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食品干燥原理第一页，本课件共有74页用加热的方法除去湿物料中的湿分以获得固体产品的单元操作称为干燥。干燥方法按加热方式可分为四大类(1)导热干燥 热量通过与食品物料接触的加热面直接导入，使材料中的湿分汽化排除，达到干燥的目的。(2)对流干燥 热量以对流的方式传递给湿物料，使食品材料中的湿分汽化，以达到干燥的目的。干燥介质（空气）既是载热体又是载湿体。第二页，本课件共有74页(3)辐射干燥 热量通过电磁波的形式由辐射加热器传递给食品材料表面，再通过材料自身的热量传递，使内部的湿分汽化，达到干燥的目的。(4)(4)介电加热干燥 在高频电场中，食品材料中的湿分分子处于高速旋转与振动，由此产生的热量使湿分汽化，达到干燥的目的。第三页，本课件共有74页干燥操作既包含传热过程又包含传质过程，两者的传递方向可能相同，也可能不同，但遵循的规律是：热量传递方向：热量总是由高温区向低温区传递。热量传递方向：热量总是由高温区向低温区传递。物质传递方向：物质总是由高浓度（或高分压）区向低浓度（或低分压）区传递。干燥进行的必要条件：物料表面的湿汽的压强必须大于干燥介质中湿分的分压。此差值越大，推动力越大。注：本章所论及的湿分为水分，干燥介质为热空气。第四页，本课件共有74页1.湿空气的热力学性质湿空气的热力学性质1.1 湿含量（湿度）湿含量（湿度）H湿含量是湿空气中水蒸汽的质量与绝干空气的质量之比。或 （kg/kg绝干气）式中：pv、P-分别为水蒸汽分压和湿空气总压，Pa或kPa。湿含量也可理解为单位质量（1kg）绝干空气中所容纳的水蒸汽质量。第五页，本课件共有74页1.2相对湿度相对湿度湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。式中：pv、ps-分别为水蒸汽分压和同温度下水的饱和蒸汽压，Pa或kPa。相对湿度用来衡量湿空气的不饱和程度，反映湿空气的吸收水汽的能力，值越小，吸收水汽的能力越强。对于饱和湿空气，=1（或100%）；对于绝干空气，=0。第六页，本课件共有74页注意：当湿空气达到饱和时，表示其中所含的水蒸汽量已经达到最大值，超过此值的水分量必将以液态水的形式析出。因此，1。第七页，本课件共有74页1.3湿空气的比热容湿空气的比热容CH和湿比容和湿比容H将湿空气中1 kg绝干空气及其所带的H kg水蒸汽的温度升高1 所需吸收的热量。将绝干空气及水蒸汽的平均比热容代入可得：（kJ/kg绝干气）第八页，本课件共有74页湿空气的湿比容湿空气的湿比容HH是指含有1 kg1 kg绝干空气的湿空气所绝干空气的湿空气所占有的体积（占有的体积（m3/kgm3/kg绝干空气）。绝干空气）。或 式中：t-湿空气的温度，；P0、P-分别为标准大气压和湿空气的压强，Pa或kPa。对常压湿空气，P0/P=1。第九页，本课件共有74页1.4 湿空气的热含量湿空气的热含量(焓焓)I湿空气的热含量（或焓）I是指含单位质量绝干空气的湿空气的焓。具体应用时，以0 的绝干空气和0 的液态水的焓值为零作为计算起点。或(kJ/kg绝干气)式中:t为湿空气的温度,。第十页，本课件共有74页1.5 干球温度干球温度t和湿球温度和湿球温度tm干球温度t：用一般温度计所测得的空气温度；湿球温度tm：用湿球温度计所测得的空气温度。湿球温度计：将温度计的感温部分包以湿纱布使其始终处于润湿状态所构成的温度计。湿球温度形成的原理：因物质交换(湿度不同)导致热量交换,最终达到热、质的传递平衡。第十一页，本课件共有74页传热达平衡时,有：或 式中：Hs-液滴表面空气层的饱和湿含量 第十二页，本课件共有74页kH-气化系数，kg/（m2s）；LV-水在tm下的汽化潜热，kJ/kg；-对流传热系数，kW/(m2)；A-传热（质）面积，m2。对空气水系统:/kH=CH1.09kJ/kg.第十三页，本课件共有74页1.6 露点露点td湿空气的露点td是不饱和空气在其总压和湿度保持不变的情况下，被冷却降温达到饱和状态时的温度。若湿空气的温度降低到露点以下，则所含超过饱和部分的水蒸气将以液态水的形式凝结出来。由于湿度不变，因此有：第十四页，本课件共有74页 或 此式即为露点计算式。由上式求得 psd 后，查饱和水蒸汽表可得td；或由下式计算td：式中，psd的单位为Pa，td的单位为。湿空气的几个温度之间的关系：对于不饱和湿空气，有 ttmtd；对于饱和湿空气，有 t=tm=td。第十五页，本课件共有74页2.湿空气的湿焓图及使用方法湿空气的湿焓图及使用方法 21 湿空气的湿焓图（湿空气的湿焓图（HI图）图）第十六页，本课件共有74页见书P791，Fig12-5，本图是在总压强等于101.33 kPa下绘制的。第十七页，本课件共有74页特别提示：湿焓图上的任一参数值均是以 1kg绝干空气为基准的。湿空气的H-I图由以下诸线群组成：1）等湿度线（等H线）群等湿度线是平行于纵轴的直线群，数值从0到0.15kg/kg绝干气。2）等焓线（等I线）群等焓线是平行于斜轴的直线群（与纵轴的夹角45），数值从0到480kJ/kg绝干气。第十八页，本课件共有74页3）等干球温度线（等t线）群等干球温度线是一系列向上倾斜但互不平行的直线群，数值从-10到185。4）等相对湿度线（等线）群等相对湿度线是一系列向上倾斜弯曲的曲线群，从=5%到=100%共11条。5）水蒸汽分压线图中右下角的一系列水平直线群，数值从0到18kPa。第十九页，本课件共有74页2.2湿焓图的应用湿焓图的应用1）由H-I图上任一状态点确定湿空气的状态参数值，方法见下图：由图可清楚的看出：对于不饱和湿空气，有 ttmtd；对于饱和湿空气（状态点A落在=100%线上），有 t=tm=td。特别提示：湿焓图上=100%线上任一点均表示湿空气处于饱和状态第二十页，本课件共有74页2）由湿空气的任意两个独立参数在H-I图上确定状态点A。a）已知t，tm b）已知t，td c）已知t，第二十一页，本课件共有74页3.湿空气的基本状态变化过程湿空气的基本状态变化过程31 间壁式加热和冷却以及冷（却）凝减间壁式加热和冷却以及冷（却）凝减湿过程湿过程1）间壁式加热和冷却特点：等湿过程，过程线为直线，加热，冷却。第二十二页，本课件共有74页2）间壁式冷（却）凝减湿过程第二十三页，本课件共有74页当湿空气被冷却至露点时，空气达到饱和状态，湿空气中的水蒸汽就开始在冷却面上凝结出来，随着冷却过程的进行，水分也不断析出，而温度则不断降低，但空气始终维持在饱和状态，这时，过程线主要沿=100%线变化。特别提示：当空气湿度不变时，既可用湿比热法又可用焓差法计算状态变化的热量，但空气湿度变化时，只能用焓差法计算状态变化的热量。第二十四页，本课件共有74页32 不同状态湿空气的混合过程不同状态湿空气的混合过程 设有两股空气，对应的绝干空气量为L1和L2，对应的状态为（H1，I1）和（H2，I2），混合后的湿度和焓值可由物料及热量衡算求得。混合前后水分量不变：L1H1+L2H2=（L1+L2）Hm 混合前后焓值不变：L1I1+L2I2=（L1+L2）Im 由上两式可得：第二十五页，本课件共有74页可见，混合点m（在H-I图上）位于1，2两状态点的联线上，且m点划分线段1-2，使（杠杆定律）。第二十六页，本课件共有74页同时可由上两式解得：，第二十七页，本课件共有74页例12-1 空气的温度为30，露点温度为12，问：(1)当冷却到16时，相对湿度为多少？(2)有600 m3的空气，当温度从30冷却到2时，能失去多少千克水？解：第二十八页，本课件共有74页（1）等湿冷却过程。首先确定新鲜空气的状态点（H1=0.0088，1=33%），然后作等湿线与t=16的等温线相交，可读得过此交点的值为80%。（2）冷 凝 减 湿 过 程。先 由 等 温 线 t=2与=100%线的交点可读得H2=0.0043kg/kg绝干气。然后计算新鲜空气的湿比容以求绝干空气量L。第二十九页，本课件共有74页除去的水分量：第三十页，本课件共有74页4.湿物料的基本性质湿物料的基本性质第三十一页，本课件共有74页4.1 湿物料的形态和物理性质湿物料的形态和物理性质 湿物料可按其外观形态的不同而分为下列几种：（P793）湿物料又可按其物理化学性质的不同粗略分为两大类：（P794）第三十二页，本课件共有74页4.2 湿物料中水分存在形式和表示法湿物料中水分存在形式和表示法(1)物料中水分存在形式机械结合水：这部分水处于食品表面和粗毛管中，机械结合水：这部分水处于食品表面和粗毛管中，与干物质结合较松弛，以液态存在，易于除去。与干物质结合较松弛，以液态存在，易于除去。物理化学结合水：这部分水是指吸附水、渗透水物理化学结合水：这部分水是指吸附水、渗透水和结构水，其中吸附水与物料结合比较牢固，难于和结构水，其中吸附水与物料结合比较牢固，难于除去。除去。化学结合水：这部分水是经过化学反应按一定比化学结合水：这部分水是经过化学反应按一定比例渗于干物质分子内部，与干物质结合比较牢固，例渗于干物质分子内部，与干物质结合比较牢固，若去掉这部分水必然要引起物理性质和化学性质的若去掉这部分水必然要引起物理性质和化学性质的变化，这种水不是干燥要排除的。变化，这种水不是干燥要排除的。第三十三页，本课件共有74页(2)物料中水分含量表示法 表达方法有湿基含水量和干基含水量两种。湿基含水量：湿物料中含有的水分质量与湿物料的总质量之比。干基含水量X：湿物料中含有的水分质量与绝干物料的质量之比。第三十四页，本课件共有74页两者之间的换算关系为两者之间的换算关系为，第三十五页，本课件共有74页43 平衡水分平衡水分平衡水分：湿物料与一定状态（温度和湿度一定）平衡水分：湿物料与一定状态（温度和湿度一定）的空气接触达平衡时，残余在湿物料中不能排除的的空气接触达平衡时，残余在湿物料中不能排除的水分。水分。平衡水分与空气相对湿度的关系曲线称为吸附等温线。平衡水分与空气相对湿度的关系曲线称为吸附等温线。若干种食品的吸附等温线参见图若干种食品的吸附等温线参见图12-912-9，1010和表12-112-1。平衡水分与物料的性质和空气的状态有关。平衡水分与物料的性质和空气的状态有关。湿物料中各种水分的意义：湿物料中各种水分的意义：第三十六页，本课件共有74页第三十七页，本课件共有74页由图可得：当物料性质一定时，它的平衡水分与空气的状态有关。当温度不变时，平衡水分与空气的相对湿度的关系是：空气的相对湿度越大，平衡水分也越大。一般当不变时，温度升高，平衡水分略有降低，但温度变化范围不大时，可认为平衡水分仅与有关。可除去水分：在干燥操作中所能除去的水分，即物料中所含大于平衡水分的那部分水分。第三十八页，本课件共有74页特别提示：改变空气的状态，就可以改变物料的平衡水分。第三十九页，本课件共有74页5 湿物料常压热风干燥过程湿物料常压热风干燥过程第四十页，本课件共有74页通常干燥系统由两个主要部分组成：空气预热器和干燥器（室），如图所示。第四十一页，本课件共有74页51 热风干燥过程计算热风干燥过程计算下列符号的意义：G1湿物料的处理量，kg/h；G2干燥产品量，kg/h；GC湿物料中绝干物料量，kg/h；L以绝干空气计的空气消耗量，kg/h。QP空气预热器耗热量，kJ/h。(1)产品量和汽化水分量 干燥过程中，绝干物料的量不变，即第四十二页，本课件共有74页干燥产品量：汽化水分量：以干基含水量表示时，有：2)空气消耗量 L对干燥系统作水分的衡算，有：定义：为单位空气消耗量（即每汽化1kg水分所消耗的绝干空气量）。第四十三页，本课件共有74页耗热量 QP对预热器作热量衡算，有：对干燥器作热量衡算，有：式中：QD干燥器内补充的热量，kJ/h；QL因物料、运输机械的出入所带走的热量与干燥器的散热损失之和，kJ/h；第四十四页，本课件共有74页特特别别提提示示：若若物物料料、运运输输机机械械的的出出入入是是带带走走热热量量，则则其其值值为为正正“+”+”；若物料、运输机械的出入是带入热量，则其值为负；若物料、运输机械的出入是带入热量，则其值为负“-”-”。每汽化每汽化1kg1kg 水分干燥器净收入的热量，水分干燥器净收入的热量，kJ/kgkJ/kg汽化水。汽化水。若若=0=0，即即I I1 1=I=I2 2，称称为为等等（恒恒）焓焓干干燥燥过过程程（也也称称绝绝热热干干燥燥过过程程），所用干燥器称为理论（想）干燥器。过程线沿等焓线变化。，所用干燥器称为理论（想）干燥器。过程线沿等焓线变化。若若00，即即I I1 1II2 2，称称为为非非等等（恒恒）焓焓干干燥燥过过程程（也也称称非非绝绝热热干干燥燥过过程），所用干燥器称为实际干燥器。程），所用干燥器称为实际干燥器。QQL L的计算：的计算：QQL L=G=GC C（I I2 2，-I-I1 1，）+Q+QTRTR+Q+QL L下下列列干干燥燥器器Q QTRTR=0=0：回回转转筒筒干干燥燥器器，气气流流干干燥燥器器，喷喷雾雾干干燥燥器器，沸沸腾床（流化床）干燥器。腾床（流化床）干燥器。湿物料的焓值按下式计算：湿物料的焓值按下式计算：I I，=C=Cmm=(C=(CS S+4.187X)+4.187X)式中：式中：C CS S绝干物料的比热容，绝干物料的比热容，kJ/kg.kJ/kg.由湿物料焓的计算式可推得：由湿物料焓的计算式可推得：式中：式中：干燥产品的比热容，干燥产品的比热容，kJ/kg.kJ/kg.。第四十五页，本课件共有74页(1)空气离开干燥器时状态参数的确定用途：用于非等（恒）焓干燥过程。非等焓干燥时，要确定空气离开干燥器时的状态参数就较为困难。通常，空气出口的已知参数为t2或2（或其它参数）。当出口温度t2已知时，可用解析法求解其它状态参数，其方法是联立以下两个方程：可求得H2，I2。当给出2（或其它参数）时，可在H-I图上图解求其它状态参数。设为过程线，P为1-2线上任一点，因1-2为直线，必有：第四十六页，本课件共有74页即1-P和1-2线重合。过程线1-2的画法如下：用 求，若已知，则直 接到2）；2.由 ，任给一个H值，可求一个I值，由此H，I值定出P点，联1，P并延长与2（设2已知）线相交于2点，则点2即为所求出口空气的状态点。第四十七页，本课件共有74页52 干燥器的热效率干燥器的热效率热效率是指用于蒸发水分所需的热量与输入干燥系统的总热量之比，即第四十八页，本课件共有74页提高热效率的途径：提高热效率的途径：降低空气的出口温度（但此法有一定限度，一般空降低空气的出口温度（但此法有一定限度，一般空气的出口温度气的出口温度t2t2应比进入干燥器时的湿球温度高应比进入干燥器时的湿球温度高2050）。2）采用废气（出干燥器的空气称为废气）循环操作。）采用废气（出干燥器的空气称为废气）循环操作。例例12-212-2 在一等焓干燥器内将含水率为在一等焓干燥器内将含水率为2424的物料的物料干燥至干燥至15.515.5（湿基）。原料处理量为4200kg/h，如果干燥空气从温度为5 5，相对湿度为6060的环境状态下加热至43，试确定风机的风量（，试确定风机的风量（m3 3/h）和预热器加热量，假定从该物料中排出的废气相对湿度为9898。第四十九页，本课件共有74页解：该过程空气的状态变化如图所示（012）。第五十页，本课件共有74页1）汽化的水分量W由图读得：H0=0.0032 kg/kg绝干气，I0=13.0 kJ/kg绝干气；H1=0.0032 kg/kg绝干气，I1=51.0 kJ/kg绝干气；H2=0.013 1kg/kg绝干气。2）新鲜空气体积流量V 第五十一页，本课件共有74页3）预热器加热量QP第五十二页，本课件共有74页例12-312-3 某某糖糖厂厂的的回回转转干干燥燥器器的的生生产产能能力力为为4 4 030 030 kg/hkg/h（以以干干燥燥产产品品计计），湿湿糖糖水水分分1.271.27，于于3131下下进进入入干干燥燥器器。离离开开干干燥燥器器时时水水分分为为0.18%（均均为为湿湿基基），温温度度为为3636，环境空气温度为2020，湿湿球球温温度度17，空空气气经经预预热热至至9797后进入干燥器。自干燥器排出的废气温度4040，其其湿湿球球温温度度为为3232，已已知知产产品品的的比比热热容容为为1.26 1.26 kJ/(kgK)kJ/(kgK)，试试求求：干干燥燥器器的的散散热热损损失失；干燥器的热效率。干燥器的热效率。解：解：1)汽化的水分量汽化的水分量W第五十三页，本课件共有74页2）空气消耗量L查H-I图（P791），得：H0=H1=0.011 kg/kg绝干气，H2=0.028 kg/kg绝干气，I0=49.4 kJ/kg绝干气,I1=125 kJ/kg绝干气，I2=113 kJ/kg绝干气。3）干燥器散热损失QL 由 第五十四页，本课件共有74页QD=0，则：又 QL=GC（I2，-I1，）+QTR+QL对回转筒干燥器，QTR=0，则：(其中，GC=4030（1-0.0018）=4023kg/h)第五十五页，本课件共有74页4)4)干燥器热效率干燥器热效率6 6 对流干燥理论对流干燥理论对流干燥理论对流干燥理论6 61 1 物料干燥机理物料干燥机理物料干燥机理物料干燥机理一一般般干干燥燥过过程程是是水水分分由由物物料料内内部部扩扩散散至至表表面面后后，在在表表面面汽汽化化，并向气相中传递。并向气相中传递。表表面面汽汽化化控控制制：湿湿物物料料内内部部的的水水分分能能够够迅迅速速到到达达物物料料表表面面（即即内内扩扩散散速速率率远远大大于于表表面面汽汽化化速速率率），使使物物料料表表面面保保持持充充分分的的润润湿湿状状态态，物料表面温度约等于空气的湿球温度。物料表面温度约等于空气的湿球温度。内内部部扩扩散散控控制制：湿湿物物料料内内部部的的水水分分无无法法及及时时到到达达物物料料表表面面（即即内内扩扩散散速速率率远远小小于于表表面面汽汽化化速速率率），汽汽化化表表面面不不断断向向内部转移，物料表面温度不断升高。内部转移，物料表面温度不断升高。第五十六页，本课件共有74页6 62 2 干燥速率和干燥特性曲线干燥速率和干燥特性曲线干燥速率和干燥特性曲线干燥速率和干燥特性曲线按按空空气气状状态态参参数数的的变变化化情情况况，干干燥燥过过程程可可分分为为恒恒定定干干燥操作和变动干燥操作两类。燥操作和变动干燥操作两类。恒恒定定干干燥燥操操作作：干干燥燥过过程程中中空空气气的的状状态态不不变变的的操操作作。一般用大量空气对少量物料进行的间歇干燥即属于此。一般用大量空气对少量物料进行的间歇干燥即属于此。变变动动干干燥燥操操作作：干干燥燥过过程程中中空空气气的的状状态态不不断断变变化化的的操操作作，一般连续式干燥操作均属于此。一般连续式干燥操作均属于此。以下仅讨论恒定干燥操作的情况。以下仅讨论恒定干燥操作的情况。干燥速率U U：单位时间内、单位干燥面积上汽化的水分质量，即：第五十七页，本课件共有74页因为 干燥特性曲线包括水分随干燥时间而变化的曲线X=f(t)，物料表面温度随时间而变化的曲线=g(t)及干燥速率随时间而变化的曲线U=h（t）。第五十八页，本课件共有74页典典型型干干燥燥过过程程都都可可明明显显的的划划分分为为两两个个阶阶段段：恒恒速速干干燥燥和降速干燥阶段。和降速干燥阶段。（1 1）恒速干燥阶段：为表面汽化控制，此阶段的物料温度达到了干燥空气的湿球温度，干燥速率维持不变。（2 2）降降速速干干燥燥阶阶段段：为为内内部部扩扩散散控控制制，干干燥燥速速率率逐逐渐渐下降，物料温度逐渐上升，物料水分曲线趋于平缓。下降，物料温度逐渐上升，物料水分曲线趋于平缓。（3 3）干干燥燥过过程程的的临临界界含含水水量量X XC C：恒恒速速干干燥燥与与降降速速干干燥燥阶阶段段的的转转折折点点所所对对应应的的物物料料含含水水量量，表表明明表表面面汽汽化化控制和内部扩散控制的界限。控制和内部扩散控制的界限。典型干燥特性曲线如下图所示：典型干燥特性曲线如下图所示：第五十九页，本课件共有74页63干燥时间干燥时间631恒速干燥时间恒速干燥时间t1从X1X2所需时间（X1X2XC）。第六十页，本课件共有74页由 可得：UC的获取方法：1）直接查干燥速率曲线；2）由下述公式计算：第六十一页，本课件共有74页式中：t，t tmm分分别别为为空空气气的的干干、湿湿球球温温度度，；LvLv为水在为水在t tm下的汽化潜热，下的汽化潜热，J/kgJ/kg；空气对物料的对流传热系数，空气对物料的对流传热系数，W/W/（m2.）。）。可由下式计算：可由下式计算：气流平行流过料层气流平行流过料层 =14.3(L)0.80.8 (W/m (W/m2 2)式式中中：L L 为为湿湿空空气气质质量量流流速速，kg/(mkg/(m2 2s)，上上式式适适用用于于L L0.70.78.1 kg/(m2 2s)s)。气流垂直穿过料层=24.1(L=24.1(L)0.370.37 (W/m (W/m2 2)上式适用于上式适用于L1.11.15.5 kg/(m5.5 kg/(m2s)s)。固体悬浮于气流中固体悬浮于气流中 第六十二页，本课件共有74页 (W/m2)式中：dP为颗粒直径，m；a为空气热导率，W/(mK)；va为空气的运动粘度，m2/s；u0为颗粒沉降速度，m/s。流化干燥 (W/m2)式中u为流化介质空气的流速，m/s。第六十三页，本课件共有74页632 降速干燥时间降速干燥时间t2从X1X2所需时间（XCX1X2）。降速干燥阶段的干燥速率U与干基含水量X的关系可分为直线关系和曲线关系两大类。当U与X的关系为直线关系时，有：第六十四页，本课件共有74页CD线的斜率为：第六十五页，本课件共有74页 显然，干燥速率与物料的湿含量差成正比。将将U U代入t2的计算式，可得：当当U与与X X的关系为曲线关系时，可用数值积分法求的关系为曲线关系时，可用数值积分法求t t2 2。6 63 33 包含两段的干燥时间包含两段的干燥时间t t从从X X1 1XX2 2所需时间（所需时间（X X1 X XC C X2 2）。）。若降速干燥阶段的若降速干燥阶段的U U与X X呈直线关系，则：第六十六页，本课件共有74页7干燥器干燥器工业上，常用的干燥器有：厢式干燥器，洞道式干燥器，带式干燥器，沸腾床干燥器，气流干燥器，回转式干燥器，滚筒式干燥器；喷雾干燥器；冷冻干燥器等。1）厢式干燥器第六十七页，本课件共有74页2）洞道式干燥器第六十八页，本课件共有74页3）带式干燥器4）沸腾床干燥器第六十九页，本课件共有74页5）气流干燥器第七十页，本课件共有74页6）回转式干燥器第七十一页，本课件共有74页7)滚筒式干燥器第七十二页，本课件共有74页8)喷雾干燥流程第七十三页，本课件共有74页9）冷冻干燥流程第七十四页，本课件共有74页