第3讲干燥过程的物料平衡和热平衡

1、硅酸盐工业热工基础硅酸盐工业热工基础第六章第六章 干燥过程与设备干燥过程与设备第第3 3讲讲 干燥过程的物料平衡及热平衡干燥过程的物料平衡及热平衡学习要学习要点点1、物料平衡、物料平衡3、干燥过程的图解法、干燥过程的图解法2、热量平衡、热量平衡理论干燥过程的图解实际干燥过程的图解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热平衡项目干燥过程及热耗计算一、物料平衡一、物料平衡6-4 6-4 干燥过程的物料平衡及热平衡干燥过程的物料平衡及热平衡( (一一) ) 干燥流程干燥流程换换热热器器冷空气热空气L0,x0,I0,t0,0L1=L0,x1=x0,I1,t1,1干燥器干燥器

2、湿物料Gw1,v1,Q1废气L2,x2,I2,t2,2干物料Gw2,v2,Q2(a)空气干燥流程图1冷空气L0,x0,I0,t0,02燃烧产物Lfl,xfl,Ifl,tfl混合气体Lml,xml,Iml,tml,ml3湿物料Gw1,v1,Q14干物料 Gw2,v2,Q2废气Lm2,xm2,Im2,tm2,m2(b)烟气干燥流程图1-燃烧室 2-混合室 3-干燥器 4-烟囱 对流式干燥设备通常由干燥器干燥器、预热器或燃烧室预热器或燃烧室、通风设备通风设备和辅助设备辅助设备四部分组成。干燥器干燥器：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

3、；预热器或燃烧室预热器或燃烧室：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;辅助设备辅助设备：如喂料设备、输送设备、收尘设备等; 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( (二二) ) 物料中水分的表示方法物料中水分的表示方法例如100kg湿物料中含水20kg，经过干燥后含水1.6kg，则1、干基水分或绝对水分、干基水分或绝对水分WGGdw%100GWud%25%100)8020(u1干燥前水分：%2%100)806 . 1 (u2干燥后水分：%2

4、3%2%25uuu21干燥脱水率：(6-26)2、湿基水分或相对水分、湿基水分或相对水分%100WGWGWvdw干基水分和湿基水分的换算关系干基水分和湿基水分的换算关系v100v100uu100u100v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。(6-27)(6-28)(6-29) 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：( (三三) ) 干燥过程中水分蒸发量的计算干燥过程中水分蒸发量的计算1、用干基水分计算、用干基水分计算)h/kg(G100uumd21

5、w2、用湿基水分计算、用湿基水分计算) 1GG(G)GG1 (GGGm2w1w2w1w2w1w2w1ww 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:(6-30)(6-31)v100vv(G)v100vv(Gm1212w2211ww(6-32) 由于干燥前后的绝干物料Gd相等，则有:100v100G100v100GG22w11wd 故有:212w1wv100v100GG 及121w2wv100v100GG 代入式(6-31)得 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：( (四四) ) 干燥

6、介质消耗量干燥介质消耗量1、用空气作干燥介质时、用空气作干燥介质时)xx(L)xx(Lm0212w(6-33)(6-34)h/kg(xxmxxmL02w12w干空气故(6-35)kg/kg(xx1xx1mL0212w水干空气l令蒸发每千克水需用的干空气量为l(kg干空气/kg水)，则有：蒸发蒸发1kg水时干混合气的用量水时干混合气的用量lml为：为：2、用高温烟气作干燥介质时、用高温烟气作干燥介质时(6-36)(6-37)(6-38)kg/kg(xx1mL12wll水干混合气mmmml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

7、/kg干混合气)。蒸发蒸发1kg水时高温烟气的用量水时高温烟气的用量lfl为：为：)kg/kg(n1l水高温烟气mflll蒸发蒸发1kg水时干冷空气的用量水时干冷空气的用量la为：为：)kg/kg(na水冷空气flll 二、热平衡二、热平衡( (一一) ) 热平衡项目热平衡项目干燥器干燥器干燥介质带入热量q1=lI1物料带入热量qm1补充热量qad干燥器壁扩散热量ql废气带走热量q2=lI2物料带走热量qm2运输设备带走热量qc(1) 干燥介质带入的热量干燥介质带入的热量q11、进入干燥器的热量、进入干燥器的热量(6-39)(6-41)11qlI式中，l为蒸发1kg水时干燥介质的用量，(kg/

8、kg水)； I1为干燥介质进入干燥器时的热含量，(kJ/kg)。(2) 湿物料带入的热量湿物料带入的热量qml(6-40)1wmlw2w1w1mtcmGtcq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100vc100v100cc2w2mlwml(3) 在干燥器中对干燥介质的补充加热量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

9、生的热量等。(1) 废气带走的热量废气带走的热量q2(6-42)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)。2、干燥器的热量支出：、干燥器的热量支出：(2) 物料离开干燥器带走的热量物料离开干燥器带走的热量qm22w2mw2w2mtcmGq22qlI(6-43)(3) 运输设备在干燥器中吸收的热量运输设备在干燥器中吸收的热量qc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。(6-44)式中，k为干燥器表面与环境之间的传热系数，W/(m2.C)； t为

10、干燥器表面与环境的温度差，C； F为干燥器的外表面积，m2。 (4) 干燥器表面向环境的散热干燥器表面向环境的散热qlwlmtkF6 . 3q(6-45)tt (cmGq1c2ccwcc根据热量平衡，即热量收入=热量支出，得1qqqqqqqc2m2ad1m1(6-46)或adc1m2m21qqq)qq(qq1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：adcm21qqqq)II (1l其中adcmqqqq1(6-47)( (二二) ) 干燥过程及热耗计算干燥过程及热耗计算物料在干燥过程中干燥介质的热含量不变，即I1=I2。1、理论干燥过

11、程、理论干燥过程理论理论干燥干燥过程过程0qqqqcmad101qqqqcmad1、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。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用热空气作干燥介质时)II (q0020 l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)kg/kg(xx1xx10021020水干空气l蒸发每千克水需用的干空气量l及热耗q0分别为：用高温烟气作干燥介质时用高温烟气作干燥介质时)kg/kg(xx110

12、02l水干混合气mmml)kg/kg(n100l水高温烟气mflll)kg/kg(n00fla水冷空气ll 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蒸发每千克水需用的燃料量为：(6-48)gr0fQmq 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I2I1。)%MH9A(1V293. 1mararar000affll或2、0，即qadqm+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I20的实际干燥过程的实际干燥过程

13、用热空气作干燥介质时用热空气作干燥介质时)II ()II (q0201ll蒸发每千克水需用的热耗q为用高温烟气作干燥介质时用高温烟气作干燥介质时 干燥介质初始状干燥介质初始状态参数态参数x1、t1和和末了温度末了温度t2已知已知三、干燥过程的图解法三、干燥过程的图解法( (一一) ) 理论干燥过程的图解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。求干燥介质离求干燥介质离开干燥器的状开干燥器的状态参数态参数x20、I20根据根据I-x图图

14、xIOt1x20 x1t20BCI1( (二二) ) 实际干燥过程的图解实际干燥过程的图解(1) 作出理论干燥过程的终态点C；(2) 根据I2=I1-(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。x1x20 x2xI1=常数t2t1I1=I20I2=常数I2=常数OCBDC1简单起见，C1(x20,I2)可以在等湿线Cx20上直接用比例尺量取：102x1021i202xxR)xx(CCRII102xi1xxRR

15、CC2000解：1、每小时水分蒸发量例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=1200kJ/kg水。用I-x图求干燥过程所需的空气量及热耗。)h/kg(4 .182100220100v100vvGm2211ww2、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。kg/kg干空气xx2x20t0 x

16、0t2t1I (kJ/kg干空气)0=70%I045I2=104I1=112OCBAC1DE4、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)mm(xx20001200 xx2000CC00200213、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。连接B、C1两点得BC1与等t2线的交点D，对应的参数为：x2=0.0170kg水汽/kg干空气；I2104kJ/kg干空气。xx2x20t0 x0t2t1I (kJ/kg

17、干空气)0=70%I045I2=104I1=112OCBAC1DE5、空气用量)h/kg(28300105. 0017. 04 .18xxmL12w干空气(1) 干空气)kg/kg(8 .1530105. 0017. 01xx112水干空气l蒸发1kg水需用的空气量(2) 湿空气量)kg/kg(4 .155)0105. 01 (8 .153)x1 (0水 ll6、热耗)kg/kJ(102741200)45104(8 .153)II (02水 lq蒸发每1kg水消耗的热量为)h/kJ(1890404 .1810274wqmQ每小时消耗的热量为解： 1、每小时水分蒸发量例6-7 某回转烘干机每小时

18、烘干矿渣Gw2=10000kg，矿渣的湿基水分v1=20%，烘干后的水分v2=1%，用例6-5中的热烟气作干燥介质。干燥介质出干燥器的温度tm2=150C，=400kJ/kg水。用I-x图求干燥介质的用量及热耗。1212wwv100vvGm2、根据例6-5，热烟气的初始状态参数为， tm1=800C， xml=0.030kg水汽/kg干混合气， Iml=970kJ/kg干混合气。如右图，由等tm1线和等xml线在高温I-x图上的交点B，过B的等Iml线与等tm2线(150 C)交于C(Im1,xm20)点，得xm20=0.30kg水汽/kg干空气。xkg/kg干空气xm2xm20 xm1tm2tm1I (kJ/kg干空气)I2=880Im1=970OCBC1DI2=862)h/kg(237520100120100003、由Im2=Im1-(xm20-xm1)得出对应于C1点的焓值:Im2=Im1-(xm20-xm1) =970-400(0.30-0.030) 862(kJ/kg干混合气)4、由等Im2线和等xm20线的交点得C1点，连接B、 C1点的线段与等tm2线的交点D即为干燥介质离开烘干机的状态点，其相应的参数为： xm2=0.263kg水汽/kg干混合气； Im2880kJ/kg干混合