食品工程原理——食品干燥原理

第12章食品干燥原理

用加热的方法除去湿物料中的湿分以获得固体产品的单元操作称为干燥。干燥方法按加热方式可分为四大类：

(1)导热干燥热量通过与食品物料接触的加热面直接导入，使材料中的湿分汽化排除，达到干燥的目的。

(2)对流干燥热量以对流的方式传递给湿物料，使食品材料中的湿分汽化，以达到干燥的目的。干燥介质（空气）既是载热体又是载湿体。

(3)辐射干燥热量通过电磁波的形式由辐射加热器传递给食品材料表面，再通过材料自身的热量传递，使内部的湿分汽化，达到干燥的目的。

(4)介电加热干燥在高频电场中，食品材料中的湿分分子处于高速旋转与振动，由此产生的热量使湿分汽化，达到干燥的目的。

干燥操作既包含传热过程又包含传质过程，两者的传递方向可能相同，也可能不同，但遵循的规律是：

热量传递方向：热量总是由高温区向低温区传递。

物质传递方向：物质总是由高浓度（或高分压）区向低浓度（或低分压）区传递。 干燥进行的必要条件：物料表面的湿汽的压强必须大于干燥介质中湿分的分压。此差值越大，推动力越大。

本章所论及的湿分为水分，干燥介质为热空气。

1 湿空气的热力学性质

1．1 湿含量（湿度）H

湿含量是湿空气中水蒸汽的质量与绝干空气的质量之比。 v v a a v v a v p P p M n M n m m H -===2918

或 v v p P p H -=622.0 （kg/kg 绝干气）

式中：p v 、P-分别为水蒸汽分压和湿空气总压，Pa 或kPa 。

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． 2相对湿度φ

湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。

s v p p =φ

式中：p v 、p s -分别为水蒸汽分压和同温度下水的饱和蒸汽压，Pa 或kPa 。

相对湿度用来衡量湿空气的不饱和程度，反映湿空气的吸收水汽的能力，φ值越小，吸收水汽的能力越强。

对于饱和湿空气，φ=1（或100%）； 对于绝干空气，φ=0。

注意：当湿空气达到饱和时，表示其中所含的水蒸汽量已经达到最大值，超过此值的水分量必将以液态水的形式析出。因此，φ≤1。

∴ s s p P p H φφ-=622.0

1. 3湿空气的比热容C H 和湿比容υH 将湿空气中1 kg 绝干空气及其所带的H kg 水蒸汽的温度升高1℃ 所需吸收的热量。 v a H HC C C += 将绝干空气及水蒸汽的平均比热容代入可得：

H C H 93.10.1+= （kJ/kg 绝干气·℃） 湿空气的湿比容υH 是指含有1 kg 绝干空气

的湿空气所占有的体积（m 3/kg 绝干空气）。

P

P t H H 02732734.22)18291(⨯+⨯⨯+=υ 或 P P t H H 0273273)244.1772.0(⨯+⨯+=υ

式中：t-湿空气的温度，℃；

P 0、P-分别为标准大气压和湿空气的压强，Pa 或kPa 。对常压湿空气，P 0/P=1。

1.4 湿空气的热含量(焓)I

湿空气的热含量（或焓）I 是指含单位质量绝干空气的湿空气的焓。具体应用时，以0 ℃的绝干空气和0 ℃的液态水的焓值为

零作为计算起点。

H t t H t C Lv t C I v a )93.12500(0.1)(0++=++=或H t H I 2500)93.10.1(++= (kJ/kg 绝干气) 式中: t 为湿空气的温度,℃。

1.5 干球温度t 和湿球温度t m

干球温度t ：用一般温度计所测得的空气温度；

湿球温度t m ：用湿球温度计所测得的空气温度。

湿球温度计：将温度计的感温部分包以湿纱布，使其始终处于润湿状态所构成的温度计。

湿球温度形成的原理：因物质交换(湿度不同)导致热量交换,最终达到热、质的传递平衡。 传热达平衡时,有：

Lv H H A k t t A Q s H m )()(-=-=α

或 )(H H Lv k t t s H m --=α

式中：H s -液滴表面空气层的饱和湿含量；

k H -气化系数，kg/（m 2·s ）；

L V -水在t m 下的汽化潜热，kJ/kg ；

α-对流传热系数，kW/(m 2·℃)；

A-传热（质）面积，m 2。

对空气—水系统:

α/k H =C H ≈1.09kJ/kg. ℃

1．6 露点t d

湿空气的露点t d 是不饱和空气在其总压和湿度保持不变的情况下，被冷却降温达到饱和状态时的温度。

若湿空气的温度降低到露点以下，则所含超过饱和部分的水蒸气将以液态水的形式凝结出来。

由于湿度不变，因此有： sd sd v v s p P p p P p H H -=-==622.0622.0

或 H HP p sd +=622.0

此式即为露点计算式。由上式求得p sd 后，查饱和水蒸汽表可得t d ；或由下式计算t d ：

235182.4030561.23+-=d sd t Lnp

式中，p sd 的单位为Pa ，t d 的单位为℃。 湿空气的几个温度之间的关系：

对于不饱和湿空气，有 t >t m >t d ； 对于饱和湿空气，有 t =t m =t d 。

2 湿空气的湿焓图及使用方法

2．1 湿空气的湿焓图（H －I 图）

见书P791，Fig12-5，本图是在总压强等于101.33 kPa 下绘制的。 特别提示：湿焓图上的任一参数值均是以 1kg 绝干空气为基准的。

湿空气的H-I 图由以下诸线群组成：

1）等湿度线（等H 线）群

等湿度线是平行于纵轴的直线群，数值从0到0.15kg/kg 绝干气。

2）等焓线（等I 线）群

等焓线是平行于斜轴的直线群（与纵轴的夹

角45º），数值从0到480kJ/kg 绝干气。

3）等干球温度线（等t 线）群

等干球温度线是一系列向上倾斜但互不平