《刘云宏干燥》PPT课件

第11章干燥与空气调节,去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。,概述,干燥定义：用热能使湿物料内液体气化，被干燥介质带走，使湿物料干燥的操作。重点：空气水系统,去湿的方法：,机械去湿法,物理化学去湿法,热能去湿法,在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。,物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。,干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压，压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。,第一节湿空气的性质,干空气和水蒸气的混合物，干燥过程中，干空气的量保持不变。湿空气理想气体。,绝对湿度和相对湿度,湿含量,湿空气的比热容和比体积,湿空气的热含量,干球温度、湿球温度和露点温度,一、湿空气的状态参数,（一）水蒸气分压p,根据道尔顿分压定律，湿空气的总压强pT与水蒸气分压p及干空气的分压pa有如下关系：pT=p+pa以及p/pa=p/(pT-p)=nv/na,（二）湿度H,定义：湿空气中水气质量与绝干空气质量之比,kg/kg绝干气,Antoine方程,在饱和状态时，湿空气中水蒸气分压p等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压ps，则有,由于水的饱和蒸气压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿度是温度和总压的函数，即,T,（三）相对湿度(relativehumidity)j,kg/kg绝干气,相对湿度是空气吸湿能力大小的标志。,定义：总压一定时，水气分压与同温下饱和蒸气压之比。,当p=0时，=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。,当p=ps时，=1，表示湿空气为饱和空气。,相对湿度：可以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，值越小，则吸湿能力越大。,湿度：是湿空气含水量的绝对值，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,在一定总压和温度下，两者之间的关系为,例11-1湿空气中水蒸气分压为2.335kPa，总压为101.3kPa，求湿空气温度t=20时的相对湿度j。若将湿空气加热到50，求此时的j。,解：（1）t=20时，水的饱和蒸汽压为ps=2.335kPaj=p/ps100%=2.335/2.335100%=100%即湿空气已被水蒸气饱和，不能再用作干燥介质。（2）t=50时，ps=12.34kPaj=p/ps100%=2.335/12.34100%=18.92%当湿空气温度升高后，j值减小，又可用作干燥介质。,例11-2湿空气中总压为101.3kPa，温度t=25，湿度H=0.015Kg/kg干空气，求湿空气的相对湿度j。若将湿空气加热到90，求此时的相对湿度j。（t=25，ps=3.168kPa;t=90，ps=70.14kPa),可求出,t=25，ps=3.168kPa;t=90，ps=70.14kPa,相对湿度j,可解,结论：1.湿度不变时，在恒压下升高湿空气的温度，可以使湿空气的相对湿度下降。2.湿度只表示空气中水汽含量的绝对值，而相对湿度才能反映湿空气容纳水分的能力。相对湿度越低的湿空气容纳水分的能力越强。在对流干燥操作中，一般将湿空气加热，目的：提高传热推动力，提高传热速率；降低湿空气的相对湿度，提高传质动力，提高湿空气容纳水分的能力。,（四）比焓I,定义：1kg绝干空气及其所带的水气的焓之和,注：空气的焓是根据干空气及液态水在0oC时焓为零作基准而计算的，因此，对于温度为t及湿度为的湿空气，其焓包括由0oC的水变为0oC的水汽所需的潜热及湿空气由0oC升温至toC所需的显热之和，即,I=cpg(t-0)+Hcpw(t-0)+Hr0=(1.01+1.88H)t+2490H,（五）湿比热容cpH,定义：在常压下，将湿空气中1kg绝干空气及相应kg水汽的温度升高（或降低）1oC所需要（或放出）的热量，用符号CPH表示，单位是kJ/(绝干气oC)，,在常用的温度范围内，有,上式说明：湿空气的比热只是湿度的函数。,（六）湿比体积vH,m3/kg绝干气,定义：1kg绝干空气及其所带的水气体积之和,（七）干球温度t和湿球温度tw,湿球温度tw：大量的不饱和湿空气与少量的湿物料接触，传热、传质达平衡时湿物料中水分的温度。意义：湿空气的参数之一,干球温度t：空气的温度,形成原理：,传热达平衡时，空气传给水分的显热等于水分汽化所需的潜热：,Q=aS(t-tw)=kH(Hs-H)Srtw,在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为：Q=S（t-tw）,气膜中水气向空气的传递速率为：N=kH（Hs-H）S,在稳定状态下，水分带入空气中的传热速率：Q=Nrtw,讨论：（1）空气流速应大于5m/s;（2）饱和湿空气：t=tw；不饱和湿空气：ttw；（3）空气水系统：a/kH=1.09;,对于某一定干球温度的湿空气，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。,湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种参数。,强调：,(八）绝热饱和温度tas,设接触时间无限长，则气体在出口处完全被水蒸气饱和,不饱和气体在与外界绝热的条件下，和大量的液体相接触，若时间足够长，使传热、传质趋于平衡，则最终气体被液体蒸汽所饱和，气体与液体温度相等，此过程称为绝热饱和过程，最终两相达到的平衡温度，称为绝热饱和温度。,空气经过此绝热系统后，其出口温度必等于此稳定的水温值，而其湿含量则必为tas所对应的饱和湿含量rm,as。,如果水做循环流动，则循环水的水温将稳定在某一值tas。,气液两相的温度差和湿含量差，在空气进口处为最大，而在出口处为零，空气流过这种系统发生的状态变化过程，称为绝热增湿过程，或绝热冷却过程。在绝热冷却过程中，水不断在Tas温度下汽化，空气不断将显热传给水，同时，又因水分汽化后进入空气，而带回水蒸气的潜热和显热。,就水而言，从空气传来的热量等于汽化水分的潜热，故水温恒定不变。就气而言，由于水蒸气的显热与汽化潜热相比，小至可以忽略，空气的焓值也近似认为不变。,湿空气进入系统的比焓,稳定后，焓不变，仅湿空气温度和湿度变化,绝热饱和温度是湿空气绝热冷却所能达到的极限温度,强调：绝热饱和温度tas与湿球温度tw是两个完全不相关的概念。但是两者都是湿空气状态(t和H)的函数。,（九）露点td定义：将湿空气等湿冷却至饱和时的温度,不饱和湿空气：ttas=twtd饱和湿空气：t=tas=tw=td,不饱和的空气在湿含量不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度，称为该湿空气的露点(dewpiont)。,空气的总压一定时，露点时的饱和水蒸汽压ps,td仅与空气的湿度Hs,td有关即ps,td=f(Hs,td)或td=(Hs,td)湿度越大，td越大。,例11-2已知湿空气的总压pT=1.013105Pa，相对湿度j=60%，干球温度t=30，已知湿空气的质量流量为100kg干空气/h。试求：（1）湿度H；（2）露点td；,（3）将上述情况湿空气在预热器内加热到100时所需热量。,解：由饱和水蒸汽表查得水在30时蒸汽压ps0=4242Pa。（1）H0=0.622jps0/(pT-jps0)=0.6220.64242/(1.013105-0.64242)=0.016kg水气/kg干空气（2）psd=p=jps=0.64242=2545Pa由饱和水蒸汽表查得其对应的温度td=21.4（3）Q=LcH(t1-t0)=100(1.01+1.880.016)(100-30)=7280kJ/h=2.02kW,例11-4总压为101.3kPa下的湿空气温度为30，湿度为0.024kg/kg绝干气，试计算(1)水蒸气分压(2)露点(3)相对湿度(4)焓(5)湿球温度(6)绝热饱和温度。,解：（1）由H=0.622p/(pT-p)得p=HpT/(0.622+H)=0.024101.3/(0.622+0.024)=3.673kPa（2）3.673对应的饱和温度即露点为27（3）30下饱和蒸气压为4.247kPa故j=p/ps=3.673/4.247=0.865=86.5%（4）I=(1.01+1.88H)t+2490H=(1.01+1.880.024)30+24900.024=91.4kJ/kg绝干气,（5）湿球温度tw=t-krtw(Hs,tw-H)/a设tw=28.3此时ps,tw=3.88kPartw=2427.5kJ/kgHs,tw=0.6223.88/(101.3-3.88)=0.02477kg/kg绝干气水空气系统，a/k=1.09tw=30-2427.5(0.02477-0.024)/1.09=28.3（6）绝热饱和温度tas=t-ras(Hs,tas-H)/cH设tas=28.3则ras=2427.5kJ/kgcH=1.01+1.88H=1.055kJ/(kg.K)tas=30-2427.5(0.02477-0.024)/1.055=28.2,在工程计算中，常用的是以湿空气的焓值I为纵坐标，湿度H为横坐标的焓湿图，即I-H图。,图上共有五种线，图上任一点都代表一定温度t和湿度的湿空气状态。,(一)湿空气的湿度图,二、湿空气性质图,等湿度线(等H线)：等焓线(等I线)：等温线(等t线)：等相对湿度线（等线）水蒸汽分压线：,空气的湿度图,1.等焓线(等I线),一组与斜轴平行的直线。在同一条等I线上，湿空气的温度t随湿度H的增大而下降，但其焓值不变。,焓值坐标,2.等湿度线(等H线),一组与纵轴平行的直线。在同一条等H线上，湿空气的露点td不变。,3.等温线(等t线),I=(1.88t+2490)H+1.01t,当空气的干球温度t不变时，I与H成直线关系，故在I-H图中对应不同的t，可作出许多等t线。各种不同温度的等温线，其斜率为(1.88t+2492)，故温度愈高，其斜率愈大。因此，这许多成直线的等t线并不是互相平行的。,I=(1.01+1.88H)t+2490H,4等相对湿度线（等线）,当湿空气的湿度为一定值时，温度愈高，其相对湿度值愈低，即其作为干燥介质时，吸收水汽的能力愈强，故湿空气进入干燥器之前必须经过预热器预热提高温度，目的除了提高湿空气的焓值使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而作为载湿体。,5水蒸汽分压线,该线表示空气的湿度与空气中的水蒸汽分压pv之间关系曲线。当湿空气的总压不变时，水蒸汽的分压pv随湿度而变化。水蒸汽分压标于右端纵轴上，其单位为kN/m2。,（二）湿度图的应用,（1）已知一个确定的状态点，查取各项状态参数。,a焓：沿等焓线；,b湿度：沿等湿线；,c干球温度：沿等温线；,d相对湿度：沿等j线；,e水蒸气分压；,f湿球温度；,g露点温度；,（2）已知两个独立的状态参数，确定湿空气的状态点。,（）湿空气的干球温度t和湿球温度tw；,（）湿空气的干球温度t和露点td；,（）湿空气的干球温度t和相对湿度。,例11-5已知湿空气的温度为30，湿球温度tw=25，总压为pT=0.1MPa。试求：（1）湿度H；（2）相对湿度j；（3）露点td；（4）水蒸气分压p；（5）将上述状态空气在预热器内加热到100所需热量。已知空气流量为L=100kg/h。,解：由已知条件在HI图上定出状态点A点。（1）湿度H：由A点沿等H线向下与水平辅助轴相交，得H=0.021kg水/kg干空气（2）相对湿度j：由A点对应的等j线查得j值为70%。,解：由已知条件在HI图上定出状态点A点。（3）露点td：由A点沿等H线向下与j=100%的等j线相交，查得对应的温度值，即td=23（4）水汽分压p：由A点沿等H线向下与水蒸气分压线相交，查得该点的p=3.20kPa。,（5）预热器提供热量Q：Q=L(I1-I0)由题意知t0=30，t1=100，由图中过A点沿等焓线可查得A点的焓值I0=83kJ/kg干空气。湿空气在被加热过程中湿度H不变，所以由A点沿等H线向上与t=100的等温线相交于B点，此点即是加热后的状态点。由B点查得其焓值I1=157kJ/kg干空气。则：Q=100(157-83)/3600=2.06kW,例11-6已知湿空气的温度为70，湿度为0.05kg/kg干空气，查图求其焓、相对湿度、湿球温度、露点和水蒸气分压。,解：在H-I图上作t=70的等温线和H=0.05kg/kg干空气的等湿线，其交点即为空气的状态点。在图上直接读得：I=203kJ/kg干空气j=24%从状态点出发作等焓线至与饱和线相交，由通过交点的等温线读得:tw=44从状态点出发作等湿线至与饱和线相交，由通过交点的等温线读得:td=40从状态点出发作等湿线至与水蒸气分压线相交，从交点作水平线，在右轴上读得:p=7.3kPa,（一）间壁式加热和冷却过程1间壁式加热和冷却如果空气的温度变化范围在露点以上，则空气中的水分含量将始终保持不变，且为不饱和状态即为等湿过程。,三、湿空气的基本状态变化过程,2间壁式冷却减湿当进行至露点温度，空气即到达饱和状态，空气中水蒸气开始在冷却壁面上凝结出来。随着冷却不断进行，水分不断析出，温度则不断降低，但空气始终维持在饱和状态。,如果将凝结出来的水分设法除去，再将所得的饱和空气加热，则不会恢复原来的状态，而空气的湿度小于原空气的湿度，即达到减湿的目的。,（二）不同状态空气的混合过程此两空气混合后，其湿度Hm和焓Im可按物料衡算和焓衡算来求取：L1H1+L2H2=(L1+L2)HmL1I1+L2I2=(L1+L2)Im,混合空气的状态点m将划分线段1-2，使线段2-C与线段1-C之比等于L1:L2，此关系称杠杆法则。,如果混合后的空气状态点落入超饱和区，如图中3-4直线上的d点，则混合物将分成气态的饱和空气和液态的水两部分，气态的状态点，应为过d点的等温线与=1线的交点d。,（三）绝热冷却增湿过程绝热饱和过程的进行，其结果一方面表现为空气的冷却，另一方面又表现为空气的增湿，故称为绝热冷却增湿过程。,若空气（以点A表示）与温度为其绝热饱和温度的冷水相接触，（其表面的饱和空气以B点表示）。由于水温在过程中不变，B点的位置也固定不变，而空气不断混合过程，就表现为空气状态从A点不断向B点移动。,例11-8将t1=20，j1=80%的湿空气与t2=80，j2=30%的湿空气以3：1的比例混合，求混合后空气的参数。,解：,p1=j1ps1=2.3350.8=1.868kPa,ps1=2.335kPa,H1=0.6221.868/(101.3-1.868)=0.0117kg/kg绝干空气I1=(1.01+1.880.0117)20+24900.0117=49.77kJ/kg绝干空气,ps2=47.379kPa,p2=47.3790.3=14.214kPa,H2=0.62214.214/(101.3-14.214)=0.1015kg/kg绝干空气I2=(1.01+1.880.1015)80+24900.1015=348.8kJ/kg绝干空气,Hm=0.75H1+0.25H2=0.0342kg/kg绝干空气Im=0.75I1+0.25I2=124.53kJ/kg绝干空气,tm=(124.53-24900.0342)/(1.01+1.880.0342)=36.6pm=101.30.0342/(0.622+0.0342)=5.28kPapsm=6.183kPajm=5.28/6.183=85.4%,例11-9将t0=32，j0=65%的新鲜空气调节成温度24，相对湿度40%的空气。方法是将空气经过喷水室以冷水冷却减湿达到饱和，然后在加热器内加热到24，试求：（1）经调节后空气的湿含量；（2）设离开喷水室的空气与水进口的温度是相同的，求水的温度；（3）对每kg干空气而言，试求在喷水室内，水的蒸发量（或冷凝量）；（4）求加热器所需的热量。,解：（1）新鲜空气状态点为A（t0=32，j0=65%），经调节后的空气状态点为D（t2=24，j2=40%），由D点可读出湿度H2=0.0075kg/kg干空气，故经调节后空气的湿度为0.0075kg/kg干空气。,（2）因喷水温度与经减湿后的空气（已达饱和）相同，同时该饱和空气的湿度即为H1=H2=0.0075kg/kg干空气，,故其饱和空气的温度即为（t2，j2）的露点温度。由图读出t1=9.7，即水温为9.7。,（3）由点A读得新鲜空气的湿度H0=0.0195kg/kg干空气。因H2H0，故为减湿过程，即水气被冷凝。对每kg干空气的冷凝水量为0.0195-0.0075=0.012kg/kg干空气。,（4）由图读出D点焓为：I2=43.2kJ/kg干空气由t1=9.7，H1=0.0075kg/kg干空气，读得I1=28.5kJ/kg干空气，故每kg干空气所需的加热量为43.2-28.5=14.7kJ/kg干空气。,一、湿物料的形态和含水量表示,第二节干燥过程的衡算,（一）湿物料的形态,湿物料可按其外观形态的不同而分为下列几种：散粒状：如谷物、各种油料种籽；晶体：经过滤分离后的各种晶体，如葡萄糖、柠檬酸、盐块状：如马铃薯、胡萝卜、面包等；片状：如果蔬、肉片、葱、蒜片饼干等；条状：马铃薯切条、刀豆、香肠等；膏糊状：如麦乳精、巧克力浆等；粉末状：淀粉、奶粉等，液态：包括各种溶液、悬浮液和乳浊液如牛奶、蛋液、果汁等,1.湿基含水量w（即质量分数）定义：水分在湿物料中的质量分数,（二）湿物料中含水量的表示,2.干基含水量X（即质量比）定义：水分质量与绝干物料质量之比,X,两种含水量之间的换算关系为,注：工业上常采用湿基含水量。科研上常采用干基含水量。,二、干燥系统的物料衡算,通过物料衡算可确定将湿物料干燥到规定的含水量所蒸发的水分量、空气消耗量、干燥产品的流量。,L绝干空气的消耗量，kg绝干气/s；H1，H2分别为湿空气进出干燥器时的湿度，kg水气/kg绝干气；X1，X2分别为物料进出干燥器时的干基含水量，kg水气/kg绝干料；G1，G2分别为物料进出干燥器时的流量，kg湿物料/s；G绝干物料的流量，kg绝干料/s。,（一）水分汽化量W=G1-G2=Gc(X1-X2),绝干物料量：Gc=G1(1-w1)=G2(1-w2),（二）干燥产品量,（三）干空气消耗量,得：,由：LH1+GcX1=LH2+GcX2,令l=L/W，称为比空气用量，其意义是从湿物料中汽化1kg水分所需的干空气量。,如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热前后空气的湿度不变，以H0表示进入预热器时的空气湿度，则有,上式说明：比空气用量只与空气的最初和最终湿度有关，而与干燥过程所经历的途径无关。,湿空气的消耗量为：,体积流量：,例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经干燥后物料的含水量由10%降至2%（wb）。以热空气为干燥介质，初始湿度H1=0.008kg水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为H2=0.05kg水/kg绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。,进入干燥器的绝干物料为G=G1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg绝干料/h,解：（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即,水分蒸发量为W=G（X1-X2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水/h,例题,（2）空气消耗量,原湿空气的消耗量为：L=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg湿空气/h,（3）干燥产品量,单位空气消耗量（比空气用量）为：,三、干燥系统的热量衡算,整个系统进入离开热空气LI0LI2物料G1I1G2I2加入Qp+QD损失QL,Q=Qp+QD=L(I2-I0)+Gc(I2-I1)+QL,干燥系统的热量消耗：,由上式可以看出：向系统输入的热量用于：加热空气、蒸发水分、加热物料、热损失等四个方面。,Qp=L(I1-I0),预热器的热量消耗：,一般地，废气温度低而湿度高时，h就高。但t2应比tas高2050。,干燥器的热效率：,使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物料）；,提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；,废气回收，利用其预热冷空气或冷物料；,注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。,提高热效率的措施,将热量衡算式各项除以W,根据e的值，把干燥器分成等焓干燥器和非等焓干燥器两大类。,四、空气通过干燥器的状态变化,Q=Qp+QD=L(I2-I0)+Gc(I2-I1)+QL,Qp=L(I1-I0),（一）e=0，理想干燥器或等焓干燥器,（二）e=0，又分e0两种情况,例11-12喷雾干燥奶粉时所用的新鲜空气t0=25，j0=80%，空气经预热至150后进入干燥室，排出废气的相对湿度j2=10%，设浓奶进入干燥室的温度为50，干燥器对外界的热损失为209kJ/kg水分，物料进出干燥器带入的热量为146kJ/kg水分。试求汽化1kg水分所需的空气量。,=0+146-209=-63kJ/kg水分,解：,1.在HI图上确定A点，读出H0、I0的值；2.确定B点，读出I1的值;3.确定辅助点：B点等I线上任一点，定H2，由e=(I2-I1)/(H2-H1)，求得I2，然后由H2、I2定出辅助点。4.连B点与此辅助点，并延长交等j（j=10%）线于C，BC线即为干燥器内空气状态变化过程。从图中读得H2=0.039kg/kg干空气5.l=1/(H2-H1)=1/(0.039-0.016)=43.5kg干空气/kg水分,例11-14用喷雾干燥法制造奶粉，所用的新鲜空气t0=25，j0=80%，经预热至150后进入干燥室，排出废气的相对湿度为10%。设进入干燥器的牛奶温度为50，干燥器对外的热损失为209kJ/kg水分，物料进出干燥器带入的净热量为146kJ/kg水分，试求汽化1kg所需的空气量。解：,由题意e=0+146-209=-63kJ/kg水分ps0=3.168kPap1=3.1680.8=2.534kPaH0=0.6222.534/(101.3-2.534)=0.016kg/kg干空气=H1I1=(1.01+1.880.016)150+24900.016=195.85kJ/kg干空气,由：(I2-195.85)/(H2-0.016)=-63得：I2=196.86-63H2而：I2=(1.01+1.88H2)t2+2490H2将上两式联立，只要已知H2或t2就可以求解。但题中已知的是j2，故必须用试差法求解。设t2=86196.86-63H2=(1.01+1.88H2)86+2490H2H2=0.0405kg/kg干空气p2=pTH2/(0.622+H2)=6.193kPa查表，H2对应ps2=60.327kPaj2=6.193/60.327=10%与题中条件相符l=1/(H2-H1)=1/(0.04-0.016)=41.67kg干空气/kg水分,例11-11某糖厂干燥器的生产能力为4030kg/h(产品)。含水分1.27%的湿糖于31下进入干燥器，产品含水分0.18%，温度为36。新鲜空气温度为20，湿球温度为17，用绝对压强为200kPa的饱和蒸汽预热至97后进入干燥器，从干燥器排出的废气温度为40，湿球温度为32。已知产品平均比热容为1.26kJ/(kg.K)。试求：（1）预热器消耗的蒸汽量；（2）干燥器的散热损失；（3）干燥器的热效率。,解：（1）W=G2(w1-w2)/(1-w1)=4030(0.0127-0.0018)/(1-0.0127)=44.6kg/h由HI图查得：I0=49.4kJ/kg干空气H0=0.011kg/kg干空气I1=125kJ/kg干空气H2=0.028kg/kg干空气I2=113kJ/kg干空气L=W/(H2-H0)=44.6/(0.028-0.011)=2620kg干空气/hQp=L(I1-I0)=2620(125-49.4)=198000kJ/h200kPa下蒸汽的潜热为2204.6kJ/kg加热蒸汽D=Qp/r=198000/2204.6=89.8kg/h,（2）将进料分为被汽化水分和产品两部分，则物料带走的热量为：Gc(I2-I1)=G2cpg(q2-q1)-Wcpwq1=40301.26(36-31)-44.64.18731=19600kJ/hQL=L(I1-I2)+QD-Gc(I2-I1)=2620(125-113)+0-19600=11840kJ/h（3）h=W(2490+1.88t2)/Qp=44.6(2490+1.8840)/198000=57.8%,（三）中间加热干燥过程,目的：降低热空气温度。适用于热敏性物料。,（四）部分废气循环干燥过程,目的：降低干燥推动力。适用于干燥太快时易翘曲、开裂、变形的物料。此外，可精确灵敏地调节室内温度和湿度。,第三节干燥动力学,一物料中的水分,（一）湿物料中的水分,水分活度：,水蒸气分压pv与同温度下纯水的饱和蒸气压ps之比。,物料的水分活度与其含水量和温度有关。一定温度下水分活度与含水量的关系曲线称为吸着等温线。,水分活度不仅与物料的贮藏性有关，而且决定了干燥进行的方向。,aw时，解吸水分（干燥）；,马铃薯吸着等温线,（二）平衡水分(equilibriumwater)和自由水分(freewater),划分依据：物料所含水分能否用干燥方法除去。,物料中的水分与一定温度t、相对湿度的不饱和湿空气达到平衡状态，此时物料所含水分称为该空气条件(t、)下物料的平衡水分。,在干燥过程中能除去的水分只是物料中超出平衡水分的那一部分，称为自由水分。,平衡水分随物料的种类及空气的状态(t，)不同而异。平衡水分代表物料在一定空气状况下可以干燥的限度。,平衡水分或平衡含水量X*与空气相对湿度关系曲线。,空气相对湿度=0，平衡水分=0.即只有与绝干空气接触，才可获得理论上的绝干物料。,（1）化学结合（结晶水）（2）物化结合（吸附水、结构水）（3）机械结合（毛细管水、润湿水、孔隙水）,（三）结合水分(boundwater)与非结合水分(unboundwater),划分依据：根据物料与水分结合力的状况,1结合水分,特点：,：包括物料细胞壁内的水分、物料内毛细管中的水分、及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。,籍化学力或物理化学力与物料相结合的，由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力降低，故除去结合水分较困难。,2非结合水分包括机械地附着于固体表面的水分，如物料表面的吸附水分、较大孔隙中的水分等。,特点：物料中非结合水分与物料的结合力弱，其蒸汽压与同温度下纯水的饱和蒸汽压相同，干燥过程中除去非结合水分较容易。,物料的结合水分和非结合水分的划分只取决于物料本身的性质，而与干燥介质的状态无关；平衡水分与自由水分则还取决于干燥介质的状态。干燥介质状态改变时，平衡水分和自由水分的数值将随之改变。,强调：,物料的总水分、平衡水分、自由水分、结合水分、非结合水分之间的关系见图示。,总结：（1）对同一状态的空气，不同物料有不同的平衡含水量。（2）一般地，X*=f(t，j)。（3）j=0时对应的X*=0，即绝干物料。,例11-15试求马铃薯在20和j=60%的空气中的平衡湿含量。今有湿含量w1=79%（湿基）的马铃薯1t，问在上述介质中进行干燥可能除去的最大水分含量是多少？不能除去的水分含量是多少？,解：（1）根据马铃薯的平衡水分曲线，在空气相对湿度为60%时平衡湿含量X*=0.15kg水分/kg干料（2）干料量Gc=1000(1-0.79)=210kg/h水分总量W=1000-210=790kg/h初湿含量（干基）X1=0.79/(1-0.79)=3.76kg/水分/kg干料可除去的水分Gc(X1-X*)=210(3.76-0.15)=758kg/h（3）不能除去的水分790-758=32kg/h,1外部传热和传质外部传热和传质的阻力都集中在称为气膜的边界层中。,二干燥机理,（一）干燥过程中的传热和传质,外部传热是对流传热，其热流密度为：q=a(T-Ts),造成该分压的原因是：,外部的传质推动力,水分由物料内部扩散到表面后，便在表面气化，可认为在表面附近存在一层气膜，在气膜内水蒸气分压大于物料中水分的蒸气压，水分在气相中的传质推动力为此蒸气压与气相主体中水蒸气分压之差。,对对流干燥，由于介质的不断流动，带走气化的水分；对真空干燥而言，则是气化的水分被真空泵抽走。,分压之差,2内部传热和传质固体物料内的传热是热传导。物料内部的传质可以是下面几种机理的一种或几种的结合：（1）液态扩散（2）气态扩散（3）毛细管流动（4）热流动,湿物料表面水分的汽化，遂形成物料内部与表面的湿度差，促使物料内部的水分向表面移动。,在干燥过程中物料内外的温度不一致，温度梯度促使水分传递（称为热导湿），方向是从高温到低温。,1湿度梯度的形成,2温度梯度的形成,水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的，但在干燥过程的不同阶段其速率不同，从而控制干燥速率的机理也不相同。原因在于受到物料的结构、性质、湿度等条件和干燥介质的影响。,（二）表面汽化控制和内部扩散控制1表面汽化控制,如果外部传质的速率小于内部传质速率，则水分能迅速到达物料表面，使表面保持充分润湿，此时的干燥主要由外部扩散传质所控制。,强化措施（对对流干燥而言）：提高空气的温度，降低相对湿度，改善空气与物料的接触和流动情况，均有助于提高干燥速率。,粉末食品，结构疏松食品，干燥初始阶段,2内部扩散控制如果外部传质速率大于内部传质速率，则内部水分来不及扩散到物料表面进行汽化，此时的干燥为内部扩散控制。,强化措施：从改善内部扩散着手，如：减少物料厚度、使物料堆积疏松、搅拌或翻动物料、采用微波干燥等。,在同一物料的整个干燥过程中，一般前阶段为表面汽化控制，后阶段为内部扩散控制。,大块状食品，结构致密食品，干燥后期阶段，易形成致密膜食品，畜肉制品等,（一）干燥速率的定义,三干燥速率,恒定干燥条件：干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。,干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上汽化的水分量W。,式中u干燥速率,kg/m2h；W汽化水分量,kgS干燥面积,m2；干燥所需时间,h,影响干燥速率的因素（对对流干燥而言）,湿物料的性质与形状：包括物理结构、化学组成、形状大小、料层厚薄及水分结合方式。,物料的湿度：物料的水分活度与湿度有关，因而影响干燥速率。,物料的温度：温度与水分的蒸气压和扩散系数有关。,干燥介质的状态：温度越高，相对湿度越低，干燥速率越大。,干燥介质的流速：由边界层理论可知，流速越大，气膜越薄，干燥速率越大。,介质与物料的接触状况：主要是指介质的流动方向。流动方向垂直于物料表面时，干燥速率最快。,（三）干燥曲线与干燥速率曲线1干燥曲线,可以区分出：AB预热段，时间很短，一般忽略不计；BCXt图上为直线，qt图上为水平线；CD和DE曲线,干燥过程中物料含水量X与干燥时间t、物料表面温度的关系曲线。,2干燥速率曲线在Xt线上作各点的切线，得uX曲线。,物料干燥速率u与物料含水量X的关系曲线。,干燥过程分为恒速干燥和降速干燥两个阶段。,3恒速干燥阶段：如BC段所示（AB段为物料预热段，此段所需时间很短，一般并入BC段考虑）。,此阶段特点：,物料表面被充分润湿,大量湿空气和少量水接触！,空气传给水的热量等于水分汽化所需潜热！,除去的水分是非结合水；属于表面汽化控制阶段；物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。,在恒速干燥阶段中，空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，即,在干燥过程中，传热速率为,传质速率为：,恒速干燥阶段的干燥速率为,机理：内部扩散控制,4降速干燥阶段,特点：,临界点：C点，该点的干燥速率Uc等于等速阶段的干燥速率。,临界含水量Xc：Xc越大，则会过早的转入降速干燥阶段，使在相同的干燥任务下所需的干燥时间加长。临界含水量与物料的性质、厚度、干燥速率有关。,第一降速阶段（CD段）：,第一降速阶段（CD段）：物料内部水分扩散速率小于表面水分在湿球温度下的汽化速率，这时物料表面不能维持全面湿润而形成“干区”，导致干燥速率下降。,特点：干燥速度下降，物料表面温度上升，曲线可以呈各种形状，物料表面出现“干斑”。,第二降速阶段（DE段）：,降速干燥阶段特点：,干燥速率主要决定于物料本身的结构、形状和大小等。而与空气的性质关系很小。,物料表面的温度不断上升，而最后接近于空气的温度。,第二降速阶段（DE段）：水分的汽化面逐渐向物料内部移动，从而使热、质传递途径加长，阻力增大，造成干燥速率下降。,（四）临界含水量不同性质物料的临界湿含量范围物料特征示例临界湿度XC粗核无孔物料50目石英35晶体粒状，孔隙较少，粒度为50325目食盐515晶体、粒状、孔隙较小谷氨酸结晶1525粗纤维细粉和无定形、胶体状醋酸纤维2550细纤维、无定形和均匀状态的压紧物料、有机物的无机盐淀粉、硬脂酸钙50100胶体和凝胶状态，有机物和无机盐、动物胶、硬脂酸钙1003000,临界点代表表面汽化控制和内部扩散控制的转折点，对应的物料含水量称为临界含水量。临界含水量和物料性质、厚度、干燥速率有关。,（一）恒速阶段的干燥时间,由物料衡算：,四干燥时间的计算,设恒速干燥阶段的干燥速率为uc，根据干燥速率定义，有,dW=-GcdX且u=uc为常数,开始时=0，X=X1；终了时=1，X=Xc；,绝干物料量,临界点处干燥速率，可查曲线，可估算,例11-16用盘架式干燥器作马铃薯的干燥实验。物料湿含量（湿基）在18min内从75%减至60%。料盘尺寸为600mm900mm，装湿料4kg。空气的干、湿球温度分别为82和38。空气平行流过料盘，速度为4m/s，只在盘子上表面进行干燥。根据以往经验表明，在这样的条件下，干燥处于恒速阶段。试计算干燥速率。并估算若干球温度降至65，湿球温度不变，空气流速增加到6m/s，干燥时间和干燥速率变化多少？,解,（2）干燥速率水分去除量：W=Gc(X1-X2)=1(3.0-1.5)=1.5kg干燥面积：S=0.60.9=0.54m2干燥时间：t=18min=0.3h因处于恒速阶段，故：u=dW/Sdt=W/St=1.5/(0.540.3)=9.26kg/(m2.h),（1）初始时：干料量：Gc=425/100=1kg初始干基：X1=w1/(1-w1)=0.75/(1-0.75)=3.0kg/kg干料终了干基：X2=w2/(1-w2)=0.60/(1-0.60)=1.5kg/kg干料,所以u=0.85u=0.859.26=7.87kg/(m2.h)t=W/Su=1.5/(7.870.54)=0.352h=21.2min,（3）干球温度变，干燥速率变,u=a(t-tw)/rtw,（二）降速阶段的干燥时间将干燥速度曲线近似作为连接临界点和干燥极限点（平衡含水量X*）的直线：,（三）总干燥时间,近似计算法,例11-17试验证明，以盘架式干燥器在恒定干燥情况下干燥梅子表现为降速干燥的特点，并已证实其干燥速率正比于物料的(X-X*)。今在一项试验中得知，初湿含量68.7%的梅子干燥到46.2%需5h，干燥到24.3%需12h，试估计物料的平衡含水量，并求干燥到18%所需干燥时间(以上均为湿基含水量)。解X1=w1/(1-w1)=0.687/(1-0.687)=2.20X2=w2/(1-w2)=0.462/(1-0.462)=0.86X2=w2/(1-w2)=0.243/(1-0.243)=0.321X2”=w2”/(1-w2”)=0.18/(1-0.18)=0.22,用试差法求得：X*=0.17代回任一原式得：G/SkX=4.62,h,第四节干燥设备,一干燥器的分类,二对流干燥器,三传导和辐射干燥器,四干燥器的选择,（1）按操作压强分：常压干燥器和真空干燥器（2）按操作方式分：连续干燥器和间歇干燥器（3）按流动方式分：顺流、逆流、错流干燥器（4）按传热机理分：传导式、对流式、辐射式干燥器等,一干燥器的分类,并流、逆流、错流干燥器的特点,并流：含水量高的物料与温度最高而湿度最低的介质相接触，在进口端的干燥推动力大，在出口端的推动力小。,适用情况：,（1）干物料不耐高温而湿物料允许快速干燥；在干燥第一阶段，物料温度始终维持在湿球温度，到第二阶段，物料温度才逐渐上升，但此时介质温度已下降，物料不致于过热。,（2）物料的吸湿性小或最终水分要求不很低；物料在出口处与温度最低、湿度最高（即相对湿度最大）的介质接触，其平衡水分高。,适用物料湿含量较大时快速干燥不会引起裂纹或焦化现象的食品干后不耐高温而易发生分解、氧化的食品干后吸湿性小的食品比较合适缺点由于推动力沿物料移动方向逐渐变小,所以在干燥的最后阶段,干燥推动力变得很小.干燥速度很慢而影响生产能力。,逆流：物料与干燥介质的运动方向相反，干燥推动力在干燥器中分布较均匀。,适用范围湿度大时不允许快速干燥以免发生龟裂现象的食品干后吸湿性大的食品干后能耐高温,不致发生分解、氧化的食品要求过程速率大、时间短的干燥情形缺点入口处物料温度较低而干燥介质湿度很大。接触时,介质的水气会冷凝在物料上,使物料湿度增加,使干燥时间增加,也影响生产能力。,注：在逆流时，湿物料进入的温度不应低于干燥介质在此处的露点，否则湿度高的干燥介质中有一部分水蒸气会冷凝在湿物料上，从而增加干燥时间。,错流：高温介质与物料运动方向相垂直，如果物料表面都与湿度小、温度高的介质接触，可获得较高的推动力，但介质的用量和热量的消耗也较大。,适用情况：（1）物料在干燥的始、终,都允许快速干燥和高温；（2）要求设备紧凑（过程速度大）而允许较多的介质和能耗。,（1）横流式（2）穿流式1干燥室2浅盘成料网3风扇4加热器,1厢式干燥器,二对流干燥器,优点：构造简单、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，以及随时需要改变风量、温度和湿度等干燥条件的情况。,（三）带式干燥器,4排气管5输送机6加料口,1卸料旋转阀2空气加热器3风机,带式干燥器的特点湿物料成为适当的分散状态,空气能顺利通过带上的物料层；物料内部水分迁移的路程较短，干燥速率较高;设备造价较高穿流带式干燥器具有干燥速度快的优点,在食品工业中的应用愈来愈广泛。带式干燥器适用于切片或切丁的果蔬的干燥,工作原理：散粒状物料由床侧加料器加入，热气流通过多孔分布板与物料层接触，气流速度保持在临界流化速度和带出速度之间，颗粒即能在床层内形成流化，颗粒在热气流中上下翻动与碰撞，与热气流进行传热和传质而达到干燥的目的。当床层膨胀到一定高度时，床层空隙率增大而使气流流速下降，颗粒又重新落下而不致被气流所带走。,（五）沸腾床干燥器（流化床干燥器）,经干燥之后的颗粒由床侧出料管卸出，气流由顶部排出，并经旋风分离器回收其中夹带的粉尘。,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。,卧式多室沸腾床干燥器,气流干燥器,优点：对流传热系数和传热温度差大，干燥器的体积小，干燥速率快，物料停留时间短，可在高温下干燥；热利用率高；设备紧凑，结构简单；可以完全自动控制。,干燥强度高干燥时间短具有很大的容积传热系数及温差热效率高散热面积小,所以热损失小,可以省去专门的固体输送装置操作连续稳定适用广,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。,适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒物料，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。,由于全部产品由气流带出,因此分离器的负荷大由于气速较高,粒子有一定的磨损,所以对晶形有一定要求的物料不宜采用。由于气速大,全系统阻力很大,因而动力消耗大;最主要缺点是干燥管较长,一般在1Om或10m以上。,优点单位热能耗用量远较热风干燥器为少可在无氧的情况下进行,故特别适用于对氧化敏感的食品的干燥缺点不适用于松散料的干燥食品工业中最常见的传导燥器滚筒干燥器真空干燥箱带式真空干燥器,三传导和辐射干燥器,（一）传导干燥器,1真空干燥箱,1真空泵2抽气口3压力表4安全阀5加热蒸汽阀6冷却水出阀7疏水器8冷却水进阀1,1.物料的热敏性2.成品的形状、质量和价格3.干燥速度曲线的形状和临界含水量4.物料的粘附性5.单位耗能量及设备成本6.其它因素,四干燥器的选择,喷雾干燥，是液体通过雾化器的作用，喷洒成极细的雾状液滴，并依靠干燥介质（热空气、烟道气、惰性气体），与雾滴均匀混合，进行热交换和质交换，使水分（或溶剂）汽化的过程。,第五节喷雾干燥,干燥速度快，时间短；干燥温度低，物料本身不承受高温；制品有良好的分散性，溶解性，产品纯度高；生产过程简单，操作控制方便，适宜于连续化生产。,什么是喷雾干燥？,喷雾干燥的特点,另一方面，喷雾干燥也有其缺点：（1）热效率低；（2）设备庞大；（3）对分离设备要求高。,适用范围：（1）乳、蛋制品；（2）糖类、粮食制品；（3）酵母制品；（4）果蔬制品；（5）肉类、水产制品；（6）饮料、香料。（血浆，鱼粉，鱼蛋白等）,一、喷雾干燥原理,（一）喷雾干燥流程,1空气加热器2料泵3干燥塔4旋风分离器5成品罐6成品,开放式喷雾干燥系统,（二）喷雾干燥机理,物料水分的蒸发大体也可分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段，由于被分散后的雾滴比较小，所以各阶段经历的时间都很短。在恒速干燥阶段中，水分通过颗粒的扩散速率大于或等于蒸发速率。当水分通过颗粒的扩散速率不能再维持颗粒表面饱和时，扩散速率就会成为控制因素，从而进入降速阶段。,要提高干燥速率，主要取决于两个方面：首先是进风温度，温度越高，推动力越大；另一方面是进风速度，干燥介