94 恒定干燥条件下的干燥速率
干燥时间的计算
5-3-2干燥时间的计算依空气状况在干燥器内的变动，分为：恒定干燥操作：大量空气干燥少量物料，间歇操作，空气速度及空气与物料的接触方式不变。
变动干燥操作：连续操作的设备中,空气沿其流向、温度等参数不断地降低, 湿度逐渐增加。
一、恒定干燥条件下，干燥时间τ的计算1.干燥实验与干燥曲线恒定干燥条件下的间歇干燥实验:W’—湿料重G’—一批干料重X=W’/G’-1干燥速率曲线干燥速率—单位时间，单位干燥面积上气化的水分量。
(5-46)典型的干燥速率曲线(a)(b)某些多孔物料中水分靠“毛细管”作用恒速干燥和降速干燥的工作机理1).恒速干燥:物料在该段干燥时，表面始终保持着润湿。
在恒定的干燥条件下干燥时，物料表面的温度θ=tW(定)，则Hs,tw定。
它类似于测湿球温度。
对照tw ： (5-9)Q=αS(t- tw) (5-10) N=kHS(Hs, tw-H)此段内，空气传给物料的显热Q等于水分气化所需要的潜热Q'。
稳定时：dQ=rtW dW'→dW'=dQ/rtW(5-49)U=kH (HS,tW-H)S=α/rtW(t-tW) (5-50)2).降速干燥阶段(内部迁移控制阶段)当在整个干燥表面积范围内物表的pe 刚刚<ps时，物料含水量是临界含水量Xc。
以后随着(N -Ne)↑→U↓。
降速干燥的U取决于物料本身的结构、形状及尺寸；与干燥介质的状况关系不大。
造成Ne<N的原因可能是：•①全部非结合水分已经蒸发完毕，物表p e<p s；•②虽然还有些非结合水分，但物料的某些局部表面已经干燥，或水分气化面向物料内部迁移，此时全S内p e<p s。
•影响Xc大小的因素:•Xc↑→较早地进入降速干燥阶段→τ↑、Q↑、L↑…•①干介速度u 当处理同一种物料时，∵传质速率k H=(1/δ),∴u↑→δ↓→k H↑→N↑,但同时可能∵Ne<N→局部表面干化→pe<ps→Xc↑。
干燥速率曲线的测定实验
实验四 干燥速率曲线的测定实验一、实验目的1．熟悉常压洞道式（厢式）干燥器的构造和操作；2．测定在恒定干燥条件（即热空气温度、湿度、流速不变、物料与气流的接触方式不变）下的湿物料干燥曲线和干燥速率曲线；3．测定该物料的临界湿含量X 0；4．掌握有关测量和控制仪器的使用方法。
二、基本原理当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。
根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。
第一个阶段为恒速干燥阶段。
在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的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，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。
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（等于热空气湿球温度），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，便进入降速干燥阶段。
此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。
故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。
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少，故干燥速率不断下降。
恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。
恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。
本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。
⒈ 干燥速率的测定 ττ∆∆≈=S W Sd dW U ''（7-1）式中：U —干燥速率，kg /（m 2·h ）；S —干燥面积，m 2，（实验室现场提供）；τ∆—时间间隔，h ；'W ∆—τ∆时间间隔内干燥气化的水分量，kg 。
干燥速度和干燥时间
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3、干燥总时间
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2）干燥机理 a）恒速干燥阶段 干燥速度由水的表面汽化速度所控制 b）降速干燥阶段
过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。
c）临界含水量
临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而
异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加 而增大。
三、干燥时间的计算
1、恒定干燥条件下干燥时间的计算
3）影响恒速干燥的因素 •空气流速的影响 •空气湿度的影响 •空气温度的影响
2、降速干燥时间的计算
Gc X1 dX 2 X 2 A U
不论干燥曲线如何，都可用图解积分法 当干燥曲线为直线或近似直线时
U kX X X
UC 0 kX X X
GC dX U C A d
固体干燥3-干燥速率与干燥过程计算
• 非等焓干燥过程 • 实际干燥过程：
ìDq > 0
îíQ损 > 0
Þ G2 (cpm1q2 - cpm2q1 ) > 0
• a、则I2<I1 • 如BD线
• 若t2不变 • HD<HC • ÞV增多
• b、若Q补>0 • 则I2>I1, 如BE线 • 若t2不变 • HE>HCÞV减少 • 求解
的） • H1 = H0 • Q损可求取，一般 Q损= 5～10%Q
• q2：实验或经验确定
• t1：选定
ì选择：t 2或j 2
求解V和Q补
Þ
ïí* 选择：Q补（Q补
=
0）或（H
2、j
2、t
）中的一个
2
ïî须对干燥过程进行简化 ，因空气出口状态不确 定）
求解V和（H
2、j
2、t
）中的另一个
2
（1）理想干燥器 （理想干燥过程，绝热干燥过程）
NA
= - GC dX
A × dt
=
KX( X
- X*)
ò ò •
•
其中：KX为系数，即CE直线的斜率 积分上式， t2 dt = GC XC dX
KX
=
(NA )恒 XC - X *
0
AK X X2 X - X *
t2
=
GC ( X - X *) A（N A）恒
ln
XC X2
-
X X
* *
三、连续干燥过程的数学描述
• b、废气带走的热量：V×I2 • c、干燥器的热损失：Q损
（3）干燥器内总热量衡算式
VI1 + GCcpm1q1 + Q补 = VI2 + GCcpm2q2 + Q损 Þ Q补 = V（I2 - I1）+ GCcp（m q2 - q1）+ Q损
干燥速率曲线实验报告
干燥实验一、干燥速率曲线的测定（一）实验目的1、熟悉常压式干燥器的构造与操作方法；2、测定物体在恒定干燥条件下的干燥速率曲线。
（二）实验原理1．干燥速度U 等于每秒钟从每单位被干燥物料的面积上除去水份的质量，即：τAd dW U = 式中：dW —从被干燥物料中除去的水份质量，kgA —干燥面积，m 2τ—干燥时间，s而因dW =—GcdX （负号表示物料含水量随干燥时间的增加而减少）)(τττ∆∆=-==X A G Ad dX G Ad dW U c c G c —湿物料中绝对干料的质量，kgX —湿物料含水量，kg 水/kg 干料2．影响干燥的因素很多，它与物料及干燥介质（空气）的情况都有关系，在干燥条件不变（即空气的温度、湿度及速度恒定）时，对于同类物料，当厚度和形状一定时，u 是物料湿含量X 的函数。
U=f(X)表示此函数的曲线，称为干燥速率曲线。
（三）设备和流程如图4-25，空气由风机输送，经孔板流量计，电加热器流入干燥室，然后入风机，循环使用，电加热器由晶体管继电器控制，使空气温度恒定，干燥室前方，装有干湿球温度计，干燥室后也装有温度计，用以测量干燥室内的空气状况，风机出口端的温度计用于测量流经孔板时的空气温度，这温度是计算流量的一个参数。
空气流量由阀4（蝶形阀）调节，任何时候此阀都不允许全关，否则电加热器就会因空气不流动而过热，引起损坏。
如果全开了两个片式阀门（14）则除外，风机进口端的片式阀门用以控制系统所吸入的生气量，而出端的片式阀则用于调节系统向外界排出的废气量。
如试样数量较多，可适当打开这两个阀门，使系统内空气温度恒定，若试样数量不多，也可以不开启。
（四）实验步骤1、事行将试样放在电热干燥箱内，用90℃左右的温度烘约2小时，冷却后称量，得出试样绝干质量（G c ）。
2、实验前将试样加水，稍侯片刻，让水分均匀扩散至整个试样，然后称取湿试样质量。
3、检查天平是否灵活，并配平衡，往湿球温度计加水，通电启动风机，调节阀门至预定风速值，开加热器，调节温度至预定值，待温度稳定后，才开干燥室门将湿试样放入。
食品工程原理实验——干燥曲线
实验四干燥速率曲线与干燥速率曲线测定一、实验目的1. 测定在恒定干燥条件下，物料的干燥曲线与干燥速率曲线。
2. 用湿球法测定空气的湿度。
3. 测定恒速干燥阶段的传质系数KH和传热系数a。
4. 了解影响干燥速率曲线的主要因素。
二、实验原理1. 恒定干燥条件——干燥过程中湿空气的温度、湿度、流速及物料接触方式均保持不变。
2. 干燥速率U=﹣，kg/(m2·s)U=﹣Gc——绝干物料质量，kg； A——物料干燥表面积，m2 。
以干燥时间τ对物料干基含水率X作图，可得干燥曲线，如图a所示。
以物料干基含水率X对干燥速率U作图，可得干燥速率曲线，如图b所示。
1.传质系数和传热系数a的确定在恒定干燥条件下，当干燥处于恒速阶段时，干燥速率可用湿度差或温度差作为推动力表示为： U=KH（HW﹣H） U=a(t﹣tW)2.湿球温度湿球温度是湿空气与湿纱布之间传热和传质达到稳态时湿纱布的温度，其关联式可由上述传热方程和传质方程推出：tW=t﹣（Hw﹣H)当空气速度为3.8~10.2 m/s 范围时，a/KH≈0.96~1.005三、实验装置1、实验装置为对流箱式干燥器。
装置结构及流程图可参见实验仿真系统干燥实验界面图。
2、本装置采用电子天平和数码显示仪表。
四、实验方法1. 首先熟悉实验原理和实验装置结构及流程。
2. 本实验物料为砖片，规格如下：Gc=100g 尺寸为100mm*40mm*8mm3. 正确操作顺序：（1）启动风机，用风量调节阀调节流量；（2）调节温控器至合适温度后，接通加热器；（3）当达到恒定温度（继电器的红绿指示灯交替亮灭）后，将物料装入干燥室内，关上干燥室门，同时尽快按动计时器按钮，此时，可按动按钮，调入原始数据记录表格；（4）按动按钮可计入当前一组原始数据，在物料含水率范围内分为15~25个数据点；（5）按动按钮，进入数据处理环境界面，可以查看数据处理结果表格，并可按动按钮，选择或按钮，查看曲线图及其回归方程式；（6）如认为数据点分布不合适，可按动返回实验环境，按动按钮后重新做实验。
实验四 干燥操作及干燥速率曲线的测定 (1)
实验四 干燥操作及干燥速率曲线的测定一、实验目的1. 了解厢式循环干燥器的基本流程、工作原理和操作方法。
2. 掌握物料干燥曲线的测定方法。
3. 测定湿物料的临界含水量X C 。
二、基本原理干燥曲线即物料的自由含水量X 与干燥时间τ的关系曲线，它反映了物料在干燥过程中，自由含水量随干燥时间变化的关系。
物料干燥曲线的具体形状因物料性质及干燥条件而有所不同，其基本变化趋势如图1(a)所示。
干燥曲线中BC 段为直线，随后的一段CD 为曲线，直线和曲线的交接点为 2. 干燥速率曲线干燥速率曲线是干燥速率N A 与物料的自由含水量Xc 的关系曲线。
因为干燥速率不仅取决于空气的性质和操作条件，而且还与物料的结构及所含水份的性质有关，所以干燥速率曲线只能通过实验测得。
干燥速率由恒速阶段转为降速阶段时的含水量称为临界含水量，用Xc 表示。
此点称临界点。
干燥速率是指单位时间内从被干燥物料的单位汽化面积上所汽化的水分量，用微分式表示，即为：τAd dWN A =（1） 式中N A ：干燥速率, kg/m 2 s ；A ：被干燥物料的汽化面积, m 2； d ：干燥进行时间, s ；dW ：在dτ时间内从被干燥物料中汽化的水份量, kg 。
实验可按下式作近似计算τ∆∆=A WN A （2） 式中：τ：干燥进行时间, s ；dW ：在τ时间内从被干燥物料中汽化的水份量, kg 。
从（2）式可以看出，干燥速率N A 为Δ区间内的平均干燥速率，故其所对应的物料含水量X 为某一干燥速率下的物料平均含水量X 平。
（3）式中：X 平：某一干燥速率下，湿物料的平均含水量，kg 水/kg 绝干物料； G i , G i+1：分别为Δτ时间间隔内开始和终了时湿物料的量, kg ； G C ：湿物料中绝干物料的量, kg 。
由X 平~τ、N A ~X 平作图可分别得到干燥曲线和干燥速率曲线。
三、实验装置流程及主要设备1. 实验装置流程干燥实验装置流程示意图如图所示。
干燥速率和干燥技术
5.3 干燥速率和干燥过程
5.3.2.2 降速干燥阶段 水分在物料内部扩散的机制主要有液体扩散理论和毛细管理论。 在降速阶段的前期，水分的移动靠毛细管作用力，而在后期，水 分移动是以扩散方式进行的。 物料内部的传质采用稳态Fick定律： j Aw DAB
在非等温度条件下，存在热湿传导，又称为Luikov效应，在不可 逆热力学中将这种由温差引起的质量传递现象称为Soret效应。 jAt Dt 0 st t 物料中水分在压力梯度作用下所产生的质量扩散通量jAp可表示为：
1) 干燥速率不随物料的含水量改变而变化；
2) 干燥速率由物料表面的水分汽化速率所控制(外扩散控制)， 干燥速率取决于干燥条件。
4
5.3 干燥速率和干燥过程
（2）降速干燥阶段 分析：第一降速阶段，物料内部水分向表面扩散的速率已小于物料 表面水分的汽化速率，实际汽化面积减小，干燥速率下降。 第二降速阶段，水分的汽化面由物料表面移向内部，使传热 和传质途径加长，造成干燥速率下降。 降速干燥特点： 1)干燥速率取决于水分在物料 内部的扩散(内扩散)速率，与 物料本身的结构、形状和尺寸 等因素有关，受外部干燥介质 的条件影响较小。 2)水分迁移形式：主要以液态 形式扩散，少量以气态形式扩 散。
j∝m 0.49~ 0.59
⑵ 空气中的含湿量 空气温度不变，空气的含湿量降低，传质推动力（dw-d）将增大， 干燥速率增加。 t t ⑶ 空气温度 j2 j1 2 w 2 w1 t1 t w1 w 2 (4) 空气与物料接触方式 物料颗粒悬浮分散在气流，物料的干燥速率较大； 气流掠过物料层表面时，干燥速率较低 ； 气流垂直穿过物料时，干燥速率介于两者之间。
τ1=1.33 h τ2 =3.67 h
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XC 0 E X X*
典型的干燥速率曲线(恒定干燥条件)
曲线分析：
◆
AB（或A’B）段： A点代表时间为零时的情况, AB为湿物料不
稳定的加热过程。
◆ ◆
BC段：在BC段内干燥速率保持恒定，称为恒速干燥阶段。
C点：由恒速阶段转为降速阶段的点称为临界点，所对应湿物料 的含水量称为临界含水量，用Xc表示。 CDE段：随着物料含水量的减少，干燥速率下降，CDE段称为 降速干燥阶段。不同类型物料结构不同，降速阶段速率曲线的形 状也不同。
例：少量湿物料与大量湿空气相接触。
▲
干燥曲线及干燥速率曲线 干燥曲线： X ~ τ 关系；
干燥速率曲线： R ~ X 之间的关系。
0.7
A’
0.6 A 0.5 0.4
B
X
0.3 0.2 0.1 0 2 4
C
D
E
10 12 14 16
6
8
τ/h 干燥曲线
降速阶段 R C X* D
恒速阶段 B
A’
A
（2）液体扩散理论
▲
主要论点：
在降速干燥阶段中，湿物料内部的水分不均匀，形成了浓度梯 度，使水分由含水量较高的物料内部向含水量较低的表面扩散， 然后水分在表面蒸发，进入干燥介质。
▲
干燥速率完全决定于物料内部的扩散速率。此时，除了空气
的湿度影响表面上的平衡值外，干燥介质的条件对干燥速率已
无影响。
▲ 非多孔性湿物料的降速干燥过程较符合扩散理论。
湿分移动主要靠毛细管作用力； 这类物料的临界含水量较低，降速段一般分为两个阶段。
▲ ▲
② 非多孔性物料，如肥皂、浆糊、骨胶等。主要特征：
▲ ▲ ▲
结合水与固相形成了单相溶液； 湿分靠物料内部存在的湿分差以扩散的方式进行迁移； 这类物料的干燥曲线的特点是恒速阶段短，临界含水量；
较高，降速段为一平滑曲线。
（复杂的网状结构的孔道，水分在多孔性物料中 的移动主要依靠毛细管力。
多孔性物料的干燥过程较好地符合这一理论。
R C B R C B
D
E
O X
E
O
X
多孔性陶制平板的干燥速率曲线
非多孔性粘土板的干燥速率曲线
◆ ◆
E点：E点的干燥速率为零，X*即为操作条件下的平衡含水量。
注意：干燥曲线或干燥速率曲线是在恒定的空气条件下获得的，对 指定的物料，空气的温度、湿度不同，速率曲线的位置也不同。
9.4.3 湿分在湿物料中的传递机理
（1）湿物料分类 ① 多孔性物料，如催化剂颗粒，砂子等。主要特征：
▲
水分存在于物料内部大小不同的细孔和通道中；
9.4 恒定干燥条件下的干燥速率 9.4.1 干燥速率曲线
（1）干燥曲线与干燥速率曲线 干燥速率定义： 以湿度差表示: 以温度差表示:
▲
dmW mc dX R Ad Ad
Rk (H H )
H W
R
恒定干燥条件
h (t t w ) rw
干燥过程中，空气的湿度、温度、速度及与湿物料的接 触状态不变。