第3讲 干燥过程的物料平衡和热平衡.

干燥器：湿物料在干燥器中与热空气或热烟气接触，物料受热 后水分蒸发而得到干燥，被蒸发的水分随干燥介质流 出干燥器； 预热器或燃烧室：冷空气在预热器中被加热到一定温度或者燃 烧室产生高温烟气并与冷空气混合，将冷空 气加热到一定温度；
通风设备：使空气或干燥介质产生流动，如风机、管道、烟囱等;
辅助设备：如喂料设备、输送设备、收尘设备等;
(6-28) (6-29)
(三) 干燥过程中水分蒸发量的计算
1、用干基水分计算 令u1(%)和u2(%)为干燥前后物料的干基水分，Gd为绝干物料 量(kg/h)，则每小时在干燥器中蒸发的水分量为：
mw u1 u 2 Gd 100 (kg / h )
(6-30)
2、用湿基水分计算 令Gw1和Gw2为干燥前后的湿物料量(kg/h)， 相应的湿基水分 为v1(%)和v2(%)，则每小时的水分蒸发量为:
蒸发1kg水时干混合气的用量lml为：
L ml 1 lml (kg干混合气 / kg水) m w x m 2 x m1
(6-36)
式中，Lml为干混合气的消耗量(kg干混合气/h)； xm2、xm1为离开和进入干燥器的混合气湿含量(kg水汽 /kg干混合气)。 蒸发1kg水时高温烟气的用量lfl为：
x0
x2 x2 0
x
3、由等x0线和等t1线在I-x图上的交点B可得离开加热器即进干 燥器的空气的初状态参数：x1=x00.0105kg水汽/kg干空气， I1112kJ/kg干空气。 4、等I1线与等t2线交于C(x20,I20)点， 即理论干燥过程的终态点。在等 x20线上用比例尺量取线段CC1，满 足
c
w ml
100 v 2 v2 c ml cw 100 100
(6-41)
(3) 在干燥器中对干燥介质的补充加热量qad
如专设的电加热器、蒸汽加热或烘干兼粉磨系统中研磨体摩 擦、碰撞产生的热量等。
2、干燥器的热量支出： (1) 废气带走的热量q2
q 2 lI 2
(2) 物料离开干燥器带走的热量qm2
(1) 作出理论干燥过程的终态点C； (2) 根据I2=I1-Δ(x20-x1)求出同一湿 含量x20时实际干燥的热含量I2并作 出等焓线，等焓线与等湿线的交点 C1(x20,I2)即为实际干燥过程的一个 状态点； (3)连接B与C1，线段BC1与等温线t2 的交点D(x2,I2)即为实际干燥过程的 终态点。 t1 B t2 D C
物料带走热量qm2 运输设备带走热量qc
1、进入干燥器的热量
(1) 干燥介质带入的热量q1
q1 lI1
式中，l为蒸发1kg水时干燥介质的用量，(kg/kg水)； I1为干燥介质进入干燥器时的热含量，(kJ/kg)。 (2) 湿物料带入的热量qml (6-39)
Gw2 w c ml t1 (6-40) mw 式中，t1为物料进入干燥器时的温度，C； cw为水的比热容，近似可用4.19kJ/(kg.C); Gw2为离开干燥器的物料量，kg/h； cmlw为湿基水分在v2(%)、温度为t1C时物料的比热容，看作 绝干物料的比热容 cm和相应水分比热容的加权平均值，即 q m1 c w t1
l0 fl
1 n
0 l a0 nl fl
(kg冷空气/ kg水)
蒸发每千克水需用的燃料量为：
m0 f l0 fl 1.293Va0 1 (A ar 9H ar M ar )%
(6-4Biblioteka Baidu)
或
q m0 f Qgr
(6-49)
2、Δ<0的实际干燥过程 Δ<0，即qad>qm+qc+ql，表示在干燥器中补充的热量大于热损失之 和，此时干燥介质离开干燥器时的热量大于其进入干燥器时的热 含量，即I2>I1。
(一) 理论干燥过程的图解
步骤：如图所示： (1) 由等温线t1及等湿线x1在I-x图上 得交点B； (2) 由B点作等焓线I1，该线与等温线 t2交于C点，即理论干燥过程的终态 点，C点对应的坐标为x20及I20=I1。 I t1 t20 O x1 I1 B C x2 0
x
(二) 实际干燥过程的图解
故
(6-33) (6-34)
mw mw L (kg干空气 / h) x 2 x1 x 2 x 0
令蒸发每千克水需用的干空气量为l(kg干空气/kg水)，则有：
L 1 1 l m w x 2 x1 x 2 x 0
(kg干空气 / kg水)
(6-35)
2、用高温烟气作干燥介质时
理论 干燥 过程
q ad q m q c q1 0
qad q m qc q1 0
理论干燥过程：没有热损失，干燥介质 的用量及热耗最小，热效率最高。
用热空气作干燥介质时
蒸发每千克水需用的干空气量l及热耗q0分别为： 1 1 l0 0 0 (kg干空气 / kg水) x 2 x1 x 2 x 0
度t0=20C ，相对湿度0=70%，在加热器中加热至85C后进入干燥
器，出干燥器的温度t2=60C ，已知Δ=1200kJ/kg水。用I-x图求干燥 过程所需的空气量及热耗。
I (kJ/kg干空气)
I1=112 B
解： 1、每小时水分蒸发量 v v2 m w G w1 1 100 v 2
令qm=(qm2-qm1)表示物料从干燥器获得的净热量 利用q1-q2= l(I1-I2)，上式可写为：
l (I1 I2 ) q m qc q1 qad
其中
(6-46)
q m qc q1 qad
(6-47)
(二) 干燥过程及热耗计算
1、理论干燥过程 物料在干燥过程中干燥介质的热含量不变，即I1=I2。 1、无补充热量及热损失； 2、物料及运输设备进入和 离开干燥器的温度相等； 3、干燥器表面绝热，干燥 介质传给物料的热量等于 水分蒸发所需的潜热。
20 2 100 18.4(kg / h ) 100 2
t1
t2 t0 O
E
D
C
2、如右图，由等t0线和等0线在I-x 图上的交点A可得空气进加热器前 的湿含量和热含量：x00.0105kg水 汽/kg干空气，I045kJ/kg干空气。
A
I2=104
0=70% C1 kg/kg干空气 I045
代入式(6-31)得
v1 v 2 v1 v 2 m w G w1 ( ) Gw2 ( ) 100 v 2 100 v1
(6-32)
(四) 干燥介质消耗量
1、用空气作干燥介质时 设每小时通过干燥器的绝干空气量为L(kg干空气/h)，则根据 水分的平衡有：
mw L(x 2 x1 ) L(x 2 x 0 )
2 混合
Lml,xml,Iml, tml,ml 气体
Gw1,v1,Q1
3
湿物料
4
干物料 Gw2,v2,Q2 (b)烟气干燥流程图 1-燃烧室 2-混合室 3-干燥器 4-烟囱
废气 Lm2,xm2 ,Im2,tm2, m2
对流式干燥设备通常由干燥器、预热器或燃烧室、通风设备 和辅助设备四部分组成。
(二) 物料中水分的表示方法
质量为Gwkg的湿物料可以看作由Gdkg的绝干物料和Wkg的水 组成，即
G w Gd W
1、干基水分或绝对水分
W u 100% Gd
(6-26)
例如100kg湿物料中含水20kg，经过干燥后含水1.6kg，则
干燥前水分：
干燥后水分：
u1 (20 80) 100% 25% u 2 (1.6 80) 100% 2% u u1 u 2 25% 2% 23%
C1 O x1 x2
x x20 简单起见，C1(x20,I2)可以在等湿线Cx20上直接用比例尺量取： 0 0 0 I0 I ' R CC ( x x ) R x x CC x 2 2 i 1 2 1 x 2 1 1 2 x1 Ri R x 2000
例6-6 每小时进入干燥器的湿坯体Gw1=100kg，坯体的湿基水分 v1=20%，干燥至终水分v2=2%，用热空气作干燥介质。冷空气的温
lml l fl 1 n (kg高温烟气 / kg水)
(6-37)
蒸发1kg水时干冷空气的用量la为：
la nl fl
(kg冷空气/ kg水)
(6-38)
二、热平衡 (一) 热平衡项目
补充热量qad
干燥介质带 入热量q1=lI1
废气带走热量q2=lI2
干燥器
物料带入 热量qm1 干燥器壁扩散热量ql
q 0 l (I 0 2 I0 )
式中，x0、I0为进预热器的冷空气的状态参数； x20、I20为离开干燥器干燥介质的状态参数
用高温烟气作干燥介质时
蒸发每千克水需用的干混合气、高温热烟气及冷空气的消耗量为
l ml
0
x0 m2
0 lm l
1 (kg干混合气/ kg水) x m1
(kg高温烟气/ kg水)
用高温烟气作干燥介质时
(6-50)
q m f Q net
l fl Qgr [1.293Va0 1 (A ar 9H ar M ar )%]( 1 n)
(6-51)
三、干燥过程的图解法
干燥介质初始状 态参数x1、t1和 末了温度t2已知
根据I-x图
求干燥介质离 开干燥器的状 态参数x20、I20
一、物料平衡 (一) 干燥流程
冷空气 L0,x0,I0 ,t0,0
湿物料 Gw1,v1,Q1
换 热 器
废气 L2,x2,I2,t2,2 干物料
热空气 L1=L0,x1=x0, I1,t1,1
干燥器
Gw2,v2,Q2
(a)空气干燥流程图
冷空气L0,x0,I0,t0,0
1
燃烧产物 Lfl,xfl,Ifl,tfl
3、Δ>0的实际干燥过程 Δ>0，即qad<qm+qc+ql，表示在干燥器中热损失之和大于补充的热 量，或者干燥器无补充热量。此时干燥介质离开干燥器时的热量 小于其进入干燥器时的热含量，即I2<I1。 用热空气作干燥介质时 蒸发每千克水需用的热耗q为
q l (I1 I0 ) l (I2 I0 )
干燥脱水率：
2、湿基水分或相对水分
W W v 100% G w Gd W
(6-27)
由于干燥后的物料或多或少地含有水分，故通常用湿基水分表示 水分的组成，但是湿基水分在干燥过程中不能直接相加减。 干基水分和湿基水分的换算关系
100 v u 100 v 100 u v 100 u
硅酸盐工业热工基础
第六章 干燥过程与设备
第3讲 干燥过程的物料平衡及热平衡
学习要点
1、物料平衡 干燥流程 物料中水分的表示方法
干燥过程水分蒸发量的计算
干燥介质消耗量 2、热量平衡
热平衡项目
干燥过程及热耗计算 3、干燥过程的图解法 理论干燥过程的图解 实际干燥过程的图解
§6-4 干燥过程的物料平衡及热平衡
m w G w1 G w 2
Gw2 G w1 G w1 (1 ) Gw2 ( 1) G w1 Gw2
(6-31)
由于干燥前后的绝干物料Gd相等，则有:
100 v1 100 v 2 G d G w1 Gw2 100 100
故有: 及
G w1 100 v1 G w 2 100 v 2 G w 2 100 v 2 G w1 100 v1
(6-42)
q m2
Gw2 w cm2 t 2 mw
(6-43)
式中，t2为物料离开干燥器时的温度，C； cm2w为物料离开干燥器的比热容， (kJ/kg.C)。
(3) 运输设备在干燥器中吸收的热量qc
Gc qc cc ( t c 2 t c1 ) mw
(6-44)
式中，Gc为运输设备的质量，kg/h； cc为运输设备的平均比热容，kJ/kg.C； tc1、tc2为运输设备进入及离开干燥器的温度，C。 (4) 干燥器表面向环境的散热ql
kFt q l 3.6 mw
(6-45)
式中，k为干燥器表面与环境之间的传热系数，W/(m2.C)； Δt为干燥器表面与环境的温度差，C； F为干燥器的外表面积，m2。
根据热量平衡，即热量收入=热量支出，得
q1 q m1 qad q 2 q m2 qc q1
或
q1 q 2 (q m2 q m1 ) qc q1 qad