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真空干燥技术及其装置.pdf

  • 上传人:t****
  • 文档编号:543665
  • 上传时间:2018-02-21
  • 格式:PDF
  • 页数:30
  • 大小:1.12MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN93101538.3

    申请日:

    1993.02.07

    公开号:

    CN1090922A

    公开日:

    1994.08.17

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情:

    专利权的终止(未缴年费专利权终止)授权公告日:2001.2.28|||授权||||||公开

    IPC分类号:

    F26B5/04; F26B15/00

    主分类号:

    F26B5/04; F26B15/00

    申请人:

    范毅;

    发明人:

    范毅

    地址:

    324001福建省龙岩地区林委科教科

    优先权:

    专利代理机构:

    代理人:

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    内容摘要

    本发明为真空干燥技术及其装置,它主要用于木材加工领域中板坯的干燥。该装置能解决真空系统中的气密性问题,它是由质地精良的膜片,置于有凹槽的环形托架上,形成气囊。当透水性良好的输送带载着湿板坯穿过干燥室时,气囊与板坯、输送带呈滑动接触,同时构成整体动态封圈。在内外压差的作用下,气囊在托架锥角处形成气楔子,堵住空气渗入,保护了系统的真空度,实现了连续作业状态下真空干燥的目的。

    权利要求书

    1: 一种连续式真空干燥装置,它由框架式机座、输送带传输系统、真空干燥室及真空管道等四大部分组成,真空干燥室分上、下两个部分,中间能同时穿过湿板坯及输送带,输送带安置在驱动轮、从动轮和张紧轮上,动力源输出的动力可以根据需要改变,并经传动机构输送给驱动轮,其特征在于:上、下真空干燥室的托架上,各置有一条环状分布的气囊,使得当输送带载着板坯穿过真空室时,“气囊、板坯”和“输送带”一起构成一个整体动态密封圈。
    2: 根据权利要求1所述的装置,其特征是:输送带光洁平整,透水性好,它的中部工作区有一排排整齐而又致密的小孔,工作区的两边各有一条光滑带,且相邻两排孔间距d≤气囊的宽度gt,而光滑带的宽度≥气囊的宽度gt。
    3: 根据权利要求1所述的装置,其特征是气囊内的气体从气门注入。
    4: 根据权利要求1所述的装置,其特征是承受气囊的托架,其截面形状是半圆加上一个梯形。
    5: 根据权利要求1所述的装置,其特征是构成气囊的膜片柔顺、耐磨、略有弹性,且其厚度保证在锥角处不产生褶痕。
    6: 根据权利要求1所述的装置,其特征是气囊可在锥角处胀开形成“气楔子”。
    7: 根据权利要求1所述的装置,其特征在于:干燥室内部装有温度补偿器,该补偿器的输出功率可以随输送带运动速度的变化而改变。
    8: 根据权利要求1所述的装置,其特征在于:它能形成一种,负压空间中蒸汽分子的运动速度,板坯表层水分的蒸发速度和板坯内水分的移动速度相一致的“推挽式”均衡干燥势。
    9: 根据权利要求1所述的装置,其特征在于,它可串联使用。

    说明书


    在木材的机械加工方面,常常会遇到木材干燥的问题。据现有的资料表明,木质材料干燥所采用的方法,不外乎有如下几种:(1)通过介质的加热式干燥法;(2)大气干燥法;(3)微波干燥法;(4)红外线干燥法;(5)利用嫌水介质的吸水性干燥法;(6)真空干燥法;(7)离心干燥法。以上7种干燥法还可以进一步细分,其特点各不相同。在此,仅对真空干燥技术而言,目前公知的有:(a)密闭容器式真空木材干燥机,干燥实木及半成品材;(b)刨花板真空铺装成型机,用真空产生的负压,使刨花易于成型。事实上第(b)种已不属于真空干燥的范围了,因为它使用真空技术的目的不是为了干燥。本发明是属于上述第(5)种干燥法的范畴-即真空干燥法,它是利用真空干燥原理来实现对以木质为原料的湿板坯进行干燥的一种装置,与现有的真空干燥技术相比,存在有本质上的差别,一个是动态干燥,另一个是静态干燥。前者不仅兼有静态干燥地特点,而且还具的自己的优点:它利用湿板坯中纵横交错的、丰富的毛细管,将大气与真空室沟通。毛细管中的水分在内外压差的作用下,向负压空间运动,因而加快了干燥速度。

        本发明的目的是提供一种真空干燥装置,它不仅能干燥具有板坯形状的湿料,而且能在连续作业的情况下进行干燥,因为它解决了真空干燥系统中的动态密封性问题。

        本发明的目的是这样实现的:一个输送带传输系统以一确定方式安装在一个框架式机座上。输送带套装在三个辊轮上呈倒置的三角形,驱动轮和被动轮在上,即基座的顶部两端,水平放置;张紧轮在下,即基座的下“腹部”。输送带与三个辊轮相切构成“三角形”的三条边,其中一条边-底边,呈水平状态。

        驱动轮从动力源获得动力,并带动输送带运转,它的启动、运行、和停止均借助于控制开关。

        张紧轮的空间位置可以调节,调节它的目的有两个:(1)便于输送带安装;(2)使输送带具有合适的张紧度。

        本装置的真工干燥室分上、下两个部分。它们由外壳、外接管头、气囊托架、膜片、充气阀门、气压表、温度补偿器及定位装置构成。上部干燥室被安置于输送带的上面,其开口朝下;下部干燥室座落在机座的上部,水平输送带的下面,其开口朝上并与上部干燥室的开口相对应。上、下干燥室均通过定位装置确定其空间位置。

        干燥室的外壳,一端经外接管头与负压源相通,另一端与环形气囊托架相连,托架上沿“环形周边”开有一凹槽,用质地精良,柔顺、耐磨而又略显弹性的膜片封住这一凹槽,便构成气囊。气体经过气阀门注入,使气囊具有一定的压力。安装在托架上的气压表可测知气囊内气体压力的大小。

        上部干燥室的输入端和输出端与湿板坯的外形尺寸相吻合,其两侧与输送带相吻合。

        形成于托架上的环形凹槽,其截面形状是半圆加上一个梯形,梯形的底角或锥角向里。形成于托架上的气囊为半圆加上一个椭圆,但椭圆的长半轴等于短半轴的0.5~1.5倍,因此气囊的截面形状近似一个圆。由膜片围成的这个半椭圆,其截面形状的变化只能在梯形的范围内改变。

        用温度补偿器,照射板坯表面的目的是(1)补偿因水分蒸发而消耗的能量,(2)增加表层水分子的动能,(3)加快水分的蒸发,提高干燥速度。

        输送带的两个表面必须是光滑的,它的中部为网孔区,两侧为光滑区,网孔区的宽度q与湿板坯的宽度相适应,网孔的大小与被干燥的湿物料尺寸相适应。

        在本装置工作之前,把一块轻质的引导板-长等于机座的长度,宽和厚与湿板坯的尺寸相等-从机座的前端,穿过干燥室,伸至后端,置于水平输送带上。

        此时,让两个干燥室处负压状态。上部干燥室开口朝下,面对输送带的正面,其托架上的气囊,在输入和输出端与引导板的上表面紧密接触,在两侧与输送带的光滑区紧密接触;下部干燥室开口朝上,面对光滑输送带的背面,其托架上的气囊四周均与输送带的背面紧密接触。

        上、下干燥室的开口相对,目的是:(1)为了使干燥室内的输送带和湿物料受力平衡;(2)构成密封;(3)便于加快水蒸汽的蒸发。

        当输送带载着湿物料穿过真空室时,这种紧密接触就构成了整体动态密封圈。

        实现动态密圈有三个因素:

        为便于叙述,此处以干燥室的后端为例。

        (1)当输送带运载湿板坯穿过真空室的上、下气囊之间时,气囊在托架内侧锥角处自然形成“气楔子”。这个“气楔子”的功能在于它可有效地在堵住外界空气的渗入。这是因为真空室内外存在着一个压差的原因。

        (2)由于内外压差的存在,外界空气就会沿着气囊与板坯之间的缝隙穿过,假设有一股气流形成于接触面间,依流体力学原理:“流速大的地方,静压力小,流速小的地方静压力大。”此时气囊内的压力大于接触面间的压力,这就趋使气囊膜片向下运动贴紧板坯,阻碍了空气的流入。

        (3)上述中,气囊的截面形状近似一个圆,根据几何学原理:“平面上。在周长相等的所有几何图形中,圆所围成的面积最大。”当气囊受到挤压及内外压差的作用时,就会发生形变,其截面积必定减小,引起体积减小,必然导致气囊内部压力增大,结果“气楔子”在锥角处胀开,彻底隔开了气流的通道。

        以上三个因素的综合作用,使“气楔子”楔得更紧,膜片对板坯施加的压力就更大,这大大增强了密封圈的有效性和可靠性,彻底解决了动态密封的问题。

        当湿板坯从上一道工序往本装置输送时,等湿板坯一与引导板相衔接,就可启动本装置。这时,湿板坯的前端面紧贴着引导板的后端面,并随着输送带的移动徐徐地穿过真空干燥室。又因“托架上的气囊、湿板坯”及“光滑输送带”构成一个整体动态密封圈,就使得湿板坯在内外压差的作用下,水分从湿板坯的毛细管中不断溢出,进入负压空间。当干燥室内的温度一定时,调节输送带的速度V或控制干燥室内的真空度便可调节干燥速度或板坯的含水率。在干燥行将结束时,应把引导板与湿板坯的末端相衔接,使引导板恢复到原先开机前的位置,再停机。

        由于采用上述方案,就能有效地建立整体动态密封圈,灵活地控制湿板坯的干燥速度,使其降低含水率,从而达到在连续作业的情况下进行干燥的目的。整个装置分真空管道部分,真空干燥室部分,输送带传动系和机座部分,结构简单,操作灵活。此外,它还有如下优点:

        (1)与目前广泛采用的加热式干燥法相比:

        (a)在保证连续作业的情况下,它的设备简单,投资小;

        (b)节能、热损耗小;

        (c)操作简单、容易,只要调节真空度或干燥系统中输送带的速度,就可调节被干物料的含水率;

        (d)维修方便,相对运动的摩擦件少。

        (2)与大气干燥法相比:

        (a)它的干燥速度快,产量稳定。(b)不受气候和场地的影响。

        (3)与密闭容器式真空干燥机相比。

        (a)采用连续式干燥、适宜流水作业;

        (b)干燥速度快,生产率高;

        (c)干燥过程易于控制;

        (d)干燥的对象不同,一个是以干燥实木为主;另一个是以干燥铺装成型的或质地疏松的板坯为主。前者对干燥对象的尺寸要求比较松,后者对板坯尺寸的要求较严。

        如果,把该装置若干个地串联在一起,最终可使板坯的含水率降至零或降至我们所规定的含水率。

        下面结合附图对本发明作进一步地说明。

        图1为真空管道连接方式、气囊、输送带和板坯之间的接触状态、及上部干燥室的定位方法。

        图2是本发明实施例的正视图。

        图3和图4是整体动态密封圈形成原理图。

        图5是F-F视图,体现了气囊托架的构造。

        图6是光滑输送带的结构图。

        图7~图11是本装置的干燥原理图。

        图12是为另一实施例。

        图中:1下部干燥室、2进气阀门(1)、3下部干燥室托架、4光滑输送带、5上部干燥室的定位装置(1)、6气囊、7板坯或轻质引导板、8上部干燥室托架、9进气阀门(2)、10上部干燥室、11外接管头(1)、12管道对接处的密封圈、13管道对接处的锁紧螺栓、14弯管、15直管、16通往负压源的直管、17三通、18上部干燥室的定位装置(2)、19外接管头(2)、20下部干燥室气囊、、21立柱(1)、22H型支架、23张紧轮的轴承榫头、24张紧轮榫槽缺口、25张紧轮调节螺栓、26电源开关、27调速电机、28三角皮带、29轴承(1)、30三角皮带轮(1)、31输送带驱动轮轴、32驱动轮、33三角皮带轮(2)、34调速电机的地角螺栓、35下部干燥室定位角铁、36下部干燥室定位螺栓、37气压表(1)、38定位装置(3)、39轴承(2)、40输送带被动轮滚轮、41纵向水平大梁、42交叉拉杆、43立住(2)、44横拉杆、45下部干燥室外接管头对接盘、46中间立住、47榫槽、48张紧轮轴承、49张紧辊轮、50压力表(2)、51轻质引导板、52远红外温度补偿器(1)、53温度补偿器(2)、54补偿器(3)、55补偿器(4)、56下托架气囊、57上托架气囊、58、托架气囊凹槽、59膜片固定螺钉、60塑料垫圈、61纸皮垫圈、62气囊膜片、63橡胶垫圈、64三角压紧块、65锥角α、66气压表安装孔、67膜片固定螺钉孔(1)、68托架凹槽、69膜片固定螺钉孔(2)、70压紧膜片的侧向台肩(1)、71压紧膜片的侧向台肩(2)、72气阀门安装孔、73光滑输送带、74输送带光滑区、75输送带网孔区、76输送带对接区、77输送带对接螺钉孔、78网孔相互位置、79输送带对接螺钉、80输送带、81锁紧螺母、82At大气压力方向、83湿坯中毛细管分布图、84Vapor水蒸汽蒸发方向。

        在图1中,上、下干燥室(10)和(1)均通过外接管头(11)和(19)、弯管(14)、直管(15)、三通(17)及管道(16)与负压源相通。干燥室的定位靠左右2对定位装置(5)和(18)固定,其托架有一气囊凹槽(6)和(10),气囊内的气体经气门(2)和(9)注入。下托架(3)的气囊(20)紧贴着输送带(4)的背面;上托架(8)的气囊(6)紧贴着引导板(7)的上表面和侧面及输送带(4)的光滑区。

        在图2的实施例中,框架式机座由四根大立柱(21)及(43)、四根中间立住(46)、两根水平大梁(41)、横拉杆(44)和四对斜拉杆(42)构成。机座的上端装有驱动辊(32)、被动辊(40)、下腹部装有可调节的张紧轮(49)、输送带(4)套在三个辊轮上。机座的两侧各有一H型支架(22)。调节手轮(25)装在H型支架上,张紧轮轴承榫头(23)镶嵌在H型支架的内侧榫槽(47)中,轴承榫头可在槽内上下滑动,转动调节手轮(25)就可使输送带具有合适的张紧度。启动开关(26)就可使调速电机(33)运转,从而通过主动皮带轮(33)、三角皮带(28)和被动皮带轮(30)带动驱动辊(32)运行。在机座的中部装有干燥室(1)和(10),下部干燥室的定位是靠一对横置的角钢(35)及二对限位螺栓(36)固定;上部干燥室的定位是靠二对定位装置(18)及(38)固定。

        在图3中,输送带传动系由驱动轮(32)、被动轮(40)、张紧轮(49)及输送带(33)组成。轻质引导板(51)从机座的前端伸至后端并放在水平输送带上。上、下干燥室(10)(1)的开口和托架相互对应。轻质引导板或湿板坯沿速度V的方向前进。

        上、下干燥室内部均装有一对远红外温度补偿器(52)(53)(54)(55),它们定向地照射在板坯上。虚线表示光线的路径和照射的范围。在热辐射射线重迭区,温度较高,水蒸汽分子得到的能量大,运动速度快,致使板坯表面的水分蒸发量大。温度补偿器的功率可以调节,板坯运动速度V大,补偿器的功率W功也可随之大些。用式子,W功=f(v)=K·Vx,[-R<x<R]表示它们之间的关系,其中K为比例系数。

        在图4A-A视图中,板坯(7)以速度V从左至右穿过上、下托架上的气囊(56)(57)、气囊内的气压可从气压表(37)(50)上读出,气囊受到板坯的挤压发生形变,气囊内压力增大,其膜片对板坯的压力也增大,根据摩擦力公式f摩=μN(μ为摩擦系数,N为正压力),当膜片对板坯施加的压力增大时,f摩也增大,这就加速了膜片的磨损,因此必须尽量在保证密封的前提下,减小气囊内的压力。一般气囊内充气压力Pn=1.0~1.3kg/cm2。

        现在分析膜片的运动情况:

        (a)当内外压差△P≤摩擦力f摩时,膜片往外侧锥角移动。这时气囊体积减小,压力增大,在锥角处胀开,形成“气楔子”,压紧板坯,堵住空气进入。

        (b)当△P>摩擦力f摩时,膜片往内侧锥角移动,形成“气楔子”。

        (c)△P=f摩时,摩片处在中间位置。倘若有一股气流形成于板坯与膜片之间,这就意味着膜片对板坯施加的压力减小,引起△P>f摩,膜片往内侧运动,并在锥角处形成气楔子,堵住空气流入。

        气囊在其余地方的接触情况,也可得到类似的结果。这就保证了整体动态密封圈的形成。

        在图4的B-B视图中,托架(8)上的膜片(62)被塑料垫圈(60),纸皮垫圈(61)、橡胶垫圈(63)、压紧块(64)和螺钉(59)锁紧,封住了半圆,构成气囊。膜片的厚度t<0.3mm,其质地精良,柔顺、耐磨及略显弹性,且在锥角处不产生褶痕。

        在图5的F-F视图中,gt表示托架环形凹槽的宽度。j表示干燥室的内侧宽度,L表示干燥室的内侧长度,V为板坯的运动速度。膜片盖住凹槽的两边分别被一排螺钉(68)和(69)锁紧。

        在图6中,光滑输送带(73)的中部为网孔区(75),两侧为光滑区(74),对接区(76)上钻有一排小孔(77),用藏头螺钉(79)和螺母(81)对旋锁紧。

        输送带首尾对接的第二个实施例是用万能胶粘紧,而不用螺钉螺母锁紧。

        输送带的两面是光滑的,它的移动速度V=5cm/s~50cm/s,厚度h=1~5mm。

        P-P视图为网孔构造:

        a、为上孔的首端至下孔的首端。

        b、为孔的长度。

        c、为两孔之间在长度方向上的距离。

        d、为左孔的左端至右孔的左端。

        e、为孔的宽度。

        f、为两孔在宽度方向上的间距。

        在实际应用中,网孔区上网孔尺寸a、b、c、d、e、f的大小应根据以下四个原则确定:

        (1)不能让板坯中有用的物料从孔中掉落。

        (2)便于密封,即两孔间距d≤气囊宽度g。

        (3)有利于水分蒸发。

        (4)干燥对象。

        干燥的目有就是为了让湿物料的水分蒸发掉,可见,输送带的网孔越密越好,越大越好,输送带的厚度越薄越好。换句话说输送带的透水性能要好。

        图7~图11为本装置的干燥原理图,现详细分述如下:

        连续式真空干燥原理

        §1  木材或板坯中的水分状态

        木材中的水分全部包含在细胞腔与细胞壁内的毛细管中,毛细管对水分的束缚力与其大小有关,一般可分为两大类;

        (Ⅰ)大毛细管系统:由无数互相连通的细胞腔构成,它对水分的束缚力很小以至无束缚力。

        (Ⅱ)微毛细管系统:由互相连通的各级微毛细管构成,它对水分有不同程度的束缚力。

        总的来说,毛细管半径越小,水分在管内的表面张力越大,使得毛细管对水分的束缚力越大。

        大毛细管系统内的水分或自由水大致能和自由水表面上的水分一样地蒸发,而且这个系统只能向空气蒸发水分,不能从空气中吸收水分。

        微毛细管系统内的水分或说吸着水必须在空气湿度低到一定程度、或在额外加热的条件下,才能向空气中蒸发,而且这个系统既能向空气中蒸发水分,也能从空气中吸收水分。

        湿板坯中的水分也是滞留在纵横交错的毛细管中。

        §2  木材含水率与空气的相关因子

        含水率就是木材中水分的含量,用水分的重量对全干木材重量之比的百分率表示,即:

        W含= (G湿-G干)/(G干) ×100%(2-1)

        其中W含-含水率,G湿-湿材重量,G干-全干材重量。

        木材的含水率会随着环境气象因素的改变而改变,即随着大气压力P、温度T和空气湿度φ的改变而变化。空气湿度φ指空气绝对湿度r汽对在同一温度下的空气湿容量r饱的比值。

        即φ= (r汽)/(r饱) = (P汽)/(P饱) (%) (2-2)

        r汽= 1/(V汽) (kg/m3) (2-3)

        P汽:空气中水蒸汽分压,P饱:饱和空气中水蒸汽分压

        湿空气的状态方程式:

        P大气=P空+P汽(2-4)

        P大气-大气压力;P空-空气分压力;P汽-水蒸汽分压力。

        空气的湿含量指1公斤干空气中所含有的水蒸汽,用字母d2表示:

        即:d2= (r汽)/(r空) ×1000(克水蒸汽/公斤干空气)(2-5)

        湿空气的热含量指属于(1+0.001d3)公斤湿空气的热量。用字母I表示:

        即I=0.24T+0.001d3(595+0.46t)[千卡/(1+0.001d3)公斤湿空气]

        (2-6)

        根据式(2-6),可绘制出ID图。

        图7就是ID图,分析该图,至少可得出如下有关结论:

        (1)温度T不变,水蒸汽分压P汽越小,空气湿度φ也越小,说明空气中容纳水分的能力越大,即该空气的干燥势越强;

        (2)水蒸汽分压P汽不变,温度越高,空气湿度φ越小,湿材向空气中蒸发水分的速度越快;

        (3)空气湿度φ不变,温度T越低,水蒸汽分压P汽越小,热含量I也越少。

        简单地说:空气湿度的高低,表明了空气在一定温度下容纳水蒸汽的能力;温度的高低表明物质分子热运动的剧烈程度;压力的大小表明宏观分子平均动能的大小。

        §3、水的特性

        水作为一种液体大量地存在于自然界中,它的化学性质十分稳定。如同其它物质一样,水也有三态:即气态、液态、固态。这三种状态,在一定的压力下会随着温度的变化而相互转变。

        在00K(绝对温标)以上的任何温度下,水都会产生蒸发现象,液体的蒸发,如果没有得到外界能量的补偿,只能靠消耗自身的内能来进行,结果液体的温度降低,进一步导致水的蒸发速度减慢。

        图8表明大气压力和水的沸点关系。

        即当压力增减时,水的沸点也随之增减。

        液体的沸腾是指液体的内部和表面同时汽化的现象。温度T越接近于沸点,液体气化现象就越剧烈。

        现设,在温度T1=常数和压力P1=常数的情况下,液体蒸发生成气体的分子数为n1;

        若温度T1不变,而使P1降为P2,则液体蒸发生产生的分子数为n2;根据压力和沸点的关系,可以定性地推断n2>n1;若在同等条件下,P2<<P1,则n2>>n1。

        通常,水被认为是不可压缩的,它的体胀系数很小,因而密度的变化可以略去,水的粘度μ与油相比是很小的,因此温度的变化对液体流动的影响很小。

        §4、液体的流动特性

        为了对一般的液流进行描述,首先可确定一个小立方体的液体运动。一个无穷小体积的液体运动可由八个参数来完全确定,即三维空间坐标X、Y、Z、压力、温度、密度、粘度及时间。

        根据牛顿第二定律及动量守恒定律,可得到三个方程,即纳维尔-斯托克斯方程。

        其中:U、V和W是笛卡尔坐标系中X、Y、Z方向上的速度分量。

        X、Y、Z为坐标轴方向上单位体积的体积力,T为时间,P为单位面积上的压力,ρ为质量密度,μ为液体的绝对粘度。

        上述三个方程的左边各项是由液体的惯性产生,右边各项是由液体的粘性摩擦产生。

        根据质量守恒定律,流入一控制体积的质量减去流出的质量=贮藏的质量,

        即∑W入-∑W出=g (dm)/(dt) =g (d(ρ·θ))/(dt) (4-4)

        其中θ为被贮藏质量的体积

        根据能量守恒定律及热力学第一定律

        流入控制体积的能量减去流出的能量=被贮存的能量

        即 (dQb)/(dt) - (dWx)/(dt) +∑W入h0入-∑W出h0出= (dE)/(dt) (4-5)

        (dQb)/(dt) -热量以该速率传给该体积的液体。

        (dWx)/(dt) -在该体积内,液体对外部作的功。

        h0=h+V2/2g+Z 每单位重量液体中的总能量(它包括:内能、压力能、动能和位能)

        E为控制体积内液体的总内能。

        u′为内能(固有能)。

        PL为压力,r′为密度,V为速度,g为重力加速度,Z为高度,W为重量流量,h1=u+P/r′为液体的焓。

        密度方程:ρ=f(P·T) (4-6)

        粘度方程:μ=F(P·T) (4-7)

        其中P为压力,T为温度。

        以上7个方程加上时间t,是描述液体流动的方程,这些方程是一些具有复杂边界条件的非线偏微分方程,它们的一般解法是找不到的,因此对液体的每个特定状态,都须看作一个特殊情况来处理。

        一般地说,影响液体流动的力有体积力(如重力和浮力)、液体的惯性力、液体的内摩擦力(粘性力)、液体表面张力、电场力、磁场力及外界的压力等。

        经验表明,液体事实上一般都为液体的粘性或惯性所左右,液体的流动状态,可以用惯性力对粘性力的无因次比值-雷诺数R来描述。

        其中,ρ为液体的质量密度,μ为绝对粘度, u为液体平均速度,a为液流的特征尺寸,D为液体在导管中流动的导管内径。

        以粘性力为主的液流叫做层流或粘性流。层流的特点是:液体的运动为整齐、平滑且呈平行线的运动,它的流动阻力小。

        以惯性力为主的流动通常叫做紊流,其特点是液体质点的流动路线呈无规律的不稳定的旋涡状,它的流动阻力大。

        液体在导管中的流动,可以是层流,也可以是紊流,层流向紊流的过度已由实验确定,即雷诺数在2000<R<4000的范围。在R=2000以下,流动总是层流;在R=4000以上,流动常是紊流。

        根据公式(4-8),D越小,R值越小,流动状态越有可能是层流,一般毛细管中的液体流动都是层流。

        如果充满水分的毛细管两端存在有一个压差,那么毛细管两端的液压降为:

        其中:P1-P2为压差;μ为液体粘度, u为液体平均流速,D这管道内径;Lg为管道长度;R为雷诺数。

        可见,液体粘度越大,管子越长,平均流速越大,雷诺数R值越大或管径越小,均会使压力降得越大。

        §5、水分在木材或湿板坯内的移动情况

        木材所含的水分在一定条件下可以在木材内部转移,移动的快慢程度叫做木材的水分传导性。在水分移动势不变的情况下,水分移动得越快,木材的传导性越好,反之,越差。木材中的水分可以顺着纤维方向移动,从木材的两个端面排出,也可以横跨纤维方向移动。如果材料的长度远大于厚度和宽度,且材料的侧面积远远大于端面面积,尽管顺着纤维的水分传导远比横跨纤维的水分传导容易,但是在干燥过程中,起决定作用的还是横跨纤维方向的水分传导。

        木材内的水分移动规律可由下式确定:

        ish为水流量;a′为导水系数(m2/h);

        负号表示梯度的方向;r0为物质的绝干容量;

        为含水率梯度;为温度梯度;δ为热梯度系数。

        木材内部水分的移动快慢在相当大的程度上是取决于含水率梯度和温度梯度的大小。通常,木材内部的含水率高于外部的含水率,因此水分的移动总是从含水率高的地方流向含水率低的地方。

        木材温度高时,水分的移动总是比温度低时,水分的移动容易些,因此,温度梯度的存在也会引起水分的移动,即水分的移动总是从温度高的地方流向温度低的地方。

        由于本装置所用的湿板坯一般都是铺装成型的,因此,他的结构要比实木的松散得多,即便对板坯施加一定的压力压紧,板坯的密实程度也远不如原材。故板坯的水分传导性要比实木好得多。

        板坯内的块状木材,也由于体积小,纤维短,使得它的导水性变好。不论是从宏观,还是微观,板坯内各向的导水性能都有质的变化,因此,板坯内的水分移动规律完全可以参照木材内的水分移动规律。

        §6、木材表面的水分蒸发强度

        在干燥过程中,木材内部的水分一方面向外部移动,另一方面经过木材表面和界层传入干燥介质的空气流中。

        通过木材表面的水分蒸发强度可由下式确定:

        i表=a′·r0(W表-W衡)=a′r0σ(φ表-φ空)(g/cm2·s)(6-1)

        a′为换水系数(CM/S),它是衡量水蒸汽分子透过木材表面和界层扩散入空气的能力。a′=f(T、φ、V′、r′)  (6-1)′

        T为空气温度;φ为空气湿度,V′为气流速度,r′木材容重。

        温度高、湿度低,从木材中蒸发出来的水蒸汽易于被空气吸收;气流速度大时,界层的厚度减小并易于遭到破坏;木材容积小时,内部的水分易于向外部传导。

        r0-全干木材的容积重(g/cm3)

        W表-木材表面及其邻近诸层的含水率(%),

        W衡-与干燥基准所规定的介质状态相对应的木材平衡含水率指标(%)或在一定的空气状态下、材料达到吸湿稳定时的含水率,

        σ为W与φ之间的换算子,φ表为板坯表层相对湿度,φ空为负压空间的相对湿度。

        水蒸汽进入介质时,它的平均平动动能与热力学温度成正比,即:

        ED= 1/2△m1V2= 3/2 KT(6-2)

        m1-蒸汽分子的质量; V-分子的平均速度,

        K=1.38×10-23焦/开(玻耳兹曼常量)

        T-热力学温度

        根据能量按自由度均分原理,在热平衡状态下,物质分子的每一自由度上都具有相同的平均动能,其大小等于 1/2 KT。

        水蒸汽H2O有三个原子,属多原子分子,因此它有三个平动自由度和三个转动自由度,共有6个自由度。

        水蒸汽分子总平均动能是

        EH2O= 6/2 KT=3KT(6-3)

        温度越高,蒸汽分子的速度就越大。

        §7、本装置的干燥机理

        当本装置开始工作时,湿板坯穿过真空干燥室,在干燥室内,气压P在0<P<1kg/cm2,相对湿度φ在0<φ<<100%的范围内变动,湿板坯表层的水分由于气压低,相对湿度低而向低湿低压区蒸发。

        在湿板坯表面附近,水蒸汽密度大,分压高;离湿板坯表层越远,水蒸汽密度越小,分压也越低。根据分子扩散理论,分子总是由浓度大的地方向浓度小的地方扩散,结果水蒸汽分子不断流向负压源。

        湿板坯内有丰富的、四通八达的毛细管,不论板坯以何种速度运动,总存在着许多这样的毛细管,它的一端接大气,另一端与真空室相通。这样毛细管的两端就产生了压力差,促使毛细管中的水分沿压力势能减小的方向运动,水分因而以蒸汽的形式被抽往负压空间,这就是负压区作用在毛细管上的抽吸效应。

        在图9中,(82)At为大气压力,它朝着箭头所指的方向,施加于湿板坯(7)上,同时也作用于板坯内毛细管(83)中的水分上。毛细管通往真空干燥室(10)。由于气囊(53)与板坯(7)输送带(4)的光滑区形成整体动态密封圈,彻底隔绝了内、外部空气的直接交流,确保了干燥室内的真空度。因而外界的大气压力只能通过毛细管中的水分传递到真空干燥室内。它推动着毛细管中的水分往负压空间运动。水蒸汽Vapor(84)沿箭头方向离开湿板坯奔向负压源。

        板坯内水分的转移除了应遵循材料内的水分转移规律:

        之外,还应受到压力势能的作用。

        毛细管中,任一微元水分所受的力,主要有压力、管道阻力,水分的粘性力及水的张力。用微元法,求出水分在毛细管中的移动速度τ1[为了简化问题,设毛细管的截面为圆形]。

        τ1=∫1πr2ΔP-FmMdt(7-1)]]>

        其中:πr2-毛细管截面积

        △P-P外-P内=外界大气压力-干燥室真空度

        F阻=f(ω,μ,Z′)=RΘ为管道壁摩擦力,μ为液体粘性力,Z′为张力,R雷诺数,Θ为相关因子,dt为时间的改变量。

        1为沿着毛细管压力梯度方向上的长度。

        毛细管的长度1>>毛细管的直径D,毛细管中水分的移动是层流型的,摩擦阻力较小。毛细管径越小,液体张力的影响越大。因此液体的流动要克服张力的影响。

        参照理想气体的能量按自由度均分原理,水蒸汽分子的平均平动动能为:

        EH2O= 1/2 m V2=3KT

        蒸汽分子的平均速度为

        V2H2O= (6KT)/(m) (7-2)

        在Y轴方向上的速度分量为:

        V2H2OY= 1/6 V2H2O= (KT)/(m) V2H2oy=(7-3)

        温度越高,蒸汽分子的运动速度越快。

        到此阶段,共牵涉到三种速率:

        (Ⅰ)板坯内的水分移动速率,i′sh和 τ1′

        (Ⅱ)水蒸汽的蒸发速率或喷发速率,i′表和 τ1

        (Ⅲ)负压空间中,蒸汽分子的运动速率 VH2OY。

        最理想的干燥情形是,这三种速率相等,

        即:i′sh+ τ1=i表+ τ1′=(7-4)

        或三种流量相等:

        即:

        i′sh+ τ1·s1=i表+ τ1′·s2= VH2oy·ρ(7-5)

        其中:s1-为一确定体积的截面积

        s2-为气流体积的截面积

        ρ-气体密度。

        现对板坯的干燥速度进行讨论。

        1、当P外≈P内时,△P<F阻,湿板坯的干燥速度主要是靠自然蒸发,其蒸发速度取决于负压空间的相对湿度及温度。φ越小或T越高,干燥势越大,蒸发速率越快。

        2、当P外>P内时,设△P≈F阻,则有两种情况:

        (a)由于P内减小,相对湿度φ随着减小,干燥势增大。

        (b)△P增大。板坯内的水分移动势增强,水分源源不断地沿压力梯度的方向移动,以补充在低压区内,板坯表面蒸发掉的水分。

        3、当P外>>P内时,△P>>F阻,毛细管中的水分将以蒸汽的形式喷入负压空间。

        综上所述,水分的蒸发速度可由以下二种速度迭加而成:

        (1)在相对湿度φ(φ≠100%)一定的情况下,水分向负压空间蒸发,其蒸发速度为:

        i′表=ξa′·r0(φ表-φ空) (m/s)其中ξ中比例常数。

        (2)由于内外压差△P的作用,使板坯内的水分沿毛细管的压力梯度的方向进入负压空间,其速度为:

        τ‾1=∫1πr2ΔP-FmMdt]]>

        水蒸汽蒸发的合速度:

        Γ合=i′表+ τ1(7-6)

        在干燥室的进、出端,由于毛细管的管道短,所以阻力小, τ1较大。越往中部区域,毛细管道越长,管道阻力越大, τ1越小。

        沿着输送带的运动方向,把干燥室内在该方向上的各点 Γ合连接起来,形成一条抛物线,再把干燥室内同一方向上的各条抛物线连接起来,就构成抛物面。

        在图10中,X轴上各点的 Γ合相连形成抛物线,该抛物线的方程为:

        Γ合=y=Q(X)= (C1-C0)/(4L2) X2-C0(7-7)

        X的取值范围在[-L/2,L/2]的区间内。其中

        L为干燥室的内侧长度。

        C0和C1均为常数,即为该抛物线的初始条件。

        y=Q(X)为向上蒸发的曲线,y=-Q(X)为向下蒸发曲线,它们的边界值为β4(-L/2,C1),β(0,C0),β6(L/2,C1),βx1(L/2-C2),βx2(0-C0′),βx2(L/2-C′2)。

        图11表明,湿板坯在单位时间内的水蒸汽蒸发量。在干燥室内建立三维空间直角坐标系,把原点定于板坯表面的中央。X轴平行于输送带的运动方向,Y轴垂直于板坯表面,Z垂直于X、Y轴决定的平面。

        把由X、Z轴决定的平面上的各点Y= Γ合(X,Z)连接起来,就构成一个抛物面,该抛物面与平面Y=0所围成的空间便是单位时间内的水分蒸发量,该曲面立方体的边界条件是:

        其中j为干燥室或板坯的宽度。

        单位时间内的水蒸汽蒸发量(单侧蒸发)为

        = 1/12 Lj(C1-47C0) (7-8)

        双面蒸发量为:Q双=2q= 1/6 Lj(C1-47C0)(7-8)

        设输送带的透水率达100%,则水分往上蒸发与往下蒸发效果一样。

        从湿板坯上任意切下一小块立方体,其体积

        Cub=h·△X·△Z;平均密度为ρ0。则该体积的总重量为:

        g1=ρ·Cub (7-9)

        其中水分的重量为:

        G水=g[湿重坯]-g2[干坯重] (7-10)

        该小块立方体从进入干燥室开始到离开干燥室为止,经历的时间为t秒,被蒸发的水分为d1克,那么,本装置的干燥能力为:

        η= (d1)/(G水) = (d1)/(g1-g2) ×100%(7-11)

        需要串联的干燥机台数:

        N= 100/(η) (台) (7-12)

        为了提高板坯的干燥速度,可以选择如下途径:

        (1)使湿板坯质地疏松、均匀,以减小毛细管的管道阻力。

        (2)增大内外压差△P,提高毛细管两端的压力势能。

        (3)提高湿板坯表层的水分蒸发速度。

        (4)加大负压空间中蒸汽分子的运动速度。

        (5)减小板坯厚度。

        (6)增加输送带网孔区的网孔密度,提高输送带的透水性。

        水分的蒸发,要消耗能量,引起温度降低、温度降低又引起分子热运动减弱,造成水分的蒸发速度降低,为了避免发生此种现象,本装置加装了温度补偿器,以补偿能量的损耗,控制蒸发速度的减弱。

        温度补偿器可以是远红外射线灯,用它来照射湿板的表面,增加板坯表层水蒸汽分子的动能,促进它们以较快的速度,奔向负压源,使板坯的表层附近始终保持较低的相对湿度或较高的干燥势。

        由于温度补偿器的热效应,就使得板坯表层附近的空间温度高于板坯内的温度。但因板坯在不停地运动,穿过本装置的时间较短,而热辐射的透射极为肤浅,热能来不及向板坯深处传导,故板坯内部不存在与含水率梯度相矛盾的温度梯度。

        负压空间中,由于温度得到了补偿,蒸汽分子的运动速度加快,保持了板坯表层附近的相对湿度φ在较低的数值,稳定了表层的水分蒸发强度,这又进一步引起板坯内水分移动速度的加快,形成一种负压空间中,蒸汽分子的运动速度、板坯表层水分的蒸发速度和板坯内水分的移动速度相一致的,“推挽式”均衡干燥势,大大加快了湿板坯的干燥速度。

        图12为真空干燥装置的另一实施例,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表三个串联的干燥室。干燥室个数的选择取决于干燥速度(或温度T、湿度φ、真空度P真=P内和含水率)、被干物料的内部结构及其厚度。

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    真空 干燥 技术 及其 装置
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