干燥學(xué)科是由干燥理論、干燥技術(shù)和干燥工藝學(xué)三大分支構(gòu)成的。干燥理論涉及到熱交換、質(zhì)交換理論、水分同物料結(jié)合形式學(xué)說(shuō)、不可逆過(guò)程熱力學(xué)、理化力學(xué)和流變物理學(xué)等許多學(xué)科。早在遠(yuǎn)古時(shí)期人類就開(kāi)始了對(duì)干燥學(xué)科的研究，隨著干燥理論、干燥技術(shù)和干燥工藝學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在人們對(duì)物料干燥問(wèn)題的研究方法已由原來(lái)的實(shí)踐探索法轉(zhuǎn)變?yōu)榘迅稍锢碚摵透稍锛夹g(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采用一系列的數(shù)學(xué)方程模擬干燥過(guò)程，實(shí)現(xiàn)干燥工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種方法已經(jīng)成為干燥學(xué)科研究的主要方法。由于數(shù)學(xué)模擬這種方法具有準(zhǔn)確度高、經(jīng)濟(jì)性好、快捷以及便于放大等優(yōu)點(diǎn)，在干燥學(xué)科研究過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。考慮到干燥物料種類眾多，干燥產(chǎn)物要求也各不相同，干燥過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的干燥特性大相徑庭。因此針對(duì)不同干燥物料建立相應(yīng)物料干燥模型也就成為了現(xiàn)階段干燥模型的主要研究?jī)?nèi)容。物料干燥模型實(shí)質(zhì)上就是對(duì)物料干燥過(guò)程中干燥特性的一種數(shù)學(xué)表達(dá)，而物料干燥特性通常指的是物料在干燥過(guò)程中表現(xiàn)出的各種性質(zhì)，其中主要包括物料干燥速率、升溫速率、結(jié)構(gòu)變化（收縮與變形）規(guī)律、質(zhì)量與品質(zhì)的變化規(guī)律等。需要指出的是，由于對(duì)干燥產(chǎn)物的要求不同，在對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬時(shí)，上述特性并不是同等重要，這個(gè)原因也導(dǎo)致了物料干燥模型的多樣性。概括起來(lái)說(shuō)物料干燥模型主要是研究?jī)纱蠓矫娴膬?nèi)容：其一是基于唯象理論和體積平均理論的物料熱質(zhì)傳遞模型，其目的是深入研究物料干燥過(guò)程微觀機(jī)理，掌握物料內(nèi)部水分移動(dòng)規(guī)律，建立反映物料干燥特性的理論模型（包括干燥速率方程、升溫速率方程、結(jié)構(gòu)變化模型、質(zhì)量與品質(zhì)變化模型等）；其二是基于不可逆熱力學(xué)理論建立起來(lái)的干燥模型，其研究結(jié)果往往是側(cè)重從宏觀方面描述干燥過(guò)程，預(yù)測(cè)干燥速率，確定干燥時(shí)間，把干燥領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究及理論分析結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際干燥過(guò)程分析中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行。
    早在20—30年代，Lewis、Sherwood和Newman進(jìn)行大量的工作，把多組分氣體擴(kuò)散的Fick定律應(yīng)用于干燥過(guò)程，建立了擴(kuò)散模型理論（假定擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)）。在許多場(chǎng)合，擴(kuò)散模型理論解與實(shí)驗(yàn)的失重曲線、蒸發(fā)速率曲線相符。1937年CeaglskecJD4J和Hougen的實(shí)驗(yàn)及Hougen等人的分析表明：常系數(shù)擴(kuò)散模型理論解出的含濕量分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，而利用由他們測(cè)量的毛細(xì)勢(shì)（壓力）與含濕量關(guān)系的曲線．才能給出與實(shí)驗(yàn)相符的含濕場(chǎng)分布。由此他們推論，干燥過(guò)程中物料水分遷移是毛細(xì)勢(shì)作用的結(jié)果。但是上述工作與實(shí)際情況最大的不同是：都沒(méi)有考慮溫度對(duì)干燥過(guò)程熱質(zhì)傳遞的影響。而在實(shí)際干燥過(guò)程中，溫度作為熱質(zhì)傳遞過(guò)程中的一個(gè)主要推動(dòng)力，在物料干燥過(guò)程中所起到的作用是不可忽視的，甚至是決定性的。所以上述可以認(rèn)為是在忽略溫度影響下的物料內(nèi)部質(zhì)傳遞的描述�？梢哉f(shuō)直到Luikovn和Krischer考慮溫度對(duì)水分遷移過(guò)程的干燥模型的出現(xiàn)，描述物料干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型才真正問(wèn)世。Luikov從宏觀的質(zhì)量、能量守恒定律和不可逆過(guò)程熱力學(xué)原理出發(fā)，推導(dǎo)一組關(guān)于含濕量、溫度和氣相壓力的方程。這組方程中系數(shù)沒(méi)有明確的表達(dá)式，常常需要假定為常數(shù)，再由實(shí)驗(yàn)確定。Krischer認(rèn)為在干燥過(guò)程中，內(nèi)部質(zhì)量傳遞包括由毛細(xì)勢(shì)控制的液體流動(dòng)和由擴(kuò)散控制的汽流流動(dòng)，通過(guò)把液體濃度梯度引起的毛細(xì)管流動(dòng)和蒸汽分壓梯度引起的蒸汽擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)分別加以考慮，建立了一種干燥理論模型。該模型應(yīng)用吸附等溫線來(lái)確定物料內(nèi)部蒸汽壓分布，即認(rèn)為內(nèi)部蒸汽壓是溫度及含濕量共同決定的，把由溫度差、濃度差和壓力差引起的三種驅(qū)動(dòng)力結(jié)合起來(lái)，該模型常被稱為Krischer模型。同樣，該干燥模型需要假定方程的系數(shù)為常數(shù)，或采用復(fù)雜的經(jīng)驗(yàn)式，才能對(duì)這組方程進(jìn)行求解。除此之外，同時(shí)期內(nèi)還有Philip和DeVries在獨(dú)立地進(jìn)行這方面地工作。他們分析的出發(fā)點(diǎn)與Krischer的做法類似，將含濕量的遷移分為液體的毛細(xì)流動(dòng)與蒸汽的擴(kuò)散滲透，由此導(dǎo)出一組關(guān)于含濕量、溫度的控制方程。Philip和DeVries的推導(dǎo)中忽略了溫度對(duì)毛細(xì)勢(shì)的影響，且蒸汽擴(kuò)散表達(dá)式形式及其某些項(xiàng)是憑經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出來(lái)的。六十年代末，Harmathyf10a]通過(guò)運(yùn)用虛擬宏觀連續(xù)介質(zhì)方法推導(dǎo)了一組適用于液體在物料中處于懸浮狀態(tài)（液體不連續(xù)）時(shí)，含濕量、溫度和氣相總壓力的方程。1979年HuangEi把它推廣，使之也適用于液體的連續(xù)狀態(tài)�？梢哉J(rèn)為他們導(dǎo)出的方程的最終形式是一組純粹的偏微分?jǐn)?shù)學(xué)方程，比較復(fù)雜，物理意義也不明確。1989年Ilic和Turner[10]也導(dǎo)出一組關(guān)于含濕量、溫度和氣相壓力的方程。這組方程是從體積平均的運(yùn)動(dòng)方程直接展開(kāi)得到的。Wei等人的分析中也做過(guò)如此出處理，這種處理把體積平均的運(yùn)動(dòng)方程和能量方程轉(zhuǎn)換成含濕量、溫度和氣相壓力三個(gè)方程。
    我國(guó)學(xué)者雷樹(shù)業(yè)等對(duì)含濕多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型進(jìn)行了相關(guān)研究。文章從多孔介質(zhì)多相流Darcy定律和擴(kuò)散遷移機(jī)制出發(fā)，建立以溫度、壓力和飽和度為基本參數(shù)的三參數(shù)模型。該模型給出一組描述氣液質(zhì)量守恒、空氣質(zhì)量守恒和能量守恒的非線性偏微分方程。模型韻提出和建立是基于Whitaker體積平均理論的。
    虞維平等和韓吉田等在研究未飽和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)時(shí)考慮了毛細(xì)滯后效應(yīng)的影響。上述兩篇文獻(xiàn)采用液相滲流的最小梯度假設(shè)，考慮毛細(xì)滯后對(duì)液相運(yùn)動(dòng)的影響。傳熱傳質(zhì)微分方程包括濕份遷移方程、能量守恒方程和氣體總壓力方程組成。方程中的有關(guān)熱濕遷移性系數(shù)都有明確的表達(dá)式，便于定性、定量地研究遷移特性的影響因素和變化規(guī)律，并為進(jìn)一步發(fā)展確定熱濕遷移特性的有效實(shí)驗(yàn)方法提供了依據(jù)。
    綜觀干燥理論的發(fā)展，典型的干燥理論有三種：
    (1)氣化界面理論
    Lewis和Sherwood提出水分傳輸是由擴(kuò)散所致。在此基礎(chǔ)上，Gross提出了氣化界面理論，又經(jīng)G．Rhadley和K．W，Chen等人進(jìn)一步發(fā)展，推導(dǎo)出了一系列以氣化界面為分界面的方程來(lái)描述干燥過(guò)程中物料內(nèi)部熱質(zhì)傳遞規(guī)律。由于在干燥過(guò)程中氣化界面是一個(gè)向物料內(nèi)部移動(dòng)的分界面，氣化界面不斷減少，所以推導(dǎo)出的氣化界面理論更適合于描述干燥過(guò)程中較為復(fù)雜的降速干燥階段。傳統(tǒng)氣化界面理論的中心思想假設(shè)進(jìn)入干燥降速期的干燥物料內(nèi)部存在于區(qū)和濕區(qū)，以氣化界面作為分界面，氣化界面外為干區(qū)，氣化界面內(nèi)部為濕區(qū)，干區(qū)已經(jīng)經(jīng)過(guò)完全干燥，含濕飽和度為零，而定義濕區(qū)的含濕飽和度為100%，規(guī)定水分氣化只在交界面（氣化界面）上才能發(fā)生。該理論的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)各種擴(kuò)散原因考慮較為詳細(xì)，在降速干燥階段具有較高的實(shí)用價(jià)值。
    (2)等效耦合擴(kuò)散理論
    七十年代，Whitaker提出的體積平均理論使干燥過(guò)程中熱質(zhì)傳遞規(guī)律的研究進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段，Whitaker所提出的方程最終形式上與以往方程并無(wú)差異，他在試圖進(jìn)一步推導(dǎo)方程時(shí)，作了許多假設(shè)。楊世銘、肖寶亮在未附加任何新的假設(shè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)Whitaker體積平均理論和Darcy定律推導(dǎo)出一組等效耦合擴(kuò)散方程，該方程以含濕量、溫度、氣相總壓力三個(gè)緊密耦合量為變量，代表了一種廣義守恒。參量的時(shí)間變化率等于等效流的凈通量，而等效流與參量自身梯度成正比，且與重力加速度有關(guān)。該方程以矩陣表達(dá)，形式筒單，且方程系數(shù)都有明確表達(dá)式，不需要由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。
    (3)擴(kuò)散干燥理論
    蘇聯(lián)著名學(xué)者Luikov利用不可逆熱力學(xué)建立了反映物料內(nèi)部熱質(zhì)傳遞規(guī)律的理論，對(duì)于那些干燥過(guò)程溫度不太高，壓力梯度、溫度梯度可忽略的情況，簡(jiǎn)化其方程并求解，得到了物料顆粒含濕量分布場(chǎng)和整個(gè)粒子平均含濕量的計(jì)算式。由于擴(kuò)散方程復(fù)雜，需要的計(jì)算量大，往往擴(kuò)散系數(shù)還是用經(jīng)驗(yàn)方程代替，所以擴(kuò)散方程進(jìn)一步又發(fā)展成半經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)方程。通過(guò)對(duì)上述擴(kuò)散理論的分析，Prof. Ginzburg指出：干燥的強(qiáng)化可以通過(guò)增強(qiáng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力來(lái)達(dá)到，同樣也可以利用增加動(dòng)力學(xué)系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)；如果驅(qū)動(dòng)力受到一定的技術(shù)限制，增加動(dòng)力學(xué)系數(shù)的潛力卻仍然有很大。上述理論對(duì)現(xiàn)代干燥具有重大的現(xiàn)實(shí)意義：引導(dǎo)人們走出了一味通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)化干燥的誤區(qū)，大大降低了干燥過(guò)程的能源消耗，提高了干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。
    以上三種典型的干燥理論對(duì)本文進(jìn)行秸稈干燥過(guò)程的理論分析有重要的指導(dǎo)意義。本文借鑒了氣化界面內(nèi)移的思想來(lái)描述降速干燥過(guò)程；采用體積平均理論，構(gòu)造出表征單元體進(jìn)行秸稈干燥過(guò)程的理論分析，最終得到了較為理想的效果，