包装机械:微波干燥过程数学描述

  • 2021-06-22 12:11:05
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1微波干燥的特点微波干燥近几年发展很快,在很多领域都有所应用,微波干燥由于其独有的特点应用日益广泛,微波干燥有很多的优点,主要体现在以下几个方面。

1.1加热速度快与普通方法相比,热量不必以热传导的形式从表面向物料内部传递,直接将能量作用于整个物料,在物料内部瞬时转化为热量,大大缩短了加热时间,而很多物料本身是热的不良导体,用普通干燥方法,加热速度缓慢。

1.2选择性加热一般地,微波只与物料中的水分而不与干物质相互作用。因此湿分被加热、排出,而干物质主要是燥的数值模拟计算和应用。

通过传导给热。水分多的地方吸收的微波会相对比较多,能更迅速地干燥,这样就会起到一个热量分配自动平衡的作用。

1.3有效利用能量微波直接与物料相互作用,不需要加热空气、大面积的器壁及输送设备等,而且加热室为金属制造的密闭空腔,它们反射微波,使之不向外泄露,而只能为物料所吸收。

1.4过程控制迅速能量的输出可以通过开或关发生器的电源来实现,操作便利;而且加热强度可以通过控制功率的输出来实现。

1.5更好的产品质量一般地在微波干燥时,由于表面的对流换热,物料表面温度低于中心,在物料表面很少产生温度过热和结壳的现象,有利于水分的向外蒸发,从而降低了产品不合格率。在对食品和药品干燥时,微波的生物效能在较低的温度下即可达到除菌的目的。热效率高,受热时间短,使产品的色、香、味和维生素都能得到较好的保持。

微波干燥虽然有很多的优点,但是一次性投资和运行费用都比普通干燥方法高。同时微波干燥使用的是高品位能源的电能,而从电能到电磁场的转化率只在50%左右。因此这种技术目前只是应用在干燥具有高附加值的产品,或者用普通干燥方式很长时间才能完成干燥的物料。另外利用微波干燥能获得普通干燥方式不能获得的产品品质(如颜色、味道及营养物质等)。为了降低微波干燥费用在整个干燥过程中的比例,现在微波主要用于提高干燥能力(迅速去除水分,不在物料内产生温度梯度),或者用于去除普通干燥方法很长时间才能去除*后几个百分点的水分的情形。很多研究表明不管在大气还是在真空环境下,都可以将微波馈入到其它类型的干燥机中,例如流化床、振动床或托盘干燥器中来提高干燥速度。所有这些技术都能显著地减少干燥时间,但由于一次性投资和操作费用非常大,以至于获得的速度的提高不能补偿加的费用。

如果能够准确地用数学模型预测干燥过程中物料内部的水分分布、温度变化,就可以合理地选择微波干燥工艺。

要求模型能够根据物料的介电性质、含水量分布、密度、物料的结构、微波场及微波干燥室的形状,建立数学模型和边界条件,通过求解数学模型来预示干燥过程中的物料的温度场以及水分和蒸汽的分布。值得注意的是,物料吸收的微波功率随物料的损耗因子变化而变化。一般地,损耗因子同时又随温度和含水量而变化,这就有必要在干燥过程中相应地调节微波功率。因此计算出微波干燥室的相应的微波场,根据物料的性质就可以计算干燥过程中的水分分布和温度场。再就是需要弄清物料几何形状、干燥物料尺寸,还有收缩、膨化和应力裂纹影响等问题。在搞清这些问题之后才能更好进行工艺设计和探讨微波干燥与普通热风干燥方式相互结合的亲新工艺。

2微波干燥的数学模型微波干燥数学模型的假设:干燥过程中物料的变形很小,忽略不计。

物料内部水分以液态水的形式扩散到物料的表面。

在物料的内部存在水分的蒸发。

2.1导热微分方程微波干燥相当于在物料内部存在内热源,根据以上的假设,导热微分方程可以表示为由于微波作用而产生的内热源。本文以一个二维直角坐标系问题为例,如,则上式可以写为M-4勿料含水量,kg/kg,d.b.;h.fg?水的汽化潜热,J/kg;cP?物料的定压比热,J/(kgC);入一物料导热系数,W/(mC);qv*内热源的强度,W/m3.在一般热工过程中,qv随时间延长由中心向表面是逐渐变化的。而微波干燥时,在整个物料内基本上是同步均匀变化的。

2.2水分扩散方程在干燥过程中,水分的扩散是一个很复杂的过程,可能包括分子扩散、毛细管流动、努森扩散、水压力流动或者表面扩散等现象。如果想具体描述每一种现象,在目前的情况下还不能达到。但是将这些所有的现象结合在一起,就可以在菲克第二定律中用有效扩散率来表示这些现象。假定水分以液态的形式扩散到物料的表面,水分在物料内的运动情况,无论是####值还是百分率,都可以用菲克扩散定律表示。

设有效扩散系数为D,局部含水量为M,那么水分传递方程为写成二维直角坐标的形式,为2.3微分方程的定解条件上述微分方程描述的是在干燥过程中,传热传质的一般性规律,要想获得微波干燥过程的**解,必须给出该问题的初始条件和边界条件。

2.3.1边界条件当在物料的表面存在水分蒸发时,换热边界条件可以表示为其中:Me?干燥条件下物料的平衡含水量,kgAg,d.b.。

当物料含水量很低,水分在物料内部蒸发,表面不存在水分蒸发时,换热边界条件可以表示为*对流传质系数,kg/m2;一空气温度,°C;n*表面的法向量;下标w表示表面,f表示空气,其余参数同上。

在微波干燥过程中,水分扩散的边界条件为对流传质边界条件,当边界处于相对稳定状态时2.3.2初始条件假设在过程开始的时刻,即0时,整个物料内的温度和含水量都是均匀分布的。

如所示,当物料形状和边界条件都对称时,可以只对图中阴影区域进行求解,这样可以大大减少计算量。

在x,y坐标轴处,对称边界条件为其中,n表示法线方向。

3控制方程中一些问题的说明3.1物料密度P在干燥过程中物料变形甚小时,物料密度P可以用固体骨架密度ft来代替。但是如果能事先获得密度P随温度和含水量的变化规律时,则可以更准确地描述干燥过程。

3.2物料比热Cp可以将物料看成是干物质与水的机械混合物,所以物料的比热可以看成是绝干物质的比热与水分比热的混合值。物料不同,干物质组成成分不同,水分含量不同,其比热是不同的。对农产物料而言,水分含量对比热的影响尤为明显。

各种物料在不同含水量条件下的比热,可以通过下式进行计算,即*物料湿基含水量,kgHig,w.b.。

3.3有效扩散率D水分扩散率强烈地依赖于温度和含水量,在多孔物料中,孔隙率能显著地影响扩散率,而且孔隙的结构和分布影响更大。

扩散率对温度的依赖性通常用Arrhenius方程来表示,具有下列的形式E*扩散的活化能,kJ/kmol;水分扩散率对水分的依赖性可以在Arrhenius方程中考虑含水量对活化能或者Arrhenius因子的影响。也可以同时考虑这两种修正。另外也可以使用不以Arrhenius方程为基础的经验方程。例如对马铃薯和胡萝卜的有效扩散系数可以表示成下面的形式其中:D、M、T是己知的常数。

3.4平衡湿含量Me为是确定平衡湿含量的*好的方程,能够应用在水分活度很大范围内的问题(0.13.5内热源qv在物料大小和微波穿透深度相近时,可以认为在整个物料内微波是均匀分布的,也就是存在一个内热源。但是物料的损耗因子和损耗正切是随着水分和温度变化的,因此这应该是一个随时间变化的内热源。物料单位体积内吸收的微波功率可以由下式确定*微波频率,Hz;5-介质损耗正切,*;。一物料介电常数,因此可以认为单位体积内吸收的功率就是内热源的,因此若微波功率为Po(W)、波导窄面尺寸为h(cm)时,则电场强度为4微波干燥的主要研究课题根据以上的数学模型计算出在微波干燥过程中的温度场和含水量之后,就可以确定干燥曲线、干燥速度曲线、干燥时间等,根据这些就可以确定微波干燥的*佳工艺。

目前由于微波干燥的成本和热风干燥方式相比还是很高的。很多的研究都在围绕着微波干燥和普通干燥方式的有效结合,达到既缩短干燥时间又降低干燥费用的目的。热风干燥方式是一种常用的干燥方式,其成本比较低廉。微波和热风干燥如何有效结合是现在的研究课题之一。微波和热风可以有三种结合方式:速干燥方式先用热风干燥,在物料含水量较大的时候,一般要经历恒速干燥阶段,在此阶段是属于外部条件控制的,即内部的水分扩散速度很快,干燥速度主要取决于外部的干燥条件,比方说温度、风速和周围介质的性质等,这时可以用廉价的热风去除大部分的水分。但是一旦物料的平均含水量达到了临界点之后,此时属于内部条件控制,干燥速度主要取决于物料内水分的扩散速度,物料的干燥速度就会显著降低,这时利用微波会非常显著地提高干燥速度。这一阶段去除的水分不是很多,使用微波的费用占总的干燥费用的比例不是很大。

终端干燥当物料中的含水量很低时,用普通干燥方式去除几个百分点的水分需要很长的时间。用微波可以显著地减少干燥时间。

预热干燥在干燥前先用微波将物料预热到水分的蒸发温度,然后用普通热风干燥方式可以显著地减少干燥时间。

还有一个需要注意的就是由于微波是瞬间就可以将微波转化为热能,因此其升温速度会比普通干燥方式快得多。对一些热敏性的物料在短时间就会大小。

在不考虑微波场的情况下,可以对电场强度进行大略的折算。在矩形波导中,由于其阻抗为377超过其耐热温度。因此现在间歇式微波干燥也是研究的课题之一。

*C.采暖系统的管理与控制,可以采用供暖小区集中调控,也可以采用集中管理与区域调控相结合,实现以用热单位、家庭为供热单元进行管理、控制。

6热风米暖的特点6.1同锅炉相比较热风炉为常压运行,安全可靠。

热风采暖,采用管路输送,气窗送热风,不用循环水,省去了散热片(暖气片),同时加了建筑物的有效使用面积,而且无漏水及散热片冻裂的事故,采暖安全可靠。

采暖温度可以调控,便于按地域、用热单位和家庭为供热单元进行管理、控制,操作方便,可随时关闭或部分关闭,部分运行。如环境温度发生变化,不会影响正常运行。

工程投资、运行和维修费用低。仅散热片一项,节省工程投资费用20%~30%;不用循环水,节省了用水、水处理及管道的清洗、除垢等费用。管路、气窗不会发生积垢、堵塞、漏水、冻裂等现象,维修量极小。

适宜于高寒缺水地区、大型空间和需要排气的空间采暖。

(上接弟18页)上述三种干燥形式究竟谁优谁劣,要根据干燥工艺实际确定。当然上述三种方式都可以根据本文的数学描述,建立数学模型,用数值计算来求解。再用数值实验的方法确定干燥设备的*佳结构参数、热工过程参数、操作参数和生产指标。这也是本文为达到此目的而做的前期工作。

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