低溫低壓下工業鐵粉的干燥特性及傳熱傳質分析

張汝行 柳建華,2 張 良 林金地

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093； 2 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093)

目前，能源危機和全球變暖等環境問題尤為突出，傳統的燃煤或電加熱干燥已經不再滿足現階段的節能減排要求。熱泵作為一種逆卡諾循環的應用，在消耗一定電能的基礎上能實現低位能源的利用，在工業干燥上的前景十分可觀[1-6]。目前，熱泵干燥主要應用方向以木材、農副產品為主[7-14]，以除去自由水為目的，且在工業方面的應用較少。實際上，熱泵只能提供一個低溫干燥環境，遠遠無法滿足生產要求。因此需要一個低壓環境來實現低溫下的高效干燥，利用低壓下水蒸氣分壓力差增大的原理實現產品的干燥。近年來，低溫低壓干燥技術已經得到了初步的發展。榮令坤等[15]運用低壓干燥箱進行了不同壓強溫度組合下的褐煤低壓干燥研究。申江等[16]介紹了一種兼具“低壓預冷、減壓貯藏、冰溫低壓干燥”功能的果蔬保鮮裝置，并利用該裝置進行了大白菜低壓預冷及減壓貯藏實驗。

在冶金、建筑、機械等行業，工業鐵粉是鋼鐵工業的主要原料。濕鐵粉在冶煉過程中，附著在鐵粉表面的水分會對冶煉過程中的流動性、成形性、顆粒形狀產生一定程度的破壞。因此工業鐵粉在冶煉前必須進行干燥處理以確保冶煉品質。目前工業鐵粉的干燥方式仍采用傳統燃煤干燥技術，在高溫下鐵粉的氧化程度會加劇進而影響鋼材冶煉，而且燃煤干燥也違背低碳可持續發展的理念。低壓下的空氣更為稀薄，且低溫的干燥環境能有效防止鐵粉在干燥過程中的氧化，因此低溫低壓熱泵干燥在工業鐵粉干燥方面的應用具有較大的發展潛力。由于低壓環境下空氣熱物理性質會產生明顯變化，這導致低壓工業鐵粉的干燥具有不同于常壓的傳熱傳質特性。目前，有關鐵粉在低溫低壓干燥過程中的傳熱傳質研究十分匱乏，對此本文搭建了低溫真空鐵粉熱泵干燥機組，研究工業鐵粉在低溫低壓下的干燥特性以及干燥過程中的傳熱傳質。

1 實驗系統

實驗系統由真空泵、干燥室、熱泵機組、壓力傳感器、溫度傳感器、采集儀、安全閥、密封裝置、除濕器、電加熱器、變頻軸流風機組成。系統原理如圖1所示，設備參數如表1所示。

圖1 實驗系統原理

表1 系統設備參數

干燥系統采用閉式的空氣調節循環，采用不銹鋼板構造一個環形密閉循環風道，利用加濕器和電加熱器來調節被測換熱器入口的空氣干球溫度和相對濕度，同時使用真空泵控制整個干燥室的環境壓力。熱泵機組的冷凝器為干燥風提供熱量，蒸發器對出口干燥風進行除濕以及余熱吸收，提高能源利用率。除濕器用于處理多余的濕負荷，控制進口干燥空氣的相對濕度。在干燥風的進出口處布置有溫濕度傳感器，用于測量干燥風的溫濕度。在干燥室內分段布置壓力傳感器，檢測干燥室的環境壓力。用一臺變頻軸流風機調節空氣循環量。空氣循環量由一臺標準噴嘴測量，使用微壓差傳感器測量噴嘴前后壓差。鐵粉中布置有多個溫度傳感器，通過取平均值的方法減小誤差。安捷倫采集儀每1 min采集一次數據。實驗的測試工況如表2所示。

表2 實驗工況

2 實驗數據分析

2.1 標準大氣壓下蒸發速率的選取

首先在標準大氣壓環境中進行不同干燥溫度的實驗，以確定最佳干燥溫度。實驗采用高溫烘干后的鐵礦粉作為對照組，每隔1 min采集一組數據，數據穩定后認為達到平衡，共進行兩次實驗，實驗結果如圖2所示。由圖2可知，在標準大氣壓下，在40～65 ℃的溫度范圍內，干燥效果提升最顯著的環境溫度約為50 ℃，考慮到熱泵機組的COP隨著冷凝溫度的升高而降低，建議進口干燥風的溫度選取50 ℃。

圖2 不同溫度下的鐵粉含水比

2.2 不同低壓下干燥特性

根據2.1節的實驗結果，選取50 ℃作為最佳的干燥溫度，風速為0.5 m/s，壓力范圍為10～101 kPa。采集儀每1 min采集一次環境壓力和空氣溫濕度，直到空氣溫濕度不變。在干燥過程中存在濕平衡，利用空氣的含濕量增量計算鐵粉含水量的降值，鐵粉含水比記為折算含水比，實驗結果如圖3所示。由圖3可知，隨著環境壓力的降低，鐵粉折算含水比逐漸降低，且降速先增大后減小，含水比所達到的最小值也越低。出現上述現象的原因是：由圖4可知，隨著環境壓力的逐漸降低，溫度50 ℃，含濕量10 g/(kg干空氣)的干燥空氣的水蒸氣分壓力和相對濕度不斷降低，這導致鐵粉和空氣中水蒸氣的分壓力差增加，明顯改善干燥效果。圖5所示為不同壓力下水的飽和溫度與干燥風溫度。由圖5可知，在環境壓力為10 kPa工況下，水的飽和溫度已經開始小于干燥風溫度，因此，此時干燥除濕量也明顯大于其他壓力條件下。

對環境壓力10 kPa，干燥風溫50 ℃下的鐵粉進行取樣，檢測樣品的實際含水比，實驗結果如表3所示。折算含水比是通過干燥風的初始含濕量與平衡含濕量的差來計算，實際含水比是通過干燥后鐵粉取樣烘干的重量差得到。由表3可知，折算含水比略大于實際含水比，這是因為在干燥過程中鐵粉發生氧化，干燥后重量略有增加，導致實際含水比較低。實際含水比較低也表明低溫低壓下能獲得更好的干燥效果。圖6所示為干燥不同時間后的鐵粉，可以看到鐵粉顏色變黃，而高度氧化的鐵粉應呈現紅棕色，說明干燥時鐵粉只發生輕度的氧化。

圖3 干燥溫度50 ℃，不同低壓下的鐵粉折算含水比

圖4 溫度50 ℃，含濕量10 g/(kg干空氣)，不同壓力下的空氣相對濕度和水蒸氣分壓力變化

圖5 不同壓力下水的飽和溫度與干燥風溫度

2.3 不同風速下的干燥特性

圖7所示為不同環境壓力和風速下的干燥效果。由圖7可知，隨著風速的增加，鐵粉的折算含水比逐漸降低，說明干燥效果逐漸增強，但曲線的斜率越來越小，說明強化效果逐漸降低。從整體結果來看，相對于負壓環境的影響，風速對干燥的影響較弱。這是因為風速的增加會強化對流，加速水分的蒸發，但低壓環境直接增加了水蒸氣分壓力差。

表3 鐵粉含水比的變化情況

圖6 干燥時間不同的鐵粉

圖7 不同壓力下風速對干燥的影響

3 實驗數據處理

3.1 干燥室內傳熱計算

由于熱濕處理過程中存在顯熱交換與潛熱交換，因此計算并分析整個干燥過程中空氣側的傳熱傳質。

空氣側顯熱Qair計算：

Qair=Gaircp,air(tair,e-tair,i)

(1)

Qair=hairAΔtm

(2)

(3)

式中：Gair為干燥風的循環流量，m3/h；cp,air為干燥空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；hair為干燥過程中的空氣側傳熱系數，W/(m2·K)；tair,i、tair,e分別為干燥開始前和結束后的干燥空氣溫度，℃；tt,i、tt,e分別為干燥開始前和結束后的鐵粉溫度，℃。

3.2 干燥室內傳質計算

干燥過程中傳質計算：

M=hmAτ

(4)

M=ρairGair(de-di)

(5)

式中：M為干燥過程中的除濕量，kg；hm為干燥過程中的傳質系數，kg/s;τ為達到干燥平衡的時間，s；A為鐵粉薄層的平鋪面積，m2；ρair為干燥空氣的密度，kg/m3；di和de分別為干燥開始前和結束后的空氣含濕量，g/(kg干空氣)。根據空氣干燥前后的空氣含濕量來計算傳質系數。

3.3 劉易斯因子

努塞爾數Nu：

(6)

雷諾數Re：

(7)

施密特數Sc:

(8)

傳熱斯坦頓數St:

(9)

傳質斯坦頓數Stm:

(10)

式中：D為空氣流道的特征長度，m；λair為空氣導熱系數，kW/(m·K)；ρair為空氣密度，kg/m2；uair為空氣流速，m/s；μair為空氣的動力黏度，Pa·s；Sh為舍伍德數。

劉易斯因子(Lewis factor, LF)是反映空氣側熱質傳遞特性的重要參數，是表征傳熱與傳質相對強弱的無量綱量。

劉易斯因子LF的計算公式：

(11)

3.4 不確定度

為了提高實驗結果的可信度，采用Moffat方法[17]計算參數測量過程中的不確定度，結果如表4所示。

表4 實驗不確定度

4 不同工況下的傳熱傳質

4.1 不同低壓下的傳熱傳質

圖8所示為不同環境壓力下的干空氣物理性質。在分析過程中忽略空氣中水分對物理性質的影響。由圖8可知，壓力環境對空氣密度的影響較大，而對空氣的導熱系數、動力黏度、定壓比熱容和普朗特數的影響較小，相對偏差小于2%。在相同流速下，低壓環境導致空氣密度減小。而空氣密度與Re成正比，因此低壓環境會降低干燥過程中空氣的擾流程度，降低傳熱系數。

圖8 不同壓力下的空氣物性參數

圖9所示為不同壓力下的傳質系數與傳熱系數。由圖9可知，傳質與傳熱的表現出相同的特性，主要是因傳熱的壓力場與傳質的濃度場相似，熱擴散與質量擴散具有相同的數學形式。隨著環境壓力的降低，水蒸氣分壓力差增大，表示擴散過程中的驅動力不斷增加，導致鐵粉能干燥至接近絕干的水平，而常壓下要達到較低的含水比則需要更高的能耗，這也凸顯了低壓干燥的能耗優勢。由圖3可知，壓力越低，到達干燥平衡需要的時間越長，這就造成傳質系數的下降。

圖9 不同壓力下的傳質系數與傳熱系數

圖10所示為不同環境壓力下劉易斯因子LF的變化趨勢。由圖10可知，LF隨環境壓力的降低而降低。LF表征傳熱與傳質相對強弱，根據LF的變化能直觀的分析環境壓力變化對質量擴散與熱量擴散的影響。雖然環境壓力的降低會導致傳熱與傳質系數均出現降低，但LF的降低表明傳熱的降低明顯強于傳質的降低。

圖10 不同壓力下的劉易斯因子

4.2 風速對低壓下傳熱傳質的影響

圖11所示為在10 kPa環境壓力中不同風速下的傳熱與傳質變化。由圖11可知，相同低壓環境下，風速的增加會強化空氣的擾動，增強傳熱與傳質，但風速對傳質的強化相對較弱。在環境壓力為10 kPa、干燥空氣為50 ℃時，當流速從0.2 m/s增至2 m/s，傳質系數增加32.9%，而傳熱系數增加67.8%。產生該現象的原因是：傳質過程發生在低壓環境中，而低壓環境導致水蒸氣分壓力差迅速增大，10 kPa的環境壓力才是強化傳質的關鍵，導致風速對傳質的影響減小。但風速的增加增強空氣擾動，導致傳熱隨之增強。因此LF隨著風速的增加而增大。

圖12所示為低壓環境下風速改變對LF的影響。在風速大于1.5 m/s時，LF出現了降低，原因可能是10 kPa環境使得鐵粉中的濕量加速逃逸到空氣中，而較高的風速能迅速帶走表面的濕空氣，導致流速對傳質的強化超過了對傳熱的強化。此外，10 kPa環境壓力下的LF為0.5～0.6，變化幅度遠小于圖10中環境壓力改變造成的LF變化。這表明低壓環境抑制了風速對傳熱與傳質的影響。

圖11 不同風速下的傳質系數與傳熱系數

圖12 不同風速下的劉易斯因子

由于熱傳導與質量擴散有著相似的動力場和相同的數學形式，LF理論上應接近于1。但眾多相關研究表明，LF也會出現不同程度的偏移。在對翅片管的熱濕交換研究中，T. K. Hong等[18]的實驗結果表明LF在0.7～1.1之間。P. W. Eckels等[19]認為LF的范圍是0.6～1.1。在本實驗中，根據實驗結果計算得出的LF甚至低至0.5，這說明在低溫低壓環境下，壓力場與濃度場之間的相似性開始減小，傳質能力比傳熱能力強。

5 結論

通過進行鐵粉在不同低壓下的干燥實驗，本文研究了工業鐵粉在不同低壓下的干燥效果以及干燥過程中表現出的傳熱傳質特性，得到如下結論：

1)隨著環境壓力的降低，鐵粉的干燥除濕量明顯大于常壓干燥。在10 kPa，50 ℃的環境中，干燥后的實際含水比低于1%，完全能滿足鐵粉冶煉品質的工藝要求。當環境壓力從101 kPa降至10 kPa，干燥除濕量增加2.5倍。

2)在50 ℃的風溫下，當壓力從101 kPa逐漸降至10 kPa，由于干燥除濕量較大且時間較長，平均傳質系數下降，降低約28.1%。壓力的逐漸降低導致Re下降，造成干燥過程中的傳熱系數也降低約68.4%，因此表征傳熱傳質相對強度的劉易斯因子隨著環境壓力的降低而降低。

3)在相同的低壓干燥環境下，風速的增加會強化空氣的擾動，增強鐵粉干燥過程中的傳熱傳質系數，但低壓環境對傳熱的影響作用更強。在環境壓力為10 kPa、干燥空氣為50 ℃，流速從0.2 m/s增至2 m/s時，傳質系數增加32.9%，傳熱系數增加67.8%。這表明低壓環境抑制了風速對傳質系數的強化作用，因此劉易斯因子隨著風速的增加而增加。

4)工業鐵粉在低壓低溫干燥過程中，劉易斯因子在10 kPa環境中接近0.5，較常壓環境中的數值有很大區別，表明低壓環境中質量擴散與熱量擴散存在明顯區別。