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第八章第八章干燥干燥第一节第一节 干燥的基本原理干燥的基本原理第二节第二节 干燥设备干燥设备第三节第三节 喷雾干燥喷雾干燥第四节第四节 冷冻干燥冷冻干燥2024/8/5第八章干燥第一节 干燥的基本原理2023/8/201 第一节第一节 干燥相关概念及干燥相关概念及术语术语一、干燥的目的一、干燥的目的二、干燥的方法二、干燥的方法三、三、湿物料中的水分湿物料中的水分四、四、湿空气中的水分湿空气中的水分2024/8/5 第一节 干燥相关概念及术语一、干燥的目的2023/8/2一、食品物料干燥的目的一、食品物料干燥的目的降低食品中的水分活度，延长食品的保质期。降低食品中的水分活度，延长食品的保质期。降低食品的重量，降低包装、运输和贮藏费用。降低食品的重量，降低包装、运输和贮藏费用。某些食品加工工艺的必须操作步骤，使食品保持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。特有的色香味和形状。2024/8/5一、食品物料干燥的目的降低食品中的水分活度，延长食品的保质期 按操作压力分类按操作压力分类按操作方式分类按操作方式分类按传热方式分类按传热方式分类常压干燥；真空干燥常压干燥；真空干燥间歇干燥；连续干燥间歇干燥；连续干燥对流干燥；传导干燥；辐射干燥对流干燥；传导干燥；辐射干燥二、食品物料干燥的方法二、食品物料干燥的方法2024/8/5 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；真空干三、湿空气中的性质三、湿空气中的性质1 湿空气的湿度湿空气的湿度1.1 绝对湿度绝对湿度湿湿空空气气中中所所含含水水蒸蒸气气的的质质量量mv与与湿湿空空气气的的体体积积V之之比比，称称为为绝绝对湿度对湿度v v,即即2024/8/5三、湿空气中的性质1 湿空气的湿度1.1 绝对湿度湿空气中1.2 相对湿度相对湿度湿湿空空气气中中的的水水蒸蒸气气分分压压pv与与同同温温度度下下水水蒸蒸气气饱饱和和压压力力ps之之比比，称为空气的相对湿度称为空气的相对湿度 ，即，即对于绝对干燥空气，相对湿度等于对于绝对干燥空气，相对湿度等于0；对于饱和空气，相对湿；对于饱和空气，相对湿度等于度等于1。2024/8/51.2 相对湿度湿空气中的水蒸气分压pv与同温度下水蒸气饱1.3 湿含量湿含量湿湿空空气气中中水水蒸蒸气气的的质质量量与与干干空空气气的的质质量量比比，因因而而它它又又称称湿湿度度比比。用用H表示，即表示，即2024/8/51.3 湿含量湿空气中水蒸气的质量与干空气的质量比，因而它1.4 湿含量湿含量湿湿空空气气中中水水蒸蒸气气的的质质量量与与干干空空气气的的质质量量比比，因因而而它它又又称称湿湿度度比比。用用H表示，即表示，即2024/8/51.4 湿含量湿空气中水蒸气的质量与干空气的质量比，因而它2.1 湿比热容湿比热容2 湿空气的湿比热容和比焓湿空气的湿比热容和比焓含含1kg干干空空气气的的湿湿空空气气的的热热容容量量，称称为为湿湿空空气气的的湿湿比比热热容容，以以cH表示。即表示。即H表示表示1kg干空气中含有的水蒸气的质量干空气中含有的水蒸气的质量(kg)2024/8/52.1 湿比热容2 湿空气的湿比热容和比焓含1kg干空气的湿2.2 比焓比焓湿湿空空气气的的比比焓焓h是是指指含含有有1kg干干空空气气的的湿湿空空气气中中的的焓焓。它它等等于于干空气的比焓与其所带的干空气的比焓与其所带的H千克水蒸气的焓之和，即千克水蒸气的焓之和，即H表示表示1kg干空气中含有的水蒸气的质量干空气中含有的水蒸气的质量(kg)2024/8/52.2 比焓湿空气的比焓h是指含有1kg干空气的湿空气中的焓3.1 干球温度干球温度3 湿空气的温度湿空气的温度用用一一般般温温度度计计测测得得的的湿湿空空气气的的温温度度称称为为湿湿空空气气的的干干球球温温度度，它是湿空气的真实温度。用它是湿空气的真实温度。用T表示。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。用气的湿球温度。用Tw表示。表示。3.2 湿球温度湿球温度2024/8/53.1 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4 湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图2024/8/54 湿空气的焓湿图2023/8/20例：已知湿空气的温度为例：已知湿空气的温度为60，相对湿度为，相对湿度为20%,求它的湿含求它的湿含量、湿球温度和比焓。量、湿球温度和比焓。2024/8/5例：已知湿空气的温度为60，相对湿度为20%,求它的湿含2024/8/52023/8/20四、湿物料的性质四、湿物料的性质1 含水量含水量1.1 湿基含水量湿基含水量m-湿物料的总质量，湿物料的总质量，kgmw-湿物料中所含水分的质量，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，湿物料中所含绝对干燥物料的质量，kg2024/8/5四、湿物料的性质1 含水量1.1 湿基含水量m-湿物料的总1.2 干基含水量干基含水量m-湿物料的总质量，湿物料的总质量，kgmw-湿物料中所含水分的质量，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，湿物料中所含绝对干燥物料的质量，kg2024/8/51.2 干基含水量m-湿物料的总质量，kg2023/8/22 水分活度水分活度p-物料表面的水蒸气压物料表面的水蒸气压p0-同温度下纯水的饱和蒸汽压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。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。2024/8/52 水分活度p-物料表面的水蒸气压aw标志在干燥时食品中水分3 吸湿和解湿吸湿和解湿当当时时水水分分从从物物料料向向湿湿空空气气中中传传递递，该该过过程程称称为为物物料料的的解解湿湿。解解湿湿 使物料含水量不断减少，这即是干燥过程。使物料含水量不断减少，这即是干燥过程。当当时时水水分分从从湿湿空空气气向向物物料料传传递递，该该过过程程称称为为物物料料的的吸吸湿湿。解解湿湿使使物料含水量不断增加。物料含水量不断增加。当当时时物物料料既既不不吸吸湿湿也也不不解解湿湿，该该状状态态称称为为吸吸湿湿-解解湿湿平平衡衡。物物料料的的含水量不再发生变化。含水量不再发生变化。2024/8/53 吸湿和解湿当时水分从物料向湿空气中传递，该过程称为物料的按与物料结合按与物料结合的方式分类的方式分类机械结合水：包括毛细管水分、空隙机械结合水：包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。水分和润湿水分。物理化学结合水：包括吸附水分、渗透物理化学结合水：包括吸附水分、渗透水分和结构水分。水分和结构水分。化学结合水：包括与物料的离子结合的化学结合水：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。水和与物料结晶性分子结合的水。4 物料中水分的分类物料中水分的分类2024/8/5按与物料结合机械结合水：包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。按水分去除的难按水分去除的难易程度分类易程度分类非结合水：包括物料表面的润湿水分非结合水：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 物料中水分的分类物料中水分的分类2024/8/5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按能否被干燥按能否被干燥除去分类除去分类平衡水分：不能被干燥除去的水分称为平衡水分：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。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自由水分：能被干燥除去的水分称为自由水分。由水分。4 物料中水分的分类物料中水分的分类2024/8/5按能否被干燥平衡水分：不能被干燥除去的水分称为平衡水分。该水物料中各种水分的含义物料中各种水分的含义2024/8/5物料中各种水分的含义2023/8/20 第二节第二节 干燥静力学与动干燥静力学与动力学力学一、干燥静力学一、干燥静力学二、干燥动力学二、干燥动力学2024/8/5 第二节 干燥静力学与动力学一、干燥静力学2023/8/23一、干燥静力学一、干燥静力学2024/8/5一、干燥静力学2023/8/201 干燥过程的物料衡算干燥过程的物料衡算1.1 水分蒸发量和产品量水分蒸发量和产品量令原湿物料的质量为令原湿物料的质量为m1 kg，水分蒸发量为，水分蒸发量为Wkg，干燥产品质，干燥产品质量为量为m2 kg，原湿物料和干燥产品的湿基含水量分别为，原湿物料和干燥产品的湿基含水量分别为 1 1 和和2 2，则则2024/8/51 干燥过程的物料衡算2023/8/201.2 干（湿）空气用量干（湿）空气用量令通过干燥器的绝干空气质量为令通过干燥器的绝干空气质量为L kg，对应的湿空气的质量为，对应的湿空气的质量为Lkg。对进出干燥器的水分做衡算，可得对进出干燥器的水分做衡算，可得2024/8/51.2 干（湿）空气用量2023/8/202 干燥过程的热量衡算干燥过程的热量衡算2.1 耗热量耗热量 以以0作作为为温温度度基基准准。输输入入系系统统的的热热量量有有:(1)加加热热器器加加入入的的热热量量 Q；(2)空空气气带带入入的的热热量量Lh0；(3)湿湿物物料料带带入入的的热热量量(m2cs+Wcw)1。输输出出系系统统的的热热量量有有:(1)干干燥燥器器的的热热散散失失QL，(2)空空气气带带出出的的热量热量Lh2，(3)产品带出的热量产品带出的热量m2cs 2。2024/8/52 干燥过程的热量衡算2023/8/202.2 单位热耗单位热耗2.3 热效率热效率干干燥燥器器的的热热效效率率是是指指干干燥燥过过程程蒸蒸发发水水分分所所需需的的热热量量与与向向加加热热器器加入总热量之比，用加入总热量之比，用 表示。表示。为水的汽化热，单位为水的汽化热，单位J/kg。由附录。由附录4通过热空气的湿球温通过热空气的湿球温度查取相应的汽化热数值。度查取相应的汽化热数值。2024/8/52.2 单位热耗2.3 热效率干燥器的热效率是指干燥过程蒸发在在考考试试所所涉涉及及的的计计算算中中，经经常常采采用用方方框框内内的的公公式式对对干干燥燥的的热效率进行计算。热效率进行计算。其中：其中：-干燥器出口处湿空气的干球温度干燥器出口处湿空气的干球温度 -湿物料的湿物料的进料温度料温度 -水分蒸水分蒸发量量2024/8/5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例：例：在常压干燥器中，在常压干燥器中，用新鲜空气干燥某种湿物料。用新鲜空气干燥某种湿物料。该新鲜空气的的温该新鲜空气的的温度为度为20，比焓为比焓为35 kJ/kgd，湿含量为，湿含量为0.006 kgw/kgd。将该新鲜空气在将该新鲜空气在加热室内升温至加热室内升温至90，比焓为，比焓为110 kJ/kgd。将该热空气送入干燥器。离开。将该热空气送入干燥器。离开干燥器的湿空气的温度为干燥器的湿空气的温度为50，比焓为，比焓为120 kJ/kgd,湿含量为湿含量为0.027 kgw/kgd.干燥器热损失为干燥器热损失为 10 MJ/h。每小时处理。每小时处理280 kg湿物料。湿物料干基含水量湿物料。湿物料干基含水量为为0.15，进料温度为，进料温度为15；干物料干基含水量为；干物料干基含水量为0.01，出料温度为出料温度为40。产品物料和水的比热容分别为产品物料和水的比热容分别为1.16 和和4.174 kJ/(kg.K)，试求，试求(1)干燥产品的质量流量；干燥产品的质量流量；(2)水分蒸发量；水分蒸发量；(3)新鲜空气消耗量；新鲜空气消耗量；(4)干燥过程的单位热耗；干燥过程的单位热耗；(5)干燥过程的热效率。干燥过程的热效率。2024/8/5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(1)(2)(3)2024/8/5(1)(2)(3)2023/8/20(4)(5)2024/8/5(4)(5)2023/8/201 干燥过程的传热和传质干燥过程的传热和传质外部传热和传质外部传热和传质外部传热是对流传热，其热流外部传热是对流传热，其热流密度为密度为 ；外部传质也是对流传质，表面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水蒸气压与空气体相水蒸汽分压之差是传质的推动力。压之差是传质的推动力。二、干燥动力学二、干燥动力学2024/8/51 干燥过程的传热和传质二、干燥动力学2023/8/20内部传热和传质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。流动等机制进行解释。2 干燥过程的传热和传质干燥过程的传热和传质表面汽化控制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。集中强化外部传热和传质。2024/8/5内部传热和传质2 干燥过程的传热和传质2023/8/20内部扩散控制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：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；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；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。采用接触干燥或微波干燥，促使物料内部水分向表面传递。2024/8/5内部扩散控制2023/8/202 干燥曲线和干燥速率曲线干燥曲线和干燥速率曲线2.1 干燥曲线干燥曲线干燥曲线是指物料干基含水量干燥曲线是指物料干基含水量 x与干燥时间与干燥时间 t 的关系曲线。的关系曲线。A干基含水量干基含水量xXctwDCBADCBTE物料表面温度物料表面温度 干燥时间干燥时间 t预热段恒速段降速段2024/8/52 干燥曲线和干燥速率曲线A干基含水量xXctwDCBADC2.2 干燥速率曲线干燥速率曲线干燥速率曲线是指干燥速率干燥速率曲线是指干燥速率 u 与物料干基含水量与物料干基含水量 x 的关系曲线。的关系曲线。ABCE干燥速率干燥速率 uABCE物料温度物料温度 twxc干基含水量干基含水量 xIIIDxeDW-汽化水分量，汽化水分量，kgA-干燥面积，干燥面积，m2t-干燥时间，干燥时间，s2024/8/5ABCE干燥速率 uABCE物料温度twxc干基含水量 x3.1 恒速阶段干燥时间的计算恒速阶段干燥时间的计算恒速阶段的干燥速率为恒速阶段的干燥速率为将上式分离变量后积分，有将上式分离变量后积分，有可得恒速阶段的干燥时间为可得恒速阶段的干燥时间为3 干燥时间的计算干燥时间的计算2024/8/53.1 恒速阶段干燥时间的计算恒速阶段的干燥速率为将上式分离3.2 降速阶段干燥时间的计算降速阶段干燥时间的计算降速阶段的干燥速率为降速阶段的干燥速率为将上式分离变量后积分，有将上式分离变量后积分，有可得恒速阶段的干燥时间为可得恒速阶段的干燥时间为2024/8/53.2 降速阶段干燥时间的计算降速阶段的干燥速率为将上式分离3.3 总干燥时间的计算总干燥时间的计算2024/8/53.3 总干燥时间的计算2023/8/20例：例：湿物料再恒定干燥条件下于湿物料再恒定干燥条件下于5h内由干基含水量内由干基含水量35%降到降到10%，如果物料的平衡干基含水量为如果物料的平衡干基含水量为4%，临界干基含水量临界干基含水量为为14%，求在同样的干燥条件下将物料干燥到干基含水量求在同样的干燥条件下将物料干燥到干基含水量为为6%所需要的时间为多少。所需要的时间为多少。解：解：已知已知x1=0.35，x2=0.10，xc=0.14，xe=0.04 kgw/kgs，将这些参数带入，将这些参数带入下式下式得到得到2024/8/5例：湿物料再恒定干燥条件下于5h内由干基含水量35%降到得到则则若若x1=0.35，x2=0.06，则干燥时间，则干燥时间t为为2024/8/5则若x1=0.35，x2=0.06，则干燥时间t为2023/2024/8/52023/8/202024/8/52023/8/202024/8/52023/8/202024/8/52023/8/20
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