1 第五章 干燥原理 西安建筑科技大学 粉体工程研究所

2 提 纲 干燥静力学 干燥速率和干燥过程 干燥技术

3 5.1 概述 去湿概念 脱水原理 机械去湿 吸附去湿 热能去湿 ( 干燥 ) 加热方式 传导干燥 对流干燥 辐射干燥 场干燥法 ①干燥介质有空气、烟气； ②对流干燥特点 ⑴一种典型的非稳态不可逆过程； ⑵ 有多相多组分参与，一般要涉及相 变传热传质，影响因素众多； ⑶在干燥过程中传热传质相互耦合； ⑷干燥过程与物料性质、干燥介质组 分和状态密切相关。

4 材料行业以对流干燥为主，下图为对流干燥示意图： 干空气将热量传给湿物料；湿物料将湿份传给干空气 5.1 概述

5 5.2 干燥静力学 湿空气的性质 1 干空气与湿空气 完全不含水蒸汽的空气称为绝干空气（简称干空气）。 湿空气是指含有水蒸气的空气, 是干空气和水蒸气的混合物。 特点：湿空气中水蒸气分压通常很低（ 0.003~0.004MPa ）, 可视为 理想气体。湿空气是理想气体的混合物，遵循理想气体状态方程。 道尔顿（ Dalton ）分压定律 ： 湿空气中的水蒸气通常处于过热状态，干空气与过热水蒸气组成 的湿空气称为未饱和空气。 当水蒸气的分压达到对应温度下的饱和压力，水蒸气达到饱和 状态。由干空气与饱和水蒸气组成的湿空气称为饱和空气。

湿空气中水蒸气的量 5.2 干燥静力学 表示方式有三种：绝对湿度、相对湿度和湿含量。 （ 1 ）绝对湿度 单位体积湿空气所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，用 ρ v 表示， kg/m 3 。 根据理想气体状态方程： 对于饱和空气： 水在一个标准大气压下的饱和蒸汽压仅是温度的单值函数。 在 0 ℃ ~100 ℃范围及标准大气压下 说明：绝对湿度仅表示单位体积湿空气中水蒸气的质量的多少， 不能完全说明空气干燥能力。

7 5.2 干燥静力学 （ 2 ）相对湿度 相对湿度是指湿空气的绝对湿度 ρ v 与相同温度下可能的最大绝对湿 度（即饱和空气的绝对湿度） ρ sv 的比值，用  表示。 （ p sv ≤p 时） 饱和度 相对湿度  与干燥能力的关系。 空气中水蒸气未饱和，湿空气能够继续接受水分（可以 用作干燥介质） 空气中水蒸气达到饱和，湿空气不能继续接受水分（不 能用作干燥介质） 空气中水蒸气过饱和，湿空气不能继续接受水分（不能 用作干燥介质） 空气中不含水蒸气，为绝干空气，干燥能力最强（可以 用作干燥介质）

8 5.2 干燥静力学 当作为干燥介质的湿空气被加热到相当高的温度时， p sv 可能大于总 压力。这种情况下，相对湿度的定义为： （ p sv ＞ p 时） （ 3 ）湿含量 空气的湿含量是指 1kg 干空气所携带的水蒸气质量（又称为比湿 度），以 d 表示， kg 水 /kg 干空气。 根据理想气体状态方程，有：

9 5.2 干燥静力学 总结： 绝对湿度：用在测定湿空气中水蒸气量的多少时，便于实 际测量； 相对湿度：用在描述湿空气的干燥能力时较为清楚，反映 湿空气继续接受水分的能力 ； 含湿量： 用在进行干燥计算时较为方便。 三者之间可以相互转换。

湿空气的温度参数 5.2 干燥静力学 （ 1 ）干球温度 干球温度即是用普通温度计测得的湿空气的 真实温度， t 。 （ 2 ）湿球温度 用水保持湿润的湿纱布包裹温度计的感温部位 （水银球） ，在平衡状态下，湿球温度计测 出的空气温度称为湿球温度，用 t w 表示。 由干球温度计和湿球温度计组合成的温度计称为干湿球温度计。 未饱和空气 饱和空气 水分汽化需要吸收热量 空气与温度计表面处于而平衡

干燥静力学 在平衡状态下，空气向湿纱布传递的热量恰好等于湿纱布表面水 分汽化所需热量。即： 湿球温度不 是湿空气的 状态参数 h 和 k d 与风速相关

干燥静力学 （ 3 ）绝热饱和温度 绝热饱和过程 以 1kg 干空气为基准，热量平衡关系如下： 湿空气的 状态参数 湿空气降温 —— 放出显热 —— 焓降低； 湿空气增湿 —— 吸收潜热 —— 焓增加。 通常情况下可以用湿球温 度代替绝热饱和温度

干燥静力学 （ 4 ）露点 当未饱和湿空气中水蒸气分压或含湿量不变时，湿空气冷却到饱和 状态（ =100 ％）的温度称为露点，用 t d 表示。 分析：湿空气在露点温度下处于饱和状态，其湿含量保持不变。 （ kg 水蒸气 /kg 干空气） 湿空气的 状态参数 总结：对空气 - 水系统， t w ≈t as ， 对于饱和空气： 。 对于未饱和空气： ；

湿空气的密度 5.2 干燥静力学 湿空气的密度 湿空气的密度表示单位体积湿空气的质量，用 ρ 表示,kg/m 3 。它也 表示湿空气中空气的质量浓度与水蒸气的质量浓度之和，即：

湿空气的比热和焓 5.2 干燥静力学 （ 1 ）湿空气的比热 湿空气的比热是指 1kg 干空气及其所携带的 dkg 水蒸气升高或降低 单位温度所吸收或释放的热量，用 c w 表示, kJ/(kg 干空气 · ℃ ) 。 c w =c a +dc v 0 ～ 120 ℃ c w ＝ d （ 2 ）湿空气的焓 湿空气的焓是以 1kg 干空气为基准，是指 1kg 干空气的焓及其所携带 的 d kg 水蒸气的焓值之和，用 h 表示， kJ/kg 干空气 。 以 0 ℃时的干空气和 饱和水为焓基准点 0 ～ 120 ℃ h a ＝ c a t ＝ 1.005t

干燥静力学 【例 5.1 】已知大气压 p=101325Pa ，相对湿度 =40% ，温度 t=80 ℃， 求湿空气的湿含量 d 、焓 h 及密度 ρ 。 【解】 由表 5.1 查得空气在 80 ℃时的饱和蒸气压 p sw = KPa ， 于是有 :

17 例：在容积为 50m 3 的空间中，空气温度为 30 ℃，相对湿度为 60% ， 大气压强 p =101.3kPa 。求湿空气的露点、含湿量、干空气的质量、 水蒸气质量和湿空气的焓值。 5.2 干燥静力学 解：由饱和水蒸气表 5-1 查得， t=30 ℃时， p sv = KPa ，所以 p v = φ p sv =0.6×4.243 =2.546kPa 反查饱和水蒸气表，可得 t d =21.25 ℃ 干空气分压： 干空气质量： 水蒸气质量： 湿空气的焓： = （ ×0.016 ） × ×0.016 = kJ/ （ kg 干空气）

18 例：在一个标准大气压下 ( kPa), 由干湿球温度计测得空气的干球 温度和湿球温度分别为 30 ℃和 20 ℃。求湿空气的 d 、  、 h 、 p v 、 p a 。 t as ＝ 20 ℃； γ as ＝ γ w ＝ 2453kJ/kg ； d as ＝ d w ＝ kg 水蒸气 /kg 干空气， C w ＝ X d ＝ 温度为 30 ℃时  ＝ 39.6 ％ ＝ 56.99kJ/ （ kg 干空气） 水蒸气分压 干空气分压 kPa 【解】：由表 5-1 中查得， 20 ℃和 30 ℃时饱和水蒸气分压分别为 p sv1 =2.338kPa 和 p sv2 =4.243kPa ，由附录查得 20 ℃时水的汽化潜热  w =2453kJ/kg ， 20 ℃时饱和湿空气的湿含量为 kg 水蒸气 /kg 干空气 30 ℃时空气的 焓

19 湿空气的 I-x 图 1. I-x 图的组成  等湿含量线 ( 等 d 线 )  等焓线 ( 等 I 线 )  等干球温度线 ( 等 t 线 )  等相对湿度线 ( 等  线 )  等湿球温度线 ( 等 t wb 线 )  水蒸汽分压线 ( 等 p w 线 ) I- x 图的组成

湿空气状态的变化过程 5.2 干燥静力学 加热和冷却过程 空气的加热过程 根据稳定流动能量方程，加热和冷却过程中的吸热量和放热量分 别等于过程中的湿空气焓增加值和减小值。 d1 d

加湿和去湿过程 5.2 干燥静力学 热空气的加湿过程 无外加热源的物料干燥过程可以看 作是绝热加湿过程。绝热加湿过程 中，湿空气的焓保持不变，而相对 湿度和湿含量均增加，湿空气温度 降低。各状态参数之间的具体关系 绝热去湿过程各状态参数的大小关系与上式相反。 注意：在外界有热量交换的加湿或去湿过程中，焓值将增加或减 小。各参数在加湿或去湿过程中的计算可以根据过程特点及状态 参数之间的关系确定。 d1 d2

干燥静力学 绝热混合过程 在混合时，气流与外界的热交换量很少，此过程可视为绝热过程。 忽略混合过程中微小的压力变化，设 混合前： 、 d 1 、 h 1 和 、 d 2 、 h 2 ， 混合后： 、 d 3 、 h 3 空气质量守恒 湿空气中水蒸气质量守恒 能量守恒 两股气流的混合

23 干燥过程 5.2 干燥静力学 干燥过程包括湿空气的加热过程和绝热吸湿过程。 例 : 已知空气 t 1 =30 ℃、 p v1 =2.938kPa ，将该空气送入加热器进行加热 后， t 2 =60 ℃，然后送入干燥器中作为干燥介质。空气流出干燥器时 的温度 t 3 =35 ℃。求空气在加热器中吸收的热量和 1kg 干空气的所吸 收的水分。大气压强 P=0.1MPa 。 解：从饱和水蒸气表中可知，当 t 1 =30 ℃， p sv1 = 4.243kPa ； t 2 =60 ℃， p sv2 =19.916kPa ； t 3 =35 ℃， p sv3 =5.6231kPa 相对湿度 1 湿含量 1 焓1焓1

干燥静力学 加热过程： d 2 =d 1 =0.0188kg 水蒸气 /kg 干空气， 空气在加热器所吸收的热量： q= h 2 － h 1 =31.19 kJ/kg 干空气。 在干燥器中的吸湿过程中焓不变： h 2 =h 3 =109.4kJ/kg 干空气。 干燥过程中吸收水分： △ d= d 3 － d 2 = － = kg 水蒸气 /kg 干空气 相对湿度 2 湿含量 2 焓2焓2 焓3焓3 湿含量 3

干燥静力学 d 0 =d 1 d 2 d C(t 2,I 2,d 2 )

水分在气 - 固两相间的平衡 结合水与非结合水 能否用干 燥方法 化学结合水 物理化学结合水 平衡水分和自由水分 物料中所含水分 除水的难易 结合水 非结合水 湿物料中水分 平衡水分 自由水分 （ 1 ）平衡水分 平衡含水量是物料在一定空气状态下被干燥的极限。 比较物料的含水量（ X ）与平衡含水量（ X* ）的大小可判断过 程进行的方向。 5.2 干燥静力学 难 易 能 不能

27 （ 2 ）自由含水量 物料中所含大于平衡含水量的那一 部分含水量，即可在一定空气状态 下用干燥方法去除的水分称为自由 含水量，其大小为（ X—X* ）。 利用平衡含水量曲线可确定物料中 结合含水量与非结合含水量的大小， 判断水分去除的难易程度。 物料的平衡含水量 曲线 5.2 干燥静力学 X  X* 干燥不再进行 X > X* 干燥进行