《Processes》：Investigation of Drying Under Impingement Flow: Dry, Moist Air and Superheated Steam
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工业对流干燥是能源密集型过程，其单位能耗（SEC）直接决定温室气体排放量。废气干燥介质的再循环与过热蒸汽干燥（SSD）可在少量投资下降低SEC，但其在冲击式干燥器中的收益取决于风机功率及有限的传热传质。本研究建立了一个电加热冲击流干燥器的系统级模型，包含混合器
工业对流干燥是能源密集型过程，其单位能耗（SEC）直接决定温室气体排放量。废气干燥介质的再循环与过热蒸汽干燥（SSD）可在少量投资下降低SEC，但其在冲击式干燥器中的收益取决于风机功率及有限的传热传质。本研究建立了一个电加热冲击流干燥器的系统级模型，包含混合器、加热器、风机、干燥器及再循环单元。研究求解了耦合的质量与能量平衡及冲击传热关联式，涵盖从环境空气到温度高达350°C的过热蒸汽等多种干燥介质。研究引入了三个评价量：蒸发潜力（EP）、蒸发潜力分数（EPF）及归一化干燥功率（NDP）。研究在恒定体积流量、恒定质量流量、恒定雷诺数以及新引入的恒定水力功率四种比较工况下对干燥介质进行了对比。在再循环条件下，约105°C至200°C的过热蒸汽在所有工况下均获得最高的归一化干燥功率（在压力损失系数为10时最高可达0.92）。仅在高压损且恒定质量流量的条件下，最优工况才转向湿空气。较高的蒸汽分数会降低干燥速率，但在恒定质量流量且温度高于约200°C的逆转温度时除外。
论文解读：冲击射流干燥中干燥介质选择与系统能效的耦合优化研究
一、研究背景与问题提出
干燥是工业中能源密集度最高的单元操作之一，在发达经济体中占工业能源使用的10%至25%，部分产品的干燥能耗甚至占其生产过程总能耗的多数。典型的对流干燥器实际能耗远高于蒸发水所需的最低潜热（约2.5 MJ/kg），例如造纸工业中的冲击式干燥器单位能耗（SEC）可达3至5 MJ/kg。相比之下，过热蒸汽干燥（SSD）结合热泵技术可将SEC降低至约0.7 MJ/kg。干燥器的温室气体足迹由SEC与能源载体的排放因子共同决定，电加热干燥器的排放因子在不同地区间差异超过四倍，因此SEC成为独立于区域电网因子和未来能源结构变化、可直接降低排放的关键杠杆。
既有研究存在两条相对独立的研究路线：一是干燥器层面的能量分析，通常假设干燥介质与产品处于热平衡且忽略风机功率；二是干燥动力学研究，仅比较干燥速率而不评估整个系统的能量需求。此外，现有比较工况（恒定体积流量、质量流量、雷诺数）均未反映操作者的实际问题：在保持安装风机功率不变的前提下改变操作点，现有工厂的性能如何变化。本研究旨在填补这一空白，针对带有圆形射流阵列和再循环的电加热连续带式干燥器，建立系统级模型，确定干燥介质温度与水蒸气质量分数的最优组合。
二、研究方法概述
研究人员建立了包含混合器、加热器、风机、干燥器和再循环单元的系统级模型。模型假设产品为高含水率、低热容的薄型材料，表面边界层为饱和水蒸气；系统处于稳态；干燥器边界绝热且不可渗透；流动完全混合；传热以对流为主。研究引入三个核心评价量：蒸发潜力（EP），即单位质量干燥介质可蒸发水量的理论上限，由耦合的质量与能量平衡求解；蒸发潜力分数（EPF），量化传热传质限制程度；归一化干燥功率（NDP），评价包括风机和加热器在内的整个干燥器系统。冲击射流的对流传热系数采用方形圆喷嘴阵列（RDF）的无量纲关联式估算，传质系数通过热质类比获得。研究在恒定体积流量、恒定质量流量、恒定雷诺数以及新引入的恒定水力功率四种工况下比较不同干燥介质。
三、研究结果
3.1 理想干燥器
蒸发潜力随温度升高而增大，过热蒸汽的增长斜率比干空气和湿空气更陡；饱和空气的蒸发潜力为零。饱和温度强烈依赖于水蒸气质量分数，对温度依赖较弱。理想干燥器模型与文献数据及在线工具对比，归一化干燥功率偏差在5%以内，验证了计算的有效性。
3.2 非理想干燥器
3.2.1 再循环的影响
无再循环系统中，干燥介质水蒸气质量分数越高，归一化干燥功率急剧下降，原因是进入干燥器前蒸发额外水分消耗大量能量。最大程度再循环系统中，归一化干燥功率随水蒸气质量分数增加而略有提升，因为水蒸气质量分数越高，可再循环的废气量越大。再循环对过热蒸汽工况的改善最为显著。
3.2.2 蒸发潜力分数的影响
在固定蒸发潜力分数（EPF）条件下，过热蒸汽在沸点温度（100°C）处获得最优归一化干燥功率，且该值在理想情况下（EPF=1）对所有温度恒定；EPF降低时，沸点温度仍为最优，但更高温度效率下降。干空气干燥的最优操作点始终在最高温度处，但其归一化干燥功率随EPF降低而下降。
3.2.3 风机功率的影响
压力损失系数增大时，低蒸发潜力的干燥介质归一化干燥功率显著降低，因为输送流体所耗能量远高于蒸发水分的能量。风机湍流耗散热在某些低温、高湿、高压损工况下可超过加热器所需热量，此时加热器需充当冷却器，研究将加热器功率设为零处理。
3.2.4 综合影响
在压力损失系数为10且考虑有限传热传质时，所有比较工况的最优操作点均为105°C至200°C范围内的过热蒸汽。唯一例外是恒定质量流量且高压损工况：此时风机所需水力功率超过加热器功率，最优操作点转向湿空气。增加流速会降低干燥器效率，最优操作点随流速增加向更高温度偏移。
3.3 传热传质
恒定质量流量工况下，干空气与过热蒸汽的干燥速率在约200°C的逆转温度处相等；低于该温度干空气干燥速率更高，高于该温度过热蒸汽更优。恒定体积流量工况未观察到逆转温度；恒定水力功率和恒定雷诺数工况可能在略高于200°C处出现逆转温度。质量流量、体积流量、水力功率和雷诺数的大范围变化对逆转温度影响不显著。
四、讨论与结论
再循环废气干燥介质可显著提高蒸发水分所利用的能量比例，效率提升高度依赖于循环量，保持蒸汽在系统内部是良好策略。蒸发潜力为对流换热传质过程建立了基于第一性原理的理论上限，仅取决于干燥介质的温度和蒸汽质量分数。蒸发潜力分数可估计传热传质有效性，但需进一步研究其能否在未知无量纲传递函数的情况下估算干燥速率。风机功率分析表明，小蒸发潜力的干燥介质不适合实现最优操作点，湍流耗散热在高压损工况下可能使流体温度超过目标值。风机功率与有限传热系数的综合影响产生唯一的最优干燥器操作点，即105°C至200°C的过热蒸汽干燥。增加流速降低干燥器效率，最优操作点向更高温度偏移。恒定质量流量且高压损的特殊工况下，风机功率超过加热器功率，最优操作点转向湿空气。逆转温度虽具有学术价值，但对确定干燥器最优操作点的重要性有限。
