乳粉噴霧干燥過程的節(jié)能分析

1、乳粉噴霧干燥過程的節(jié)能分析一中國乳品業(yè)/22V0I.21.No.4AII.1993j,嘎手壤,觸,搠敦孛乳粉噴霧干燥過程的節(jié)能分析/趙玉珍韓雪松舒冬梅摘要本文對乳粉干燥塔內(nèi)的干燥過程進行節(jié)能分析,除建立了熱平衡方程外還進行了堋分析,建立j乳粉干燥塔的埔平衡模型,對乳粉干燥過程中的各種m進行j分析和計算.提出j乳粉干燥過程中各階段蛹的計算方法和乳粉干燥過程堋效率的計算式,指出乳粉干燥過程的節(jié)能方向.l,前言噴霧干燥技術(shù)早在l9世紀就已成功地應(yīng)用于乳粉工業(yè),近3040年,噴霧干燥應(yīng)用到億工,醫(yī)藥,食品等工業(yè)上,尤其是那些熱敏性的物質(zhì),但是,目前硅酸鹽,陶瓷,磷酸鹽等已都用此法進行干燥,這說明噴霧干

2、燥已廣泛地應(yīng)用到化工,食品,醫(yī)藥,冉瓷等工業(yè)生產(chǎn)中,所以說它是一種重要的干燥方法.噴霧干燥有它的優(yōu)點,但也有缺點,如動力(熱能和電能)消耗大,乳粉生產(chǎn)噴霧干燥,蒸發(fā)的水量只是濃縮蒸發(fā)水量的18.7,但蒸汽耗量為49,所以一般噴霧干燥前要進行湫縮,但是,這樣噴霧干燥耗能還是很大,如何提高噴霧干燥塔構(gòu)效率,降低產(chǎn)品能耗,除了進行熱效率分析外,還需要進行炯分析,從能量的質(zhì)和量兩方面進行研究是必要的.2,干燥塔的熱平衡及熱效率設(shè)進入干燥塔熱風(fēng)中千空氣的質(zhì)量為G,溫度為f.,排風(fēng)溫度為f2,進入干燥塔濃奶的質(zhì)量為,其中千銘料為m,溫度為,空氣的比熱為el爿,千物料的比熱為C”水蒸汽l韻比熱為,水的汽化潛

3、熱為r,m4熱平衡方程式為t.6.C矗(tIt1)=mC(f2一t1)+(-m)r+(一m)C(flf)1)噴霧千燥塔的熱效率為tmC,(tl一l+一啦)Ctt)一,.:GC(f】一f.):上二:粵.)GC(tl一D)”一t0一式中fo一為環(huán)境溫度CH=1o005+1.859d,.d.熱空氣的含濕量.從熱效率公式可知噴霧干燥塔的外部損失是多少,但采考慮不可逆性損失也就是且鼠160中國乳品工業(yè)21卷第4期量上找原因,未從質(zhì)E找原因,因而要進行蜘分析.3,干燥塔內(nèi)的炯分析3.1煙的概念炯(exergy),國內(nèi)也有人把它稱為”可用能”,”有效能”.雖然早在一百多年前就已有了炯的概念,但真正引起人們重

4、視,卻起園于七十年代的”能源危機”,迫使人們不得不認真研究各種形態(tài)能量的”開發(fā)”雨1”合理利用”月I作為一種評價能量價值的物理量,從”量”和”質(zhì)”的結(jié)合上評價了能量的”價值”,解決了熱力學(xué)和能量科學(xué)中長期以來還沒有任何一個參數(shù)可單獨評價能量價值的問題,改變了人們對能的性質(zhì),能的損失和能的轉(zhuǎn)換效率等傳統(tǒng)的看法,提供了熱工分析的科學(xué)基礎(chǔ),它還深刻地揭示了能量在轉(zhuǎn)換過程中變質(zhì)退化的本質(zhì),為合理用能指明了方向.隨著節(jié)能工作的深入,炯分析在能源管理熱能動力,制冷干燥,石油化:,諭金等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.能量的質(zhì)量高低是在能量轉(zhuǎn)換過程中袁現(xiàn)出來的.機械能和電能可完全地轉(zhuǎn)換為熱能,但熱能不能完全地,連續(xù)

5、地轉(zhuǎn)換為機械能.按照熱力學(xué)第二定律,若以能量的轉(zhuǎn)換程度作為一種尺度,則可劃為j類不同”質(zhì)”的能量.3.1.1可完全轉(zhuǎn)換的能量這是一種理論上可以百分之百地轉(zhuǎn)換為其它能量形式的能量,如機械能和電能,它們是技術(shù)上和經(jīng)濟更為寶貴韻”高緞能量”,各種高級能量從本質(zhì)上說是完全有序的能量,理論E它們之間彼此能完全轉(zhuǎn)化,它們的”質(zhì)”和”量”是統(tǒng)一的.3.1.2可部分轉(zhuǎn)換的能量如熱能,其轉(zhuǎn)換為機械能和電能的能力受熱力學(xué)第二定律的限鉚,只有一部分轉(zhuǎn)換為機械能,這種能量稱為低級能量.3.1.3不可轉(zhuǎn)換的能量如環(huán)境介質(zhì)的內(nèi)能根據(jù)熱力學(xué)第二定律,它們雖然可以具有相當?shù)摹睌?shù)量,卻無法利用它轉(zhuǎn)換為可利用的機械能,因而其質(zhì)為

6、零.系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆變化到環(huán)境狀態(tài)時,能最大限度轉(zhuǎn)換為”可完全轉(zhuǎn)換能量”的那部分囂量,稱之為”婀.也就是系統(tǒng)可逆的變化到環(huán)境狀態(tài)下,能夠最大限度轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量.一般地講舷的”量與”質(zhì)”是不統(tǒng)一的,而婀代表了能量中量”與”質(zhì)統(tǒng)一的部分.它不僅在一定程度上反應(yīng)了能的量的太小,而且還反應(yīng)了質(zhì)的高低.在一切實際的不可逆過程中,不可避免地發(fā)生能的貶值變質(zhì),婀的總量將有所減小而“退化為無用能由于這種退化是無法逆轉(zhuǎn)的,所以稱之為婀損失它構(gòu)成了能量轉(zhuǎn)換中的真正損失.通過炯分析,揭示出能量中l(wèi)用的轉(zhuǎn)換,傳遞利用和損失的情況.確定出該系統(tǒng)或裝置的i用利用效率.這種分析方琺和由此得出的效率是以熱力學(xué)第一

7、定律和第二定律為基礎(chǔ)的,稱為媚分析和炯效率2噴霧千燥塔的媚分析,由于噴霧干燥塔的內(nèi)部炯損較為復(fù)雜,外部煳損也不少,故采用白箱模型進行炯分析,白箱模型的表示方法:以實線表示體系的邊界,以帶箭頭的i用流線表示輸入,輸出的嫻流.對于外部媚損,在士甩流線上標以黑點,對于體系內(nèi)部的不可逆過程,在婀流線上標圓點,設(shè)備外各過程的相互關(guān)系,以嫻流線的串并聯(lián)表示出,同時在各相應(yīng)的部位標出婀謫和炯1993.No.4專題論損符號,如圖所示.3.2.1噴霧干燥塔的供給Jfj,理坩錄I擴散炯組成.l6l是進入干燥塔的熱空氣帶入的.熱空氣帶入的嫻,由物E=Ep+E(3)式中:熱空氣的物理洲EP:GCui一0一ToIn(T

8、l/To)(4)熱空氣的擴散嫻EEo=GRiT(ln麓+ln導(dǎo)麓)(5)式中:一進口熱空氣中水蒸汽的摩爾成分z一出口熱空氣中水蒸汽的摩爾成分3.2.2噴霧干燥塔的有效耗lj用有三項:a)預(yù)熱干燥階段的有效炯El=W(C+C珊1)(一一Toln)(6)ib)恒速干燥階段的有效炯F.物料在恒速干燥階段,除了物料中的水變?yōu)檎羝南嘧冞^程外,還有水蒸汽的升溫過程,因此,恒速干燥階段的有效讕由水的相變嫻Fz和蒸汽的升溫炯擅i成.E2:Ee2+E2(7Ez=W(wlw)(iT0/T)(8)E2=(】一)1.859(T一T一T0ln(T/7)(9)c)降速干燥階段的有效嫻F.濃縮乳在此階段的有效傭一包括濃乳

9、中的水分汽化炯印和濃縮乳的升溫炯FE3=E3+E如(10)ea=(一2)r.(1一./7)(11)E3=F(C+C叫2)2一T0ln(T2/T)(12)3.2.3噴霧干燥塔內(nèi)部煙損:溫差傳熱炯損F和壓差流動嫻損Fa)溫差傳熱炯損E=Q1T0(1/2一lIT)(13)式中=一In.0=GCH(l一2),熱風(fēng)放熱量b)壓差流動炯損z=GRT0In(P】/pz)(14)式尸一熱風(fēng)進1艇力P.一排風(fēng)壓力3.2.4噴霧干燥塔的外部嫻損162畫吼品-r業(yè)第zl卷第4期a)排風(fēng)堋損F排風(fēng)炯損由排風(fēng)的物理l用損和排風(fēng)的化學(xué)l堋損組成.FLl=Fl+FrI排風(fēng)的物理嫻損E,【=GCH3CT271一T0In(T2

10、/710)排風(fēng)的化學(xué)炯損一=In等+In籌,式中:一環(huán)境狀態(tài)下空氣的摩爾成分b)散熱炯損F,=0(171o/71)0一散熱量71一干燥塔內(nèi)的平均溫度c)乳粉帶走的炯損失F,3=(1+叫2)(C-FCv跏2)CT271oT0ln(T2/T0)4噴霧干燥塔的炯效率和堋損系數(shù)4;I噴霧干燥塔的擁鰒宰弘:營;警?2噴霧干燥培的l用摜系數(shù).=譬5,計算舉例已知條件;被干燥物料的名稱處理千乳量濃縮乳初始含濕量”一奶粉含濕量z毛乳忱熱C濃縮乳進口溫度-乳粉出口溫度f濃縮乳臨界含濕量環(huán)境溫度r.環(huán)境空氣含濕量d.濃縮乳40O評乳/h1.o35kgHiOlks-T乳o.035kgH2O/ks干乳1.25Bkg/

11、kgk4O7O0.2kgH2O/ks干乳2O0.0087kgH2O/kgDA(15)(16)(17)(19)(2o)(21)i993,No.4乳粉噴霧干蝶過程的節(jié)能分4斤163設(shè)備型式順流方式熱空氣入溫度160排風(fēng)溫嫂tz7O根據(jù)【二述條件,可以求出供給干空氣的流量G,出口排風(fēng)的含濕量d,各干燥階段過渡溫度,從而可以對干燥塔進行堋分析.解(1)由傳熱方程Gl+(C+C)fl=G2+f=45f為空氣狀態(tài)(f,d)下濕球溫度,應(yīng)用濕度圖及試差法求得.由恒速干燥階段質(zhì)量平衡方程式G(d一d)=(】一)d0.0382kgH:O/kgDA出恒速干燥階段的熱乎衡方攔GCf一為恒速干燥終了的溫度將已知參數(shù)和

12、上面計算的參數(shù)代入嫻的各種計算式其結(jié)果見下表.6,干燥塔的節(jié)能方向與措施由表中可知干燥塔的炯效率為29.94%,嫻損失為7O%左右,其主要堋損失為溫差傳熱堋損失,和排風(fēng)煽損失14.24%+8.46%=22.7%.因此節(jié)能方向首先在這兩方面考慮,一方面是利用排風(fēng)的熱量,在排風(fēng)口L用強化換熱的方式吸收排風(fēng)熱量.另一方面降低傳熱溫差,即是把噴霧干燥改為噴霧與流化干燥,可降低傳熱溫差,還可降低乳粉出口溫度,保證產(chǎn)品質(zhì)量,并可提高乳粉的溶解度164一一年國乳品工業(yè)第2l卷第4期分斬璦甚符號值KJlh百分戢每】甄的百分蕺,或熱風(fēng)堋E.F,295693.OOB9.O710036270.0410.93L噴嚳lf燥塔嫻靜析的白箱摸型符號說明ec比熱d一空氣含涅量s一臼培e一有效i一內(nèi)部姍損失,二一外部炯損失G一千空氣量月m一通用氣體常數(shù)7一溫度一旅乳量一摩爾數(shù)一嫻效率一嫻損系數(shù)一乳的含溫量參考文獻(1R.AGaggio|i.Y.MEIssyed.ACriticsReviewofSecondLswCostingMethodsSecondLa-Anslysis0ftkermslSystern19872)皋珥善著能量景坑的媚分折,清華大學(xué)f菔社,1