食品干燥原理课件

湿空气的热力学性质，湿空气的湿—焓图及其应用，湿物料的基本性质，湿物料常压热风干燥过程的机理和计算。

重点掌握湿空气的热力学性质及湿—焓图的应用，干燥系统的物料衡算和热量衡算，干燥特性曲线，干燥速率方程及应用。

食品干燥原理去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。

去湿的方法：

机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法除去湿分。

物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。

热能去湿法：如蒸发、干燥等

用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。

概述

干燥过程的分类

按操作压力：常压干燥、真空干燥

按操作方式：连续式、间歇式

按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。

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。传热的方向是：热量（显热）是由高温传向低温；传质的方向是：物质总是由高分压（高浓度）传向低分压（低浓度）。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。

本章所论及的湿分为水分，干燥介质为热空气。1.1水蒸气分压pv

空气中水蒸气分压愈大，水分含量就愈高，根据气体分压定律，则有

1.2湿度

d

又称为湿含量或绝对湿度(absolutehumidity)。它以湿空气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比表示，使用符号d，其单位为：kg水气/kg干空气

。

1湿空气的热力学性质

常温下，湿空气可视为理想气体，则有

在饱和状态时，湿空气中水蒸气分压pv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

湿含量也可理解为单位质量（1kg）绝干空气中所容纳的水蒸汽质量。1.3相对湿度

φ

当pv=0时，φ=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。

当pv=ps时，φ=1，表示湿空气为饱和空气。

在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pv

与同温度下水的饱和蒸汽压

pS

之比的百分数，称为相对湿度(relativehumidity)，用符号φ表示，即

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，φ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。

在一定总压和温度下，两者之间的关系为

相对湿度和绝对湿度的关系

1.4湿空气的比热CH

式中

cH——湿空气的比热，

kJ/(㎏绝干气·oC)；

ca——绝干空气的比热，

kJ/(㎏绝干气·oC)；

cv——水气的比热，

kJ/(㎏水气·oC)

上式说明：湿空气的比热只是湿度的函数。

在常压下，将湿空气中1kg绝干空气及相应dkg水汽的温度升高（或降低）1oC所需要（或放出）的热量，称为比热，又称为湿热，用符号CH表示，单位是kJ/(㎏绝干气·oC)，即

在常用的温度范围内，有

1.5湿空气的比容vH

在湿空气中，1kg绝干气体积和相应的dkg水气体积之和，称为湿空气的比容，亦称湿容积(humidvolume)，用符号vH表示，单位为：m3湿空气/kg绝干气。

1.6湿空气的焓

H

湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和，称为湿空气的焓，用符号h表示，单位是kJ/kg干空气。

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d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

H=Hg+Hvd

式中H——湿空气的焓，kJ/kg绝干气；

Hg——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气；

Hv——水气的焓，kJ/kg水气。

1.7干球温度t和湿球温度tw

tw

补充液，温度tw

空气

湿度d温度t

干球温度t：空气的温度

湿球温度tw：

不饱和空气的湿球温度tw低于干球温度t。

形成原理（如图所示）：

机理：湿交换热交换湿热交换达到平衡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。

在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为：

Q=αA（t-tw）

对空气~水蒸气系统而言，

α/kH=1.09

气膜中水气向空气的传递速率为：N=kdA（ds-d）

在稳定状态下，传热速率和传质速率之间的关系为：Q=NL

v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：

1.8露点

td

不饱和的空气在湿含量d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),用符号td表示。

当空气从露点继续冷却时，其中部分水蒸汽便会以露珠的形式凝结出来。空气的总压一定，露点时的饱和水蒸汽压ps,td

仅与空气的湿度ds,td有关，即

ps,td=f(ds,td)或

td=f(ds,td)湿度越大，td

越大。

在露点时，空气的湿度为饱和湿度，φ=1。

--湿空气在露点下的饱和湿度，kg/kg绝干气；

--露点下水的饱和蒸气压，Pa；

1.9绝热饱和温度tas

空气

tas，das，h2

空气

t，d，h1

补充水

tas

水

tas

绝热降温增湿过程及等焓过程

在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽化水带来的潜热，空气的温度和湿度随过程的进行而变化，但其焓值不变。

形成原理：

绝热增湿过程进行到空气被水汽所饱和，则空气的温度不再下降，而等于循环水的温度，称此温度为该空气的绝热饱和温度，用符号tas

表示，其对应的饱和湿度为das，此刻水的温度亦为tas。

塔顶和塔底处湿空气的焓分别为：

由于d和das值与l相比皆为一很小的数值，故可视为CH

、CHas不随湿度而变，即CH=CHas

。则有

湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程，即：h1=h2

实验测定表明，对于在湍流状态下的空气－水蒸气系统而言，a/kH≈CH

，

同时

r00≈rtw，故在一定温度t和湿度d下，有

强调：绝热饱和温度tas与湿球温度tw是两个完全不同的概念。但是两者都是湿空气状态(t和d)的函数。特别是对空气－水气系统，两者在数值上近似相等，对其他系统而言，不存在此关系。

对空气－水蒸气系统

，干球温度、绝热饱和温度（或湿球温度）及露点之间的关系为：

对于不饱和湿空气：

t>tas（或tw）>td

对于饱和的湿空气：

t＝

tas（或tw）

＝td

湿空气是干空气和水蒸气的混合物，在食品干燥中，湿空气起着传热与传质的作用，即湿空气将加热器提供的热量传输给食品，食品受热后蒸发出来的水分再由湿空气携带出去。前面给出了湿空气各项状态参数之间的相互关系。若将这些关系直接用于食品干燥的计算中，往往很复杂。

为了简化计算过程，人们绘制成湿空气性质的状态图，常称为湿空气的湿焓图。

图上共有五种线，图上任一点都代表一定温度t和湿度d的湿空气状态。

等湿度线(等d线)：等焓线(等H

线)：等温线(等t线)：等相对湿度线（等φ线）水蒸汽分压线：2、湿空气的湿焓图

应用湿焓图需注意以下三点：1、干球温度、露点和湿球温度（或绝热饱和温度）都是由等干球温度线确定的。2、通过等湿线与Ф=100%的饱和空气线交点的等温线为露点；根据露点定义：将不饱和空气在总压不变时等湿冷却到饱和状态时的温度。3、通过等焓线与Ф=100%的饱和空气线交点的等温线所示温度为湿球温度。对于水蒸气-空气系统，湿球温度与绝热饱和温度近似相等。等湿度线等干球温度线等焓线等相对湿度线等比容线饱和线已知任何两个独立参数，可在图上找出状态点A，然后由该点找出其他参数。例如：已知干球温度60℃和湿球温度35℃

。求该空气的其他参数。35℃121、确定A点：移动等干球温度线（60℃）和等湿球温度线（35℃）相交。2、读相对湿度曲线：φ=20%。3、过A点做平行横轴的线，得湿度：d=0.026kg水/kg干空气。4、过A点做平行等焓线的线，得焓值：h=129kJ水/kg干空气。5、过A点做平行等比容线的线，得比容：vm=0.98m3/kg干空气。6、过A沿等湿线与φ=100%的线相交，得露点温度：29℃。应用一：空气的加热和冷却。30℃80%80℃空气的加热和冷却（间壁式加热和冷却）一般是指在湿度不变时由A点到B点。例：10m3/s的空气，温度为３0℃，相对湿度80%的空气被加热到80℃，求每千克空气需要的热量。由温度为３0℃，相对湿度80%确定A点，查得A点的焓值：hA==85.2kJ水/kg干空气。Ａ点的湿度dA=0.0215kg水/kg干空气，比容vm=0.98m3/kg干空气。由dA=0.0215kg水/kg干空气和80℃确定Ｂ点。查得Ｂ点的焓值：hＢ=１４０kJ水/kg干空气。q=10/0.98(140-85.2)=615.7kJ/s=615.7kW应用二：两种空气的混合过程。两种状态的湿空气A和B混合后的状态点C必在AB的连线上。根据质量守恒原理，混合后状态点位置必靠近气体质量较大的一方。在实际干燥过程中经常将两种不同热力学性质的空气进行混合，利用湿焓图可以很容易确定出混合后的气体状态点。当两种状态的湿空气A和B混合时，其混合后的状态点C必在AB的连线上。根据质量守恒原理，混合后的状态点的位置必靠近其中气体质量较大的一方。例题：将70℃

、相对湿度为30%，流量为10m3/h的废气与30℃

、相对湿度为60%，流量为20m3/h新鲜空气混合。确定混合气体的干球温度和湿含量。1、确定A点（新鲜空气）B点（废气）；2、连接AB线；3、混合空气包括2份新鲜空气和1份废气，根据质量守恒原理，混合后状态点位置必靠近其中气体质量较大一方；4、确定混合的气体点C。温度：44℃；湿度dA=0.032kg水/kg干空气。应用三：干燥过程。若这一过程为绝热干燥过程,则表示为A—B。绝热干燥过程必需符合以下三个条件：1、不向干燥器中补充热量；2、忽略干燥器向周围散失的热量；3、物料进出干燥器的焓相等。是一个理想的干燥过程，但它能简化干燥的计算，并能在图上迅速确定空气离开干燥器时的状态参数。例题：将50℃

、相对湿度为10%的热空气应用在大米的薄层干燥上，空气在饱和状态下排出。求每千克干空气移出水的量。（此过程为绝热干燥过程）1、确定A点：50℃，φ=10%，查出：dA=0.0078kg水/kg干空气；2、沿等焓线交φ=100%交于B点；3、查出：dB=0.019kg水/kg干空气；4、dB-dA=0.0112kg水/kg干空气。［例12-1］（1）等湿冷却过程。（2）冷凝减湿过程。例12-1典型的间壁式冷却减湿过程间壁式冷却过程当进行到露点温度，空气即达到饱和状态，空气中水蒸气就开始在冷却壁面上凝结出来，而且，随着冷却不断进行，水分不断析出，而温度则不断降低，但空气始终维持在饱和空气的状态。利用上述方法，如将凝结出来的水分设法除去，将所得的饱和空气再度加热，则不再恢复原有的状态，而空气的湿含量将永远小于原空气的湿含量，达到减湿的目的。

干燥静力学

干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算计算出湿物料中水分蒸发、空气用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计或选择换热器等。

物料含水量的表示方法

1湿基含水量Mw以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。

（12-19）

不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料为基准的湿物料中含水量，称为干基含水量，亦即湿物料中水分质量与绝对干料的质量之比，单位为kg水分/kg绝干料。

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。

2干基含水量Md：

Md为干基水分；ms为食品中水的质量；md为干物质的质量。（12-18）

（12-20）

（12-21）

湿物料的形态和物理性质湿物料可按其外观形态的不同而分为下列几种：①～⑧（P793）湿物料又可按其物理化学性质的不同粗略分为两大类：①～②（P794）湿物料中水分存在形式①机械结合水：这部分水处于食品表面和粗毛管中，与干物质结合较松弛，以液态存在，易于除去。②物理化学结合水：这部分水是指吸附水、渗透水和结构水，其中吸附水与物料结合比较牢固，难于除去。③化学结合水：这部分水是经过化学反应按一定比例渗于干物质分子内部，与干物质结合比较牢固，若去掉这部分水必然要引起物理性质和化学性质的变化，这种水不是干燥要排除的。L——绝干空气的消耗量，kg绝干气/s；

d1，

d2——分别为湿空气进出干燥器时的湿度，kg水气/kg绝干气；

Md1

，Md2——分别为物料进出干燥器时的干基含水量，kg水气/kg绝干料；

m1，

m2——分别为物料进出干燥器时的流量，kg湿物料/s；

md——绝干物料的流量，kg绝干料/s。

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。

二、干燥系统的物料衡算

湿空气干燥产品湿物料L,d2m2,Mw2,md,Md2m1,Mw1,md,Md1L,d11水分蒸发量ms

2干空气消耗量

L

对上图所示的连续干燥器作水分的物料衡算，以1s为基准。

（12-25）（12-2６）

令l=L/ms，称为比空气用量，其意义是从湿物料中气化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d0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。

（12-26）a3干燥产品的流量m2

式中

Mw1、Mw2——物料进出干燥器时的湿基含水量

湿空气的消耗量为：

（12-23）（12-24）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%（w）。以热空气为干燥介质，初始湿度d1=0.008kg水/kg绝干气，离开干燥器时湿度为d2=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

md=m1（1-Mw1）=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

ms=md（Md1-Md2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水/h

（2）空气消耗量

原湿空气的消耗量为：

L΄=L（1+d1）=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：

Qp——预热器的传热速率，kw；

QD——向干燥器中补充热量的速率，kw；

QL——干燥器的热损失速率，kw

Ld0,t0,h0

Ld1,t1,h1

Qp

QD

m2,Md2,θ2,h΄2

Ld2,t2,h2

m1,Md1,θ1,h΄1

QL

预热器

干燥器

通过干燥器的热量衡算可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态(d2，t2，h2)。

三、干燥系统的热量衡算

1预热器的热量衡算

2干燥器的热量衡算

若忽略预热器的热损失，以1s为基准，则有

式中：QD—干燥器内补充的热量，kJ/h；

ΣQL—因物料、运输机械的出入所带走的热量与干燥器的散热损失之和，kJ/h；特别提示：若物料、运输机械的出入是带走热量，则其值为正“+”；若物料、运输机械的出入是带入热量，则其值为负“-”。ε—每汽化1kg水分干燥器净收入的热量，kJ/kg汽化水。若ε=0，即h1=h2，称为等（恒）焓干燥过程（也称绝热干燥过程），所用干燥器称为理论（想）干燥器。过程线沿等焓线变化。若ε≠0，即h1≠h2，称为非等（恒）焓干燥过程（也称非绝热干燥过程），所用干燥器称为实际干燥器。下列干燥器QTR=0：回转筒干燥器，气流干燥器，喷雾干燥器，沸腾床（流化床）干燥器。湿物料的焓值按下式计算：式中：由于

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。

假设：

（1）新鲜空气中水蒸气的焓等于离开干燥器时废空气中水蒸气的焓，即：hv0=hv2。

（2）进出干燥器的湿物料比热相等，即：Cm1=Cm2=Cm。

非等（恒）焓干燥过程，空气离开干燥器时状态参数的确定非等焓干燥时，要确定空气离开干燥器时的状态参数就较为困难。通常，空气出口的已知参数为t2或φ2（或其它参数）。当出口温度t2已知时，可用解析法求解其它状态参数，其方法是联立以下两个方程：可求得d2，h2。设为过程线，P为1-2线上任一点，因1-2为直线，必有：即1-P和1-2线重合。过程线1-2的画法如下：用

求ε，若ε已知，则直接到2；2.由

任给一个d值，可求一个h值，由此d，h值定出P点，联1，P并延长与φ2（设φ2已知）线相交于2点，则点2即为所求出口空气的状态点。干燥系统的热效率

干燥效率是指用于蒸发水分所需的热量与干燥室内空气放出的显热量之比。

干燥器的热效率是指空气在干燥室内放出的显热量与空气在预热器中获得的热量之比。

干燥器的蒸发效率是指干燥器室内的实际蒸发能力与排气完全被水蒸汽饱和的理想蒸发能力之比。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

例12-4：某糖厂的回转干燥器的生产能力为4030kg/h（产品），湿糖含水量为1.27%，于310C进入干燥器，离开干燥器时的温度为360C，含水量为0.18%，此时糖的比热为1.26kJ/kg绝干料•0C。干燥用空气的初始状况为：干球温度200C，湿球温度170C，预热至970C后进入干燥室。空气自干燥室排出时，干球温度为400C，湿球温度为320C，试求：

（1）蒸发的水分量；（2）新鲜空气用量；（3）预热器蒸气用量，加热蒸气压为200kPa（绝压）；（4）干燥器的热损失，QD=0；（5）干燥器热效率。

t0=200Ctw0=170C

t