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干燥理论研究现状
发布时间：2013-06-07 07:50 来源：未知
干燥学科是由干燥理论、干燥技术和干燥工艺学三大分支构成的。干燥理论涉及到热交换、质交换理论、水分同物料结合形式学说、不可逆过程热力学、理化力学和流变物理学等许多学科。早在远古时期人类就开始了对干燥学科的研究，随着干燥理论、干燥技术和干燥工艺学的发展，现在人们对物料干燥问题的研究方法已由原来的实践探索法转变为把干燥理论和干燥技术有机结合起来，采用一系列的数学方程模拟干燥过程，实现干燥工艺优化设计，这种方法已经成为干燥学科研究的主要方法。由于数学模拟这种方法具有准确度高、经济性好、快捷以及便于放大等优点，在干燥学科研究过程中得到了广泛的应用。考虑到干燥物料种类众多，干燥产物要求也各不相同，干燥过程中所表现出来的干燥特性大相径庭。因此针对不同干燥物料建立相应物料干燥模型也就成为了现阶段干燥模型的主要研究内容。物料干燥模型实质上就是对物料干燥过程中干燥特性的一种数学表达，而物料干燥特性通常指的是物料在干燥过程中表现出的各种性质，其中主要包括物料干燥速率、升温速率、结构变化（收缩与变形）规律、质量与品质的变化规律等。需要指出的是，由于对干燥产物的要求不同，在对干燥过程进行数学模拟时，上述特性并不是同等重要，这个原因也导致了物料干燥模型的多样性。概括起来说物料干燥模型主要是研究两大方面的内容：其一是基于唯象理论和体积平均理论的物料热质传递模型，其目的是深入研究物料干燥过程微观机理，掌握物料内部水分移动规律，建立反映物料干燥特性的理论模型（包括干燥速率方程、升温速率方程、结构变化模型、质量与品质变化模型等）；其二是基于不可逆热力学理论建立起来的干燥模型，其研究结果往往是侧重从宏观方面描述干燥过程，预测干燥速率，确定干燥时间，把干燥领域实验研究及理论分析结果应用到实际干燥过程分析中，实现优化设计和优化运行。
早在20—30年代，Lewis、Sherwood和Newman进行大量的工作，把多组分气体扩散的Fick定律应用于干燥过程，建立了扩散模型理论（假定扩散系数为常数）。在许多场合，扩散模型理论解与实验的失重曲线、蒸发速率曲线相符。1937年CeaglskecJD4J和Hougen的实验及Hougen等人的分析表明：常系数扩散模型理论解出的含湿量分布与实验结果不符，而利用由他们测量的毛细势（压力）与含湿量关系的曲线．才能给出与实验相符的含湿场分布。由此他们推论，干燥过程中物料水分迁移是毛细势作用的结果。但是上述工作与实际情况最大的不同是：都没有考虑温度对干燥过程热质传递的影响。而在实际干燥过程中，温度作为热质传递过程中的一个主要推动力，在物料干燥过程中所起到的作用是不可忽视的，甚至是决定性的。所以上述可以认为是在忽略温度影响下的物料内部质传递的描述�？梢运抵钡絃uikovn和Krischer考虑温度对水分迁移过程的干燥模型的出现，描述物料干燥过程的传热传质模型才真正问世。Luikov从宏观的质量、能量守恒定律和不可逆过程热力学原理出发，推导一组关于含湿量、温度和气相压力的方程。这组方程中系数没有明确的表达式，常常需要假定为常数，再由实验确定。Krischer认为在干燥过程中，内部质量传递包括由毛细势控制的液体流动和由扩散控制的汽流流动，通过把液体浓度梯度引起的毛细管流动和蒸汽分压梯度引起的蒸汽扩散运动分别加以考虑，建立了一种干燥理论模型。该模型应用吸附等温线来确定物料内部蒸汽压分布，即认为内部蒸汽压是温度及含湿量共同决定的，把由温度差、浓度差和压力差引起的三种驱动力结合起来，该模型常被称为Krischer模型。同样，该干燥模型需要假定方程的系数为常数，或采用复杂的经验式，才能对这组方程进行求解。除此之外，同时期内还有Philip和DeVries在独立地进行这方面地工作。他们分析的出发点与Krischer的做法类似，将含湿量的迁移分为液体的毛细流动与蒸汽的扩散渗透，由此导出一组关于含湿量、温度的控制方程。Philip和DeVries的推导中忽略了温度对毛细势的影响，且蒸汽扩散表达式形式及其某些项是凭经验推导出来的。六十年代末，Harmathyf10a]通过运用虚拟宏观连续介质方法推导了一组适用于液体在物料中处于悬浮状态（液体不连续）时，含湿量、温度和气相总压力的方程。1979年HuangEi把它推广，使之也适用于液体的连续状态�？梢匀衔堑汲龅姆匠痰淖钪招问绞且蛔榇看獾钠⒎质Х匠�，比较复杂，物理意义也不明确。1989年Ilic和Turner[10]也导出一组关于含湿量、温度和气相压力的方程。这组方程是从体积平均的运动方程直接展开得到的。Wei等人的分析中也做过如此出处理，这种处理把体积平均的运动方程和能量方程转换成含湿量、温度和气相压力三个方程。
我国学者雷树业等对含湿多孔介质传热传质模型进行了相关研究。文章从多孔介质多相流Darcy定律和扩散迁移机制出发，建立以温度、压力和饱和度为基本参数的三参数模型。该模型给出一组描述气液质量守恒、空气质量守恒和能量守恒的非线性偏微分方程。模型韵提出和建立是基于Whitaker体积平均理论的。
虞维平等和韩吉田等在研究未饱和多孔介质传热传质时考虑了毛细滞后效应的影响。上述两篇文献采用液相渗流的最小梯度假设，考虑毛细滞后对液相运动的影响。传热传质微分方程包括湿份迁移方程、能量守恒方程和气体总压力方程组成。方程中的有关热湿迁移性系数都有明确的表达式，便于定性、定量地研究迁移特性的影响因素和变化规律，并为进一步发展确定热湿迁移特性的有效实验方法提供了依据。
综观干燥理论的发展，典型的干燥理论有三种：
(1)气化界面理论
Lewis和Sherwood提出水分传输是由扩散所致。在此基础上，Gross提出了气化界面理论，又经G．Rhadley和K．W，Chen等人进一步发展，推导出了一系列以气化界面为分界面的方程来描述干燥过程中物料内部热质传递规律。由于在干燥过程中气化界面是一个向物料内部移动的分界面，气化界面不断减少，所以推导出的气化界面理论更适合于描述干燥过程中较为复杂的降速干燥阶段。传统气化界面理论的中心思想假设进入干燥降速期的干燥物料内部存在于区和湿区，以气化界面作为分界面，气化界面外为干区，气化界面内部为湿区，干区已经经过完全干燥，含湿饱和度为零，而定义湿区的含湿饱和度为100%，规定水分气化只在交界面（气化界面）上才能发生。该理论的最大优点是对各种扩散原因考虑较为详细，在降速干燥阶段具有较高的实用价值。
(2)等效耦合扩散理论
七十年代，Whitaker提出的体积平均理论使干燥过程中热质传递规律的研究进入到一个崭新的阶段，Whitaker所提出的方程最终形式上与以往方程并无差异，他在试图进一步推导方程时，作了许多假设。杨世铭、肖宝亮在未附加任何新的假设的基础上，依据Whitaker体积平均理论和Darcy定律推导出一组等效耦合扩散方程，该方程以含湿量、温度、气相总压力三个紧密耦合量为变量，代表了一种广义守恒。参量的时间变化率等于等效流的净通量，而等效流与参量自身梯度成正比，且与重力加速度有关。该方程以矩阵表达，形式筒单，且方程系数都有明确表达式，不需要由实验进行测定。
(3)扩散干燥理论
苏联著名学者Luikov利用不可逆热力学建立了反映物料内部热质传递规律的理论，对于那些干燥过程温度不太高，压力梯度、温度梯度可忽略的情况，简化其方程并求解，得到了物料颗粒含湿量分布场和整个粒子平均含湿量的计算式。由于扩散方程复杂，需要的计算量大，往往扩散系数还是用经验方程代替，所以扩散方程进一步又发展成半经验、经验方程。通过对上述扩散理论的分析，Prof. Ginzburg指出：干燥的强化可以通过增强过程的驱动力来达到，同样也可以利用增加动力学系数的方法实现；如果驱动力受到一定的技术限制，增加动力学系数的潜力却仍然有很大。上述理论对现代干燥具有重大的现实意义：引导人们走出了一味通过增加驱动力强化干燥的误区，大大降低了干燥过程的能源消耗，提高了干燥产品的品质。
以上三种典型的干燥理论对本文进行秸秆干燥过程的理论分析有重要的指导意义。本文借鉴了气化界面内移的思想来描述降速干燥过程；采用体积平均理论，构造出表征单元体进行秸秆干燥过程的理论分析，最终得到了较为理想的效果，
