毛細多孔介質干燥過程中傳熱傳質模型研究及應用.pdf

1、基于體積平均理論,把含濕毛細多孔介質視為宏觀意義上的虛擬連續(xù)介質.分析了含濕毛細多孔介質干燥過程中流體的基本傳輸形式.液體和氣體在多孔介質中的流動遵循達西定律,同時考慮了液體傳輸時的毛細效應和蒸汽與空氣分子的相互擴散效應.在多孔介質流體基本傳輸機制基礎上,假設多孔介質相變傳熱傳質過程中各質點處于局部熱力學平衡,考慮了多孔介質干燥過程中介質內部三相:固相、液相和氣相在質量、動量和能量守恒關系的相互作用,分別建立了由多孔介質干燥過程中濕份和

2、流體質量守恒方程以及多孔介質能量守恒方程共同組成的干燥過程相變傳熱傳質三方程數(shù)學模型.在建立多孔介質各相質量守恒方程時,液體蒸發(fā)量相對于蒸汽相而言為質量源,對液相本身而言為質量匯.在三方程數(shù)學模型的基礎上,以殘余飽和度S<,ir>為判據(jù)把對流干燥過程劃分為濕區(qū)和干區(qū)兩個區(qū)域.根據(jù)不同干燥區(qū)域中傳熱傳質的不同,分別建立濕區(qū)和干區(qū)干燥模型,并以"蒸發(fā)界面"動態(tài)邊界作為兩干燥區(qū)域模型的耦合邊界.得到了濕區(qū)關于含濕飽和度S、溫度T、混合氣體壓力

3、P<,g>和干區(qū)關于水蒸汽壓力P<,v>、溫度T、混合氣體壓力P<,g>為基本參數(shù)的濕區(qū)干區(qū)耦合模型.運用數(shù)值計算方法,采用全隱式有限差分,對控制方程、邊界條件、"蒸發(fā)界面"動態(tài)邊界進行了離散,得到了一系列非線性方程組.在同一時間層內,逐步將非線性方程組線性化,求解迭代方程組得到下一時層的基本參數(shù)預測值,使用預測值求解時間推進方程組得到下一時層的校正值,如此循環(huán)運用預測-校正系統(tǒng),最終得到整個干燥過程的數(shù)值解.該文以上邊界對流傳熱傳質邊

4、界和下邊界絕熱絕濕邊界的含濕石英砂填充床為實驗對象,進行了對流干燥實驗.實驗測量了多孔介質對流干燥過程中平均含濕量和介質內部溫度變化.平均含濕量和介質溫度的實驗值與對流干燥模型的模擬值吻合良好,證明了模型是合理的.同時數(shù)值模擬了多孔介質干燥過程各狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律,對干燥過程進行了傳熱傳質分析.另外,通過改變下邊界的邊界條件為恒溫絕濕邊界,上邊界仍為對流傳熱傳質邊界條件,數(shù)值預測了該干燥條件下干燥過程各干燥狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律,分析了其干

5、燥特點.運用該模型,根據(jù)紙機干燥和操作特點,建立了相應的邊界條件,預測了工業(yè)造紙過程中紙張在紙機干燥部的整體干燥過程和狀態(tài)參數(shù)沿紙張厚度的分布.對比分析了實測值和模擬值,兩者表現(xiàn)出相當好的一致性,說明基于多孔介質干燥過程傳熱傳質理論的紙張干燥模型是適用的.進一步探討了干燥參數(shù)對紙機干燥能力影響.掌握紙張詳細干燥行為對理性理解干燥參數(shù)對紙機干燥性能的影響,科學評估干燥參數(shù)對干燥效果和目標的實現(xiàn),指導干燥參數(shù)的調整和運行管理,甚至對紙機的優(yōu)