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真空干燥箱應用中存在問題及解決設想


發布人:鄭州泰達 發布時間:2017-04-01
發布時間:2010年03月16 摘要:根據真空干燥箱在實際使用中存在傳熱效率低、干燥緩慢、能耗大的缺點提出改進方案。論文將干燥過程分析歸納為三個階段,對每一階段提出不同的改進方案。
關鍵詞:真空干燥箱 傳熱
0 綜述
     原有真空干燥箱型號為FZG15,為蒸汽加熱,水環真空泵(2BV5121 0KC00-7P 最大排氣量280m3/h 7.5kW)抽真空,真空度維持在0.06~0.08MPa之間。干燥的物料主要是濃縮后的中藥浸膏,含水率40%~60%。根據了解,干燥一批浸膏(32盤 80kg左右),需要三天四夜左右,既費時又耗能。
1 問題
     真空干燥箱干燥過程中,由于在真空狀態下,對流傳熱嚴重削弱,傳熱主要靠熱傳導,以及盤管和箱壁對物料的熱輻射。但因為溫度低,輻射傳熱占的比重不大。熱傳導占的比重較大,但物料盤和盤管的接觸面積小,傳熱效果不好。
     另一個原因,隨著物料的干燥,底面干燥硬化,形成熱阻層,降低了盤管和物料盤的傳熱量;上表面板結,致使內部產生的蒸汽不易排出,影響了干燥速度,并且當氣泡壓力足夠大,沖破板結層時,物料崩出盤外,造成浪費。
2 原因分析
2.1 傳熱效率低
     傳熱主要靠熱傳導,輻射傳熱很少,對流傳熱嚴重削弱。物料盤和盤管的接觸面積小,傳熱效果不好。根據傳熱學理論,熱傳導和熱輻射幾乎不受真空影響,而對流傳熱隨著真空度的增加而減少,各種傳熱方式和真空度的關系近似曲線如下圖所示。
2.2 物料上下兩層板結層影響干燥速度
     非金屬固體材料導熱系數不足純鐵導熱系數的十分之一,板結層對傳熱的影響很大,上層的板結層影響水分蒸發的速度。
3 干燥過程的分析
3.1 根據實際情況將物料干燥過程大致分為三個階段:
第一階段:水分快速蒸發階段 物料狀態從粘稠到極粘稠。在真空狀態下,物料內部對流傳熱強烈,水分快速蒸發,在這一階段,蒸發掉一半以上的水分,而耗時很少。
第二階段:從液態到固態 物料狀態從極粘稠到全部固化。在這一階段,物料內部對流傳熱逐漸減弱,過程緩慢,較早出現的上下兩層板結層,很大程度上影響了干燥速度。
第三階段:物料固態干燥的過程 物料慢慢脫水至含水率達標的塊狀物。這一階段蒸發的水分很少,干燥的速度比第二階段稍快一些。
3.2 各個階段和真空度的關系:
第一階段,換熱過程比較理想,真空度越高,水分蒸發越快;
第二階段,隨著對流的減弱,以及熱阻的增大,含水量越來越少,如果還維持真空泵功率不變,真空度越來越大,對流越來越弱,干燥效率越來越低。假如使用波動的真空度,合理調配真空度和對流傳熱至最佳結合點,可能效率要高。
第三階段,由于含水率很小,真空度小一些可能更合適。如果使用干燥的熱空氣加熱,干燥過程更快。
4 解決方案
4.1 改善對流換熱
     根據各階段的特點,調整每一階段的真空度,盡可能的增大傳熱量。示意圖如下所示。
4.2 改善熱傳導
由于物料盤難于避免物理撞擊,盤底有很多突起,如果在盤管上鋪一塊平的薄鋼板,接觸面積不會很大。建議使用多孔金屬板,改善熱傳導。如下圖所示。
4.3 破壞板結面
     物料板結面的形成對熱量的傳遞和水分的蒸發影響最大,解決這個問題是重中之重。方法有:人工破壞,機械振動,超聲波。
     實驗時,可以先使用人工的方法測試多大的振動合適,實際生產中需要在干燥箱內設計相應的構件,達到這一目的。
5 小批樣實驗
5.1 實驗裝置及系統圖
現有真空干燥箱箱內尺寸為1500×1400×1220mm,烘盤32個,尺寸為460×640×45mm,八層,每層四個。
實驗用干燥箱,尺寸500×450×300mm,一層,每層放兩個烘盤。烘盤尺寸為100×150×40mm,真空泵一臺,2BV2061-0NC02-1P,功率1.45kW,排氣量50m3/h,熱源為蒸汽,人工振動方法破壞板結面。實驗的系統圖如下所示。
5.2 實驗目的
5.2.1 實驗總結每一階段的特性
5.2.2 實驗得到每一階段最佳的真空度
5.2.3 實驗得到第二階段最合適的振動強度,如振動法不合適,實驗其他方法
5.2.4 改進前后,干燥同量物量所耗時間的差異,要求不低于25%
5.3 實驗設計
5.3.1 將物料裝入兩個盤內,放入箱內加熱,每半個小時觀察一次物料的干燥狀況,觀察物料慢慢變稠的過程,注意觀察板結面的出現,記錄這一時間。板結后,因為難以觀察第二階段的結束,每次觀察時,敲擊干燥箱,觀察物料液面是否晃動,不動時記錄這一時間。重復三次,記錄起始、每階段、結束時間,蒸汽的壓力、溫度、流量,物量干燥前后的重量。
5.3.2 每次裝一個盤,記錄真空度在0.04MPa,0.05MPa,0.06MPa,0.07MPa,0.08MPa,0.09MPa時,每一階段完成的時間、耗汽量。總結得出每一階段耗汽最少時對應的真空度。對于第二階段的最佳真空度,在±0.01MPa內,使用PLC控制,分別設半小時、一小時為一個波長,使真空度波動,記錄完成的時間、耗汽量。
5.3.3 第一階段結束時,手持金屬物品,使用不同的力度敲擊物料盤的側壁。如果效果明顯,設計機械振動機構,記錄第二階段的耗時和蒸汽耗量。
5.3.4 比較沒有真空度變化,沒有振動,和變化真空度,增加振動的耗時和蒸汽耗量。
6 可能出現的難點
6.1 不同的物料,不同的含水率,不同的裝料量都會影響實驗的結果,實驗條件盡可能相同。
6.2 板結面的破壞方法 由于物料的粘度較大,可能難以找到一種最合適的方法。
6.3 實驗結果的推廣 實驗得到的結果與實際應用的相似性相差較大,需要結合實際,得出最終結論。
6.4 每個階段的區分不很明顯。
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