食品工程原理――干燥

1、重点：空气焓湿图、干燥反应历程、干燥曲线、干燥时间的计算难点：空气焓湿图、干燥反应历程、第八章材料干燥、除湿：去除材料中的水分及其他溶剂(统称为湿润分)的过程。 除湿的方法：机械除湿：采用过滤、压缩、吸引、离心分离等方法除去除湿成分。 物理化学脱湿法：用石灰、无水氯化钙元素等吸湿性材料吸收水分。 该方法费用高，操作麻烦，只能适用于少量固体材料的除湿，或瓦斯气体中的水分去除。 热能除湿：如蒸发、干燥等，采用加热的方法使水分和其他溶剂气化，将产生的蒸汽排除，薯除去固体材料中水分的操作称为固体干燥。 第一节概要、干燥过程分类、操作压力：常压干燥、真空干燥、操作方式：连续式、间歇式、传热方式：传导干燥

2、、对流干燥、辐射干燥和介质加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的联合干燥。 工业上最普及的是对流干燥。 通常使用的干燥介质是空气，除去的水分是水分。 空气既是热介质，也是湿介质。 材料的干燥过程是传热与传质结合的过程。 干燥过程进行的条件：被干燥材料表面产生的水蒸气(或其他蒸气)的压力比干燥介质中的水蒸气(或其他蒸气)的分压大，差压越大干燥过程越快。 因此，干燥介质必须立即带走气化的水蒸气，维持一定的气化水推进力。1水蒸气分压pv空气中水蒸气分压越大，水分含量越高，根据气体分压规律，2大气湿度h也称为大气湿度含量或绝对温度。 湿空气中水蒸气的质量与绝对干燥空气的质量之比表示，用符号表示，其单

3、位为： kg水分/kg干燥空气。第二节湿空气的性质和大气湿度图一、湿空气的性质、在常温下，湿空气可以看作是理想的气体，有饱和状态时，湿空气中的水蒸气分压pv等于该空气温度下的纯水的饱和蒸汽压力ps，有水的饱和蒸汽压力仅与温度有关，因此湿空气的饱和大气湿度是温度和总压力的函数pv=ps时，=1表示潮湿空气为饱和空气。 在一定温度和总压力下，潮湿空气的水蒸气分压pv与同温度下水的饱和蒸汽压力pS之比的百分比称为相对大气湿度，相对大气湿度：能够说明潮湿空气偏离饱和空气多少，能够判定该潮湿空气作为干燥介质发挥作用，值和小大气湿度：湿空气的水分量的绝对值，不能用于识别湿空气的吸湿能力。 在一定的总圧与温

4、度下，两者的关系为：相对大气湿度与绝对大气湿度的关系、相对大气湿度与绝对大气湿度的关系、4湿空气的比热CH、式中CH湿空气的比热、kJ/(绝对空气oC )； cg干燥空气的比热、kJ/(干燥空气oC) cv水分瓦斯气体的比热、kJ/(水分瓦斯气体oC )、上式表示的是湿润空气的比热为大气湿度的函数。 常压下，湿空气中1kg的绝对干燥空气和水蒸气温度相应上升(或下降)所需的热量也称为比热，用记号CH表示，单位为kJ/(绝对干燥空气oC )，即在常用的温度范围内，为5湿空气的焓I， 湿空气中1kg的绝对干燥空气的焓和与之相应的水蒸气的焓之和，称为湿空气的焓，用符号I表示，单位为kJ/kg干燥空气。

5、注：空气焓是以干燥空气和液态水的0 oC时焓为零为基准计算的，因此对于温度t和大气湿度为的湿空气，焓从0 oC的水变化为0 oC的水蒸气所需的潜热和湿空气从0 oC上升到t oC所需的潜热包含6湿式空气的比体积vH，在湿式空气中，绝对干式空气体积1kg与其相对应的Hkg水分体积之和也被称为湿式空气比体积，用符号vH表示的、具有7露点td的不饱和空气，其大气湿度发生变化空气从露点持续冷却时，水蒸气的一部分以露珠的形式凝结。 空气的总压是一定的，露点时的饱和水蒸气压力ps、td仅与空气的大气湿度Hs、td有关，即ps、td=f(Hs，td )或td=(Hs，td )的大气湿度越大，td越大。 露点

6、时，空气的大气湿度为饱和大气湿度，=1。8干球温度t和湿球温度tw、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比干球温度t低。 形成原理(未图示):对于某一定干球温度的湿空气，干球温度t和湿球温度tw的相对大气湿度越低，湿球温度值越低。 在饱和湿润空气中，其湿球温度等于干球温度。 在稳定态中，空气向湿纱布表面传热速度为Q=S(t-tw )，在空气水蒸气系统中，/kH=1.09，瓦斯气体膜中的水分向空气的传热速度为N=kH(Hs，tw-H)S，在稳定态中，传热速度和传热速度的关系为Q=Nrtw，湿球温度实际上为湿纱布因为不代表空气的真正温度，所以温度由湿空气的温度、大气湿度

7、决定，所以称为湿空气的湿球温度，强调：9绝热饱和温度tas，与绝热降温加湿过程等焓过程，在空气绝热加湿过程中空气损失的是显热、气化的潜热，空气的温度和大气湿度根据过程而变化形成原理：绝热加湿过程进行到空气被水蒸气饱和时，空气温度不降低，与循环水温度相等，该温度称为该空气的绝热饱和温度，用符号tas表示，其对应的饱和大气湿度为as，此时的水温度也为tas。绝热饱和温度、塔顶和塔底的湿空气焓分别为：与as值和l相比较小的数值，因此CH、cha不随大气湿度而变化，即可以看作CH=CHas。 但是，湿空气在绝热加湿过程中等焓过程，即I1=I2，在实验测定中，在湍流状态的空气水蒸气系统中，a/kH CH

8、、r00 rtw，因此强调在一定温度t和大气湿度h下，绝热饱和温度tas和湿球温度tw是大相迳庭概念。 但是，两者都是湿空气状态(t和h )的函数。 特别是在空气水分系统中，两者在数值上大致相等，在其他系统中没有这种关系。 空气水蒸气系统、干球温度、绝热饱和温度(或湿球温度)和露点的关系是不饱和湿润空气： ttas (或tw)td、饱和湿润空气： tas (或tw)td、在工序计算中湿润空气的焓I为纵轴、大气湿度h为横轴的焓湿润图、即I-H图图中有5种线，图中都表示了一定的温度t和大气湿度的潮湿空气状态。 等大气湿度线(等h线): 等焓线(等t线): 等相对温度线(等t线): 等相对温度线(等

9、t线): 水蒸气分压线：二、湿空气的大气湿度图、一等大气湿度线(等h线)、二等焓线(等I线)、三等t线(等t线)、I=(1.88t 2490)H 1.01t 各种温度的等温线因为其斜率为(1.88t 2492 )，所以温度越高斜率越大。 因此，这许多直线的等t线不相互平行。 的双曲正切值。 在同一条等h线上，湿空气的露点td不变化。的双曲正切值。 在同一条等I线上，潮湿空气的温度t随大气湿度h的增大而下降，但焓没有变化。 4等相对温度线(等线)在湿空气的大气湿度为一定值时，温度越高，相对大气湿度值越低，也就是作为干燥介质时，吸收水蒸气的能力越强，所以湿空气进入干燥机之前需要用预热器预热来提高温

10、度，提高湿空气的焓5水蒸气分压线、空气的大气湿度和空气中的水蒸气分压pv的关系曲线。 湿空气的总压力不变的话，水蒸气的分压pv根据大气湿度而变化。 水蒸气分压绘于右端的纵轴，其单位为kN/m2。 干球温度t、露点td、湿球温度tw (或者绝热饱和温度tas )全部由等t线决定。 潮湿空气的任意两个独立参数可以标识H-I图上的空气状态点，并检测空气的其他性质。 不独立的参数是tdH、pH、tdp、twI、tasI等，它们都在同一条等h线或等I线上。 湿焓图的描述和应用通常根据以下已知条件之一确定湿空气的状态点： 已知条件为()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； (

11、)潮湿空气的干球温度t和相对大气湿度。 例：湿空气的总压力为101.3kN/m2，大气湿度为H=0.02 kg水/kg干燥空气，干球温度为70o C。 试着解决Ih格拉夫： (a )水蒸气分压p； (b )相对大气湿度(c )热焓(d )露点td (e )湿球温度tw解，在已知的条件： 101.3kN/m2、H=0.02 kg水/kg干燥空气、t=20o C、I-H图上确定湿空气的状态点。 pv=3kN/m2=10% I122kJ/kg干燥空气td=24oC tw=33o C，1间的壁式加热和蒸发制冷，如果空气的温度变化范围在露点以上，则空气中的水分量始终不变，在不饱和状态下，在等湿过程中，路

12、线是垂直线。 三、湿空气基本状态的变化过程，双壁式蒸发制冷减湿，采用上述方法将冷凝水分除去，所得饱和空气加热则无法恢复原状，空气大气湿度低于原空气大气湿度，即达到减湿目的。 当上述间壁式蒸发制冷过程达到露点时，空气达到饱和状态，继续蒸发制冷，水蒸气凝结于冷却壁面，温度不断下降，但空气始终处于饱和状态。 3不同状态的空气混合，混合空气的状态点进入超饱和区域，例如图中的3-4直线上的d点，混合物分为气体的饱和空气和液体的水两部分，前者的状态点是过d点的等温线和=1线的升交点e。 设有状态不同的空气1和2，对应的干燥空气的量为G1和G2，对应的状态为(H1、I1)、(H2、I2)。 混合两种空气后，

13、由材料平衡计算和热平衡计算求出4绝热冷却加湿过程、绝热饱和过程的进行，结果被称为空气的蒸发制冷、空气的加湿、绝热冷却加湿过程。 当空气和水直接接触时，空气的物态变化可以看作是空气和液态水表面边界层内的饱和空气混合的过程。 空气(用a点表示)与温度tas的冷却水(其表面的饱和空气用b点表示)接触时，水温不变化，b点的位置也一定，因此空气的混合进行的过程表示空气的状态从a点向b点不断移动。 第三节干燥过程的材料收支计算和热平衡计算，干燥过程计算中，以干燥机的材料收支计算和热平衡计算计算湿润材料中的水分蒸发、空气使用量和必要热量，并基于此选择适当型号的送风机，设计或选择热交换设备。 一、材料含水量的

14、表示方法，一湿化学基含水量w，以湿材料为计算标准的材料中水分的质量百分比或质量百分比。 第三节干燥过程的材料收支计算和热收支计算一、材料含水量的表示方法、不含水分的材料通常称为绝对干材料或干材料。以绝对干资材为基准的湿资材中的水分量称为干化学基水分量，是湿资材中的水分质量和绝对干资材的质量的比，单位是kg水分/kg绝对干资材。 两种含水量的换算关系，注：工业上经常采用湿润化学基含水量。 2干化学基含水量：l绝干空气的消费量、kg绝干瓦斯气体/s； H1、H2分别是湿空气出出进进干燥机时的大气湿度，kg水分/kg干燥瓦斯气体即X1、X2分别是材料出出进进干燥机时的干燥化学基的水分量，kg水分/k

15、g的干燥材料即G1、G2分别是材料出出进进干燥机时的产水量，kg湿润材料/s即g干材、根据资材平衡计算，可以决定湿资材干燥到规定含水量蒸的水分量、空气消耗量、干燥产品的产水量。 二、资材平衡计算、1水分蒸发量w、2干燥空气消耗量l、对上图所示的连续干燥器进行水分的资材平衡计算，以1s为基准。 l=L/W时，称为比空气使用量，其意义是从湿润资料中使水分1kg气化所需的干燥空气量。 新鲜空气进入干燥机之前用预热器加热，加热前后的空气大气湿度不变，所以进入预热器时的空气大气湿度用H0表示，有上式的说明。 空气的使用量只与空气的最初和最终的大气湿度有关，与干燥过程所经历的路径无关。 3干燥产品的产水量

16、G2，式中，w1、w2材料出入干燥机时湿润化学基的水分量、湿润空气的消耗量为：例：在连续干燥机中，每小时处理1，1000 kg湿润材料，干燥材料的水分量由10%下降到2%。 以热风为干燥介质，假定初期大气湿度H1=0.008kg水/kg干燥瓦斯气体、远离干燥机时的大气湿度H2=0.05 kg水/kg干燥瓦斯气体、干燥中无资材损失，求出水分蒸发量、空气消耗量及干燥制品量。 进入干燥器的干燥物为G=G1(1-w1)=1000(1-0.1)=900kg的干燥物/h，解： (1)水分蒸发量：如果将材料的湿润化学基含水量换算成干燥化学基含水量，则水分蒸发量为w=g (x1- x2)=900 (0. 11

17、1-0.0204 )=900 (0. 111-0.0204 ) 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(比空气使用量)为、Qp预热器的热传递率，kw； QD向烘干机补充热量的速度，kw； QL干燥器的热损失率、kw可以决定在干燥器的热平衡计算中材料干燥所消耗的热和干燥器排出空气的状态(H2、t2、I2)。 三、热量平衡的计算，一预热器的热量平衡的计算，二干燥器的热量平衡的计算，三干燥系统消耗的总热量，无视预热器的热损失，以一s为基准，有湿润材料的焓，(一)新鲜空气中水蒸气的焓远离干燥器时，在排气空气中(2)被干燥器出出进进湿的材料的比热相等，即，Cm1=Cm2=Cm。 由上式可知，输入到系统的热量被用于加热空气、加热材料、蒸发水分、热损失等4个方面。 4干燥系统的热效率、水分蒸发所需的热量为：定义：若将湿润材料中的水分代入系统，忽略焓，则Qv=w(2490 1.88t2)-4.1871w，远离干燥机的空气的温度降低，大气湿度增加(注意吸湿性材料)。 提高热风进口温度(注意热敏性材料)回收排气瓦斯气体，利用