食品干燥技术-干燥原理-1

k c
2 热质传递过程简介
2.6 热质传递类比
第 二 章 干 燥 基
本
原 理
食品干燥技术
Food Drying Technology
第二章 干燥基本原理
1 引言
2 热质传递过程简介 3 食品（薄层）干燥过程-干燥动力学 4 干燥介质的热力学性质 5 湿物料的热物性
6 厚层干燥过程的分析计算
7 对流干燥的形式与特点
1 引言
1.1 食品中水分的存在形式-结合水和非结合水
第 二 章 干 燥 基
2 热质传递过程简介
2.2 界面对流传质
第 二 章 干 燥 基
在稳定条件下，边界层的对流传质方程与对流传热方程相似：
w hM ( sf g )
hM：对流传质系数（W/m2· K或kW/m2· K） ρg: 干燥介质中水分的浓度，ρsf：固体表面处水分的浓度
本
原 理
2 热质传递过程简介
划分依据：根据物料与水分结合力的强弱
1 结合水分 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。 特点：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。
本
原 理
本
原 理
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。
1 引言
1.1 食品中水分的存在形式-比较
第 二 章 干 燥 基
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。 x1
J Ax D AB
4. 对于干燥过程而言，物料内的水分含量M相当于ρ ： J D dM Ax AB
d A dx
dx
2 热质传递过程简介
2.5 非稳态下的传质传热
第 二 章 干 燥 基
非稳态下的分子扩散-费克第二定律
上述的分子扩散过程认为浓度和扩散通量均不随时间变化，即定常扩散。而实
动量传递的一个复杂过程。
边界层外部是等温、等湿的 干燥气体，不存在热质传递 现象。 边界层内部则存在干燥气 体的温度梯度和水蒸气浓度 梯度。 物料内部的温度和湿度梯 度导致了内部的热传导和质 量扩散。
本
原 理
1 引言
1.2 干燥过程中热质传递的定性了解
第 二 章 干 燥 基
传热方式包括传导、对流和辐射3种。食品工业所使用的干燥器主要是对流 型的，热空气作为干燥介质（但是冷冻和真空干燥是例外）。干燥介质与物 料之间的传热为对流传热，物料受热后内外之间存在温度差异，内外层之间 的传热为传导传热。
1 引言
1.1 食品中水分的存在形式-结合水与非结合水
第 二 章 干 燥 基
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（主要指半径大于10-5cm）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。
本
原 理
T q x k x
q kT
q kT
t1 b t t t o b
1 2
t2
Q
ｋ：导热系数（W/m· K或kW/m· K）
x
2 热质传递过程简介
2.4 稳态下的分子扩散-费克第一定律
第 二 章
类似傅立叶定律，费克提出分子扩散定律：扩散通量与浓度梯度成正比。
1. 组分A(相当于水分)通过组分B(相当于干物质基质)在x方向的扩散通量：
J Ax C DAB
干 燥 基
C：混合物的摩尔浓度，xA：A的摩尔分数；DAB：A在B中的扩散系数
dx A dx
2. 如果C为常数（即：不随x变化）： J Ax D AB
本
原 理
dC A dx
3. 对于液体混合物，常用质量分数ω表达，混合物的质量浓度ρ为常数时 ：
物 料 x 0 的 含 水 量 x* 非结合水分
本
原 理
总 水 分
自 由 水 分 平 衡 水 分
结 合 水 分 100%
0
空气相对湿度φ
1 引言
1.2 水分含量的表达形式-干基水分与湿基水分
第 二 章 干 燥 基
干基水分：每千克干物质所含有的水分质量，通常用M （kgH2O/kg 干 物质）表示。
2.1 界面对流传热-牛顿冷却定律
第 二 章 干 燥 基
对流传热是指流动介质各部分发生相对位移时引起的热量传递现象。 食品干燥过程中干燥介质与物料之间的热量传递即为对流传热。 牛顿冷却定率：单位时间内通过单位面积的热量与流体和物体表面
之间的温度差成正比：
本
原 理
q hH (Tg Tsf )
hH：对流传热系数（W/m2· K或kW/m2· K） Tg: 干燥介质的温度，Tsf：固体表面的温度
本
原 理
过程描述：表面水分首先由液态转变为气态，而后水蒸气从物料表面向周围
介质转移。于是表面的水分含量降低，这时物料的内外层之间存在水分梯度， 成为水分转移的推动力，内部水分向表面转移。水蒸气从物料表面向周围介质 的扩散称为外扩散；以湿度梯度为推动力使水分在物料内部转移称为内扩散。
1 引言
1.4 物料干燥过程的推动力和阻力
如果用干基水分表示，则：
本Байду номын сангаас
原 理
M
Ww M ' Ww (1 M ' )
湿基水分与干基水分的换算关系为：
M
M' 1 M '
M '
M 1 M
停留时间分布-反应动力学
1 引言
1.2 水分含量的表达形式-水分的不均匀性（平均水分）
第 二 章 干 燥 基
水分分布的不均匀性：
对于处于降速干燥阶段的物料，外层的水分较低和内层的水分较高，
2 热质传递过程简介
第 二 章 干 燥 基
2.1 界面对流传热
2.2 界面对流传质 2.3 稳态下的传导传热 2.4 稳态下的分子扩散 2.5 非稳态下的热传导和分子扩散 2.6 传热传质类比
本
原 理
2 热质传递过程简介
食品干燥中的几种传热形式：传导、对流、辐射
第 二 章 干 燥 基
本
原 理
2 热质传递过程简介
际干燥过程中的扩散多为非定常扩散。
在扩散方向上取厚度∆x、长度l、单位宽度的薄壳体，根据：输入质量流速-输
出质量流速+质量产生流率=累计质量流速，以及费克定律可以推导出：
本
原 理
非稳态下的热传导：
忽略外部热阻：
M d 2M D AB t dx2
T d 2T 2 t dx
D：水分扩散系数，α：热扩散系数
也就是水物料内的水分分布是不均匀性的，这时采用上述公式计算的水
分只是物料的平均水分。
本
原 理
对于一批需要干燥的物料来说，不同物料个体之间的水分也可能存在
差异。
1 引言
1.3 干燥过程中热质传递的定性了解
第 二 章 干 燥 基
本
原 理
1 引言
1.3 干燥过程中热质传递的定性了解
第 二 章 干 燥 基 干燥是同时涉及热质交换和
Ww M Wd
湿基水分：指水分质量占相应湿物料质量的百分比，通常用M’（%） 表示。
本
原 理
Ww M ' Wd
1 引言
1.2 水分含量的表达形式-两种水分的换算关系
第 二 章 干 燥 基
Ww重量的湿物质，其湿基水分为M’，则所含水分为WwM’、所含 干物质为 :
Ww M 'Ww Ww (1 M ' )
2.3 稳态下的传导传热-傅立叶定律
第 二 章 干 燥 基
热传导：指静止介质间的热量传递。热传导引起的能量传递方式有两种，
一种是通过分子间的相互作用，即高能位的分子由于较剧烈运动将能量传
递给邻近低能位的分子；另一种是靠“自由”电子进行的能量传递。 Fourier定律：单位时间内通过单位面积的热量（称为热流密度，热通 量）与法线方向的温度梯度成正比。