01、名詞術語/溫度節點

在具體解說之前,先來復習幾個關于溫度的名詞

1.1   干燥機組的所謂“空氣”/“取風條件”

      除了小型閉式循環噴霧干燥機組,絕大多數噴霧干燥機組都把環境空氣/大氣當作換熱媒介,即從外界取空氣,通過風機和換熱器賦予其動能(流動的(具有風速)的空氣就叫“風”)和熱能,成為“熱風”與霧化后的物料換熱,最后排放至大氣。

      與“穩定純粹 好計算”的液體不同,把空氣當作換熱介質,就需認識到空氣是個組分復雜的、不穩定的、不均一的、時刻變化的、各地不同的、可壓縮(當然也就可膨脹)的。對于換熱而言,就是空氣單位體積/重量攜帶的熱量總在變化,影響因素就是環境溫度、濕度和氣壓,然后引發濕含量、密度、熱焓等變化,最終影響到換熱計算,體現在設計與生產實操上。

      空氣的氣壓、溫度、濕度其實每時每刻都在變化,每個季節更有較大的變化,所以用“額定”來定義往往跟現實生產區別很大。“額定”其實只是用來簡化計算或者統一標準來對比,一味拿額定數據去套生產實際,只能是不斷加深對科學理論和計算的懷疑,乃至跌入懷疑主義的大坑,最終去崇拜經驗主義,這是技術人員最忌諱的事情。

1.2 相對濕度和濕含量

      天氣預報里常說的百分比濕度指“相對濕度”,是空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比??梢岳斫鉃?ldquo;空氣中的實際含水量”與“同溫度飽和含水量”的百分比(接近程度)。濕含量/空氣“絕對”含水量則用g水/kg干氣來表示,一般常說成“多少克水”。不同溫度的空氣飽和含水量是不同的,溫度越高,飽和含水量就會越高。如下圖,隨著空氣溫度的上升,其所能包含的水分飽和點會劇烈上升:

換句話說,同樣的相對濕度,溫度越高,其濕含量越高。

例如同樣的1大氣壓,80%相對濕度:

-20℃, 0.51g水/kg干氣

  0℃, 3.05g水/kg干氣

20℃,11.83g水/kg干氣

30℃,21.83g水/kg干氣

1.3 露點

      空氣中水汽含量不變, 保持氣壓一定的情況下(自然條件下,往往晝夜氣壓略有變化), 使空氣冷卻達到飽和時的溫度稱露點溫度,簡稱露點。就是溫度下降,“包含”不住高溫時的那些水分了(見上一節的概念),“跌破”了該溫度的飽和濕含量,水蒸氣變成了水,再冷就變成霜或者凇。

      還以1大氣壓 80%濕度為例,20℃時,濕含量時11.83g水/kg干氣,露點溫度就是16.46℃,溫度再降低,比如降低至12℃時,飽和濕含量8.83g水/kg干氣,那么相差的3g水就會變成露水了。

1.4 濕球溫度

      是指在絕熱條件下,大量的水與有限的濕空氣接觸,水蒸發所需的潛熱完全來自于濕空氣溫度降低所放出的顯熱,當系統中空氣達飽和狀態且系統達到熱平衡時系統的溫度。這個概念非常重要,因為它恰恰描述了霧化狀態的物料和熱風的換熱。

      下圖是熱源(風)和物料的在噴霧干燥過程中的溫度變化曲線圖:

      上為熱風溫度曲線,下為物料表面溫度曲線??梢娫贐-C 恒速干燥段時,物料表面溫度始終在“濕球溫度”,并沒有上升。當物料成了干粉狀,持續受熱時,物料溫度才會繼續上升。從能量轉換角度說就是:霧滴中的水分一下子受到太大能量,“來不及”升溫,水分直接“爆發”掉了。這個時間很短,資料顯示只有0.01~0.04秒。

      很多人可能仍無法相信,那就去測量一下出塔粉溫好了,就會發現和進料溫度(多在50~60℃)幾乎相同。如果物料表面真能達到進風溫度(往往165℃以上),難道它被塔內溫度(多在78~100℃)重新冷卻了?難道八九十度塔內溫度能把物料“冷卻”到五六十度嗎?

1.5 產品粉的吸濕曲線

      指在加工過程時間內,粉狀產品暴露在加工氣體(風)環境中,產品含水率的變化曲線。此曲線主要用于產品冷卻和儲存階段,同樣包含溫度和濕度兩個條件,主要與物料配方、粉體結構、初始含水量等有關。

 

1.6 玻璃化溫度

      高聚物由高彈態轉變為玻璃態的溫度,指無定型聚合物(包括結晶型聚合物中的非結晶部分)由玻璃態向高彈態或者由后者向前者的轉變溫度,是無定型聚合物大分子鏈段自由運動的最低溫度,通常用Tg表示。這玩意理解比較費勁的話,見下圖:

 

      用于本文,粉體呈玻璃態,就是可維持自身形狀,超過玻璃化溫度尤其高彈態溫度,就會易形變且變黏、形成硬粉塊。除了產品配方影響以外,其主要和含水率/水分活度有關,也即含水率越高,玻璃化溫度越低。

      不論是存貯過程還是粘塔掛壁,產品粉形成“硬結塊”往往是水分對應的玻璃化溫度的影響。而“松散結塊”(也被稱為“假結塊”)往往是跌破空氣露點,局部吸潮粘連造成。

      噴霧干燥本質上仍是一個換熱器,就是利用上述“溫度節點”進行換熱為主的各種操作,有些參數在工程可行的前提下越高越好,有些則相反,還有些則需要在溫度節點之間“走鋼絲”。所以設計噴霧干燥機組,就不僅僅只是設計幾十噸的鐵疙瘩,更需要以物料為前提,以最終產品為目的,對熱力學、空氣動力學、設備構型進行交互的綜合考慮。

02、噴霧干燥用風的分類

以溫度劃分,噴霧干燥機組的風/工作氣體(動力用壓縮空氣本文不來考慮)分為下列幾種:

2.1 熱風

特指干燥塔的主進風,作為在塔內和物料換熱干燥的動力。

2.2 冷風

特指產品粉的冷卻用風。

2.3 補充干燥風/二次干燥風

對已經形成粉狀的產品進行補充干燥的風。

2.4 氣力輸送風

特指將排風系統的氣粉分離裝置收集的細粉吹至塔頂附聚或流化床出料的用途的風。

2.5 保護風

一種是指插入干燥機組的軸端狹縫提供正壓保護的壓縮空氣(比如關風器的軸端保護風),一種是指用于隔斷主氣流或溫度的風(比如噴槍外圍的保護風)。

食品用壓力噴霧干燥塔的風溫原理(上)

2022-06-15
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除了小型閉式循環噴霧干燥機組,絕大多數噴霧干燥機組都把環境空氣/大氣當作換熱媒介,即從外界取空氣,通過風機和換熱器賦予其動能(流動的(具有風速)的空氣就叫“風”)和熱能,成為“熱風”與霧化后的物料換熱,最后排放至大氣。
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