食品工程原理干燥

干燥第八章主讲：孔欣教学目的和主要内容干燥概述湿空气热力学基础物料衡算和热量衡算平衡关系和速率关系干燥设备目的：掌握干燥概念和原理；熟悉湿空气性质及湿焓图；了解干燥的物料衡算与热量衡算，以及干燥的平衡关系与速率关系；熟悉常见干燥设备类型；熟悉冷冻干燥原理和工作过程。干燥计算简介冷冻干燥第一节概述一、干燥的目的和方法（一）去湿与干燥1、去湿：从物料中除去湿分的操作。2、常用去湿方法（1）机械去湿法物料带水较多时，可先用压榨、离心过滤等机械分离方法除去大量的水。（2）吸附去湿法用某种干燥剂（如氯化钙、硅胶、分子筛等）通过吸附除去物料中的水分。（3）热量去湿法用热空气或其它高温气体为介质，使之掠过物料表面，用热能使物料中的水分汽化除去的方法称为“干燥”。干燥：除去少量水分，得到固态物料蒸发：除去大量水分，得到浓缩液（二）干燥的目的1、延长食品货架期；2、便于贮运；3、加工工艺的需要。（三）干燥方法1、按操作压力不同：常压干燥、真空干燥2、按操作方式不同：间歇式干燥、连续式干燥。3、按传热方式不同：对流干燥、传导干燥和辐射干燥（红外线、微波）。食品生产中应用最多的是对流干燥。对流干燥（热风干燥）ttippi水汽气膜热气体主体固体湿物料热量两相接触方式：气、固两相间同时进行反方向的热量与质量传递。实质：属于传热和传质相结合的过程。对流干燥典型流程对物料：受热去湿；对干燥介质：冷却增湿干燥方式传导干燥（接触干燥）：依靠加热后高温壁面以导热形式传热去湿。应用：真空冷冻干燥辐射干燥：通过电磁波传热，如红外线干燥和微波干燥。应用：红外线烤箱烤面包、微波干燥方便面。第二节：湿空气热力学基础一、湿空气的状态参数1、湿度表示湿空气中水蒸气的多少。（1）绝对湿度ρV=mV/V（2）相对湿度：湿空气中水汽分压pv与同温度下水的饱和蒸汽压pS之比。vs100%pp01，绝干空气；＝＝，饱和空气vvdVdVdVpppnnMMmmH622.0湿空气的状态参数（3）湿含量：单位质量干空气所带有的水蒸汽质量。相对湿度：说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用于判定该湿空气能否作为干燥介质，相对湿度越小，吸湿能力越大。绝对湿度：是湿空气含水量的绝对值，但不能用于分辨湿空气的吸湿能力。相对湿度和绝对湿度的关系相对湿度和绝对湿度的关系2、比体积（vH）湿空气的体积与其中干空气质量之比。数值上是1kg绝干空气分体积与其所携带的Hkg水蒸气的分体积之和。湿空气的状态参数5H512731.0131022.429182732731.01310(0.7721.244)273HtvptHpPTHVH)461287(湿空气的状态参数3、湿比热容CH常压下，湿空气中1kg绝干空气及其所带的Hkg水蒸气的温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。H1.011.88cHHcccvdH湿空气的状态参数4、比焓h湿空气中，1kg绝干空气的比焓与其所带的Hkg水蒸气的比焓之和。HTchTchvvd)(HTHh2500)88.101.1(湿空气的状态参数5、湿空气的温度（4个）（1）干球温度T简称温度，用普通温度计直接测得的湿空气真实温度。湿空气的状态参数（2）湿球温度Tw:用湿球温度计测得的湿空气温度。不饱和空气与湿纱布水分汽化:向气相主体转移(湿纱布水分蒸发－－汽化热)湿度差温度差热量由气相主体传递给纱布中的水分(气相温度下降)平衡wtt湿球温度测量湿空气的状态参数说明湿球温度并不代表空气的真实温度，但它是干球温度和湿含量的函数。对于某一湿空气，其相对湿度越低，湿球温度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。实际干燥操作中，常用干、湿温度计测量空气的湿度。湿空气的状态参数（3）露点Td不饱和空气饱和空气等压等湿冷却,;;100%ddstttHHstp湿空气的状态参数（4）绝热饱和温度Ts：绝热冷却达到的极限温度绝热饱和冷却塔不饱和空气与水绝热接触水分汽化:向气相主体传递(汽化热为空气本身温度降低放出显热，此热量被水汽携带至空气中)湿度差随过程进行，沿塔高空气温度下降，湿度上升，焓维持不变饱和astt湿空气的状态参数1gv0()IcHctHr2gasvasas0()IcHctHr12IIgvgasvHcHccHcc0asasHrttHHc()(/ttrttHHk）wastt露点与绝热饱和温度的关系露点饱和：在湿含量不变的条件下单靠降温达到。绝热饱和：在与环境无热交换的条件下，既靠湿空气降温，又靠由降温提供的热使液态水汽化进入湿空气中增加湿含量而饱和。通常：Ts＞Td二、湿空气的湿度图湿空气的湿度图：在一定总压下，湿空气的各参数中，只有两个是独立的；只要确定湿空气的两个独立参数，也就确定湿空气的状态。1、焓湿图湿空气h-H图P247焓湿图h-H图由5种线群组成:①等湿线(等H线)：0～0.2kg/kg(绝干气)；②等焓线(等h线)：0～680kJ/kg(绝干气)；③等温线(等t线)：0～250℃；④等相对湿度线(等线)：5％～100％；⑤水蒸气分压线(pv线)：0～26kPa。2、h-H图的应用h-H图的应用其它确定空气状态参数的范例三、湿物料中的水分（一）含水量1、湿基含水量2、干基含水量3、两种含水量的换算关系100w水分质量％湿物料总质量X水分质量绝干料质量XXw1湿物料中的水分（二）水分活度指食品中水分存在的状态，即水分与食品结合程度（游离程度）。aw越高，结合程度越低；水分活度值越低，结合程度越高。物化角度：aw＝p/p0生化角度：aw表明水分被微生物利用程度和促进酶反应的能力。湿物料中的水分（三）吸湿、解湿与等湿1、解湿当aw＞，水分从物料向空气转移。2、吸湿当aw＜，水分从空气向物料转移。3、等湿当aw＝，达到吸湿－解湿平衡，等湿，物料中水分不再变化。湿物料中的水分（四）物料中的水分的分类1、按与物料结合方式：化学结合水、物理化学结合水、机械结合水2、按去除的难易程度结合水分：物化结合水分及机械结合的毛细管内的水分；结合力强，难除去。非结合水分：物料中的吸附水分和空隙中的水分；机械结合，结合力较弱，易除去。（四）物料中的水分的分类3、按能否干燥去除分类自由水分：物料中能被干燥除去的那部分水分。平衡水分：在固定空气状态下物料具有的恒定含水量；湿物料在一定空气状态下干燥的极限。物料中所含水分性质第三节：干燥计算简介一、干燥过程的物料衡算简介①水分蒸发量W1212221111②干燥空气用量L12HHWL二、干燥过程的热量衡算简介连续干燥热量衡算0p1LIQLIP10()QLII③耗热量④单位热耗D2121L()()QLIIGIIQ⑤干燥系统消耗总热量PD2021L()()QQQLIIGIIQ二、干燥过程的热量衡算简介1、热耗量衡算原则：输入热量=输出热量2、单位热耗蒸发1kg水相应的加热器加热量。3、热效率100%蒸发水分所需的热量向干燥系统输入的总热量%100)88.12490(2QtW三、干燥动力学简介（一）干燥机理1、传热：两步，外部依靠对流传热，内部为热传导2、传质：两步，外部对流传质，内部依靠液态扩散、气态扩散、毛细管流动、热流动。三、干燥动力学简介（二）干燥实验和干燥曲线干燥曲线干燥曲线：物料含水量Ｘ（或物料表面温度）与干燥时间τ之间的关系。a.AB段：预热阶段；b.BC段：恒速干燥阶段；c.CD后：减速干燥阶段。三、干燥动力学简介水分内部迁移速率远大于表面汽化速率，属于表面汽化控制阶段，其特征为：a.表面维持润湿状态，汽化的水分为非结合水分；b.空气传给湿物料的显热等于水分的汽化热。恒速干燥降速干燥水分内部迁移速率小于表面汽化速率，属于内部迁移控制阶段，其特征为：a.表面逐渐变干，汽化的水分为结合水分；b.()Uf物料本身结构、形状和尺寸第四节：干燥设备基本要求①保证干燥产品的质量要求；②干燥速率快、热效率高；③操作控制方便、劳动条件好，成本低。干燥器类型类型干燥器对流干燥器厢式干燥器气流干燥器沸腾干燥器转筒干燥器喷雾干燥器传导干燥器滚筒干燥器真空盘架式干燥器辐射干燥器红外线干燥器介电加热干燥器微波干燥器1、厢式干燥器进风排气物料盘加热器风扇小车结构与原理：小型的称为烘箱，大型的称为烘房，在常压或真空下间歇操作。厢内设有支架，湿物料放在矩形浅盘内，空气经加热器预热并均匀分配后，平行掠过物料表面，离开物料表面的废气，部分排出，部分循环，与新鲜空气混合后用作干燥介质。厢式干燥器厢式干燥器优点：结构简单、制造容易、适应性强。缺点：干燥不均匀，干燥时间长，劳动强度大，操作条件差。适用性：适用于干燥粒状、片状和膏状物料，批量小、干燥程度要求高、不允许粉碎的脆性物料。厢式干燥器2、隧道式干燥器风扇加热器装料车进气排气口湿物料干品结构与原理：在狭长通道内设轨道，物料放置在一串小车上，小车可以连续地或间歇地在进、出通道。空气连续地在洞道内被加热并强制地流过物料表面，流程可安排成并流或逆流等。隧道式干燥器隧道式干燥器特点：简单、使用灵活，干燥器容积大，但小车在隧道内停留时间长，不适合热敏性物料。适用性：适用于干燥块状食品，如果脯、蘑菇等。3、带式干燥器结构与原理：干燥室中，有一根或几根运输带（食品行业常用金属带），运送被干燥物料。热空气与物料成逆流或错流方向流动，将湿分汽化后带出器外。对多层带，湿物料由最上层加入，从最下部卸出。热空气预热后从底部引入，又排气管排出。带式干燥器特点：可连续化操作，但干燥时间较长，耗能高。适用性：适合块状物体物料的干燥，如果蔬干制。4、气流干燥器结构与原理：由加热系统、干燥室、加料系统、分离回收系统组成，可利用高速的热气流使粉、粒状的物料悬浮于其中，在气力输送过程中进行干燥。气流干燥器气流干燥器优点：设备紧凑，结构简单；可以完全自动控制；对流传热系数和传热温度差大，干燥器体积小，干燥速率快，物料停留时间短，可在高温下干燥；热利用率高。缺点：气流在系统中压降较大；干燥管长；在干燥过程中存在摩擦，易将产品磨碎；分离器的负荷大。适用性：适合干燥颗粒或小块状不易黏结、不怕磨损的物料，如原粮、味精等。5、流化床干燥器（沸腾床干燥器）结构与原理：进入振动流化床内的湿物料与热空气在布风板上方接触，物料颗粒悬浮于气流之中。物料颗粒与热空气传热和传质，达到干燥。合格的产品由流化床的出料口排出。流化床干燥器流化床干燥器流化床干燥器优点：颗粒在干燥器内的停留时间可任意调节；气流速度小，物料与设备的磨损较轻，压降小；传热面大，物料的最终含水量低；结构简单、紧凑。缺点：因颗粒在床层中高度混合，则可引起物料的短路和返混，物料在干燥器内的停留时间不均匀；操作控制复杂。适用性：适合干燥颗粒状物料，如砂糖、鸡精、粮谷、固体饮料等。6、转筒干燥器结构与原理转筒：呈倾斜状，在旋转时，借助重力的作用使物料向低端输送。抄板：将物料抄起后再洒下，增大干燥面积，提高干燥速率；同时促进物料向前运动。转筒干燥器优点：处理量大，适应性强，生产能力大，操作控制方便，干燥时间可通过调节转筒的转速来控制，产品质量均匀。缺点：设备笨重，热利用率低，结构复杂，占地面积大。适用性：干燥块状、大颗粒状物料，如板栗等。7、喷雾干燥器结构和原理：用雾化器将稀料液喷成细雾滴分散于热气流中，使水分迅速蒸发而达到干燥的目的。喷雾干燥流程喷雾干燥器优点：干燥时间短，干燥温度低，适于热敏性物料；可简化工艺流程；操作稳定，能连续、自动化生产；能满足不同生产工艺的需要，应用广泛。缺点：设备体积庞大；操作弹性较小，热利用率低、能耗大。应