对流换热原理在气流干燥器中的应用

对流换热原理在气流干燥器中的应用

引言：气流干燥器是通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。气流干燥器一般是横卧安放，物料由一端加入，靠桨叶的推动和自身重力作用移动，从另一端排出。设备结构紧凑，单位体积内传热面积大；操作弹性大，适应性广；由于叶片的搅拌作用，物料的受热面不断得到翻新，使干燥均匀。

气流干燥器简介：

一、发展历史：

远古以来，人类就习惯于用天然热源和自然通风来干燥物料，完全受自然条件制约，生产能力低下。随生产的发展，它们逐渐为人工可控制的热源和机械通风除湿手段所代替。

近代气流干燥器开始使用的是间歇操作的固定床式气流干燥器。19世纪中叶，洞道式气流干燥器的使用，标志着气流干燥器由间歇操作向连续操作方向的发展。回转圆筒气流干燥器则较好地实现了颗粒物料的搅动，干燥能力和强度得以提高。一些行业则分别发展了适应本行业要求的连续操作气流干燥器，如纺织、造纸行业的滚筒气流干燥器。20世纪初期，乳品生产开始应用喷雾气流干燥器，为大规模干燥液态物料提供有力的工具。40年代开始随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式气流干燥器相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式气流干燥器则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波气流干燥器。

二，实际用途：

干燥过程需要消耗大量热能，为了节省能量，某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发，再在气流干燥器内干燥，以得到干的固体。

干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形，陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化气流干燥器越来越广泛地得到应用。

在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递，保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压，保证热源温度高于物料温度。热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。内部湿分向表面扩散并汽化，使物料湿含量不断降低，逐步完成物料整体的干燥。物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制；而后，只要干燥的外部条件不变，物料的干燥速率和表面温度即保持稳定，这个阶段称为恒速干燥阶段；当物料湿含量降低到某一程度，内部湿分向表面的扩散速率降低，并小于表面汽化速率时，干燥速率即主要由内部扩散速率决定，并随湿含量的降低而不

断降低，这个阶段称为降速干燥阶段。

三、工作原理：

对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程。在工程上，对流传热是指流体固体壁面的传热过程，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。因此与流体的流动情况密切相关。热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。由流体力学知，流体流经圆体壁面时，在靠近壁面处总有一薄层流体顺着壁面做层流流动，即层流底层。当流体做层流流动时，在垂直于流动方向的热量传递，主要以热传导方式进行。由于大多数流体的导热系数较小，故传热热阻主要集中在层流底层中，温差也主要集中在该层中。而在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合，可近似的认为无传热热阻，即湍流主体中基本上没有温差。在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，在过渡区内，热传导与热对流均起作用使该区的温度发生缓慢变化

从对流传热过程的分析可知这一个复杂的传热过程影响对流传热速率的因素很多，为了方便起见，工程上采用一种简化的方法，即将流体的全部温差集中在厚度为δ的一层薄膜内，但薄膜厚度θ难以测定，所以用α代替λ/δ将对流传热速率写成如下形式：

Q= а（tw-tf )F （w）

or q= а（tw-tf ) （w/m2）

此式称为对流传热速率方程式，亦称牛顿冷却定律。

式中：Q－对流传热速率。（热流量rw）

F——与流体接触的壁面面积m2

а——对流换热系数w/m2·℃

ΔT—对流传热温度差（℃/K）

Tw—与流体接触的壁面温度，℃

公式说明：

1. Δt= tw-tf 永远取正值。(流体被冷却或者流体被加热)

2. а大小是对流换热q计算的关键，与许多因素有关：流体物性λ,μ,ρ,Сp ，换热表面形状布置，流速等。

气流干燥器的工作原理是气流干燥管直径交替缩小和扩大，根本是改变对流换热能力。采用气流干燥管可以充分发挥加速段具有较高的传热传质作用，以强化干燥过程。加入的物料颗粒首先进入管径小的干燥管内，颗粒得到加速，当其加速运动终了时，干燥管径突然扩大，颗粒依靠惯性进入管径大的干燥管与从下部进入的高速螺旋向上的热空气接触，依靠对流换热，使水分蒸发而达到干燥目的。颗粒在运动过程中由于受到阻力而不断减速，直到减速终了。干燥管又突然缩小，这样颗粒又被加速，如此重复交替地使管径缩小和扩大，那么颗粒的运动速度也交替地加速和减速，空气和颗粒间的相对速度和传热面积均较大，从而强化了传热传质速率，同时在扩大管内气流速度下降也相应增加了干燥时间。外界空气经由间接式燃油热风炉加热到180℃左右进入干燥管，湿物料由螺旋加料器送入气流干燥加速管内，物料在加速管内被高速热气流分散，并悬浮在热空气中，气固作并流运动，热空气将热量传递给物料，物料吸收热量后迅速进行热质交换，蒸发出来的水分进入空气中，因而在气

流干燥管中不断进行着气固间的传热传质过程，直到干燥管的上部时，物料水分已接近临界湿含量(即物料恒速干燥过程结束)之后物料干燥进入减速干燥，当混合物进入旋风分离器，湿空气与物料分离，干物料由旋风下部回收，尾气由引风机排入大气中。

四、产品分类

4.1直管气流干燥机

直管气流干燥机湿料由加料器加入直立管，空气经鼓

风机鼓入翅片加热器，加热到一定温度后吹入直立管，

在管内的速度决定于湿颗粒的大小和密度，一般大于颗粒

的沉降速度（为10~20米/秒）。已干燥的颗粒被强烈气流

带出，送到两个并联的旋风分离器分离出来，经螺旋输送

器送出，尾气则经袋式过滤器放空。由于停留时间，对某

些产品往往须采用二级或多级串联流程。

4.2旋风气流干燥器

旋风气流干燥器的一种。热气流夹带被干燥的物料颗粒以

切线方向进入旋风干燥器内，沿热壁产生旋转运动，使物料颗

粒处于悬浮旋转运动状态而进行干燥。器壁根据需要可设蒸汽

夹套。干燥过程大为强化。此外，由于颗粒与器壁撞击而有所

粉碎，气固相的接触面积增大，也强化了干燥过程。对于憎水

性强、不怕粉碎的热敏性散粒状物料特别适用。但对含水量高、

黏性大、熔点低、易升华爆炸、易产生静电效应的物料还不适用。

4.3脉冲气流干燥器

脉冲气流干燥器是气流干燥器的一种。干燥操作时，采用

管径交替缩小或扩大，使气流和颗粒作不等速流动，气流和颗

粒间的相对速度与传热面积都较大，从而强化传热传质速率。

此外，在扩大管中气流速度大大下降，也就相应地增加干燥时

间。

结语：

对流传热在现代工业中应用极其广泛,几乎遍及各个领域。在气流干燥器的生产流程中