第八章干燥干燥相关概念及术语

2012-12-4第第第八章八章八章干燥干燥干燥第一节干燥的基本原理第二节干燥设备第三节喷雾干燥第四节冷冻干燥2012-12-4第一节第一节第一节干燥相关概念及干燥相关概念及干燥相关概念及术语术语术语一、干燥的目的二、干燥的方法三、湿物料中的水分四、湿空气中的水分2012-12-4一、食品物料干燥的目的¾降低食品中的水分活度，延长食品的保质期。¾降低食品的重量，降低包装、运输和贮藏费用。¾某些食品加工工艺的必须操作步骤，使食品保持特有的色香味和形状。2012-12-4•按操作压力分类•按操作方式分类•按传热方式分类常压干燥；真空干燥间歇干燥；连续干燥对流干燥；传导干燥；辐射干燥二、食品物料干燥的方法2012-12-4三、湿空气中的性质1湿空气的湿度1.1绝对湿度湿空气中所含水蒸气的质量mv与湿空气的体积V之比，称为绝对湿度ρv,即()3vkg/mvvmVρ=2012-12-41.2相对湿度湿空气中的水蒸气分压pv与同温度下水蒸气饱和压力ps之比，称为空气的相对湿度，即vsppϕ=ϕ对于绝对干燥空气，相对湿度等于0；对于饱和空气，相对湿度等于1。2012-12-41.3湿含量湿空气中水蒸气的质量与干空气的质量比，因而它又称湿度比。用H表示，即()vdkg/kgvdmHm=0.622vvpHpp=−2012-12-41.4湿含量湿空气中水蒸气的质量与干空气的质量比，因而它又称湿度比。用H表示，即()vdkg/kgvdmHm=0.622vvpHpp=−2012-12-42.1湿比热容2湿空气的湿比热容和比焓含1kg干空气的湿空气的热容量，称为湿空气的湿比热容，以cH表示。即()d1.011.88kJkgKHdvHcccH=+=+⎡⎤⎣⎦iH表示1kg干空气中含有的水蒸气的质量(kg)2012-12-42.2比焓湿空气的比焓h是指含有1kg干空气的湿空气中的焓。它等于干空气的比焓与其所带的H千克水蒸气的焓之和，即()()[]d1.011.88kJk2490gdVvhcThcTHTTH=+Δ+=++H表示1kg干空气中含有的水蒸气的质量(kg)2012-12-43.1干球温度3湿空气的温度用一般温度计测得的湿空气的温度称为湿空气的干球温度，它是湿空气的真实温度。用T表示。用感温部位包着湿纱布的温度计测得湿空气的温度，称为湿空气的湿球温度。用Tw表示。3.2湿球温度2012-12-44湿空气的焓湿图2012-12-4例：已知湿空气的温度为60℃，相对湿度为20%,求它的湿含量、湿球温度和比焓。2012-12-42012-12-4四、湿物料的性质1含水量1.1湿基含水量=wwswmmmmmω=+m-湿物料的总质量，kgmw-湿物料中所含水分的质量，kgms-湿物料中所含绝对干燥物料的质量，kg2012-12-41.2干基含水量=wwswmmxmmm=−m-湿物料的总质量，kgmw-湿物料中所含水分的质量，kgms-湿物料中所含绝对干燥物料的质量，kg=11xxxωωω=−[phone]水分活度0wpap=p-物料表面的水蒸气压p0-同温度下纯水的饱和蒸汽压aw标志在干燥时食品中水分挥发性的大小；它直接揭示了食品中的水参与微生物生长繁殖和各种酶反应等的活动性程度。2012-12-43吸湿和解湿¾当waϕwaϕ时水分从物料向湿空气中传递，该过程称为物料的解湿。解湿使物料含水量不断减少，这即是干燥过程。¾当waϕ=时水分从湿空气向物料传递，该过程称为物料的吸湿。解湿使物料含水量不断增加。¾当时物料既不吸湿也不解湿，该状态称为吸湿-解湿平衡。物料的含水量不再发生变化。2012-12-4按与物料结合的方式分类机械结合水：包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。物理化学结合水：包括吸附水分、渗透水分和结构水分。化学结合水：包括与物料的离子结合的水和与物料结晶性分子结合的水。4物料中水分的分类2012-12-4按水分去除的难易程度分类非结合水：包括物料表面的润湿水分及空隙水分。该种水分易于去除结合水分：包括物理化学结合水和机械结合水的毛细管水分。该水分难以去除4物料中水分的分类2012-12-4按能否被干燥除去分类平衡水分：不能被干燥除去的水分称为平衡水分。该水分代表干燥的极限。自由水分：能被干燥除去的水分称为自由水分。4物料中水分的分类2012-12-4物料中各种水分的含义2012-12-4第二节第二节第二节干燥静力学与动干燥静力学与动干燥静力学与动力学力学力学一、干燥静力学二、干燥动力学2012-12-4一、干燥静力学2012-12-41干燥过程的物料衡算1.1水分蒸发量和产品量令原湿物料的质量为m1kg，水分蒸发量为Wkg，干燥产品质量为m2kg，原湿物料和干燥产品的湿基含水量分别为ω1和ω2，则121211mmωω−=−1212122111Wmmωωωωωω−−==−−2012-12-41.2干（湿）空气用量令通过干燥器的绝干空气质量为Lkg，对应的湿空气的质量为L´kg。对进出干燥器的水分做衡算，可得()2121WWLHHLHH=−⇒=−()0'1LLH=[phone]干燥过程的热量衡算2.1耗热量以0℃作为温度基准。输入系统的热量有:(1)加热器加入的热量Q；(2)空气带入的热量Lh0；(3)湿物料带入的热量(m2cs+Wcw)θ1。输出系统的热量有:(1)干燥器的热散失QL，(2)空气带出的热量Lh2，(3)产品带出的热量m2csθ2。()021221swLsQLhmcWcQLhmcθθ+++=++()()202211sLwQLhhmcQWcθθθ=−+−+−2012-12-42.2单位热耗()()221201sLwmcQQLqhhcθθθ−==−++−()10=VQWvhWvhQQLhhηΔΔ==−η2.3热效率干燥器的热效率是指干燥过程蒸发水分所需的热量与向加热器加入总热量之比，用表示。为水的汽化热，单位J/kg。由附录4通过热空气的湿球温度查取相应的汽化热数值。vhΔvhΔ2012-12-4()212490+1.884.1=87VWtQWQQηθ−==2t1θ在考试所涉及的计算中，经常采用方框内的公式对干燥的热效率进行计算。其中：-干燥器出口处湿空气的干球温度-湿物料的进料温度-水分蒸发量W()[]212124901.884.187kJkgVVvwQWhWctWcWtθθ=Δ+−=+−2012-12-4例：在常压干燥器中，用新鲜空气干燥某种湿物料。该新鲜空气的的温度为20℃，比焓为35kJ/kgd，湿含量为0.006kgw/kgd。将该新鲜空气在加热室内升温至90℃，比焓为110kJ/kgd。将该热空气送入干燥器。离开干燥器的湿空气的温度为50℃，比焓为120kJ/kgd,湿含量为0.027kgw/kgd.干燥器热损失为10MJ/h。每小时处理280kg湿物料。湿物料干基含水量为0.15，进料温度为15℃；干物料干基含水量为0.01，出料温度为40℃。产品物料和水的比热容分别为1.16和4.174kJ/(kg.K)，试求(1)干燥产品的质量流量；(2)水分蒸发量；(3)新鲜空气消耗量；(4)干燥过程的单位热耗；(5)干燥过程的热效率。2012-12-412121ω10.15/1.15280245.913(kg/h)1ω10.01/1.01mmqq−−===−−12120.15/1.150.01/1.0128034.087110.01/1.01mWqωωω−−==×=−−（kg/h）(1)(2)(3)()d210w2134.087=1623.190(kg/h)0.027-0.006134.087(1+0.006)'=1632.930(kg/h)0.027-0.006WLHHWHLHH==−+×==−2012-12-4(4)()()()()2212016w245.913116040151623.19011.52101200003500041741534.08734.08734.0874047617.860209213.982337958.753626104532180.596(J/kg)sLwmcQLqhhcθθθ−=−++−××−×=×−++−×=++−=(5)()()()212490+1.884.18734.08724901.88504.187151623.1901103570.59%VQQWtWQηθ==−×+×−×=×−=2012-12-41干燥过程的传热和传质¾外部传热和传质外部传热是对流传热，其热流密度为；外部传质也是对流传质，表面水蒸气压与空气体相水蒸汽分压之差是传质的推动力。二、干燥动力学()sqTTα=−2012-12-4¾内部传热和传质固体物料内的传热过程都是热传导，遵从傅里叶定律。物料内部的传质机理可由液态扩散、气态扩散、毛细管流动和热流动等机制进行解释。2干燥过程的传热和传质¾表面汽化控制物料内部水分能迅速传导表面，使表面充分润湿。水分的去除主要由外部扩散传质所控制。干燥为表面汽化控制时，就必须集中强化外部传热和传质。2012-12-4¾内部扩散控制物料在干燥时，内部传质速率较小。当表面干燥后，内部水分来不及传递到表面，故汽化面逐渐向内移动。当干燥过程为内部扩散控制时，下列措施有助于强化干燥：(1)减小料层厚度，使料层与空气穿流接触；(2)采用搅拌方法，使物料不断翻动；(3)采用接触干燥或微波干燥，促使物料内部水分向表面传递。2012-12-42干燥曲线和干燥速率曲线2.1干燥曲线干燥曲线是指物料干基含水量x与干燥时间t的关系曲线。A干基含水量xXctwDCBADCBTE物料表面温度θ干燥时间t预热段恒速段降速段2012-12-42.2干燥速率曲线干燥速率曲线是指干燥速率u与物料干基含水量x的关系曲线。ABCE干燥速率uABCE物料温度θtwxc干基含水量xIIIDxeDsmdxdWuAdtAdt==−W-汽化水分量，kgA-干燥面积，m2t-干燥时间，s2012-12-40smdxuAdt=−3.1恒速阶段干燥时间的计算1100ctxsxmdtdxAu=−∫∫()110scmxxtAu−=恒速阶段的干燥速率为将上式分离变量后积分，有可得恒速阶段的干燥时间为3干燥时间的计算2012-12-4smdxuAdt=−3.2降速阶段干燥时间的计算()222200cctxtxssxxemmdxdxdtdtAuAkxx=−⇒=−∫∫∫∫22lnsceemxxtAkxx−=−降速阶段的干燥速率为将上式分离变量后积分，有可得恒速阶段的干燥时间为2012-12-4112122lnlnsccecscseeceecemxxxxAkxxmxxmxxxxtttAkxxAkxx−−=+=+⎛⎞−−⎟⎜⎟=+⎜⎟⎜⎟⎜−⎠−−⎝−3.3总干燥时间的计算2012-12-4例：湿物料再恒定干燥条件下于5h内由干基含水量35%降到10%，如果物料的平衡干基含水量为4%，临界干基含水量为14%，求在同样的干燥条件下将物料干燥到干基含水量为6%所需要的时间为多少。解：已知x1=0.35，x2=0.10，xc=0.14，xe=0.04kgw/kgs，将这些参数带入下式12lnscceceemxxxxtAkxxxx⎛⎞−−⎟⎜⎟=+⎜⎟⎜⎟⎜−−⎝⎠得到0.350.140.140.045ln0.140.040.100.04smAk⎛⎞−−⎟⎜=+⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠−−2012-12-41.92smAk=12lnscceceemxxxxtAkxxxx⎛⎞−−⎟⎜⎟=+⎜⎟⎜⎟⎜−−⎝⎠则()0.350.140.140.041.92ln7.1h0.140.040.060.04⎛⎞−−⎟⎜=×+=⎟⎜⎟⎟⎜⎝⎠−−若x1=0.35，x2=0.06，则干燥时间t为2012-12-42012-12-42012-12-42012-12-4