干燥物系解析理论研究进展

干燥是含湿物料与有限介质两个独立物系,在限定的工艺条件下,自发进行能量传递和转换的过程。它隶属热力学范畴,而又不同于一般的热力过程,在物系边界存在诸多错综复杂的随机因素交互作用,使得基于热力学熵参数无法对实际过程的能效进行实时的定量评价。基于传递定律建立扩散模型,得不到传递系数严格意义的数学解,存在微积分结果偏离实际较远的情况;基于反应工程原理建立干燥动力学模型,存在指前因子,活化能,机理函数等待定的物理量,实际应用存在很大的局限性。如何从理论上完整地解析出实际过程,得到其分析解是热力学应用技术基础科学研究领域自古以来的重大理论难题。近十几年,笔者从非均相系热力学基础和干燥?分析入手,以干燥?传递和转换时的自由能消耗为统一尺度,以水分活度为一切干燥物系的共同属性,揭示了干燥物系固有特征函数及其理论解,丰富了热力学应用技术基础理论。该文从干燥物系解析理论发展的历史现状,阐释揭示物料干燥理论过程、评价工艺装备能效的解析理论与方法并指明其应用与发展的技术途径,为揭示物系传递机理、评价工艺装备系统能效、实现干燥过程自适应控制和制订科学的工艺能效评价标准提供参考。     

粮食热风干燥热能结构与解析法

为了揭示粮食干燥系统客观作用效果,定量评价环境条件、粮食状态对干燥机效能的影响,分析了粮食热风干燥势场的来源与特征,建立了干燥特性函数、给出了粮食和介质状态参数解析图,分析了热量及效率,定量评价了热能结构,结果发现利用温度和相对湿度变化范围分别为26～35℃和40%～55%的自然空气直接干燥初期湿基含水率38.6%的高湿稻谷,平均小时降水率达1.2%,在5HP-3.5型循环干燥机上的热风干燥试验结果显示,稻谷的干基含水率由27.06%降至16.96%的过程中,单位气耗量由最初的113.0kg/kg增加到了546.4 kg/kg,单位热耗量由最初的2548.9 kJ/kg增加到了16352.7kJ/kg,排气热损失由最初的6.2%增加到了30.6%。解析出了造成干燥效率偏低的主要原因是热能匹配性较差。指出了评价粮食干燥工艺及干燥机能量利用效果不能忽视客观干燥的作用。研究结果为指导干燥设计,形成粮食干燥系统公平的评价标准,提供了科学的解析方法。     

干燥物系的特征函数及其理论解

干燥现象是物系对应外部约束条件的自发过程,是各种因素同时作用的结果。多种传递行为并存,得不到严格意义的传递系数的数学解。基于扩散动力学建立的干燥机理函数,又存在活化能、指前因子和过程指数难以定量等问题。如何获得干燥过程的理论解是长期以来干燥研究领域的重要命题。该研究以水分活度统一特征,以自由能传递和转换为统一尺度,建立干燥特征函数,说明基于物料的最大汽化速率、初始态水分活度、相平衡条件下的水分活度和介质的相对湿度,揭示实际物系状态变化规律和获得理论解的方法;给出自由含水比、干燥速率比和干燥速率随时间变化的数学解。该理论及方法不仅可以基于物系中的一个状态点,揭示出任意外部条件下的理论解,同时,按照水汽化、混合过程压力变化特征及其发生的位置,能够完整地解析出干燥过程物料内部的含水率偏差和水分活度分布;摆脱了基于单一行为描述的传递定率中的传递系数,对揭示物系传递机理,评价工艺系统能效,制定科学评价标准具有较高的理论价值,对指导工程实践具有重要的现实意义。     

生物多孔介质热风干燥数学模型及数值模拟

为了研究生物多孔介质在热风干燥过程中的热质传递机理以及其内部应力应变分布规律,根据生物多孔介质中温度、水分及应力之间复杂的耦合关系,基于菲克扩散定律、傅立叶导热定律和热弹性力学理论,建立了对流干燥条件下,含湿多孔介质内部传热传质过程热-湿-力双向耦合的数学模型。采用有限差分法编制相应的计算程序,对其进行数值计算,数值结果与马铃薯和胡萝卜对流干燥试验结果之间的相对误差均小于5%;进一步分析了干燥特性曲线,以及温度、干基含水率和应力应变的时空分布;最后分析了风温、风速等干燥条件以及多孔介质厚度对干燥过程的影响,结果表明:在一定试验条件下,风温越高,风速越大,切片厚度越薄,干燥时间越短。研究为改善生物多孔介质热质传递现象物理机理的理解提供参考。     

粮食热风干燥系统火用评价理论研究

为揭示粮食干燥系统能量损耗的本质,该文针对粮食热风干燥系统特征、 基准点、干燥室焓 结构及 效率进行深入地理论分析,明确了粮食的含水率是状态函数,确立了干燥系统起算 的基准点,提出了 基准函数,并在湿空气焓—含湿量图上绘出其变化过程,通过 效率分析,揭示了能的"量"与"质"的匹配关系。该文为深一步研究能量损耗的原因、部位,探讨高效节能干燥的途径以及工艺设计、制订合理地系统评价标准,提供了科学地分析方法。     

粮食热风干燥系统 评价理论研究

为揭示粮食干燥系统能量损耗的本质,该文针对粮食热风干燥系统特征、 基准点、干燥室焓 结构及 效率进行深入地理论分析,明确了粮食的含水率是状态函数,确立了干燥系统起算 的基准点,提出了 基准函数,并在湿空气焓—含湿量图上绘出其变化过程,通过 效率分析,揭示了能的"量"与"质"的匹配关系。该文为深一步研究能量损耗的原因、部位,探讨高效节能干燥的途径以及工艺设计、制订合理地系统评价标准,提供了科学地分析方法。     

高湿稻谷节能干燥工艺系统设计与试验

为了降低高湿稻谷干燥耗能、提高干燥系统作业效率,基于高湿稻谷干燥特性和干燥传递理论,绘制出了高湿稻谷贮存干燥仓内通风去湿降温过程状态参数变化图,设计出了高湿稻谷贮存干燥仓,能够利用常温自然空气实现高湿稻谷干燥和有效回收干燥系统的烟气余热。应用结果显示,在风量谷物比为149 m3/(h·t)时,每间隔1 h,通风2 h,累计贮藏干燥18 h,可使初始含水率31.3%的稻谷平均含水率降低11.36%,回收烟气废热55.3%。针对南方高温高湿的气候特点,设计出了5HNH-15型稻谷逆流热风干燥机和节能干燥工艺系统。试验结果表明,系统的单位耗热量为2 939 kJ/kg,与国标≤7 400 kJ/kg相比,最高节能可达60%。该文指出了实现高湿稻谷优质、高效节能干燥,合理的工艺系统设计应以客观能势的利用为主,人为提供主观热能消耗为辅。研究结果为粮食干燥设计指明了高效节能途径,为大型粮食集中干燥工艺系统设计提供了参考。     

基于㶲分析法的粮食逆流干燥系统能效评价与试验

为客观、合理地评价粮食逆流干燥系统的能效,实现粮食高效节能干燥,该文基于?分析法,从气流状态变化考察逆流连续式干燥工艺系统的能量利用程度。结果表明:在试验条件下,干燥机内各干燥段能量利用效果较好。在高温和低温干燥段,排气和干燥室热损失率最高分别不超过6.68%、11.09%和21.26%、9.37%,热效率和?效率不低于83.02%、68.1%和69.37%、56.22%;在冷却段,由于粮温比风温高,风对稻谷有明显的降温去水作用。而系统的平均热效率和?效率为80.24%和64.52%,表明系统能量匹配效果较好,稻谷的平均单位热耗量为2 944.6 k J/kg,与国标≤7 400 k J/kg相比,节能达到60.2%,节能效果明显。研究结果为干燥工艺设计、探索节能的途径和制定粮食干燥系统能效评价标准提供参考。     

胡萝卜超声波预干燥热湿耦合迁移过程的数值模拟

为了探讨超声波对含湿多孔物料内部水分迁移过程的影响,对超声波作用下胡萝卜片预干燥过程进行了试验观测,建立了食品含湿多孔介质超声波预干燥过程热湿耦合传递的数学模型, 推导了超声波作用下含湿多孔介质中水分的有效扩散系数,对胡萝卜超声波预干燥的热湿耦合迁移过程进行了数值模拟,分析讨论了超声声强对样品干燥速率及温度的影响。研究结果表明, 超声波能有效加速胡萝卜的预干燥过程,且样品内水分扩散系数及干燥速率均随超声强度的增加而逐渐增大。当超声强度为 1.5 W/cm2 时,样品干燥速率与无超声波作用时相比提高了约 3     

5HP-25型粮食干燥机设计与试验

为了提高干燥系统的能量利用效率,增强干燥机的通用性、可靠性、作业效率和年利用率,该研究围绕增大干燥动力系数和工艺能力指数,基于粮食的物性特征,从干燥工艺方式、机械结构参数和运动参数间的内在关系入手,把几何因子和运动参数有机结合,揭示了粮食在干燥机内流动特性;按照引风降压,连续闪蒸降温,强化传热传质,自适应排粮的设计思想,研制了一款粮食通用的干燥机,实现了粮食在干燥机内连续流动过程中,自发地改变流态、连续回转换位,强化了传热传质,改善了干燥的均匀性。设计的升角为6°的变截面角状盒,与传统的横流方法相比,可使干燥动力系数增大2～4倍,干燥稻谷时的爆腰增率可控制在1%以内,发芽势提高76%以上,发芽率达到95%;设计往复式差速排粮机构,实现了自适应无损排粮,有效解决了粮食架桥、堵塞问题,避免了粮种的机械损伤。设计的5HP-25型粮食干燥机,实际应用效果显示,在粮食平均干燥强度为1.37～2.70%/h的条件下,干燥水分单位热耗为2 900～4 300kJ/kg,与国标7 400 kJ/kg相比,降低了单位热耗量。研究结果为实现优质、高效、节能干燥工艺及装备设计提供了参考。     

粮食水分结合能与热风干燥动力解析法

为揭示粮食中水分蒸发耗能特征,基于不可逆热力学分析方法,把水分迁移的现象看作是一定数量的能量迁移,建立水分结合能解析模型,给出了水分结合能随温度、含水率变化规律,清晰地呈现了粮食在高水分段水分蒸发受物料的限制作用很小,而在低水分段水分结合能随温度升高显著降低的特征,研究结果为解析粮食二段降速干燥过程、合理匹配干燥温度提供了依据和分析方法,为揭示干燥质驱动机理,制订科学的能效评价标准,合理的干燥装备系统设计补充了技术基础理论。     

生物质气化特性研究及分析

为了提高生物质能的利用效率以及生物质气化合成气的品质,基于AspenPlus模拟平台,以松木、玉米秸秆和木屑为气化原料,对生物质气化特性进行了研究并对气化过程进行了分析。计算了空燃比为0.7～2.3、生物质含水率为30%条件下的气化炉运行温度、合成气低位热值和效率等主要气化过程性能指标,并通过提高气化剂温度、干燥生物质原料等方法对生物质气化过程进行了优化分析。结果表明,生物质种类及其含水率对气化过程性能有较大的影响;降低生物质含水率、提高气化剂温度有利于提高气化过程的效率和合成气低位热值。     

仓内稻谷干燥的多尺度多层结构热质传递模拟及试验

为研究仓内稻谷干燥的热质传递机理,确定稻谷颗粒内部不同组织结构特性对干燥过程的影响,以仓内稻谷堆为研究对象,针对谷粒的多层结构问题,运用多尺度理论、热质传递原理和孔道网络方法等知识,建立了仓内稻谷热风干燥的多尺度多层结构热质传递模型,并进行了稻谷堆热风干燥试验,模拟分析了仓内稻谷的干基含水率、温度分布以及孔隙汽相的温度分布等情况。结果表明:建立的热质传递模型可有效模拟仓内稻谷干燥过程,干燥器尺度下仓内稻谷的平均干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差为7.6%,颗粒尺度下单颗粒稻谷干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差约为6.8%;稻谷颗粒内部传热比传质速率快,颗粒内存在较大的水分梯度。稻谷胚扩散系数对干燥的影响较大,其次是稻谷壳扩散系数,稻谷衣扩散系数影响最小。研究结果为稻谷就仓干燥的品质及工艺分析提供了理论基础。     

太阳能蓄热水箱运行工况优化

为寻求适应乌鲁木齐地区太阳能资源实际情况的最优蓄热水箱结构并确定不同时段的最佳运行工况,该研究对25种不同工况下太阳能蓄热水箱内的流动与传热过程进行数值分析。结果表明:球顶结构的水箱热分层效果最好,平顶结构的水箱热分层效果最差。在11:30、13:00、15:00、16:20和18:00,冷水入口流速0.42、0.42、0.1、0.18和0.26 m/s时,球顶结构的蓄热水箱无量纲[火用]值最小,分别为0.879、0.873、0.879、0.881和0.874,水箱的热分层效果最好。以蓄热水箱的瞬时换热效率作为评价指标,对考察的5个时刻,球顶结构的水箱的瞬时换热效率均在冷水入口流速0.1 m/s时达到最大值,蓄热效率最高。如果只采用蓄热水箱供暖,水箱的冷水入口流速下限值为0.26 m/s;对于冷水入口流速低于0.26 m/s的工况,可采用水箱并联或者水箱与电加热锅炉联合运行模式。研究结果可为不同气候条件下太阳能热水利用系统的优化运行提供参考。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

压缩空气发动机工作过程分析

压缩空气发动机是一种采用压缩空气直接膨胀做功的"绿色"发动机。若将压缩空气发动机作为车辆动力源,可缓解传统内燃机车辆的尾气污染问题。然而,压缩空气发动机工作效率偏低,难以替代传统内燃机作为车辆主要动力。为提高压缩空气发动机工作效率,了解压缩空气发动机工作过程能量损失的产生机制以及其变化规律,该文应用热力学理论和分析方法对其工作过程损失分布进行了研究,并利用试验数据验证了压缩空气发动机效率变化规律。结果表明:由于节流以及高压、低温尾气排放等因素,压缩空气发动机工作过程损失主要存在于进气过程和排气过程,两者总共占进气总量的30%~40%;压缩空气发动机转速升高,进气损失和排气损失均增加;进气压力升高,进气损失减少,排气损失增加;进气温度升高,进气损失和排气损失均减少。从经济性考虑,压缩空气发动机应运行于低转速,且适当提高其进气压力和进气温度。