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?？偨Y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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