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01、名词术语/温度节点

在具体解说之前,先来复习几个关于温度的名词

1.1   干燥机组的所谓“空气”/“取风条件”

      除了小型闭式循环喷雾干燥机组,绝大多数喷雾干燥机组都把环境空气/大气当作换热媒介,即从外界取空气,通过风机和换热器赋予其动能(流动的(具有风速)的空气就叫“风”)和热能,成为“热风”与雾化后的物料换热,最后排放至大气。

      与“稳定纯粹 好计算”的液体不同,把空气当作换热介质,就需认识到空气是个组分复杂的、不稳定的、不均一的、时刻变化的、各地不同的、可压缩(当然也就可膨胀)的。对于换热而言,就是空气单位体积/重量携带的热量总在变化,影响因素就是环境温度、湿度和气压,然后引发湿含量、密度、热焓等变化,最终影响到换热计算,体现在设计与生产实操上。

      空气的气压、温度、湿度其实每时每刻都在变化,每个季节更有较大的变化,所以用“额定”来定义往往跟现实生产区别很大。“额定”其实只是用来简化计算或者统一标准来对比,一味拿额定数据去套生产实际,只能是不断加深对科学理论和计算的怀疑,乃至跌入怀疑主义的大坑,最终去崇拜经验主义,这是技术人员最忌讳的事情。

1.2 相对湿度和湿含量

      天气预报里常说的百分比湿度指“相对湿度”,是空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比。可以理解为“空气中的实际含水量”与“同温度饱和含水量”的百分比(接近程度)。湿含量/空气“绝对”含水量则用g水/kg干气来表示,一般常说成“多少克水”。不同温度的空气饱和含水量是不同的,温度越高,饱和含水量就会越高。如下图,随着空气温度的上升,其所能包含的水分饱和点会剧烈上升:

换句话说,同样的相对湿度,温度越高,其湿含量越高。

例如同样的1大气压,80%相对湿度:

-20℃, 0.51g水/kg干气

  0℃, 3.05g水/kg干气

20℃,11.83g水/kg干气

30℃,21.83g水/kg干气

1.3 露点

      空气中水汽含量不变, 保持气压一定的情况下(自然条件下,往往昼夜气压略有变化), 使空气冷却达到饱和时的温度称露点温度,简称露点。就是温度下降,“包含”不住高温时的那些水分了(见上一节的概念),“跌破”了该温度的饱和湿含量,水蒸气变成了水,再冷就变成霜或者凇。

      还以1大气压 80%湿度为例,20℃时,湿含量时11.83g水/kg干气,露点温度就是16.46℃,温度再降低,比如降低至12℃时,饱和湿含量8.83g水/kg干气,那么相差的3g水就会变成露水了。

1.4 湿球温度

      是指在绝热条件下,大量的水与有限的湿空气接触,水蒸发所需的潜热完全来自于湿空气温度降低所放出的显热,当系统中空气达饱和状态且系统达到热平衡时系统的温度。这个概念非常重要,因为它恰恰描述了雾化状态的物料和热风的换热。

      下图是热源(风)和物料的在喷雾干燥过程中的温度变化曲线图:

      上为热风温度曲线,下为物料表面温度曲线。可见在B-C 恒速干燥段时,物料表面温度始终在“湿球温度”,并没有上升。当物料成了干粉状,持续受热时,物料温度才会继续上升。从能量转换角度说就是:雾滴中的水分一下子受到太大能量,“来不及”升温,水分直接“爆发”掉了。这个时间很短,资料显示只有0.01~0.04秒。

      很多人可能仍无法相信,那就去测量一下出塔粉温好了,就会发现和进料温度(多在50~60℃)几乎相同。如果物料表面真能达到进风温度(往往165℃以上),难道它被塔内温度(多在78~100℃)重新冷却了?难道八九十度塔内温度能把物料“冷却”到五六十度吗?

1.5 产品粉的吸湿曲线

      指在加工过程时间内,粉状产品暴露在加工气体(风)环境中,产品含水率的变化曲线。此曲线主要用于产品冷却和储存阶段,同样包含温度和湿度两个条件,主要与物料配方、粉体结构、初始含水量等有关。

 

1.6 玻璃化温度

      高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度,指无定型聚合物(包括结晶型聚合物中的非结晶部分)由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度,是无定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度,通常用Tg表示。这玩意理解比较费劲的话,见下图:

 

      用于本文,粉体呈玻璃态,就是可维持自身形状,超过玻璃化温度尤其高弹态温度,就会易形变且变黏、形成硬粉块。除了产品配方影响以外,其主要和含水率/水分活度有关,也即含水率越高,玻璃化温度越低。

      不论是存贮过程还是粘塔挂壁,产品粉形成“硬结块”往往是水分对应的玻璃化温度的影响。而“松散结块”(也被称为“假结块”)往往是跌破空气露点,局部吸潮粘连造成。

      喷雾干燥本质上仍是一个换热器,就是利用上述“温度节点”进行换热为主的各种操作,有些参数在工程可行的前提下越高越好,有些则相反,还有些则需要在温度节点之间“走钢丝”。所以设计喷雾干燥机组,就不仅仅只是设计几十吨的铁疙瘩,更需要以物料为前提,以最终产品为目的,对热力学、空气动力学、设备构型进行交互的综合考虑。

02、喷雾干燥用风的分类

以温度划分,喷雾干燥机组的风/工作气体(动力用压缩空气本文不来考虑)分为下列几种:

2.1 热风

特指干燥塔的主进风,作为在塔内和物料换热干燥的动力。

2.2 冷风

特指产品粉的冷却用风。

2.3 补充干燥风/二次干燥风

对已经形成粉状的产品进行补充干燥的风。

2.4 气力输送风

特指将排风系统的气粉分离装置收集的细粉吹至塔顶附聚或流化床出料的用途的风。

2.5 保护风

一种是指插入干燥机组的轴端狭缝提供正压保护的压缩空气(比如关风器的轴端保护风),一种是指用于隔断主气流或温度的风(比如喷枪外围的保护风)。

食品用压力喷雾干燥塔的风温原理(上)

2022-06-15
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除了小型闭式循环喷雾干燥机组,绝大多数喷雾干燥机组都把环境空气/大气当作换热媒介,即从外界取空气,通过风机和换热器赋予其动能(流动的(具有风速)的空气就叫“风”)和热能,成为“热风”与雾化后的物料换热,最后排放至大气。