食品干燥原理

食品干燥原理第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四用加熱的方法除去濕物料中的濕分以獲得固體產(chǎn)品的單元操作稱為干燥。干燥方法按加熱方式可分為四大類(1)導(dǎo)熱干燥熱量通過與食品物料接觸的加熱面直接導(dǎo)入，使材料中的濕分汽化排除，達(dá)到干燥的目的。(2)對流干燥熱量以對流的方式傳遞給濕物料，使食品材料中的濕分汽化，以達(dá)到干燥的目的。干燥介質(zhì)（空氣）既是載熱體又是載濕體。第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四(3)輻射干燥熱量通過電磁波的形式由輻射加熱器傳遞給食品材料表面，再通過材料自身的熱量傳遞，使內(nèi)部的濕分汽化，達(dá)到干燥的目的。(4)介電加熱干燥在高頻電場中，食品材料中的濕分分子處于高速旋轉(zhuǎn)與振動，由此產(chǎn)生的熱量使?jié)穹制_(dá)到干燥的目的。第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四干燥操作既包含傳熱過程又包含傳質(zhì)過程，兩者的傳遞方向可能相同，也可能不同，但遵循的規(guī)律是：熱量傳遞方向：熱量總是由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。物質(zhì)傳遞方向：物質(zhì)總是由高濃度（或高分壓）區(qū)向低濃度（或低分壓）區(qū)傳遞。干燥進(jìn)行的必要條件：物料表面的濕汽的壓強(qiáng)必須大于干燥介質(zhì)中濕分的分壓。此差值越大，推動力越大。注：本章所論及的濕分為水分，干燥介質(zhì)為熱空氣。第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)1.1濕含量（濕度）H濕含量是濕空氣中水蒸汽的質(zhì)量與絕干空氣的質(zhì)量之比。

或（kg/kg絕干氣）式中：pv、P-分別為水蒸汽分壓和濕空氣總壓，Pa或kPa。濕含量也可理解為單位質(zhì)量（1kg）絕干空氣中所容納的水蒸汽質(zhì)量。第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.2相對濕度濕空氣中水蒸汽分壓與同溫度下水的飽和蒸汽壓之比。式中：pv、ps-分別為水蒸汽分壓和同溫度下水的飽和蒸汽壓，Pa或kPa。相對濕度用來衡量濕空氣的不飽和程度，反映濕空氣的吸收水汽的能力，φ值越小，吸收水汽的能力越強(qiáng)。對于飽和濕空氣，φ=1（或100%）；對于絕干空氣，φ=0。第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四注意：當(dāng)濕空氣達(dá)到飽和時，表示其中所含的水蒸汽量已經(jīng)達(dá)到最大值，超過此值的水分量必將以液態(tài)水的形式析出。因此，φ≤1?！?/p>

第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.3濕空氣的比熱容CH和濕比容υH將濕空氣中1kg絕干空氣及其所帶的Hkg水蒸汽的溫度升高1℃所需吸收的熱量。將絕干空氣及水蒸汽的平均比熱容代入可得：（kJ/kg絕干氣·℃）第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四濕空氣的濕比容υH是指含有1kg絕干空氣的濕空氣所占有的體積（m3/kg絕干空氣）?；?/p>

式中：t-濕空氣的溫度，℃；P0、P-分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和濕空氣的壓強(qiáng)，Pa或kPa。對常壓濕空氣，P0/P=1。第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.4濕空氣的熱含量(焓)I濕空氣的熱含量（或焓）I是指含單位質(zhì)量絕干空氣的濕空氣的焓。具體應(yīng)用時，以0℃的絕干空氣和0℃的液態(tài)水的焓值為零作為計算起點。或(kJ/kg絕干氣)式中:t為濕空氣的溫度,℃。第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.5干球溫度t和濕球溫度tm干球溫度t：用一般溫度計所測得的空氣溫度；濕球溫度tm：用濕球溫度計所測得的空氣溫度。濕球溫度計：將溫度計的感溫部分包以濕紗布使其始終處于潤濕狀態(tài)所構(gòu)成的溫度計。濕球溫度形成的原理：因物質(zhì)交換(濕度不同)導(dǎo)致熱量交換,最終達(dá)到熱、質(zhì)的傳遞平衡。第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四傳熱達(dá)平衡時,有：或式中：Hs-液滴表面空氣層的飽和濕含量第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四kH-氣化系數(shù)，kg/（m2·s）；LV-水在tm下的汽化潛熱，kJ/kg；α-對流傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；A-傳熱（質(zhì)）面積，m2。對空氣—水系統(tǒng):α/kH=CH≈1.09kJ/kg.℃第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1.6露點td濕空氣的露點td是不飽和空氣在其總壓和濕度保持不變的情況下，被冷卻降溫達(dá)到飽和狀態(tài)時的溫度。若濕空氣的溫度降低到露點以下，則所含超過飽和部分的水蒸氣將以液態(tài)水的形式凝結(jié)出來。由于濕度不變，因此有：第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四

或

此式即為露點計算式。由上式求得psd后，查飽和水蒸汽表可得td；或由下式計算td：式中，psd的單位為Pa，td的單位為℃。濕空氣的幾個溫度之間的關(guān)系：對于不飽和濕空氣，有t>tm>td；對于飽和濕空氣，有t=tm=td。第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四2.濕空氣的濕焓圖及使用方法

2．1濕空氣的濕焓圖（H－I圖）第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四見書P791，F(xiàn)ig12-5，本圖是在總壓強(qiáng)等于101.33kPa下繪制的。第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四特別提示：濕焓圖上的任一參數(shù)值均是以1kg絕干空氣為基準(zhǔn)的。濕空氣的H-I圖由以下諸線群組成：1）等濕度線（等H線）群等濕度線是平行于縱軸的直線群，數(shù)值從0到0.15kg/kg絕干氣。2）等焓線（等I線）群等焓線是平行于斜軸的直線群（與縱軸的夾角45o），數(shù)值從0到480kJ/kg絕干氣。第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四3）等干球溫度線（等t線）群等干球溫度線是一系列向上傾斜但互不平行的直線群，數(shù)值從-10℃到185℃。4）等相對濕度線（等φ線）群等相對濕度線是一系列向上傾斜彎曲的曲線群，從φ=5%到φ=100%共11條。5）水蒸汽分壓線圖中右下角的一系列水平直線群，數(shù)值從0到18kPa。第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四2.2濕焓圖的應(yīng)用1）由H-I圖上任一狀態(tài)點確定濕空氣的狀態(tài)參數(shù)值，方法見下圖：由圖可清楚的看出：對于不飽和濕空氣，有t>tm>td；對于飽和濕空氣（狀態(tài)點A落在φ=100%線上），有t=tm=td。特別提示：濕焓圖上φ=100%線上任一點均表示濕空氣處于飽和狀態(tài)第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四2）由濕空氣的任意兩個獨立參數(shù)在H-I圖上確定狀態(tài)點A。a）已知t，tmb）已知t，tdc）已知t，φ第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四3.濕空氣的基本狀態(tài)變化過程3．1間壁式加熱和冷卻以及冷（卻）凝減濕過程1）間壁式加熱和冷卻特點：等濕過程，過程線為直線，加熱↑，冷卻↓。第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四2）間壁式冷（卻）凝減濕過程第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)濕空氣被冷卻至露點時，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，濕空氣中的水蒸汽就開始在冷卻面上凝結(jié)出來，隨著冷卻過程的進(jìn)行，水分也不斷析出，而溫度則不斷降低，但空氣始終維持在飽和狀態(tài)，這時，過程線主要沿φ=100%線變化。特別提示：當(dāng)空氣濕度不變時，既可用濕比熱法又可用焓差法計算狀態(tài)變化的熱量，但空氣濕度變化時，只能用焓差法計算狀態(tài)變化的熱量。第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四3．2不同狀態(tài)濕空氣的混合過程設(shè)有兩股空氣，對應(yīng)的絕干空氣量為L1和L2，對應(yīng)的狀態(tài)為（H1，I1）和（H2，I2），混合后的濕度和焓值可由物料及熱量衡算求得。混合前后水分量不變：L1H1+L2H2=（L1+L2）Hm混合前后焓值不變：L1I1+L2I2=（L1+L2）Im

由上兩式可得：第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四可見，混合點m（在H-I圖上）位于1，2兩狀態(tài)點的聯(lián)線上，且m點劃分線段1-2，使（杠桿定律）。第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四同時可由上兩式解得：，第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四［例12-1］空氣的溫度為30℃，露點溫度為12℃，問：(1)當(dāng)冷卻到16℃時，相對濕度為多少？(2)有600m3的空氣，當(dāng)溫度從30℃冷卻到2℃時，能失去多少千克水？解：

第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四（1）等濕冷卻過程。首先確定新鮮空氣的狀態(tài)點（H1=0.0088，φ1=33%），然后作等濕線與t=16℃的等溫線相交，可讀得過此交點的φ值為80%。（2）冷凝減濕過程。先由等溫線t=2℃與ф=100%線的交點可讀得H2=0.0043kg/kg絕干氣。然后計算新鮮空氣的濕比容以求絕干空氣量L。第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四除去的水分量：第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四4.濕物料的基本性質(zhì)第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四4.1濕物料的形態(tài)和物理性質(zhì)

濕物料可按其外觀形態(tài)的不同而分為下列幾種：①～⑧（P793）濕物料又可按其物理化學(xué)性質(zhì)的不同粗略分為兩大類：①～②（P794）第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四4.2濕物料中水分存在形式和表示法

(1)物料中水分存在形式①機(jī)械結(jié)合水：這部分水處于食品表面和粗毛管中，與干物質(zhì)結(jié)合較松弛，以液態(tài)存在，易于除去。②物理化學(xué)結(jié)合水：這部分水是指吸附水、滲透水和結(jié)構(gòu)水，其中吸附水與物料結(jié)合比較牢固，難于除去。③化學(xué)結(jié)合水：這部分水是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)按一定比例滲于干物質(zhì)分子內(nèi)部，與干物質(zhì)結(jié)合比較牢固，若去掉這部分水必然要引起物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化，這種水不是干燥要排除的。第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四(2)物料中水分含量表示法

表達(dá)方法有濕基含水量和干基含水量兩種。濕基含水量ω：濕物料中含有的水分質(zhì)量與濕物料的總質(zhì)量之比。②干基含水量X：濕物料中含有的水分質(zhì)量與絕干物料的質(zhì)量之比。第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四兩者之間的換算關(guān)系為

，第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四4．3平衡水分平衡水分：濕物料與一定狀態(tài)（溫度和濕度一定）的空氣接觸達(dá)平衡時，殘余在濕物料中不能排除的水分。平衡水分與空氣相對濕度的關(guān)系曲線稱為吸附等溫線。若干種食品的吸附等溫線參見圖12-9，10和表12-1。平衡水分與物料的性質(zhì)和空氣的狀態(tài)有關(guān)。濕物料中各種水分的意義：第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四由圖可得：當(dāng)物料性質(zhì)一定時，它的平衡水分與空氣的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)溫度不變時，平衡水分與空氣的相對濕度的關(guān)系是：空氣的相對濕度越大，平衡水分也越大。一般當(dāng)φ不變時，溫度升高，平衡水分略有降低，但溫度變化范圍不大時，可認(rèn)為平衡水分僅與φ有關(guān)?？沙ニ郑涸诟稍锊僮髦兴艹サ乃?，即物料中所含大于平衡水分的那部分水分。第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四特別提示：改變空氣的狀態(tài)，就可以改變物料的平衡水分。第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四5．濕物料常壓熱風(fēng)干燥過程第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四通常干燥系統(tǒng)由兩個主要部分組成：空氣預(yù)熱器和干燥器（室），如圖所示。

第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四5．1熱風(fēng)干燥過程計算下列符號的意義：G1——濕物料的處理量，kg/h；G2——干燥產(chǎn)品量，kg/h；GC——濕物料中絕干物料量，kg/h；L——以絕干空氣計的空氣消耗量，kg/h。QP——空氣預(yù)熱器耗熱量，kJ/h。(1)產(chǎn)品量和汽化水分量干燥過程中，絕干物料的量不變，即第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四干燥產(chǎn)品量：汽化水分量：以干基含水量表示時，有：2)空氣消耗量L對干燥系統(tǒng)作水分的衡算，有：定義：為單位空氣消耗量（即每汽化1kg水分所消耗的絕干空氣量）。第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四耗熱量QP對預(yù)熱器作熱量衡算，有：對干燥器作熱量衡算，有：式中：QD—干燥器內(nèi)補(bǔ)充的熱量，kJ/h；ΣQL—因物料、運輸機(jī)械的出入所帶走的熱量與干燥器的散熱損失之和，kJ/h；第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四特別提示：若物料、運輸機(jī)械的出入是帶走熱量，則其值為正“+”；若物料、運輸機(jī)械的出入是帶入熱量，則其值為負(fù)“-”。ε—每汽化1kg 水分干燥器凈收入的熱量，kJ/kg汽化水。若ε=0，即I1=I2，稱為等（恒）焓干燥過程（也稱絕熱干燥過程），所用干燥器稱為理論（想）干燥器。過程線沿等焓線變化。若ε≠0，即I1≠I2，稱為非等（恒）焓干燥過程（也稱非絕熱干燥過程），所用干燥器稱為實際干燥器。ΣQL的計算：ΣQL=GC（I2，-I1，）+QTR+QL下列干燥器QTR=0：回轉(zhuǎn)筒干燥器，氣流干燥器，噴霧干燥器，沸騰床（流化床）干燥器。濕物料的焓值按下式計算：I，=Cmθ=(CS+4.187X)θ式中：CS—絕干物料的比熱容，kJ/kg.℃由濕物料焓的計算式可推得：式中：干燥產(chǎn)品的比熱容，kJ/kg.℃。第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四空氣離開干燥器時狀態(tài)參數(shù)的確定用途：用于非等（恒）焓干燥過程。非等焓干燥時，要確定空氣離開干燥器時的狀態(tài)參數(shù)就較為困難。通常，空氣出口的已知參數(shù)為t2或φ2（或其它參數(shù)）。當(dāng)出口溫度t2已知時，可用解析法求解其它狀態(tài)參數(shù)，其方法是聯(lián)立以下兩個方程：可求得H2，I2。當(dāng)給出φ2（或其它參數(shù)）時，可在H-I圖上圖解求其它狀態(tài)參數(shù)。設(shè)為過程線，P為1-2線上任一點，因1-2為直線，必有：第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四即1-P和1-2線重合。過程線1-2的畫法如下：用求ε，若ε已知，則直

接到2）；2.由，任給一個H值，可求一個I值，由此H，I值定出P點，聯(lián)1，P并延長與φ2（設(shè)φ2已知）線相交于2點，則點2即為所求出口空氣的狀態(tài)點。

第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四5．2干燥器的熱效率熱效率是指用于蒸發(fā)水分所需的熱量與輸入干燥系統(tǒng)的總熱量之比，即第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四提高熱效率的途徑：降低空氣的出口溫度（但此法有一定限度，一般空氣的出口溫度t2應(yīng)比進(jìn)入干燥器時的濕球溫度高20～50℃）。2）采用廢氣（出干燥器的空氣稱為廢氣）循環(huán)操作。［例12-2］在一等焓干燥器內(nèi)將含水率為24％的物料干燥至15.5％（濕基）。原料處理量為4200kg/h，如果干燥空氣從溫度為5℃，相對濕度為60％的環(huán)境狀態(tài)下加熱至43℃，試確定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（m3/h）和預(yù)熱器加熱量，假定從該物料中排出的廢氣相對濕度為98％。第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四解：該過程空氣的狀態(tài)變化如圖所示（0→1→2）。第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四1）汽化的水分量W由圖讀得：H0=0.0032kg/kg絕干氣，I0=13.0kJ/kg絕干氣；H1=0.0032kg/kg絕干氣，I1=51.0kJ/kg絕干氣；H2=0.0131kg/kg絕干氣。2）新鮮空氣體積流量V

第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四3）預(yù)熱器加熱量QP第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四［例12-3］某糖廠的回轉(zhuǎn)干燥器的生產(chǎn)能力為4030kg/h（以干燥產(chǎn)品計），濕糖水分1.27％，于31℃下進(jìn)入干燥器。離開干燥器時水分為0.18%（均為濕基），溫度為36℃，環(huán)境空氣溫度為20℃，濕球溫度17℃，空氣經(jīng)預(yù)熱至97℃后進(jìn)入干燥器。自干燥器排出的廢氣溫度40℃，其濕球溫度為32℃，已知產(chǎn)品的比熱容為1.26kJ/(kg·K)，試求：①干燥器的散熱損失；②干燥器的熱效率。解：1)汽化的水分量W第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四2）空氣消耗量L查H-I圖（P791），得：H0=H1=0.011kg/kg絕干氣，H2=0.028kg/kg絕干氣，I0=49.4kJ/kg絕干氣,I1=125kJ/kg絕干氣，I2=113kJ/kg絕干氣。3）干燥器散熱損失QL

由第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四QD=0，則：又ΣQL=GC（I2，-I1，）+QTR+QL對回轉(zhuǎn)筒干燥器，QTR=0，則：(其中，GC=4030×（1-0.0018）=4023kg/h)第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四4)干燥器熱效率6對流干燥理論6．1物料干燥機(jī)理一般干燥過程是水分由物料內(nèi)部擴(kuò)散至表面后，在表面汽化，并向氣相中傳遞。表面汽化控制：濕物料內(nèi)部的水分能夠迅速到達(dá)物料表面（即內(nèi)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于表面汽化速率），使物料表面保持充分的潤濕狀態(tài)，物料表面溫度約等于空氣的濕球溫度。內(nèi)部擴(kuò)散控制：濕物料內(nèi)部的水分無法及時到達(dá)物料表面（即內(nèi)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于表面汽化速率），汽化表面不斷向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，物料表面溫度不斷升高。

第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四6．2干燥速率和干燥特性曲線按空氣狀態(tài)參數(shù)的變化情況，干燥過程可分為恒定干燥操作和變動干燥操作兩類。恒定干燥操作：干燥過程中空氣的狀態(tài)不變的操作。一般用大量空氣對少量物料進(jìn)行的間歇干燥即屬于此。變動干燥操作：干燥過程中空氣的狀態(tài)不斷變化的操作，一般連續(xù)式干燥操作均屬于此。以下僅討論恒定干燥操作的情況。干燥速率U：單位時間內(nèi)、單位干燥面積上汽化的水分質(zhì)量，即：第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四因為∴

干燥特性曲線包括水分隨干燥時間而變化的曲線X=f(t)，物料表面溫度隨時間而變化的曲線θ=g(t)及干燥速率隨時間而變化的曲線U=h（t）。第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四典型干燥過程都可明顯的劃分為兩個階段：恒速干燥和降速干燥階段。（1）恒速干燥階段：為表面汽化控制，此階段的物料溫度達(dá)到了干燥空氣的濕球溫度，干燥速率維持不變。（2）降速干燥階段：為內(nèi)部擴(kuò)散控制，干燥速率逐漸下降，物料溫度逐漸上升，物料水分曲線趨于平緩。（3）干燥過程的臨界含水量XC：恒速干燥與降速干燥階段的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的物料含水量，表明表面汽化控制和內(nèi)部擴(kuò)散控制的界限。典型干燥特性曲線如下圖所示：

第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四6．3干燥時間6．3．1恒速干燥時間t1從X1→X2所需時間（X1>X2≥XC）。第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四由可得：UC的獲取方法：1）直接查干燥速率曲線；2）由下述公式計算：

第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四式中：t，tm—分別為空氣的干、濕球溫度，℃；Lv—為水在tm下的汽化潛熱，J/kg；α—空氣對物料的對流傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）。

α可由下式計算：氣流平行流過料層α=14.3(L’)0.8(W/m2·℃)式中：L‘為濕空氣質(zhì)量流速，kg/(m2·s)，上式適用于L‘＝0.7～8.1kg/(m2·s)。②氣流垂直穿過料層α=24.1(L’)0.37(W/m2·℃)上式適用于L＝1.1～5.5kg/(m2·s)。③固體懸浮于氣流中

第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期四