纤维干燥机热平衡计算及节能问题探讨

热容。需要注意的是表中给出的Ｃｐ 为从０ ℃到ｔ ℃之间
的平均定压比热容，而从ｔ １℃到ｔ ２℃之间的平均定压比 热容则需要换算。求出气体从ｔ １℃到ｔ ２℃之间的平均定 压比热容后，可用公式（３）计算气体在温度变化时吸
收和放出Q的= 热C ⋅量(t2。− t1) ⋅ m
Q = CP
t2 t1
⋅ (t2
２）干燥介质的出口温度ｔ ２受到干燥排出废气露点 温度和纤维干燥速率的限制。在干燥机出口处，由于干 燥过程中水分的蒸发，干燥介质在出口处含湿量较高， 有时会超过０．１ ｋｇ（水分）／ｋｇ（绝干空气），对应的露 点温度已超过５０ ℃。在干燥废气湿含量偏高时，废气 的露点温度相应提高，如果干燥机的出口温度低于露点 温度，在干燥机出口处有时会出现蒸发的水分重新凝结 的现象。笔者曾经在出口温度控制较低的生产现场，用 手接到从旋风分离器出口飘落的凝结成团的纤维球，用 手指一捏就可以挤出水来，显然为废气中水蒸气的凝结 水。干燥机出口温度是保证纤维终含水率的一个重要控 制参数，干燥机出口温度提高，意味着干燥过程整体干 燥温度提高，在含湿量一定的情况下，降低了干燥介质 的相对湿度，提高了干燥介质的吸湿能力，加速了干燥 过程。干燥机运行时，通常是通过干燥出口温度的稳定 来控制干燥纤维终含水率的稳定。如果实际检测的纤维 终含水率高于工艺设定值，就需要提高干燥机出口温度 的控制值，提高干燥速率；反之要降低出口温度的控制 值。在大量的生产实际中，通常设定介质出口温度为 ５５～７５ ℃，本文计算中取干燥机出口温度为６５ ℃。 ２．３ 各种物质比热容的确定
Cp
t2 0
-Cw
⋅t2 ) ⋅ m
= q⋅m
（４）
式中， q = r0 + (Cp
t2 0
− Cw ) ⋅t2 为单位质量温度为ｔ２的水
蒸发为同温度的蒸汽所需要吸收的热量，ｋＪ／ｋｇ；Ｃｗ为水
的比热容。
３）干燥机散热损失ＱＬ与干燥系统的保温设计有关， 可参照ＧＢ／Ｔ ８１７５—２００８《设备及管道绝热设计导则》设
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热器或能源中心，并且不同渠道进入干燥机的物质形态 （固态、液态、气态）不同，温度不同，这样纤维干燥 过程的热平衡计算相对于其他物料干燥显得更复杂。 １．１ 干燥过程的物料平衡
从纤维干燥机的物料平衡可以看出，各种物料进 入干燥机内有３条途径：从热磨机出来经纤维喷放管进 入干燥机的纤维，纤维含水和混合水蒸气；从施胶泵 经喷放管进入干燥机的脲醛树脂胶黏剂，通常是固含 量为５０％左右的胶液；从换热器或能源中心进入干燥 机的热介质（热空气或烟气）和热介质中的湿分。干 燥过程中干燥机与外界没有物质交换，少量树脂的预 固化对计算的些微影响可以忽略不计。由物质不灭定 律可知，经过干燥过程，进入干燥机的与从干燥机出 来的绝干纤维量和固态树脂量保持恒定，热介质（热 空气或热烟气）总量也不会改变，而进入干燥机的水 分总量（包括前述各种固态物质含水、蒸汽和热介质 中的湿分）也不会改变，只是一部分水分被蒸发为蒸 汽，从液态转变为气态。 １．２ 干燥过程的热平衡
件，然后通过计算求得干燥机所需的风量、热耗，再通
过设计计算找出影响干燥机耗热的主要因素和节能降耗
的措施。在实际计算中也可以采用一些简化的近似公式
计算，不影响对干燥机热能消耗影响因素的讨论。
２ 纤维干燥机热平衡计算的步骤
２．１ 确定纤维干燥机热平衡计算中的已知条件
１）绝干纤维产量。
绝干纤维产量是纤维干燥机的主要技术指标，由
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对目前普遍采用的“先施胶后干燥”生产工艺来 说，由于胶黏剂在干燥过程中暴露在高温干燥介质中， 虽然时间很短，但仍会有预固化损失，不希望干燥机热 介质进口温度过高。实验表明，干燥介质进口温度控制 在１１７～１６２ ℃范围内，中密度纤维板的静曲强度、平面 抗拉强度、吸水率和吸水厚度膨胀率均比较好［２］。所以有 一种观点认为干燥机进口温度低一些好，有的用户要求 选用１３０ ℃左右，以减少胶黏剂的预固化损失。但从能 源利用效率来看，又要求进口温度高一些好，国外企业 有的将干燥机进口温度设计为１８０ ℃，甚至１９０ ℃。笔者 通常选用干燥介质进口温度为１７０ ℃。
节能降耗不仅是国民经济发展的需要，也是企业自 身持续发展的需要，节能降耗是企业可持续发展的永恒 课题。
中密度纤维板是人造板生产中高能耗的板种。根据 胡广斌、肖小兵２０１２年对９省市１１家中密度纤维板企业能 耗的统计资料［１］，笔者对其中的数据进行了计算，在中 密度纤维板生产中，热耗约占总能耗的７９％；而纤维干 燥的热耗又占生产总热耗的６０％～７０％，约占总能耗的 ５０％。所以，在中密度纤维板生产中要节能降耗，纤维 干燥是一个重要环节。本文在总结纤维干燥机设计实践 的基础上，拟通过对闪击式纤维干燥机的物料平衡和热 平衡计算分析，探讨纤维干燥过程的影响因素和干燥节 能问题。
于不同参考资料中选取的温度范围不同，给出的比热容
数值也会有所不同。为避免由于温度范围不同引起的适
用性矛盾，本文采用换算求得不同温度下气体的平均定
压比热容进行热平衡计算。
２）蒸发水分消耗的热量ＱＶ。水蒸气的热焓包括由 ０ ℃的水变为０ ℃的蒸汽所需的汽化潜热ｒ ０及水蒸气从 ０ ℃升温至 ｔ ℃所需的显热之和。由于本文计算中已经
从能量守恒的角度，纤维干燥机的热消耗用于４个方 面：加热干燥介质、加热各种物料、蒸发水分和散热损 失，有
Q H = Q M + Q V + Q F + Q L （１） 式中： ＱＨ —干燥介质从换热器或者能源中心吸收的热量， ｋＪ／ｈ； ＱＭ —除干燥介质、被蒸发的水分外，进入干燥机的 各种物质吸收的热量之和，ｋＪ／ｈ； ＱＶ —被蒸发的水分吸收的热量，ｋＪ／ｈ； ＱＦ —干燥介质排出干燥机时带走的热量，ｋＪ／ｈ； ＱＬ —干燥机的散热损失，ｋＪ／ｈ。 干燥机的热量平衡计算就是要确定公式（１）中的各 项热量。 在纤维干燥机的热平衡计算中，笔者将ＱＢ ＝ ＱＭ ＋ ＱＶ 定义为基本需热量，实质上就是从热磨机和施胶管进入
干燥机的全部物质在干燥过程中所需吸收的热量。
１）温度变化时，固态和液态物质所吸收的热量Ｑ可
由公式（２）得出。式中Ｃ为物质的比热容；ｔ１、ｔ２分别为 物质在状态变化过程中的初始温度和终了温度，本文中
分别为物质进入干燥机和排出干燥机时的温度；ｍ 为物
质的质量。
Q = C ⋅ (t2 − t1) ⋅ m （２） 对于气体来说，比热容有定压比热容和定容比热容
− t1) ⋅
m
（３）
式中，若ｔ ２大于ｔ １，Ｑ 为正值，表示气体在干燥过程
中吸热；反之为气体放热。
在工程计算中，为简化计算常忽略温度对比热容的
影响，将比热容视为定值，则式（３）与式（２）为相同
的表达式。需要注意的是将比热容作为定值计算时，由
计。实际散热损失还与干燥运行温度和环境温度有关，
即使同一干燥机在不同工况下散热损失也不同。一般说
来，干燥机的散热损失不会超过１０％，大中型生产装置
若保温适宜，散热损失约为５％。本文计算取散热损失为
计算热耗的１０％。
（１）～（４）式为纤维干燥机热平衡计算中最基本
的计算公式，纤维干燥机的设计计算首先要确定已知条
的不同。在闪击式干燥机的设计计算中，各种气体成分
温度变化所吸收和放出的热量应采用气体的定压比热容
Ｃｐ。
进入干燥机的空气、烟气和过热水蒸气的定压比
热容是温度的单值函数，随温度的升高而增大，计算
气体吸收和放出的热量时需做积分计算，计算比较繁
杂。工程计算常采用平均定压比热容计算热量，各种
气体可通过插值法查表求得不同温度下的平均定压比
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｈｅａｔ Ｂａｌａｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ Ｄｒｙｅｒ
Zhu Ruihua
SUFOMA Machinery Co.Ltd., Suzhou, Jiangsu 215129, China Abstract: Discussed computational methods of each substance quantity during fiber-drying process based on the heat balance; analyzed the primary influencing factors of fiber-drying energy consumption; and, proposed energy-saving methods in design and operation of fiber dryer. Key words: fiber dryer; heat balance; energy saving
技术探讨 科 技 TECHNOLOGY
纤维干燥机热平衡计算及节能问题探讨
朱瑞华
苏州苏福马机械有限公司， 江苏 苏州 ２１５１２９
摘要：基于干燥热平衡和干燥物料平衡的原理，探讨纤维干燥过程中各种物质量的计算方法。据此分析了影响纤维干燥热量 消耗的主要因素，提出了纤维干燥机设计和应用中节能降耗的措施。 关键词：纤维干燥；热平衡；节能 中图分类号：ＴＳ６４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７３－５０６４（２０１５）０５－０００５－０６
率为１００％计算，避免生产线实际运行时因含水率过高而
影响生产能力。
３）纤维终含水率。 根据纤维板的生产工艺要求，纤维终含水率通常为 ８％～１５％，本文按照１０％计算。 ４）纤维施胶量。 受纤维板成品的功能定位、板厚不同等因素影响， 纤维施胶量差异较大，本计算取纤维施胶量（固体成分 比）为１２％，胶黏剂固含量按照５０％计，胶黏剂施加温度 取１０ ℃。 ５）喷浆蒸汽量。 热磨纤维依靠磨室体里的蒸汽压力通过喷浆管进 入干燥机，一部分蒸汽与热磨纤维混合在一起进入干燥 机。喷浆混合蒸汽量与热磨时的蒸汽消耗量有关但并不 相等。热磨时的蒸汽消耗量一部分用于加热木片和木片 里的含水，饱和蒸汽释放出汽化潜热变成了冷凝水；同 时，热磨时电机的动力消耗做功产生的热量，将一部分 木片里的水蒸发为饱和蒸汽，增加了饱和蒸汽量。经过 这种蒸汽凝结和再被蒸发的过程，喷浆混合蒸汽量与热 磨消耗的蒸汽量不会相等。喷浆混合蒸汽量应通过热磨 过程的热平衡计算求出。由于设备、工艺和操作条件的 不同，生产中热磨蒸汽消耗量通常在２００～５００ ｋｇ（蒸 汽）／ｔ（绝干纤维）。笔者结合对热磨热平衡的计算， 通径１００ ｍｍ的喷浆管喷浆蒸汽消耗量约２ ０００～４ ０００ ｋｇ／ｈ， 本文计算中取喷浆蒸汽消耗量３ ０００ ｋｇ／ｈ。 ６）物料进入干燥机的温度。 除施胶温度取车间室温按照１０ ℃计外，其余从热磨 机进入干燥机的混合成分均按热磨机磨室体蒸汽压力为 绝对蒸汽压力８００ ｋＰａ时的饱和蒸汽温度约１７０ ℃计。 ７）物料排出干燥机温度。 近似取各混合物质与干燥介质排出干燥机的出口温 度一致，为６５ ℃。 ２．２ 干燥介质进口温度ｔ１和出口温度ｔ２的确定 干燥介质进口温度ｔ１和出口温度ｔ２是干燥机设计的重 要参数。 １）对于纤维干燥来说，干燥介质进口温度ｔ１的选取 是一个值得讨论的设计参数。