1．干燥学科的概念与物料基元体的干燥模型

    干燥学科是由干燥理论、干燥技术和干燥工艺学三大分支构成的，随着干燥理论、干燥技术和干燥工艺学的发展，人们对物料干燥问题的分析方法已由原来的实践探索法转变为把干燥理论和干燥技术有机结合起来，用干燥工艺学的方法实现干燥装置的优化设计。
    干燥是热、扩散、生物和化学等现象的复杂综合体，是传热和传质两种传递现象的有机结合过程。干燥理论涉及到热交换、质交换理论，水分同物料结合形式学说，不可逆过程热力学，理化力学和流变物理学等许多学科，同时，实际干燥装置形式多样，各自具有不同的工艺特点。
    干燥学科目前需要解决的问题概括起来主要有两类，其一是深入研究物料干燥过程的微观机理，掌握物料内部水分移动的规律，建立反映物料干燥特性的理论模型(包括干燥速率方程，升温速率方程、结构变化模型、质量与品质变化模型等）；其二是把干燥领域试验研究及理论分析的结果应用到实际干燥装置的分析中，实现优化设计和优化运行。
    物料的干燥模型实质上是物料干燥特性的数学表达，而物料的干燥特性指的是物料在干燥过程中表现出的各种特性，包括物料的干燥速率、升温速率、结构变化(收缩与变形)规律、质量与品质变化规律等。
    物料内部水分与物料结合形式的研究对建立干燥模型具有重要的指导意义，因为这种结合形式决定了物料的脱水机制与脱水顺序。具体地说，是按照从胶体渗透水→大毛细管水→孔隙结合水→微毛细管水→多分子吸附水→单分子吸附水的顺序。另一方面，不同结合水的脱水机制是不同的，为了脱去吸附结合水，必须使物料内部的水分变成蒸汽，此后，它在物料内部以蒸汽形式移动，为此需要消耗热量；胶体渗透水(膨胀水)主要以液态靠扩散通过细胞壁在物料内部移动，而毛细管水则依赖于干燥条件，既以液态形式(靠毛细管力)，又以蒸汽形式(靠压差)移动。此外，不同形式的结合水具有不同大小的结合能，因而，在干燥过程中蒸发潜热是逐渐变化的。
    物料内部水分的移动机制概括起来有如下几种方式：
    a液体扩散：由于物料内部存在的水分浓度梯度引起。
    b液体移动：由于毛细管作用引起。
    c蒸汽扩散：物料内部温度梯度等原因导致蒸汽分压梯度，从而产生蒸汽扩散。
    d由于收缩或压力梯度产生的流动：如渗透压保持水是以渗透压作为迁移势移动的。
    e汽化和冷凝过程产生的流动：在温度较高的一侧发生汽化，而在温度较低的一侧则出现凝结现象。
    f在物料内部空气充填的小孔中水汽的扩散引起的湿分移动。
    建立物料的干燥数学模型前，首先必须选定明确的物理模型。干燥物理模型概括起来可以分为三类：
    a湿表面模型。
    b平衡表面模型。
    c移动蒸发面模型。
    建立干燥物理模型时，值得注意的另一个问题是如何考虑物料在干燥过程中的收缩、变形现象。收缩、变形是物料失去水分所导致的结构变化，而这一几何形状变化又影响着进一步的干燥过程。只有合理地把这一现象考虑进去，所建立的物理模型才更恰当。
    物料在不同的干燥阶段可能采用不同的物理模型，而同一时刻，物料内部不同区域也可能具有不同的物理模型，因此，下面就需要对各种物理模型建立其相应的数学模型。
    建立数学模型的关键是根据物料内部水分移动机制确定水分移动的驱动力，上述六种水分移动方式实质上都是在三种驱动力作用下产生的，它们分别是：温度差、浓度差和压力差。这三种驱动力互相影响，共同决定了物料内部的温度场、水分分布场和压力场，也决定了物料的干燥速率、升温速率、结构变化规律等干燥特性。作者认为，一个完善的干燥理论模型必须同时考虑这三种驱动力。
    A.V.Luikov应用不可逆热力学理论，建立了如下的数学模型

    该模型综合了三种驱动力，并考虑了三者间的相互耦合作用，是一种较完善的理论模型，常称为不可逆热力学模型。
    Krischer把液体浓度梯度引起的毛细管流动和蒸汽分压梯度引起的蒸汽扩散运动分别加以考虑-建立了一种干燥理论模型，该模型应用吸附等温线来决定物料内部蒸汽压分布，即认为内部蒸汽压是由温度及舍湿量决定的，因而把三种驱动力有机地结合起来。该模型常称为Krischer模型。
    尽管上述两种模型从理论上讲比较完善，但由于方程组本身的复杂性及其系数的变化性(不仅随物料种类变化，而且随物料状态参数变化而变化)，完全靠数学工具求解是非常困难的。人们常采用两种手段来解决这一问题：其一是抓主要矛盾对方程简化，其二是借助于试验确定模型中的某些系数。
     液体扩散模型实质上是不可逆热力学模型在特定条件下的简化形式。由于该模型形式简单，人们进一步把其中的液体扩散系数含义广义化，认为是各种驱动力引起的扩散的总有效扩散系数，并通过试验来确定这一系数，使该模型得到了较多的应用。但应该指出，这种分析方法使模型的物理意义模糊不清，而且使所得结果的使用范围受到很大限制。
    总之，对基元体的分析就是要借助于微观机理分析和宏观试验研究确定物料和水分的结合形式、脱水机制及脱水顺序，建立合理的物理模型及数学模型，以获取物料的干燥特性。就目前的研究现状，作者认为尚需进一步深入研究，以便尽快能找到一种物理意义明确、通用性强、各参数易于确定、求解简单的干燥理论模型。

    2．薄层物料的干燥模型

    颗粒状物料的对流干燥形式主要有稠密层，疏松层、沸腾层和旋流层等几类，在这些实际干燥过程中，颗粒间彼此相互作用，每个颗粒所处的状态也不尽相同，因而和单颗粒物料的干燥过程有一定差别。如何把单颗粒物料的干燥模型成功地用来解决各种实际干燥过程的问题，是很值得探讨的；另一方面，目前，国内外许多作者采用薄层物料试验法来获取物料的干燥数据，以求取物料的干燥模型，怎样运用薄层试验结果确定物料的干燥模型，获取物料的干燥特性，也是一个重要的问题。
    就薄层干燥试验而言，薄层厚度的选择是一个有争议的问题，不同学者有不同的见解。有的学者认为单层物料反映了干燥特征，但有的学者则认为单层物料试验时，料桶下部导热及上部气流的汇合方式使其不能准确地模拟厚层干燥时中间层的干燥工况，因而建议采用3-5粒厚度。但是，客观地说，采用3-5粒厚度，所获得数据是统计平均值，也并不能准确地反映最上层、最下层或中间层的具体干燥工况。因此，如何选取薄层干燥试验料层厚度是一个值得探讨的问题。
     在整理薄层干燥试验数据时，不少学者采用经验或半经验、半理论模型，即使如此，实质上也存在着如何选取薄层厚度及如何把这些模型应用于实际干燥过程中的问题。
     就物料的基元体——单颗粒而言，物料的干燥特性是确定的，其是在不同条件下表现出不同的特点而已。换句话说，薄层干燥与单粒干燥本质是一致的，只是由于边界条件的不同而表现出不同的特点。因此，把两者联系起来建立物料的干燥模型，从本质上是行得通的，但必须合理地处理各种边界条件。
    当把整个薄层物料作为研究对象分析时，可以看成是一个双重多孔介质的传热、传质问题。一方面，颗粒间存在间隙构成多孔物质，另一方面，每个颗粒本身也是多孔物质。如何把这双重多孔性结合起来是值得研究的。

    3．实际干燥装置的优化设计与优化运行

    由于干燥过程的复杂性，选取其优化方案仅在干燥器整体传热传质分析中是不能解决的，必须把反映物料干燥特性的干燥模型和反映干燥特点的装置模型有机地结合起来解决这一问题。
    在优化分析中，物料模型为整个系统的计算提供了干燥速率等方程，给装置模型的分析提供了物料的几何尺寸、密度、比热等参数及初始条件，而装置模型则可以获得下阶段物料和空气的各参数，给物料模型的分析奠定了基础。在计算机模拟分析实际干燥过程时，正是通过这种相互关系，使物料模型和装置模型有机地联系起来，构成了整个干燥系统的模型。实际干燥装置需要解决的问题有 
     a对某种给定物料，确定具有最佳经济效益的设计方案。
     b对现有某种干燥装置，对某种物料选定其最佳运行方案。
     c设计一种适合于多种物料的干燥器，要求获取最佳经济效益。
     解决上述这些实际问题，是干燥学科的最终目的。

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