多孔介质干燥的非线性模型

多孔介质干燥的非线性模型

0多孔介质干燥过程物理机制的研究多孔介质的干燥过程是一个复杂的传统传统过程。由于其复杂性、多变性和不确定性，目前关于多孔介质干燥机的研究还不够全面，干燥理论也没有完全统一。因此，丰富和完善干燥过程的传统论，加深对多孔介质干燥过程物理机制的理解，对合理组织干燥过程、节约干燥过程的能耗和提高干燥产品具有重要的理论意义和实用价值。总结目前国内外干燥理论的研究成果,干燥模型主要分为以下几种:液态扩散模型,汽态扩散模型,非平衡热力学模型和毛细管模型.以Luikov为首的学派利用非平衡热力学原理分析多孔介质内部的传热传质过程,建立了非平衡热力学模型.该方法不涉及多孔介质内部传热传质机理和发生的具体过程,而只考虑了使热质迁移的各种流和力之间的关系和交叉效应.本文基于Luikov的非平衡热力学模型,进行进一步的理论分析,建立了一个普遍适用、形式简捷的多孔介质干燥过程的理论模型.1多孔介质的热质传热模型根据非平衡热力学理论,系统的熵产率可以写作不可逆过程的广义流和相应的广义力的乘积之和,即[1多孔介质的热湿迁移是在温度场、湿度场的交叉作用下发生的多孔介质中的物质和能量的迁移过程,假设:1)干燥物料包括气、液、固三相;2)多孔介质宏观上是均匀、各相同性的连续介质,且各相处于局域的热力学平衡状态;3)气相可作理想气体处理;4)不考虑物料由于脱水而导致的收缩和变形.则多孔介质内部发生传热传质过程时系统的熵产率为:热流和质流的线性唯象方程组为:上式中的系数是唯相系数,它关联了热力学流与力之间的唯象关系.根据非平衡热动力学中的Onsager倒易关系,=,=,=.考虑蒸汽和液体的输运是同类现象,它们之间不发生相互干扰,因些==0.此,=,=.另外,在多孔介质对流干燥过程中,液相水的迁移通道为毛细通道,根据毛细压力的定义=,得==,而且毛细通道内的流动一般都是层流,所以与毛细压力梯度相比,气相压力梯度变化很小,可忽略,则;而毛细压力是含湿量和温度的函数,可以根据Leverett公式得出,即=,,因此=+.则唯相方程组(3)经过一系列的简化后,可以得到最后的形式如下:令:=2为表观导热系数;=为气相质导热系数;=为液相质导热系数;=2为气相热导质系数;=为气相渗透传质系数;=2为液相热导质系数;=为液相渗透传质系数.2热质传递干燥模型的构建2.1质量常数守固定方程将唯相方程组(4)中的质流和代入上式,得质量守恒方程:2.2能量守固定方程将唯相方程组(4)中的热流代入上式,得:2.3相的质量和质量的稳定方程由于多孔介质中水蒸汽的含量很少,可以忽略不计,因此气相的质量守恒方程可以简化得到:将唯相方程组(4)中的的表达式代入上式,得:2.4多孔介质模型的建立式(5)、(6)、(7)联立组成一个封闭的方程组:该方程组可以进一步简化,将方程组(8)中的第一个方程代入另外两个方程中,经化简,得到最后的方程组如下:上式即为本文推导的多孔介质的非平衡热力学模型,确定了各系数值和边界条件后,可以用数值方法进行求解.3模拟值与实验值对比目前,国内外普遍采用多孔介质的平均温度和平均含湿量与实验结果相比较来间接验证模拟结果的精度.本文以玉米为例,将实验结果与模拟结果进行对比.在分析温度变化时,采用了Fortes等的实验数据,实验条件为:热风温度为75℃,空气相对湿度为30%,风速为1.64m/s,初始含湿量为0.23,初始温度为33℃.由图1可以看出,模拟值与实验值基本吻合;玉米的传热特性比较好,平均温度上升较快,大约8min左右即与风温趋于一致.在分析含湿量变化时,采用的是本课题组成员杨小静等所做过的试验数据.具体实验数据可参考文献.从图2可以看出,模拟值与实验值基本趋势是一致的,试验是在实验室喷动-流化床干燥设备上对批量的玉米进行干燥,而干燥模型则是针对单个多孔体建立的;另外,为了简化模型,还在可行的范围内利用了一些假设条件.4实验结果与分析,确定了干燥过程1)该模型中的各系数是由理论推导得出的表达式,它由一些具有明确物理意义的物理量组成,具有普遍性,而且易获得,具有实用价值.2)该模型综合考虑了整个干燥过程,简单而且具有普遍性,不必对干燥过程进行分段分析或对物料内部进行分区考虑,能够对整个过程进行统一的描述.3)通过与实验值的对比分析,验证了该模型的正确性,对制定合理的干燥工艺,提高产品的内在质