毛細(xì)多孔介質(zhì)干燥過程中傳熱傳質(zhì)模型研究及應(yīng)用.pdf

1、基于體積平均理論,把含濕毛細(xì)多孔介質(zhì)視為宏觀意義上的虛擬連續(xù)介質(zhì).分析了含濕毛細(xì)多孔介質(zhì)干燥過程中流體的基本傳輸形式.液體和氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)遵循達(dá)西定律,同時(shí)考慮了液體傳輸時(shí)的毛細(xì)效應(yīng)和蒸汽與空氣分子的相互擴(kuò)散效應(yīng).在多孔介質(zhì)流體基本傳輸機(jī)制基礎(chǔ)上,假設(shè)多孔介質(zhì)相變傳熱傳質(zhì)過程中各質(zhì)點(diǎn)處于局部熱力學(xué)平衡,考慮了多孔介質(zhì)干燥過程中介質(zhì)內(nèi)部三相:固相、液相和氣相在質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒關(guān)系的相互作用,分別建立了由多孔介質(zhì)干燥過程中濕份和

2、流體質(zhì)量守恒方程以及多孔介質(zhì)能量守恒方程共同組成的干燥過程相變傳熱傳質(zhì)三方程數(shù)學(xué)模型.在建立多孔介質(zhì)各相質(zhì)量守恒方程時(shí),液體蒸發(fā)量相對于蒸汽相而言為質(zhì)量源,對液相本身而言為質(zhì)量匯.在三方程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)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(gè)區(qū)域.根據(jù)不同干燥區(qū)域中傳熱傳質(zhì)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(dòng)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(guān)于含濕飽和度S、溫度T、混合氣體壓力

3、P<,g>和干區(qū)關(guān)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(yùn)用數(shù)值計(jì)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(dòng)態(tài)邊界進(jìn)行了離散,得到了一系列非線性方程組.在同一時(shí)間層內(nèi),逐步將非線性方程組線性化,求解迭代方程組得到下一時(shí)層的基本參數(shù)預(yù)測值,使用預(yù)測值求解時(shí)間推進(jìn)方程組得到下一時(shí)層的校正值,如此循環(huán)運(yùn)用預(yù)測-校正系統(tǒng),最終得到整個(gè)干燥過程的數(shù)值解.該文以上邊界對流傳熱傳質(zhì)邊

4、界和下邊界絕熱絕濕邊界的含濕石英砂填充床為實(shí)驗(yàn)對象,進(jìn)行了對流干燥實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)測量了多孔介質(zhì)對流干燥過程中平均含濕量和介質(zhì)內(nèi)部溫度變化.平均含濕量和介質(zhì)溫度的實(shí)驗(yàn)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(shí)數(shù)值模擬了多孔介質(zhì)干燥過程各狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律,對干燥過程進(jìn)行了傳熱傳質(zhì)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(zhì)邊界條件,數(shù)值預(yù)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(diǎn).運(yùn)用該模型,根據(jù)紙機(jī)干燥和操作特點(diǎn),建立了相應(yīng)的邊界條件,預(yù)測了工業(yè)造紙過程中紙張?jiān)诩垯C(jī)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(shí)測值和模擬值,兩者表現(xiàn)出相當(dāng)好的一致性,說明基于多孔介質(zhì)干燥過程傳熱傳質(zhì)理論的紙張干燥模型是適用的.進(jìn)一步探討了干燥參數(shù)對紙機(jī)干燥能力影響.掌握紙張?jiān)敿?xì)干燥行為對理性理解干燥參數(shù)對紙機(jī)干燥性能的影響,科學(xué)評估干燥參數(shù)對干燥效果和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),指導(dǎo)干燥參數(shù)的調(diào)整和運(yùn)行管理,甚至對紙機(jī)的優(yōu)