第12章8食品干燥原理

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1、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

2、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。,mv %Mv 18 PvH 二ma naM a 29Pv或H = 0.6 2訂I（ kg/kg绝干气）式中：pv、P-分别为水蒸汽

3、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相对湿度湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和 蒸汽压之比。Ps式中：pv、ps-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，0值越小，吸收水汽的能力越强。对于饱和湿空气，0 =1 （或100%）;对于绝干空气，0 =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， 0总。H 二 0.622PsP_ Ps1.3湿空气的比热容 Ch和湿比容u

4、 h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C所需吸收的热量。Ch = Ca HCv将绝干空气及水蒸汽的平均比热容代入可得：ch.0 193H（kJ/kg 绝干气C）湿空气的湿比容u H是指含有1 kg绝干空气 的湿空气所占有的体积（m3/kg绝干空气）旦)22.4心3旦18273 P二(0.772 1.244H)t 273 P273 P式中：t-湿空气的温度,C;Po、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， Po/P=11.4 湿空气的热含量(焓)1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 C的绝干空气和

5、0 C的液态水的焓值为 零作为计算起点。I = Cat (Lv0 Cvt)H T.0t (2500 1.93t)H 或 I = (1.0 1.93H)t2500H (kJ/kg 绝干气)式中：t为湿空气的温度，C。1.5 干球温度t和湿球温度tm干球温度t :用一般温度计所测得的空气温湿球温度tm :用湿球温度计所测得的空气温 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：Q A(t-怙)=JA(Hs - H)LvkH Lv或 tm = t -(H H)式中：

6、Hs-液滴表面空气层的饱和湿含量；kH-气化系数,kg/ (m2 s);Lv-水在tm下的汽化潜热，kJ/kg ;a对流传热系数，kW/(m 2;A-传热(质)面积，m2。对空气一水系统：akH=CH 勺.09kJ/kg.C1.6 露点td湿空气的露点td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：H =H / 0.622 亠=0.622 PdP- PvP- PsdHP或 Psd = 0.622 H此式即为露点计算式。由上式求得psd后,查饱和水蒸汽表可

7、得td;或由下式计算td:LnPsd 二 23.561 -4030.182td 235式中，psd的单位为Pa , td的单位为C 湿空气的几个温度之间的关系:对于不饱和湿空气，有ttmtd ；对于饱和湿空气，有t=tm=td。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。观废H/kg/kgT荒气特别提示：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（

8、等I线）群等焓线是平行于斜轴的直线群（与纵轴的夹角45）,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 行的直线群，数值从-10 C到185 C。4）等相对湿度线（等线）群 等相对湿度线是一系列向上倾斜弯曲的曲 线群，从 =5%到=100%共11条。5）水蒸汽分压线 图中右下角的一系列水平直线群，数值从 0 到 18kPa 。2.2 湿焓图的应用1 ）由 H-I 图上任一状态点确定湿空气的状 态参数值，方法见下图：i i ii1由图可清楚的看出：对于不饱和湿空气，有 ttmtd ；对于饱和湿空气（状态点A落在= 100% 线上），有

9、t=tm=td。特别提示：湿焓图上 =100%线上任一点均 表示湿空气处于饱和状态。2）由湿空气的任意两个独立参数在H-I图上确定状态点Aa）已知t, tmb）已知t, tdc）已知t,C3.湿空气的基本状态变化过程3. 1间壁式加热和冷却以及冷（却）凝减湿过程1）间壁式加热和冷却特点：等湿过程，过程线为直线，加热T,冷却J。当湿空气被冷却至露点时，空气达到饱和状态，湿空气中的水蒸汽就开始在冷却面上凝结出来，随着冷却过程的进行，水分也不断析出，而温度则不断降低，但空气始终维持在饱和状态，这时，过程线主要沿0=100%线变化。特别提示：当空气湿度不变时，既可用湿 比热法又可用焓差法计算状态变化的

10、热 量，但空气湿度变化时，只能用焓差法计 算状态变化的热量。3 . 2不同状态湿空气的混合过程设有两股空气，对应的绝干空气量为Li和L2,对应的状态为（Hi，I1）和（H2，I2 ）， 混合后的湿度和焓值可由物料及热量衡算 求得。混合前后水分量不变：L1H1+ L2H2= （ L1+L2） Hm混合前后焓值不变：L1I1+ L2l2= ( L1+L2) Im由上两式可得：HHm IIm LiH m H 11 m 1 1 L2可见，混合点 m （在H-l图上）位于1, 2 两状态点的联线上，且 m点划分线段1-2 ,2m L1不=匚（杠杆定律）同时可由上两式解得:HmL1H1l2hL1I1L2

11、I 2L1L2例12-1 :空气的温度为30 C,露点温度为12 C,问：(1)当冷却到16 C时，相对 湿度为多少？ 有600 m 3的空气，当温度 从30C冷却到2 C时，能失去多少千克水？ 解：(1)等湿冷却过程。首先确定新鲜空气的 状态点(H1=0.0088 ,1=33% ),然后作等 湿线与t=16 C的等温线相交，可读得过此交 点的值为80%。(2)冷凝减湿过程。先由等温线t=2 C与巾=100%线的交点可读得 H2=00043kg/kg 绝干气。然后计算新鲜空气的湿比容以求绝干空气量L1290.008818)22.4273 30273下列几种：(P793 )二 0.870m3/k

12、g绝干气6000.87二690kg绝干气下列几种：(P793 )下列几种：(P793 )除去的水分量：W 二 L(H, - H2)= 690 (0.0088- 0.0043)二 3.11kg4.湿物料的基本性质4.1湿物料的形态和物理性质 (1)湿物料可按其外观形态的不同而分为下列几种：(P793 )(2) 湿物料又可按其物理化学性质的不同粗略分为两大类：(P794 )4.2 湿物料中水分存在形式和表示法 (1)物料中水分存在形式 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。 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

13、结合比 较牢固，难于除去。 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。(2)物料中水分含量表示法表达方法有湿基含水量和干基含水量两种。 湿基含水量3：湿物料中含有的水分质量与湿物料的总质量之比。W _湿物料中水分质量G湿物料的总质量干基含水量X :湿物料中含有的水分质量 与绝干物料的质量之比。X W湿物料中水分质量GC 湿物料中绝干物料质量两者之间的换算关系为4. 3平衡水分平衡水分：湿物料与一定状态(温度和湿度 一定）的空气接触达平衡时，残余在湿物料 中不能排除

14、的水分。平衡水分与空气相对湿度的关系曲线称为 吸附等温线。若干种食品的吸附等温线参见图 12-9，10 和表 12-1。平衡水分与物料的性质和空气的状态有关。湿物料中各种水分的意义:（空气的温度*常数）由图可得：当物料性质一定时，它的平 衡水分与空气的状态有关。当温度不变时，平衡水分与空气的相对湿度的关系是：空气的相对湿度越大，平衡水分也越大。一般当0不变时，温度升高，平衡水分略有 降低，但温度变化范围不大时，可认为平衡 水分仅与有关。可除去水分：在干燥操作中所能除去的水分,即物料中所含大于平衡水分的那部分水分。特别提示：改变空气的状态，就可以改变物料的平衡水分。5 .湿物料常压热风干燥过程通

15、常干燥系统由两个主要部分组成：空气预热器和干燥器（室），如图所示。L预热器PLX Qi.干燥器_ Lj 1to,Ho,loti,Hi,IiG2, 02 ,1:Qp/ ,X2Gi, 0Qd“ t2,H2,I2)1 ,l1：X15.1热风干燥过程计算下列符号的意义：G1湿物料的处理量，kg/h ;G2干燥产品量，kg/h ；Gc湿物料中绝干物料量，kg/h ；L以绝干空气计的空气消耗量，kg/ hQp空气预热器耗热量，kJ/ h。(1)产品量和汽化水分量干燥过程中，绝干物料的量不变，即Gc 二 G1 - i) = G2(1 -2)干燥产品量：CGi(1 !)G2 = !-2汽化水分量：co - c

16、oco - coW = G _ G2 = G1G2 _1 - 2 1 - 1以干基含水量表示时，有：G2 = Gc(1 X2)W = Gc(X1 - X2)2)空气消耗量L对干燥系统作水分的衡算，有：W = L(H厂 H1p Gc(XX2冰c)由 U =UcdWGCdXAdt A d t 可得:titiGCXldXGc(Xi - X2) _ WcAUCAU cUc的获取方法:1) 直接查干燥速率曲线;Uc2) 由下述公式计算:Lv式中：t，m 分别为空气的干、湿球温度，C；Lv 为水在tm下的汽化潜热，J/kg ;a空气对物料的对流传热系数，W/(m2. C)。a可由下式计算:气流平行流过料层

17、a=143(L .8(W/m 2 C式中：L为湿空气质量流速，kg/(m 2 s)，上式适用于 L = 0.7 8.1 kg/(m 2 s)。 气流垂直穿过料层a=241(L I0.37上式适用于L = 1.15.5 kg/(m 2 s)。 固体悬浮于气流中式中:W/(m2 0.54(IVd p为颗粒直径，K);(W/m 2 (Jm;扫为空气热导率，Va为空气的运动粘度，m2/s; uo为颗粒沉降速度，m/s。 流化干燥dpUj.5va0.004 d；eT)(W/m 2 Q式中u为流化介质空气的流速，m/s6 . 3. 2降速干燥时间t2从XiX2所需时间（Xc冰1X2）t2t2匸dt 二0G

18、cAXiJX2dXU降速干燥阶段的干燥速率 U与干基含水量X 的关系可分为直线关系和曲线关系两大类。当U与X的关系为直线关系时，有:CD线的斜率为:Xc _ XpU cU 二 k(X - Xp)c (X - Xp)Xc - Xp显然，干燥速率与物料的湿含量差成正比。将U代入t2的计算式，可得:GcMc-XJlAUcX2_XP当U与X的关系为曲线关系时，可用数值 积分法求t2。6 . 3. 3包含两段的干燥时间t 从 XiTX2所需时间(X1 Xc X2)。若降速干燥阶段的U与X呈直线关系，则:t 二 ti t2GcXc 一 XP= AU；KXi-Xc) + (Xc-Xp)Lnr7 干燥器 工业上，常用的干燥器有：厢式干燥器，洞道式干燥器，带式干燥器，沸腾床干燥器，气流干燥器，回转式干燥器, 滚筒式干燥器；喷雾干燥器；冷冻干燥器等。1）厢式干燥器2）洞道式干燥器3）带式干燥器4）沸腾床干燥器空气出口5）气流干燥器6）回转式干燥器A-A废吒排出口A图5-26热空直接加然的逆艇操柞转筒干燥籍】一鼓风机2转筒豈承装養勺亠蠅动悔轮5-带式输送St何9)图5-27常用的抄扳据式仏)玄立妙板(6)43-扳(c)90板7) 滚筒式干燥器5-30 中央斑料的煎滚筒干燥器1排气罩2刮刀3慕料如菸嚴筒4-嗓滋输送器喷雾干燥流程1 f9 f9）冷冻干燥流程222