FE第八章 干燥

在h-H图上，查T0=20℃，φ0=0.80, h0=50kJ/kgd T1=140℃ ，h1=173kJ/kgd，H0=H1=0.012kgv/kgd。 过B点作等h线交T2=95℃等温线与C，查得
H2=0.030kgv/kgd, 如图所示。则：
1 1 l 56kgd /kg w H 2 H 1 0.030 0.012
第 八 章
干
第一节 第二节 第三节 第四节
燥
Drying
干燥的基本原理 干燥设备 喷雾干燥 冷冻干燥
第一节 干燥的基本原理
8-1 干燥的目的和方法 8-2 湿物料中的水分
8.2A 含水量 8.2B 水分活度 8.2C 吸湿和解湿 8.2D 物料中水分的分类 8-3 干燥静力学 8.3A 干燥过程的物料衡算 8.3B 干燥过程的热量衡算 8.3C 干燥过程空气状态变化分析 8-4 干燥动力学 8 .4B 干燥速率 8.4A 干燥机理 8.4C 干燥时间的计算
m s dx u Adt
2.干燥曲线与干燥速率曲线
（1）干燥曲线
通常将x-t曲线, 称作干燥曲线
（2）干燥速率曲线
u-t曲线和u-x曲线，称为干燥速率曲线。 AB段 物料预热段；. BC段 恒速干燥阶段； CE段 降速干燥阶段
临界点
3．恒速干燥阶段
dW Δ v h q α(T Tw ) u0 Δ v h Adt
其内部传质速率较小，为内部扩散控制 同一物料的整个干燥过程，一般前阶段为表 面汽化控制，后阶段为内部扩散控制。
8 .4B 干燥速率
1.干燥速率式 ，干燥速率（rate of drying）定义： 单位时间内在单位面积上除去的汽化水分量 用符号u 表示，单位为kgw/(m2· s) dW u Adt 因为dW=-msdx 故
w1 w 2 W m1 1 w2
1 w2 m1 m 2 1 w1
2.干燥空气用量 对进出干燥器的水分作衡算：
L(H 2 H1 ) ms (x1 x2 ) W
W L H 2 H1
设
l
L W
称作单位空气用量，kgd/kgw
1 l H 2 H1
8.3B 干燥过程的热量衡算
p.292
5 6
8.3C 干燥过程空气状态变化分析
1.绝热干燥过程
q l(h2 h0 ) qs qL cwθ1
q l(h1 h0 )代入
l(h2 h1 ) cw θ1 qs qL
令
n cw θ1 qs qL
n—物料带热散热净和
l(h2 h1 ) n h2 h1 εn H 2 H1
q =l(h1-h0）= 56×(173-50) = 6.89×103kJ/kgw (2)实际干燥过程 qL = QL/W = 33400/50 = 668kJ/kgw
h B T2 T0 A T1
ε = 0
C' D
C
H
h h1 n 1213kJ / kgv H H1 在H1～H2间任取 H = HD = 0.025 h= hD = h1+n(HD-H1) = 173-1213×(0.025-0.012) = 10.2×103kJ/kgw 由HD,hD确定点D,作直线BD交T2 = 95℃等温线于 点C’,查C’的H’2=0.024 1 1 l 83 kgd/kgw H1 0.024 0.012 H2 q = l(h1-h0) = 83×(173-50) = 10.2×103kJ/kgw
x
xe φe
aw
不 同 食 品 物 料 的 吸 湿 等 温 线
温 度 对 吸 湿 等 温 线 的 影 响
8.2D 物料中水分的分类
1.按物料与水分结合方式分类： （1）化学结合水 最牢，不能用一般干燥方法除去。
（2） 物理化学结合水
包括吸附水分，渗透水分和结构水分。 （3）机械结合水 包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。
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8-1 干燥的目的和方法
1.物料去湿 2.干燥的目的 （1）机械去湿法 （1) 延长食品货架期 （2）化学去湿法 （2) 便于贮运 （3）热量去湿法 （3) 加工工艺的需要 即为干燥 3.干燥的方法 （1） 对流干燥 又称热风干燥 （2） 传导干燥 （3） 辐射干燥 包括红外线干燥和微波干燥两种方法
1.耗热量
Q Lh0 (m2cs Wc w )θ1 QL Lh2 m2csθ2
Q L(h2 h0 ) m2cs (θ2 θ1 ) QL Wc w θ1
Q L(h2 h0 ) m2cs (θ2 θ1 ) QL Wc w θ1
令：q=Q/W 称单位热耗，J/kgw
H
例: 用气流干燥器将湿基含水量w1=5％的食品 物料干燥到w2=0.25％,产品量m2=1000kg/h。加热介 质用T0=20℃，φ0=0.80的新鲜空气经加热器加热到 T1=140℃，进入干燥器，出口温度T2=95℃，物料 入口温度θ1=50℃，出口温度θ2=80℃，干物料比 热容cs=1.256kJ/(kg.K)。 ⑴若此干燥过程为绝热干燥过程，求水分蒸 发量W，空气用量l和热消耗q； ⑵若已知干燥器表面散热QL=33.4MJ/h，试求出 口空气的湿含量H2以及此实际干燥过程的l和q。 解：⑴绝热干燥过程 w1 w 2 0.05 0.0025 W m2 1000 50kg/h 1 w1 1 0.05
2.按水分去除难易程度分类 (1）结合水分 （bound water） aw<1
（2）非结合水分
（unbound water） 其 aw≈1 3.按水分能否用干燥方 法除去分类
(1）自由水分（free water）
（2）平衡水分
（equilibrium water）
例: 10kg牛肉在20℃、相对湿度为0.60的空气中 达到解湿平衡，将失去多少水？这时牛肉中还含多 少克水？（鲜牛肉湿基含水量为73％） 解： ms =m1(1-w1) =10.0×(1-0.73) = 2.70 kg 查图，线4：对应φ=0.60, x2 = 0.14 牛肉还含水 mw2= msx2 = 2.70×0.14 = 0.38kg mw1 = m-ms =10.0-2.70 =7.30kg
（1）水分蒸发量； （2）空气消耗量； （3）加热器所用表压100kPa的加热蒸汽消耗量； （4）干燥器的散热损失； （5）干燥器的热效率。
解（1）水分蒸发量
w1 w 2 0.0128 0.0018 W m2 4000 44.6kg/h 1 w1 1 0.0128
（2）空气用量 查图7-20湿空气的h-H图，得
198000 2620 (113 49) 4000 1.26 3 36 31 44.6 4.17 31 12.0 10 kJ/h
（5）干燥器的热效率
WΔ v h 44.6 2405 η 0.542 3 Q 198 10
本次习题
q α u0 (T Tw ) Δv h Δv h
上式为理论上计算恒速干燥阶段干燥速率 u0的方程。 空气对物料的表面传热系数α 的经验公式：
（1）空气平行流过物料表面，空气质量流量
8-2 湿物料中的水分
8.2A 含水量
(1) 湿基含水量 w 是以整个湿物料为基准的含水量表示法
mw mw w m ms mw
(2)干基含水量 x 是以绝对干燥物料为基准的含水量表示法。
两种含水量的换算关系式：
w x 1 w
mw mw x ms m mw
x w 1 x
8.2B 水分活度aw (water activity)
qL=QL/W
qs m2cs (θ2 θ1 )/W
—蒸发1kg水相应物料升温所需热量, J/kgw
则
q l(h2 h0 ) qs qL cw θ1
2.热效率
WΔ v h Δ v h Δv h η Q q l(h1 h0 )
例8-3 用回转干燥器干燥湿糖，进料湿糖湿基 含水量为1.28% ,温度为31℃，每小时生产湿基 含水量为0.18%的产品4000kg,出料温度36℃。所 用空气的温度20℃，湿球温度为17℃，经加热器 加热至97℃后进入干燥室，排出干燥室的空气温 度为40℃，湿球温度32℃。已知产品的比热容为 1.26kJ/(kg· K)。 试求：
qs = m2cs(θ2-θ1)/W = 1000×1.256×(80-50)/50 = 754kJ/kgw n = cwθ1-qs-qL = 4.187×50-754-668 = -1213kJ/kgw
n > 0 的过程少见。 如干燥需热部分加于干燥室，则 n > 0。
3.中间加热空气的干燥过程
水的化学势：
μw μ RTlna w
w
μw μw 溶有溶质，一般 aw<1,则 μw μw aw越小，相应的 μw 也越低
纯水，aw=1,
水分活度aw 的大小是物料中水分化学势μw 高低的标志 实践中水分活度 aw 的定义：
aw p/p0
8.2C 吸湿和解湿
aw反映了食品中水分的热力学状态， 微生物生长 aw揭示水参与 的活动性程度 各种酶反应 aw标志在干燥时食品中水分挥发性的大小 应用物化概念aw，是食品工程学的一项进展
Q L(h1 h0 ) 2.62 103 (125 49) 198 103 kJ/h
Q 198 10 S 90kg/h Δv h 2205
3
（4）干燥器的散热损失
QL Q L(h2 h0 ) m2cs (θ2 θ1 ) Wc w θ1
0.14
失水 W= mw1-mw2 = 7.30-0.38 = 6.92 kg
8-3 干燥静力学
热风干燥的基本流程
8.3A 干燥过程的物料衡算
1.水分蒸发量和产品量 以 绝对干燥物料作物料衡算
m s m1 ( 1 w1 ) m2 ( 1 w2 )
1 w1 m 2 m1 1 w2
AB’+C’B” = AB, 加热量相同。 优点：空气入干 燥室温度较低，利于 热敏料干燥。
8-4 干燥动力学
8.4A 干燥机理
1. 干燥过程中的传热和传质
（1）外部传热和传质
外部传热是对流传 热，热流密度 q =α (T-Ts) 外部传质也是对 流传质，（ps-p） 是传质的推动力。
（2）内部传热和传质
n=0,则h2=h1，称为绝热干燥过程。
2.实际干燥过程 大多数情况下, n < 0。干燥操作线的斜率
如图中线BC’所示。 若下两过程空 气出口温度同为T2： BC—绝热干燥过程 对应 q,l
0
h
B T2 T0 A
T1
ε = 0
C' D
C
BC’ —实际干燥过程 对应q’,l’ 则 q’> q l’> l
物料内的传热都是热传导，遵从傅立叶定律 内部的传质机理比较复杂，是下面几种机理的 一种或是几种的结合: ① 液态扩散 ② 气态扩散
③毛细管流动
④ 热流动
2.表面汽化控制和内部扩散控制
（1）表面汽化控制
像糖、盐等潮湿的晶体物料， 水分的去除主要由外部扩散传质所控制。
（2）内部扩散控制 如面包、明胶等在干燥时，
（1) 当 aw>φ时 物料解湿（moisture desorption） 即是干燥过程 （2) 当 aw<φ时， 物料吸湿（moisture sorption） （3) 当 aw =φ时， 达到吸湿—解湿平衡
在达吸湿—解湿平衡时，
相对于物料 湿空气相对湿度称为平衡相对湿度φ e 相对于湿空气 物料的含水量称为平衡含水量xe 在数值上，aw = φ e 定温下 x~ aw 的关系曲线，称吸湿等温线
H 0 H 1 0.011kg v /kg d
H 2 0.028kg v /kg d
W 44.6 L 2.62 10 3 kgd /h H 2 H 1 0.028 0.011
（3）加热器中蒸汽用量
由h-H图可查得 h0=49kJ/kgd, h1=125kJ/kgd,, Tw1=38℃ h2=113kJ/kgd