1, j + 1} - 2 Μ_{i - 1, j} + Μ_{i - 1, j - 1}}{Δ r^{2}} - \\ r_{j} \frac{Μ_{i - 1, j + 1} - Μ_{i - 1, j}}{Δ r}) + Μ_{i - 1, j} (10) \end{array}$

式中:Mi,j代表第j点第i秒物料的干基含水率,Ti,j代表第j点第i秒物料的温度。

参数的计算采用文献[9]中的公式:

cp=1000×(1.4+3.22M) (11)

$D_{e f f} = 1.0355 \times 10^{- 5} \exp (- \frac{24.21}{8.314 \times 10^{- 3} \cdot Τ}) (12)$

3 实验方法

采用热风干燥机实验台进行胡萝卜脱水实验,实验台主要由以下几部分组成:DE125离心风机、7.5 kW电热丝、控制柜、温度仪、风速仪等。采用新鲜胡萝卜作为样品,在干燥实验前分别将样品削皮并切成半径为15 mm、20 mm、25 mm的球状样品,用吸水纸将表面水分吸干。由于球状具有对称性,所以本实验只考虑沿x轴方向的水分扩散。

实验开始后,用精度为0.01 g的高精度电子秤连续记录物料在干燥过程中的质量变化。物料内部的温度场采用直径为1 mm的热电偶,由温度仪输出温度值,每隔10 min计算机自动记录1次质量和温度值,初始含水率参考文献[8],取8.2 kg/kg,当干基含水率小于平衡含水率(即0.4 kg/kg)时,停止实验,每次实验取得的点数不少于20个。

4 结果与分析

4.1 内部温湿度分布情况

物料内部的干燥温度是影响物料水分蒸发的主要因素,图2为干燥温度60 ℃、空气流速为3 m/s时物料内部沿x轴方向各节点的温湿度分布曲线。从图2中可以看出,随着干燥时间的延长,物料内部温度急剧升高,湿度急剧下降。在干燥初期胡萝卜的表面水分蒸发较快,内部水分蒸发速率相对较慢,即干燥速率由表层到中心逐渐减小,温度由表层到中心的升高速率依次降低。

4.2 模型的验证

基于上述理论公式,对球状胡萝卜热风干燥过程中内部温度和湿度的分布进行数值模拟计算,由于实验条件的限制,取物料的平均干基含水率与时间的关系对传质模型进行验证,取距离物料表面处的温度对传热模型进行验证。

胡萝卜的平均干基含水率采用文献[9]中的公式计算:

$Μ (i) = \frac{\sum_{j}^{Ν} V_{j} ρ_{s} Μ_{i, j}}{\sum_{j}^{Ν} V_{j} ρ_{s}} = \frac{\sum_{i}^{Ν} V_{j} Μ_{i, j}}{V} (13)$

$V = \frac{4}{3} π r^{3} (14)$

式中:ρs为干物料密度,kg/m3;V为物料体积, m3;Vj为各层体积,m3。

4.3 物料半径对干燥的影响

为了测得物料半径对干燥样品的影响,分别对半径为15 mm、20 mm和25 mm的胡萝卜球进行数值模拟计算。图3为不同半径物料湿度随时间变化的曲线。

由图3可见,增加物料半径能够增加水分扩散路径进而降低物料干燥速率;物料半径增大,物料干燥达到平衡干基含水率所需的时间就越长。

4.4 干燥过程中物料各层温湿度变化

图4是干燥过程中物料各层温湿度随时间的变化。图4(a)中由左到右依次是物料由表面到中心各层的湿度变化曲线。由图4(a)可知,在干燥过程中物料表层含水率变化较大,同一时刻,由表层到中心各层含水率依次增大;在同一干燥时间内,外层干燥速率大于内层干燥速率;在干燥过程中物料水分的扩散由外层开始,向内层逐步推进,而不是同步进行的。图4(b)中由左到右依次是物料由表层到中心各层的温度变化曲线。由图4(b)可知,在干燥过程中物料表层温度变化较大,同一时刻,由表层到中心温度依层降低;在同一干燥时间内,外层温度的上升速率大于内层温度的上升速率。

4.5 介质温度对干燥时间的影响

热风温度是影响物料干燥过程的主要外界因素。图5为干燥温度分别为40 ℃、50 ℃和60 ℃时物料含水率随时间的变化曲线。

由水分有效扩散系数公式可知,热风温度越高,水分有效扩散系数就越大;干燥温度越高,物料水分有效扩散系数就越大,物料达到平衡干基含水率所需的时间就越短。

4.6 风速对物料温度的影响

为了对比热风速率对胡萝卜干燥过程中内部温度变化的影响,分别取热风速率为0.5 m/s、2 m/s、4 m/s时对胡萝卜内部的温度变化进行数值模拟计算。图6为不同热风速率下物料温度随时间的变化曲线。由图6可见,风速能够影响物料内部温度变化,加大热风速率,物料内部温度的升高速率就越快。

5 结论

(1)基于Fick第二扩散定律和Fourier定律建立了球状胡萝卜传热传质数学模型,该模型可以用来准确地预测干燥过程中胡萝卜内部的温湿度变化。(2)干燥过程中物料表层温湿度变化较大,同一干燥时刻,由表层到中心含水率依次增大,温度依次降低;同一干燥时间内,由表层到中心干燥速率依次降低,温度上升速率依次减小。(3)干燥温度越高,物料有效水分扩散系数就越大;物料半径越大,水分扩散路径就越大。即干燥温度越高,物料半径越小,干燥速率就越大,则达到平衡干基含水率所需的时间就越短。

参考文献

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干燥计算第2篇

在育种干燥工艺中,世界各国对种子干燥机械的研究极为重视,正向着低耗、高效方向发展。但是,由于干燥装置往往过大,或者制造麻烦,影响了育种干燥的效果。因此,急需研究一种育种干燥机械装置。该装置可以有效提高干燥效率,具有节约能源、减少玉米果穗脱粒破碎率等特点并且可以降低生产成本;具有移动性能好,可以充分利用中国北方光照资源,且具有良好的通风系统,可以完成自动化干燥作业。

目前,计算机已广泛应用于教育、医学、军事及资源勘探等众多领域,且应用领域还在不断拓展。随着网络技术的不断仿真,局域网内的远程控制技术越来越成熟,将局域网远程控制技术应用在大面积育种干燥作业过程中,不仅可以实现育种干燥机械装置的自动化作业,而且可以大大地提高育种干燥的工作效率。因此,将育种干燥机械有效地分布在大面积作业区域,提高机械化作用的灵活性,是玉米育种干燥机械装置设计的一次创新。

1 总体设计

玉米果穗干燥装置太阳能集热装置的设计主要包括干燥机械装置的设计和计算机远程控制系统设计。机械装置的设计主要是依据干燥量的大小,干燥量主要取决于玉米果穗的平铺面积和厚度; 计算机远程控制系统主要采用Pstools工具包、Socket网络通信及远程唤醒技术,总体设计如图1 所示。

为了优化远程控制系统,本次研究采用的是分布式节点的网络布控。分布式网络节点不仅可以有效地降低能耗,而且可利用信号的快速传输。分布式网络节点的架构如图2 所示。

为了实现分布式网络的合理规划,本文采用遗传算法对网络的布局进行优化,从而完成网络节点的选址和容量计算,其流程如图3 所示。

其基本过程是首先输入原始节点数据,生成初始种群,对每个个体进行优化后判断是否满足最优化条件: 如果满足则输出结果; 如果不满足则进行选择、交叉和变异,生成新的网络结果。

2 机械结构和网络控制节点分布优化设计

2. 1 玉米果穗干燥太阳能集热装置机械结构设计

适用于玉米果穗分段干燥工艺的机械干燥装置结构主要由离心式风机、风机机架、玉米果穗及籽粒通风干燥系统等组成,如图4 所示。

机械结构的设计主要是按照玉米堆的高度进行计算的,一般玉米堆的高度在2m左右,1 袋玉米穗的质量一般为40kg左右,袋子长度按照0. 65m、宽度按照0. 35m、厚度按照0. 25m计算。当干燥量比较小时,装置占用的面积并不大,可以按照侧卧式的系统对装置进行设计,如图5 所示。

1.风机支架2.离心式风机3.主风管4.物料床辅助支撑5.可自卸平置式物料床6.物料床主支撑7.支风管8.垫块

玉米干燥机械的结构初步设置为长度6. 5m、宽度8. 5m,主要由1 个主通风管和6 个通风支管构成。其中,主通风管具有足够大的通风面积,能够有效地保证正常的送风,且机械可以自由移动。

离心风机将干燥的空气通过主通风管传送到玉米穗干燥系统中,干燥的空气在子分配系统中,传送到物料床的底部,在底部向上运动; 干燥玉米和空气会在温度和湿度上产生很大的不同,从而可以加快玉米果穗水分的蒸发。利用红外线仪器可以测量玉米果穗的含水率,对烘干效果进行实时控制,最终得到最好的干燥效果。

玉米的干燥过程分为两步: 一是将含水率在30%左右的玉米果穗降低水分到25% ,然后将干燥后的果穗在干燥系统上进行第2 步操作,然后在自卸平台上进行脱粒操作; 将清选后的玉米籽粒再进行干燥,将其水分降低到15% 左右时,停止干燥,进行装袋,最后存储。

玉米果穗通风干燥系统中设计有可自卸平置式物料床,如图6 所示。将玉米果穗和籽粒进行装袋后,将其摆放在物料床的顶部,物料床的设计尺寸和干燥空气系统的占地面积基本相同。在物料床上安装了铰接结构的主要支撑,共3 组,分布在物料床长度的1 /3 处。在可自卸物料床上还装有辅助支撑装置,该装置可以在物料床平面内进行选择运动,在限位销的作用下,实现了玉米果穗和籽粒的自动装载与卸货。由图6 可以看出: 通常两物料床左、右端部与系统主风管相搭接,在主要支撑构件和辅助支撑构件作用下,当系统处于水平状态时开始进行干燥; 当干燥完成时,将辅助支撑进行旋转,从而卸载了支撑结构,物流床开始向一面进行倾斜,最后玉米的果穗和籽粒都滑落到了车内,自动卸载过程完成。

1.袋装玉米果穗2.主风管3.物料床d 4.袋装玉米籽粒5.装料车6.铰接螺钉7.垫块8.支风管9.主支撑10.限位销11.辅助支撑

2. 2 计算机远程控制局域网分布式结构优化

本文通过网卡实现远程控制功能,首先将以字符形式表示的Mac地址转换后存储到byte型数组,数组各元素的值分别为0x00、0x17、0x31、0x1C、0x93 和0x0F。将构建好的Packet数据包发送给相应的计算机主板,即可完成远程控制的操作,其中数据包内容如图7 所示。

为了优化配置计算机远程控制的局域网络,本次研究分布式网络节点对局域网进行规划,并采用遗传算法对局域网的辐射分布情况进行优化设计。为了实现局域网络的优化配置,采用遗传算法对分布式节点进行优化,其基本过程如下:

1) 计算待规划局域网新增数据的总容量,从而确定分布式节点的最大接入总量;

2) 随机生成一个初始群体;

3) 对该群体中的所有个体进行校验,如果所有的染色体对应的方案中,各分布式节点的数据容量均小于或者等于相应的数据容量,且总接入容量不大于步骤1) 确定的结果,则该群体作为分布式节点的初始解,算法停止;

4) 如果初始群体中存在不符合要求的染色体,则需要重新选择,并进行交叉变异操作,将不符合的染色体替换掉,直到所有的染色体都符合要求。

3 玉米果穗干燥太阳能集热装置测试

为了验证本文涉及的计算机远程控制式玉米果穗干燥太阳能集热装置的有效性和可靠性,本文使用局域网络架构了集热装置的远程控制系统。其中,系统的功能主要包括远程关机和重启、创建和结束进程,这些功能都是基于Pstools工具包开发的,系统的灵活性较好,用户可以进行不同的参数设置,本次研究使用的主要执行参数如表1 所示。

本次研究主要通过对进程的设置,可以读取和显示温度传感器的温度数据,根据传感器温度来调整风机的转速,加速玉米穗的干燥过程。

图8 表示通过计算机远程控制调试,得到的温度变化随风机转速控制的曲线。采用遗传算法对控制节点进行辐射状分布优化后,可以成功地实现风机转速的合理调控。由图8 可以看出: 当温度逐渐升高时,风机可以有效地将转速提高。这是由于当温度升高时,干燥的效率会逐渐增大,装置内越来越多的湿气需要被带走,因此需要提高风机的转速。

选用玉米种植主导品种金穗4 号进行试验。选择含水量大约为30% ( 湿基) 的玉米果穗进行干燥试验,试验过程中,保持玉米果穗干燥系统的热风温度在40~ 50℃ 之间,保持热风的通入速度为0. 5m / s。试验时,使用玉米果穗太阳能集热机械,并采用多次干燥的方法对玉米果穗和籽粒进行反复干燥。

试验对两种不同的干燥功率进行了对比,对干燥过程不同籽粒的降水率和干燥时间进行了测试,结果如表2 所示。

由表2 可以看出: 通过8 测干燥测试,使用本文的干燥装置的干燥效率明显偏高,从而验证了装置的有效性和可靠性。

由表3 可以看出: 玉米种子收获后在同等条件下,使用传统的干燥装置最低需要11. 2h,而使用本文设计的玉米穗干燥装置最低仅需要6. 1h,干燥效率有了明显的提高,大大降低了干燥所需时间,提高了玉米种子的育种质量。

通过对不同机械干燥装置采用相同的试验方法进行计算发现,采用本文的设计方法可以大大地降低干燥成本。本文设计的玉米干燥集热机械装置玉米果穗干燥除了上料、脱粒、精选、备载费用与果穗传统干燥机械基本相同外,其它如耗电、烘干等方面的费用明显降低。1t种子平均降水2% 总成本节省2. 22 元,成本节省0. 02 元/kg,节省费用约39. 8% 。

4 结论

1) 为缩短玉米果穗的干燥贮藏、制种时间及相应干燥成本,充分利用无限的太阳能资源,开发了一种计算机远程控制式的玉米果穗干燥机械装置。通过测试发现: 该装置性能稳定,可以有效地提高干燥作业效率。

2) 测试结果表明,本文设计的计算机远程控制式的玉米果穗干燥装置,最快降水率达到了0. 132% ,最短干燥时间仅为6. 1h,满足玉米果穗等农产品的贮藏及制种干燥要求。

干燥计算第3篇

1 基本物料数据及处理要求

(1) 系统处理能力

(2) 原料基本数据

2 流程简介

2.1 立式干燥工艺系统

立式干燥机是一种利用被干燥物料的自重, 在干燥机中垂直向下运动的干燥机。外壳为直立的通道, 内部安装有减慢物料向下运动的横向栅板和纵向栅, 物料连续地从干燥机上部加入, 被栅板分散在竖式干燥机的整个截面, 并且不断向下运动。热空气从燃烧室向下流动, 从顶部排除, 干燥成品从干燥器底部卸出。如果在竖直的干燥器中填满了物料, 连续而密集地向下移动, 则干燥时间可以任意调节。

鼓风机将新鲜空气送入热风炉中燃烧, 并与助燃风机送入的新鲜空气混合最终产生一定温度的热烟气供立式干燥窑使用。干燥窑前三台鼓风机将来自热风炉的热烟气以及干燥窑部分尾气混合后达到200℃, 送入到干燥窑中。来自焦炭堆场的焦炭丁通过带式布料机均匀的分布到立式立式烘干窑顶, 由带式布料装置均匀分布到烘干窑顶全截面。焦炭丁在其运行轨道上一边靠重力缓慢下移一边与来混合后～200℃的热风进行换热而达到干燥目的, 干燥后的物料通过带式输送机送往下一工序。焦炭丁蒸发出的水分又由强风通过排风口带走。焦炭丁经2h左右的蒸发过程达到充分干燥。干燥窑后有两台引风机将干燥窑中的含尘废气吸出, 通过袋式除尘器除尘后排空。

立式烘干窑工艺匹配性好, 易于在生产线中与其它设备联接和实现自动化。设备操作方便, 维护简单。干燥炉本体无机械运动部件, 日常无需维护。连续运行, 效率高、产量大。但是目前大都用于型煤的干燥, 焦炭丁国内尚无成功业绩。

竖式干燥机的特点如下:

① 物料停留时间可以任意控制, 因此, 对产品含水率可以控制很低;

② 采用的气速较低, 产生粉尘量少;

③ 排除的尾气在大多数情况下, 都可以接近饱和程度。热能消耗较少, 热效率较高;

④ 结构简单, 管理方便, 运转噪音小;

⑤ 干燥介质流速低, 一般采用0.2～0.3m/s (以设备空零截面计算) 。穿过物料层的阻力小, 动能消耗低。

1.燃烧风机;2.助燃风机;3.烧嘴系统;4.热风机;5.鼓风机;6.鼓风机;7.鼓风机;8.带式布料机;9.立式干燥窑;10.带式输送机;11.引风机;12.引风机;13.布袋除尘器

2.2 回转干燥工艺系统

回转圆筒干燥机由稍作倾斜而转动的长筒所构成。来自焦炭堆场的焦炭通过圆盘给料机加入到回转干燥窑中, 湿物料在筒内前移过程中, 直接得到了来自热风炉的热风给热而达到干燥目的。干燥后的物料通过带式输送机送往下一工序。鼓风机将新鲜空气送入热风炉中燃烧, 并与助燃风机送入的新鲜空气混合最终产生500℃左右的热烟气供干燥窑使用。干燥窑后的引风机将干燥窑中的含尘废气吸出, 通过袋式除尘器除尘后排空。

回转圆筒干燥机产量大, 流体阻力小, 操作上允许波动范围大, 操作方便, 成本低等优点。但缺点是设备占地面积大、结构复杂、设备笨重、钢材消耗较多、一次性投资也较大。

回转圆筒干燥机性能特点:

①生产能力大, 可连续操作;

②结构简单, 操作方便;

③故障少, 设备维护费用低;

④适应范围广, 可以用于处理颗粒状物料和附着性较强的物料;

⑤操作弹性大;

⑥清扫容易。

1.燃烧风机;2.助燃风机;3.烧嘴系统;4.热风炉;5.圆盘给料机;6.回转干燥窑;7.带式输送机;8.引风机;9.布袋除尘器

3 主要设备选型

3.1 立式干燥工艺系统

① 立式干燥窑

容积:110.43m3;物料停留时间:～2.2h;处理能力:30t/h;

② 三台鼓风机

风量:80000m3/h;进口压力:-1000Pa;出口压力:500Pa;电机功率:55kW;

③ 两台引风机

风量:120000m3/h;进口压力:-1500Pa;出口压力:2200Pa;电机功率:185kW;

④ 布袋除尘器

风量:240000m3/h;过滤面积:4300m2;电机功率:4+2×7.5kW;

⑤ 热风炉

总热值:8000000kcal/h;燃料为电石煤气热值为2400kcal/Nm3;燃料消耗量为:3333Nm3/h;

⑥ 一台鼓风机

风量:14000m3/h;进口压力:-700Pa;出口压力:1000Pa;电机功率:15kW;

⑦ 一台助燃风机

风量:33000m3/h;进口压力:-500Pa;出口压力:500Pa;电机功率:18.5kW;

3.2 回转干燥工艺系统

① 回转干燥窑

直径:Φ2.8m;长度:25m;物料停留时间:15min;转速:3.58r/min;处理能力:30t/h;电机功率:55kW;

② 一台引风机

风量:55000m3/h;进口压力:-2100Pa;出口压力:500Pa;电机功率:75kW;

③ 布袋除尘器

风量:55000m3/h;过滤面积:950m2;电机功率:2.2+4kW;

④ 热风炉

总热值:5000000 kcal/h;燃料为电石煤气热值为2400kcal/Nm3;

燃料消耗量为:2083Nm3/h;

⑤ 一台鼓风机

风量:8000m3/h;进口压力:-700Pa;出口压力:1000Pa;电机功率:7.5kW;

⑥ 一台助燃风机

风量:20000m3/h;进口压力:-500Pa;出口压力:500Pa;电机功率:11kW。

4 两种工艺系统比较

注:处理焦炭量:30t/h。

5 结论

由以上系统比较可以看出两种工艺系统的差别:回转干燥系统能耗低、破损率高;立式干燥系统能耗高、破损率低。

电石、铁合金等行业需要用干燥的焦丁做原料;早期, 焦炭价格在500～700元/吨左右, 成本比较低, 回转干燥窑系统能耗低, 在国内迅速占领主导地位。

近年来, 焦炭价格高涨, 焦丁价格现在已经达到了1500元/吨以上, 焦丁和焦末的差价已达500元/吨以上。随着项目规模大型化的发展趋势, 焦炭丁在干燥过程中的破碎率对生产成本的影响已经不容忽视, 回转干燥系统破碎率较大 (15%～20%) , 立式干燥的破碎率较小 (3%～5%) , 立式干燥窑系统在电石行业有较为良好的发展前景。

摘要：电石、铁合金等行业需要用干燥的焦丁做原料。早期焦丁价格在500700元/吨左右, 成本比较低;近年来, 焦丁价格现在已经达到了1500元/吨以上, 焦丁和焦末的差价已达500元/吨以上。随着项目规模大型化的发展趋势, 原来传统的回转干燥工艺系统焦炭丁在干燥过程中的破损率过大对生产成本的影响已经不容忽视, 立式干燥工艺系统由于其低破损率在电石等行业日渐倍受青睐。

关键词：立式干燥工艺系统,回转干燥工艺系统,破损率

参考文献

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[2]应美玕, 梁庚煌.机械化运输工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社, 1998:352-381.

干燥计算第4篇

这惊人的数据揭示的是我国农产品加工设施简陋、方法原始、工艺落后。

对于目前粮食产后损失惊人的情况, 广东省农业厅非常重视。2012年7月16-17日, 由广东省农业厅主办, 广东省农业机械学会、广东省农业机械研究所、广东省农业机械鉴定站承办, 罗定市农业局、罗定市稻香园农业发展有限公司支持的“稻谷热泵干燥节能减排新技术新装备现场推广演示会”在罗定市召开。广东省农业厅、省科技厅农村处、省经信委装备工业处、省农业机械学会、省农业机械研究所、省农业机械推广站、省农机鉴定站, 云浮市政府、市农业局, 罗定市政府有关领导, 40个粮食生产大县和15个农机化示范县的主要负责同志, 以及各地种粮大户和农机合作社代表约150人参加会议。云浮、罗定市两级政府给这次的演示会给予了大力支持!

与会代表观看了稻谷热泵干燥节能减排新技术新装备的现场演示, 专家对我国的粮食加工和稻谷热泵干燥节能减排新技术新装备作了很好的介绍, 部分用户就使用情况进行了交流互动, 增进了对稻谷热泵干燥技术及设备的了解。

会上, 广东省农业厅林果先巡视员充分肯定了该项节能减排新技术新设备。他强调要以广东省十一次党代会精神为统领, 努力突破水稻生产中的育插秧和稻谷干燥机械化两个薄弱环节, 开创全省水稻生产全程机械化发展新局面;要正确把握形势, 进一步深化对加快突破稻谷干燥机械化薄弱环节重要性和紧迫性的认识;要明确目标, 通过扶持研发先进适用的技术装备、加大推广力度、逐步建立稻谷干燥机械化示范基地等方面措施, 加快全省稻谷干燥机械化发展, 力争2012年起全省每年新增稻谷机械化干燥能力20万吨, 至“十二五”末, 全省稻谷机械化干燥达到100多万吨, 水稻干燥机械化水平达到10%, 促进全省水稻全程机械化的发展。

此次演示的稻谷热泵干燥机亮点之一是“节能”。据测算, 稻谷热泵干燥机与目前燃油干燥机相比, 干燥能耗费用降低60%, 干燥效率提高10%, 大大节约了能源, 顺应了当前节能减排的迫切要求。在燃油价格高企的现实情形下, 稻谷热泵干燥机的优势将更加凸显。

稻谷热泵干燥机的另一个亮点是“一机多用”。据广东省农业机械研究所张进疆副所长介绍, 稻谷热泵干燥机配装一个保鲜库体, 即可实现稻谷干燥和多种农产品的贮藏保鲜, 做到一机多用。干燥功能和贮藏保鲜功能分别通过两个蒸发器间的切换使用, 可同时作业, 也可单独作业。在稻谷干燥季节, 干燥过程中大量除湿富余的冷量供给冷库使用, 实现免费贮藏保鲜, 带来可观的经济效益。设备可以一年四季工作, 使用率大大提高。

据悉, 热泵干燥技术在腊味食品、水产和药材干燥等方面得到广泛应用, 现将此技术用于稻谷干燥, 则填补了空白。对此, 应邀参会的农业部规划设计研究院研究员沈瑾对稻谷热泵干燥机给予高度评价, 她认为, “热泵干燥技术用于稻谷是重大突破, 将干燥和贮藏相结合是重要飞跃。”

目前, 广东省农业机械研究所研发的稻谷热泵干燥机有6吨/批和10吨/批两种机型, 已列入国家农机补贴目录, 已有产品在罗定、从化、英德、紫金的四家稻谷加工企业中应用, 效益显著。“我们从广东省农业机械研究所购置了5台稻谷热泵干燥机及配套的稻谷前处理系统和集中进、出粮系统。日干燥加工稻谷量46吨, 按每亩产量800斤计算, 相当于120亩/天。经过四年的稻谷干燥生产, 每担干燥成本仅为3.5~4.5元, 给我们带来了很好的经济效益。”罗定市稻香园农业发展有限公司总经理陈炳佳说。

干燥计算第5篇

气流干燥也称瞬间干燥,属于高效的连续式固体流态化干燥方法,加热介质与待干燥的固体物料直接接触,适用于粉状物料的干燥,其设备简单、干燥强度大,被广泛应用于工业实践。其中直管式气流干燥器是在我国应用最广、发展最久远的一种干燥器,其干燥时间短,管道长度一般达10~20 m,安装的限制是制约其发展的瓶颈,为降低高度,近年来各种新型的气流干燥器层出不穷,例如多级组合式短管气流干燥器在生产上应用很普遍,干燥效果较好。干燥管的改型和强化方面也有很大发展,其中斜管式、脉冲式和倒锥式等气流干燥器仍在完善之中。干燥过程改革的主要方向是降低成本、减少设备的占地空间、改进产品质量和提高技术可靠性等[4,5,6]。

该文以管式气流干燥器作为淀粉类物料的干燥设备,选用U形等径管为干燥管,通过Fluent软件对干燥管内的气固两相流动进行了数值模拟,探讨了干燥管内气固两相流的各流场分布及热空气温度和速度对干燥效果的影响,该模型具有较好的准确性和预测能力,能形象地展示气固两相在干燥管内的流动和传热情况,为工业化管式气流干燥器的优化设计提供理论依据。

1 气流干燥系统

该文在对湿淀粉物料进行干燥的研究中,选用的管式气流干燥系统主要包括:空气加热器、螺旋加料器、送风系统、引风系统、干燥系统及分离除尘系统等,其中干燥管为倒立U形等径管,总管高2 m,直径38 mm。在倒立的U形等径管内,湿淀粉物料的输送方向为自下而上,和热空气流同向运动,经弯管处时运动方向发生改变。这种干燥管的设计在达到工艺要求的前提下可减少设备的体积和高度,从而大大减少干燥厂房面积。

空气经空气加热器加热,进入U形干燥管内,同时给入高含湿量的淀粉物料,物料在入口处与高温热气流接触并在热气流的带动下上升,随着淀粉颗粒和热空气速度及温度的不断变化,湿淀粉中的水分慢慢被除去,从而达到干燥湿淀粉的目的。旋风分离器对干燥管排出的含料气流进行气固分离,然后由袋式除尘器进一步捕集,最后由粉仓收集各处干燥后的物料,除尘后的气体由引风机排入大气。对含湿量较高的物料,可适当地采用回粉改善进料状况。

2 数值模拟

为了清楚地了解淀粉干燥系统中干燥管内气固两相流的流动及传热情况,该文对干燥段进行了准确的建模,通过Fluent软件对干燥管内的干燥过程进行了数值模拟。基于气流干燥的特点,模型建立时做以下简化假设:气固两相并流,且固体悬浮无返混现象;固体的温度和湿度变化沿轴向是均匀的;固体颗粒在管内横截面上均匀分布;淀粉颗粒为球形,粒径和水分均匀一致;管壁绝热[7,8,9]。

2.1 模型的建立

在气固两相流流动和传热相关理论及假设条件的基础上,对适用于该研究的淀粉干燥管进行建模,干燥管为倒立的U形等径管,管径38 mm,总体高度为2 m,取Y轴正方向为管高方向,重力加速度为沿Y轴负方向。

流动入口选择速度进口边界,出口为自然出流;根据各工况参数设置入口速度、温度和入口的固相体积分数;湍流定义方式为湍流强度和水力直径;壁面采用无滑移边界条件,选择基于有限体积法的分离隐式求解器,稳态求解。多相流模型选择欧拉模型,主相密度为1.293 kg·m-3,比热容为1.00 4 kJ·(kg·K)-1,动力粘度为1.79×10-5 Pa·s-1,导热系数为2.3×10-2W·(m·K)-1;次相为固体颗粒,密度为1 600 kg·m-3,比热容为1.87 kJ·(kg·K)-1,导热系数为0.190 W·(m·K)-1,颗粒平均直径取200 μm;气固两相间的曳力选用Gidaspow曳力模型,颗粒碰撞恢复系数设默认为0.9,热交换模型选择Gunn模型[10,11]。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 U形等径干燥管内压力分布

在整个干燥过程中, 管内混合相压力沿干燥管是逐渐降低的,入口处压力值最大,下降段固相和气相的混合逐步趋于均匀,直到出口处压力降到最小,且为负值。图2为气流干燥管内淀粉和热空气混合相在弯管处的压力局部图,可知:弯管处压力值发生了很大变化,外侧的压力高于内侧,这是由固体颗粒在此处的惯性作用引起的。该干燥系统是简化的动压气力输送装置,高温热空气在入口处的压力值最大,混合相在管道内流动时存在压力损失,在呈负压的出口处需设置引风机将混合相的尾气抽走。

2.2.2 U形等径干燥管内速度分布

由图3可以看出,固体颗粒进入干燥管后在一定速度的高温热气流的

输送下开始加速,速度发生剧烈变化,之后随着气固相相对速度的不断减小,颗粒完成加速过程开始等速运动,在弯管处速度有所降低,且弯管内侧的速度比外侧的大,弯管和下降管段衔接处的速度呈减小趋势,下降管段的速度又有所回升。对气流干燥过程进行理论分析可知,在干燥管入口段,初速度为零的淀粉颗粒被具有很大速度的热空气加速,此时两相间的相对速度最大,同时由于干燥管底部的固体颗粒最为密集,即传热表面积最大,因此干燥管入口段的传热传质系数最大,此处的对流传热传质效率远远大于之后的干燥段。由此可知,入口加速段对整个干燥过程的影响最大。

2.2.3 U形等径干燥管内温度分布

由图4可以看出,干燥管上升段的温度变化幅度较大,弯管处温度变化较缓慢,其内侧温度比外侧温度高,这是因为惯性力的作用使固体颗粒在弯管外侧部分聚集并与热空气再次充分混合,使得这部分的固相浓度较大,热量交换更剧烈,下降管段温度继续下降,直到出口温度达最低值。

随着高温热空气和淀粉颗粒间热交换的进行,热空气的温度逐渐下降,淀粉颗粒的温度则逐渐上升,由此实现湿淀粉物料的干燥。在该过程中,高温空气的热量从周围环境向淀粉颗粒表面传递,使颗粒表面的湿分受热蒸发,并以水蒸汽的形式自颗粒表面向周围环境扩散。淀粉颗粒表面的湿分以水蒸汽形式向周围扩散的过程也伴随着传热,因而,强化传热便能够使干燥得到强化。

2.2.4 不同参数下管内努塞尔数分布

由图5和图6可以看出,干燥过程中管内努塞尔数沿管长变化规律为:在上升管段缓慢增大,到弯管处急剧增大,下降管段又缓慢减小;入口热空气的速度取不同值时,干燥管内各个位置的努塞尔数基本保持不变,说明进气温度的变化对管内气固两相间的传热效果基本无影响;增大入口热空气的温度,气固两相间的努塞尔数也随之增大,即温度越高,管内气固两相流间的换热效果就越好。

3 结论

根据湿淀粉物料的特点及基础数据,对适用于淀粉干燥的管式气流干燥系统进行了研究,采用Fluent软件对U形等径干燥管内气固两相流的流动过程进行了数值模拟,通过不同工况下的参数设置,较真实地呈现了干燥管内气固两相流的干燥过程,分析了干燥管内气固两相流的各流场分布,并讨论了入口热空气的温度和速度变化对传热效果的影响,并得出结论:该模拟方法可用于预测各种条件下湿淀粉颗粒在气流干燥中的流动和传热过程,为实际工业试验线的建立提供了很好的指导作用。在淀粉物料干燥过程中,由于气固相对速度的影响,U形等径管弯管处的努塞尔数急剧增大,即此处传热系数达最大值;在维持热空气温度和固气比不变的情况下,入口热空气的速度变化对传热基本没影响;入口热空气温度越高,气固间的传热效果越好,为达到更好的干燥效果,在保证不改变淀粉化学性质的条件下,入口热空气可尽量选择较高温度。

摘要：淀粉干燥是淀粉生产过程中的一个关键工序,弄清干燥过程中湿物料的传热传质过程对生产效率的提高至关重要,现选用管式气流干燥器作为淀粉物料的干燥设备,对其中的U形等径干燥管进行研究,用Flu-ent软件对干燥管内的气固两相流动进行了数值模拟,通过对管内气固两相流中各流场的分析,阐述了干燥过程中湿物料的传热传质过程及机理,并探讨了各参数对管内气固两相间传热效果的影响。

关键词：淀粉,管式气流干燥,Fluent数值模拟,气固两相流

参考文献

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干燥计算第6篇

作为间接加热接触式干燥机,管束式干燥机具有安装方便、高效节能和操作简单等优点。但在实际应用的过程中,如果物料的水分和黏性较大,使用管束式干燥机就容易出现适应性差的问题,并且容易产生糊管束,从而导致设备的干燥能力下降。因此,有必要对管束式干燥机干燥能力的提升问题展开分析,以便寻求有效的途径确保干燥机的高效运行,继而更好地应用设备。

管束式干燥机结构及原理

从结构组成上来看,管束式干燥机通常由灌输干燥机主机、出料与返料螺旋和高速混料螺旋组成。其中,干燥机的主机将由传动系统、转子、冷凝水输出系统、壳体、热蒸汽系统和支撑系统等装置构成。在工作的过程中,物料从进料螺旋进入到主机的壳体内,在管束外缘的抄板作用下,物料将被抄起,并且在管束截面上均匀分布。同时,物料将沿着干燥机轴向前进,并且从干燥机一段均匀连续的被推进到另一端,然后从出料螺旋排出。在这一过程中,蒸汽将从管束一段进入封头,并且在管束中均匀分布。通过管壁接触,热能将被传递至物料容腔中,从而使物料得到加热和干燥。经过热交换后,蒸汽将得到降温,并且形成冷凝水,然后由管束另一端排出。而干燥得到的废气将被风机引出,然后经过除尘后排出。

提高管束式干燥机干燥能力的有效途径

对设备进行充分预热

在正常投放物料之前,还应对设备进行充分预热,然后逐步增加物料。所以在投料之前,需要使设备空载运行一段时间。在这一过程中,需要对设备部件的工作状态进行确定,以确保设备正常运行。而逐步增加物料,则是为了使机内的温度均匀分布,从而使设备正常运行。但是,目前管束干燥机在运行过程中通常需要利用尾气引风机将湿气排出,然后通过引入空气对湿气进行补充,使物料的热量被这些空气所吸收。所以,想要使干燥机的干燥能力得到提升,还应预先进行空气的预热处理,从而避免空气吸收物料蒸发潜热。而这样一来,就能使物料蒸发潜热得到增加,继而更好地进行物料的干燥。

做好设备工艺参数的管控

实现干燥机运行状态的优化,显然能够使干燥机的干燥能力得到提升。首先,需要做好干燥机进料水分的控制。在进料水分较大的情况下,不能将物料直接加入干燥机,以免物料在设备表面粘结。在实际应用干燥机的过程中,如果遭遇物料水分较大的问题,则可以将备用的干燥物料加入主机,然后逐步添加物料。其次,需要做好干燥机的物料填充率的控制,以便为湿气的排出留够足够的空间,从而使物料得到尽快干燥。为达成这一目标,设备操作人员需要做好物料进出机速度和抄板角度的控制,以免物料填充率过高。而不同的物料的填充率不同,还要根据具体情况进行设备运行参数的控制。此外,使干燥机的水分和热量保持平衡,才能够实现物料的迅速干燥。所以,操作人员还要做好风机设备的调整,以便加强对干燥机的热量平衡控制。具体来讲,就是需要反复调节风机前阀门,以便使出料温度和出机废气温度得到有效控制。而设备一旦出现换热管换热膨胀不均匀的问题,还要重新设计换热管和管板的连接结构,以便使运转的干燥机的换热管浮动端进行自由膨胀,继而使热膨胀不均匀导致的换热不良问题得到解决。

实现加热机内湿气的循环

从干燥机的工作原理来看,主机的蒸发潜热主要来自于管束对物料的热传导。在对一般饲料进行干燥时,需要将主机内的湿气温度控制在100℃以下,并且将管束蒸汽压力设定为600kPa。加速主机的湿气循环,能够迅速将机内湿气从顶部抽出,并且迅速补入干燥的高温气体,所以能够使管束干燥机的干燥能力得到提高。具体来讲,就是在湿气从主机顶部抽出后,利用机外列管式换热器使湿气加热升温,然后从主机底部将其送入干燥机内。为达成这一目标,还要设置循环加热机内湿气系统。该系统相当于气流干燥系统,能够为干燥机提供更多的蒸发潜热。此外,通过实现加热机内湿气循环,使管束的换热系数得到有效提高。因为,随着湿气循环速度的提升,干燥机内的物料、空气与管束的相对运动速度也将得到提升,继而使干燥机的干燥潜力得到发挥。

结语

干燥计算第7篇

广西坭兴陶具有悠久的历史, 被誉为我国的四大名陶之一[1], 目前其生产多依赖艺人的经验, 对材料、工艺等方面的研究尚未深入。其中, 坯体干燥速率、尤其是干坯孔隙率应该给予重点关注, 因为它们对企业的生产效率和后续的烧成过程有重要影响[2，3]。陶瓷坯体干燥速率一般可采用烘箱干燥的方法分时段进行测定, 但样品的置入和取出对测定结果会有明显影响, 且所得结果精度较低;虽然业内人士都知道陶瓷干坯孔隙率的重要性, 但其测定却是个难题, 常用的排代法[4]操作麻烦, 人为影响因素多, 且容易引起干坯膨胀, 一般只在有特殊要求的场合才测定。在教学、科研和生产中一般测定的是坯体的含水率和干燥收缩率。另一方面, 以粉煤灰为代表的工业废弃物在陶瓷领域的应用已经受到重视[5], 这不仅有助于消纳部分工业废弃物, 且使用得当还可以改善陶瓷产品的性能[6]。针对上述情况, 本研究提出了干燥失重-干燥收缩同步测定的方法, 利用此方法重点研究了含粉煤灰的坭兴陶塑性坯体干燥性能, 提出了干坯孔隙率的快捷测定方法。

1实验

1.1原料

本研究所用的坭兴陶土来自广西钦州某坭兴陶公司, 为硬泥、软泥两种原料土按1 ∶ 1配合的均匀混合物, 呈中度棕红色, 颗粒尺寸中位径为4.0μm, 其化学成分见表1。XRD分析表明混合土中的晶相主要有石英和方解石。粘土矿物由于颗粒细微, 其衍射峰很弱, 但DTA分析表明该混合土的粘土矿物主要是高岭石。

本研究使用的粉煤灰, 颗粒尺寸中位径为26.8μm, 其化学成分见表1。从表1可以看出, 粉煤灰与坭兴陶土的化学组成相似。

1.2坯体制备

本研究使用粉煤灰但不希望粉煤灰的掺入明显改变坯体的实验式[7], 故仅依外加剂原则考虑, 其掺量不大, 在坭兴陶混合土中的外掺入量分别为1、2、3、4、5%。陶土及粉煤灰分别烘干后, 按配比准确称量并用均化机进行混合、均化, 每一系列样品分别加入不同的水量制备成圆柱坯体。经过探索性实验, 确定适合各样品的统一水料比为0.30, 拌和用水为去离子水。在和泥、练泥过程中会有少部分水分蒸发, 故需规定环境条件、操作程序和时间, 塑性坯体制备完成后的含水率为24%左右。采用人工练泥、室温陈腐24 h、模具成型的方法制备塑性坯体, 湿坯的尺寸为 φ31 mm×15 mm。

1.3实验设备

坯体干燥及收缩性能采用课题组研发的干燥失重- 干燥收缩同步测定系统来测定。该系统的结构示意如图1所示。微型电炉的底部开一小孔, 连接样品台的支撑杆穿过该孔置于隔热板上, 隔热板平衡地固定在电子天平的秤盘上。样品测定前电子天平去皮, 随后的重量变化即为样品干燥失水过程的重量变化。电子天平的读数由计算机通过摄像头采用图像分析的模式进行采集[8], 数据采样间隔为5 s, 由此可以获得连续的样品失重曲线。炉膛温度控制为105±2 ℃。

在陶瓷坯体表面放置一根质量不大的长度测量杆 (杆底放置一小垫片与坯体接触) , 在干燥过程中坯体厚度发生变化时测量杆会在垂直方向移动, 导致测量杆伸入位移传感器的位置发生变化, 进而测量出坯体厚度的变化数据。课题组研发的位移传感器[9]在使用的量程范围内分辨率可以达到微米级的精度。位移传感器的数据采用同一台计算机采集, 采样间隔为5 s, 故可获得与干燥失重同步的坯体厚度变化曲线。实验数据处理时需要扣除测量杆的尺寸变化影响。

2实验结果与分析

2.1典型的实验结果

图2为典型的坯体失水量-坯体厚度收缩曲线。对于图2的失水量曲线, 约在5 min之前的失水率从0逐步提高, 随后直至20 min左右的时间段, 干燥基本处于恒速阶段, 随后失水量的增幅逐渐减小。样品一般可在50 ~ 60 min左右达到重量平衡, 本文规定重量平衡后的失水率为100%。

对于图2的坯体厚度变化曲线, 干燥开始的2 ~ 3min内坯体呈现微小的膨胀, 随后形成一个小膨胀峰, 峰值仅为数十微米, 其原因在于坯体受热时会发生膨胀, 水分蒸发又会导致收缩, 峰前由坯体受热膨胀为主导, 小峰右侧表明坯体失水收缩的幅度超过了坯体受热膨胀的幅度。值得注意的是, 坯体在干燥一定时间后停止收缩, 厚度尺寸不再随干燥时间延长而明显变化, 但此时的坯体尚未完成干燥, 仍有部分水分尚未脱除。

干燥失重- 尺寸收缩的同步测定可以很好地表征干燥-收缩的机理。陶瓷坯体具有可塑性时, 理论上坯体中的颗粒表面均有水膜包裹着[10], 颗粒之间通过水膜相接触, 孔隙之中也填充了水。随着干燥逸出的水分越来越多, 水膜越来越薄, 颗粒间的距离越来越近, 导致坯体的宏观尺寸逐渐收缩。当颗粒表面的水膜变得很薄乃至不连续时, 颗粒与颗粒相互接触, 在热应力和剩余液体的表面张力作用下颗粒可能发生微观的位置调整或错动, 但宏观尺寸不再明显变化。由于孔隙中尚有水分, 导致此后的干燥过程依然会发生失重。如果坯体体系的堆积密度高, 颗粒间的孔隙少, 收缩停止时剩余的水分就少。

2.2实验结果分析

2.2.1粉煤灰掺量对塑性坯体干燥失水率的影响

图3的粉煤灰掺量与坯体失水率关系反映了三个特点, 一是不论是7 、15或20 min的干燥时间, 粉煤灰掺量为1%时坯体的失水率都明显增大, 2%掺量时又明显下降, 然后随着粉煤灰掺量的继续增加而持续缓慢下降;二是在干燥时间较长、失水率较高时, 5%粉煤灰掺量的坯体失水率开始有所升高。

对干燥失重曲线上每一点做切线并计算出切线的斜率, 就可以得到该点对应的失水速度, 失重曲线上的最大切线斜率对应的则是样品最大的失水速度, 最大失水速度一般发生在干燥开始后的10 ~ 15 min范围内。图4为各个样品的最大失水速度与粉煤灰掺量的关系。从图4可以看出, 在粉煤灰掺量合适 (2 ~ 4%) 时, 最大失水速度明显降低, 且低于空白样的最大失水速度。

干燥过程中失水率低或最大失水速度低, 表明水分在坯体内的扩散速率降低, 其原因在于粉煤灰的形状效应。煤粉在高温燃烧过程中容易使细小的粉煤灰表面出现液相, 在表面张力作用下粉煤灰颗粒容易呈细小的微珠。在陶瓷坯体制备过程中粉煤灰微珠容易滚动[10], 形成局部微搅拌, 有助于坯体水分与粘粒的进一步分散, 坯体质地均匀性提高, 毛细孔平均尺寸也会有所下降, 导致水分的内扩散速率下降。

粉煤灰掺量为1%的失水率或最大失水速度明显升高, 本文研究过其原因。在40 mL坭兴陶土-水悬浮液中分别加入1、2、3 mL粉煤灰浸出滤液, 陶土的zeta电位分别从空白样的-3.53 mV分别上升到-4.41 mV、 -4.46 mV和-4.48 mV, 表明粉煤灰掺入粘土-水系统可以改变其zeta电位。zeta电位 (绝对值) 的升高会减弱颗粒间的吸引力[11], 干燥时利于水分的排出。粉煤灰掺量适当提高后, zeta电位继续升高的幅度并不明显, 粉煤灰掺入量很少的时候, zeta电位的影响为主导, 随着粉煤灰掺量的增加, 由其带来的微搅拌分散作用超过了zeta电位影响。

由于粉煤灰的尺寸远远大于粘粒的尺寸, 过大的粉煤灰掺量会导致坯体中存在较多的大孔隙, 其影响超过了微珠分散的作用, 与zeta电位的作用一起提高了水分的内扩散速率, 所以在更大掺入量 (如5%) 时坯体的失水率或最大失水速度又有所上升。

2.2.2坯体停止收缩时的含水率

坯体收缩结束所需时间与对应失水率的关系参见图5。从图5可以明确看出两者之间存在良好的正关系, 用对数模式回归得到的相关系数R超过0.99。

图5反映的趋势是坯体越早达到收缩结束, 对应的失水率越低, 但这只是表面现象。此时的低失水率表明坯体中尚保留较多的水分, 由于此时坯体中颗粒相互接触, 颗粒的表面水膜已不连续或消失, 较多的剩余水分只能存在于颗粒间的孔隙中。一旦干燥平衡时这部分水分还是会被排除掉, 但坯体却不再明显收缩, 故会给坯体留下较多的气孔, 导致干坯孔隙率较高。反之, 若收缩结束需要较长时间, 则干燥后的坯体孔隙率较低。所以, 通过干燥失重- 干燥收缩同步测定所获得的数据, 可以了解干燥收缩停止时坯体中的剩余含水量, 这对坭兴陶坯体性能的掌握很有帮助。

据此, 考察各样品在收缩结束时的具体时间和对应的剩余含水率变化特点, 结果参见图6。从图6可以看出, 收缩停止所需的时间与坯体剩余含水率高低互为反向, 如1%粉煤灰掺量的坯体达到收缩结束需时最短, 对应的剩余含水率也最高。

2.2.3干坯孔隙率

在干燥过程中, 陶瓷坯体停止收缩时尚有一定含水量的现象很早就已经被认识[12], 这部分剩余水往往被称为气孔水。但由于测量手段和精度的限制, 这个现象的应用研究少有报道, 而本文则高度重视这个现象。据前面的论述, 如果把坯体停止收缩时的剩余含水量看成表达干坯中气孔总量的一种度量, 根据失重数据则可以计算出干坯的孔隙率。干坯体积包含了粉体颗粒的实体积和全部气孔的体积, 而全部气孔的体积可以用坯体在收缩结束时剩余含水量 (即气孔水) 的体积来代替, 故干坯孔隙率的计算公式可按下式进行:

实验中干坯体积在样品冷却至常温后测量, 而剩余水则在干燥条件下实测, 两者状态的相互校正比较麻烦, 为简单起见, 式中剩余水体积按照1.00 g/cm3的密度计算而得。本研究的实测数据和计算结果见表2, 表中干坯孔隙率的变化趋势与图6的剩余含水率变化趋势是相似的。

从表2可以看出, 随着粉煤灰的适量掺入 (2 ~ 4%) , 干燥后坯体的孔隙率比不掺粉煤灰的空白样有所降低, 即干坯的密度有所提高, 这将有利于后续的烧成过程, 也为工业废弃物如何调整坯体性质提供了重要的依据。

与测定干坯孔隙率的液体排代法相比, 此法避免了样品需要烘干、抽真空、煤油浸润、擦干称量等繁琐的环节, 能够减少人为影响, 明显缩短测定周期, 同时也为专业实验教学的创新提供了有益的思路和案例。

3结论

1) 干燥失水-干燥收缩同步测定的方法可以获得坭兴陶塑性坯体的干燥收缩特性, 为塑性坯体干燥性能提供了有用的评价指标, 同时还可获得干燥收缩结束时坯体中剩余的含水量, 为计算干燥后坯体孔隙率提供了重要的思路和方法。

2) 当掺入1%的粉煤灰时, 坭兴陶塑性坯体的最大失水速度明显增大, 保水性能下降, 此现象源于粉煤灰的少量掺入即可提高粘土的zeta电位, 减弱了颗粒间的吸引力。掺入2 ~ 4%的粉煤灰可使坯体最大失水速度明显降低, 保水能力提高, 其中粉煤灰的微珠效应在坯体制备过程中起了重要的作用。

3) 塑性坯体收缩结束所需的干燥时间与对应的失水率有着良好的正关系, 即坯体收缩结束所需的干燥时间越长, 坯体的失水率越高, 反之亦然, 故该时间可以用于评价塑性坯体的干燥性能。

4) 根据本文提出的干坯孔隙率计算方法, 随着粉煤灰掺入量的逐步增加, 坭兴陶干坯孔隙率呈现了先增加、后降低、再增加的特点, 含2 ~ 4%粉煤灰的坭兴陶干坯可获得比空白样还低的孔隙率。

参考文献

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