利用托盘干燥器研究对流和导电传热

托盘烘干机是一种类型的间歇式干燥机, 其中也包括流化床干燥机, 冷冻干燥机和真空干燥机。托盘烘干机使用对流换热, 以流动的加热空气的固体, 以干燥他们。它们被各种工业所使用, 包括用于生产药品和其他化学品¹。连续烘干机另一方面是共同的对大容量产品产业, 例如食品工业¹。

要开始在一个典型的托盘干燥机的过程中, 托盘是均匀地填充一个湿固体, 如沙子, 并加载到设备。该烘干机的可调式风扇和加热器允许连续变化的流量从风扇通过干燥通道, 和热负荷变化500瓦特增量。当烘干机运转时, 水从沙子蒸发入空气。然后, 通过称量初始固体/水混合物, 减去最终干固体的重量, 并在不同的定时间隔计算干燥速率。

热传递是由砂与周围空气的温差驱动的。简化的牛顿加热定律 (方程式 1) 可用于模拟加热空气与砂-气界面之间的传热, 以获得实验传热系数。与等式1中的术语相比, 其他的热税术语可忽略不计,

方程式1

凡 q 是热量转移, ṁ是水蒸发在一个定量的时间或蒸发率, ∆h_vap 是汽化焓, H_y是热传导系数, t_空气是空气温度, 和 t_s是沙子的表面温度。

为了获得实验的传质系数, 将水从砂到空气的传递模型化为传质传递到真相边界。干燥速率方程 (方程式 2) 是这个模型。

方程式2

在 k_y为传质系数时, C 是水的浓度, A 是边界的表面积。沙子 (C_s) 和空气 (C∞) 中的水浓度将分别使用质量平衡和湿图来获得。这些是用来解决的干燥率。

通过计算传热和传质系数, 可以将理论值与实验数据进行比较。理论热 (方程 3) 和质量 (方程式 4) 传递系数从相关物质的性质得到。

方程式3

方程式4

其中 Re 是雷诺数, Pr 是普朗特数, Sc 是施密特号, D_AB是空气中水的扩散系数, L 是长度。

从收集的数据中, 可以获得以下信息。使用湿图表来确定绝对湿度, 从而使空气中的水分集中。热传导系数可以用实测温度和方程1计算。最后, 湿砂质量的变化可以用来计算砂中水的浓度。

砂含水量随时间呈线性下降。随着流速和热负荷的增加, 蒸发速率随之增大。根据它们的方程, 传热和传质系数与砂气界面的蒸发速率成正比。热质传递系数的理论值与R²的99% 具有强烈的正相关关系。实验值只显示测试后的弱相关性。

气流与蒸发速率、温度与蒸发速率之间的关系均呈线性增加 (图 1, 图 2)。增加的气流 (图 1) 和增加的温度 (图 2) 都增加了蒸发速率。这些曲线图表明, 当气流或温度升高, 其他变量保持不变时, 蒸发速率将以相当的速率增加, 并遵循正线性趋势。空气流量变化试验是一种对流换热的测量方法, 而温度变化试验是一种传导传热的测量方法。两个试验的总和表明, 对流和传导传热都遵循与蒸发速率的线性关系。

图 1: 描述空气流速与蒸发速率之间的关系, 它的线性增加。

图 2: 描述温度与蒸发速率之间的关系, 线性增加。

在测量中有很多误差源, 其中最大的误差来源是空气-砂界面的相对湿度和温度。此外, 空气流速对托盘重量的影响被认为是不重要的, 但它是一个错误的来源。其中的一些误差也可能降低了传热系数与传质参数的相关性。这些系数的理论计算和证明是相关的。然而, 尽管在理论上是相似的, 但实验数据并没有显示出明显的趋势。

用托盘干燥器对对流和导电传热的砂的干燥速率进行了测量。使用三不同的功率水平和两个不同的流量的干燥机, 六实验数据集被发现。测量是以五分钟的间隔将沙子/水混合物称量。

本实验利用牛顿的加热法、干燥率模型和传热传质模型进行了研究。利用边界层模型确定传热传质系数。从理论上讲, 传热传质系数呈非常强的正线性相关。尽管实验结果也显示出了积极的趋势, 但数据太不准确, 无法显示两者之间的显著相关性。

托盘干燥可用于各种领域。其中一个领域是药品。在药品中, 托盘烘干机用于干燥许多不同的基材, 包括粘性, 粒状, 和晶体材料²。许多用于制药的塑料可以在托盘烘干机²中干燥。此外, 沉淀物, 浆糊, 和其他潮湿的群众可以干燥与托盘干燥机, 连同原料药, 化学药品, 粉末, 和片剂颗粒。甚至一些设备在烘干机²。托盘烘干机为这一行业提供了许多好处, 因为它们用于批次, 可以在大小上有所不同, 并在没有损失的情况下处理²。该烘干机也易于调整, 以有效地配合其他材料²。在某些情况下, 真空中的托盘干燥器用于干燥热敏产品, 如维他命²。

托盘干燥器也用于食品加工³。食物可以均匀地分散到托盘上, 以烘干³。根据食物的类型, 干燥可以通过加热与空气在托盘上移动, 从加热的托盘或货架传导, 或辐射形式其他受热表面³。空气可以与消除潮湿蒸气的额外好处, 虽然这可能是一个问题的一些食品³。