太阳能干燥含水结晶硫酸铜技术的研究

【摘要】： 干燥是产品生产过程中的重要工序之一,同时也是我国的耗能大户之一,且污染严重。而太阳能是一种洁净且可再生的新能源,以其代替常规能源来加热干燥介质,可以很好地解决过去干燥过程中高能耗,污染大等问题,节能环保优势明显。本文结合企业合作项目,针对目前无机盐化工干燥行业中使用的干燥工艺所存在的能耗高、环境污染严重等问题,以结晶硫酸铜为代表,提出太阳能干燥结晶硫酸铜技术。并从实验和理论两个角度对太阳能加热下的结晶硫酸铜的传热传质过程进行研究。 为探究结晶硫酸铜的干燥特性,确定各因素对结晶硫酸铜传热和传质过程的影响规律,本文根据结晶硫酸铜干燥工艺的特点和要求,设计、搭建了一套太阳能干燥装置,并进行了一系列干燥试验。试验结果表明:采用太阳能干燥结晶硫酸铜是可行的。同时,试验结果还表明:太阳辐射强度、环境温湿度、物料层厚度对干燥过程均有影响。其中,环境相对湿度是影响结晶硫酸铜干燥速率的突出因素;太阳辐射强度较大程度地影响干燥过程中结晶硫酸铜的温度变化。同时对试验数据进行回归分析,结果表明Page模型方程能够更好地描述结晶硫酸铜的薄层干燥规律。 本文根据传热传质理论,建立了结晶硫酸铜在太阳能加热条件下的非稳态传热传质方程。并对计算过程中需要用到的一些参数,如结晶硫酸铜的导热系数、热扩散系数、密度、比热以及对流换热系数和辐射换热系数等,通过试验及经验公式进行了测定分析。本文借助MATLAB软件及ANSYS的热分析功能模拟了结晶硫酸铜在太阳能加热条件下的湿度场和温度场分布情况。并将数值模拟结果与试验结果进行对比。经验证,模拟结果与实测结果吻合良好,说明所建立的物料传热传质模型符合结晶硫酸铜的干燥机理。另外,利用该模型定量地分析了干燥过程中各参数对干燥过程中热湿传递的影响。分析结果为太阳能干燥结晶硫酸铜工艺的优化提供必要的科学依据。 另外,本文与常规能源进行比较,对平均日产量为2吨/天的200m2的结晶硫酸铜太阳房干燥系统进行节能及环境效益评价。对比结果表明:采用太阳能干燥结晶硫酸铜,每年节省燃煤量约40.83吨;同时减少CO2总排放量129.65吨,节能与环保效应显著。 本研究为今后太阳能干燥技术在无机盐化工干燥行业的应用提供了一定的理论依据与技术支持。这也是本论文研究的意义所在。 【关键词】：太阳能干燥 结晶硫酸铜 辐射对流 传热传质 数值模拟
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ131.21
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景和意义12-13
• 1.2 太阳能干燥概述13-16
• 1.2.1 太阳能干燥的特点13
• 1.2.2 太阳能干燥装置的类型13-15
• 1.2.3 太阳能干燥研究进展15-16
• 1.3 结晶硫酸铜概述16-17
• 1.3.1 结晶硫酸铜的性质与用途16-17
• 1.3.2 目前使用的干燥工艺17
• 1.4 干燥过程热质传递理论的研究动态17-19
• 1.5 课题的主要研究内容19-20
• 第二章 太阳能干燥结晶硫酸铜工艺的试验研究20-40
• 2.1 太阳能干燥基本理论20-24
• 2.1.1 湿物料的含水率20
• 2.1.2 干燥过程除湿量20
• 2.1.3 湿物料的分类20-21
• 2.1.4 干燥速率21-22
• 2.1.5 干燥曲线22-23
• 2.1.6 太阳能干燥装置的热效率23-24
• 2.2 结晶硫酸铜干燥试验24-26
• 2.2.1 试验目的24
• 2.2.2 试验原料24
• 2.2.3 试验装置与测试仪表24-26
• 2.2.4 试验流程26
• 2.3 试验结果及分析26-35
• 2.3.1 太阳辐射强度的动态变化27
• 2.3.2 试验装置温升情况27-29
• 2.3.3 热效率分析29
• 2.3.4 结晶硫酸铜干燥速率的变化规律29-34
• 2.3.5 物料层内部温度变化规律34-35
• 2.4 薄层干燥方程的建立35-37
• 2.5 太阳能干燥结晶硫酸铜工艺的 分析37-39
• 2.5.1 节省化石能源37-38
• 2.5.2 环保效益分析38-39
• 2.6 本章小结39-40
• 第三章 辐射对流边界下结晶硫酸铜传热传质模型的建立40-55
• 3.1 干燥过程的传热传质理论40-42
• 3.1.1 热传递的方式40-41
• 3.1.2 导热微分方程及定解条件41-42
• 3.1.3 Fick定律42
• 3.2 太阳辐射加热条件下的干燥传热模型的建立42-46
• 3.2.1 传热模型的假设条件42-43
• 3.2.2 传热数学模型的分析建立43-44
• 3.2.3 物料上表面辐射-对流耦合传热机理分析44-46
• 3.2.4 定解条件46
• 3.3 太阳辐射加热条件下的干燥传质模型的建立46-49
• 3.3.1 扩散微分方程的建立46-47
• 3.3.2 定解条件47
• 3.3.3 箱内湿平衡方程的建立47-49
• 3.4 模型中相关参数的确定与计算49-53
• 3.4.1 结晶硫酸铜导热系数和热扩散系数49-51
• 3.4.2 综合换热系数51-52
• 3.4.3 水分扩散系数52-53
• 3.4.4 对流传质系数53
• 3.5 本章小结53-55
• 第四章 干燥过程中传热传质数学模型的数值计算55-63
• 4.1 干燥过程传质模型的数值模拟55-59
• 4.1.1 数学模型的离散化分析55-58
• 4.1.2 传质问题的MATLAB求解58-59
• 4.2 干燥过程传热模型的数值模拟59-62
• 4.2.1 ANSYS热分析的基本理论59-60
• 4.2.2 结晶硫酸铜温度场的有限元分析步骤60-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第五章 结晶硫酸铜干燥过程的模拟结果分析63-83
• 5.1 模拟结果与试验结果的分析对比63-69
• 5.1.1 传质过程数值模拟结果的分析验证63-65
• 5.1.2 传热过程数值模拟结果的分析验证65-68
• 5.1.3 误差分析68-69
• 5.2 各参数对干燥过程的影响69-82
• 5.2.1 外部因素对干燥过程的影响69-78
• 5.2.2 内部因素对干燥过程的影响78-82
• 5.3 本章小结82-83
• 结论与展望83-85
• 参考文献85-90
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果90-91
• 致谢91

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