第12章-食品干燥原理(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第12章 食品干燥原理12.1 主要公式12.1.1濕空氣的熱力學性質(zhì)1) 絕對濕度和相對濕度 絕對濕度為單位體積濕空氣中水蒸汽的含量。(kg/m3)(12-1)(12-2)式中，pv水蒸汽分壓，Pa； ps飽和水蒸汽分壓，Pa；水蒸汽的密度，kg/m3；飽和水蒸氣的密度，kg/m3；Rv水蒸汽的氣體常數(shù)，461.5 J/(kgK)。2) 濕含量 濕含量是對單位質(zhì)量干空氣而言所含水蒸氣的質(zhì)量。（kg水蒸氣/kg干空氣）(12-3)式中，P濕空氣壓力，是干空氣分壓力和水蒸氣分壓力之和。3) 濕空氣的比熱容和比體積 濕空氣的比熱容是以單位質(zhì)量干空氣為計算基礎，即含1kg干

2、空氣的濕空氣溫度升高1K所需吸收的熱量，它應等于1kg干空氣升溫所需的熱量和dkg水蒸氣升溫所需熱量之和。(J/kg干空氣K)(12-4)式中，CH、Ca、Cv分別表示濕空氣、干空氣和水蒸氣的比熱容，kJ/(kgK)。因為干空氣和水蒸氣在溫度0120范圍內(nèi)的平均定壓比熱容分別約為1.0和1.93kJ/(kgK)，故有(kJ/kg干空氣K)(12-5)濕空氣的比體積是指含有單位質(zhì)量干空氣的濕空氣所占有的體積（m3/kg干空氣）。(m3/kg干空氣)(12-6)4) 濕空氣的熱含量 濕空氣的熱含量或焓h是指含單位質(zhì)量干空氣的濕空氣的焓。具體應用時，以0時干空氣和液態(tài)水的焓值為零作為計算起點。(kJ

3、/kg干空氣)(12-7)5) 干球溫度和濕球溫度 ()(12-8)式中，TM濕球溫度，； T干球溫度，； 液滴表面空氣層的飽和濕含量； 氣化系數(shù)；對流換熱系數(shù)，(W/m2)； 水的氣化潛熱。 6）濕空氣混合后狀態(tài)點在焓濕圖上，根據(jù)下式確定，(12-9)或通過計算確定，(12-10)(12-11)式中，、分別為1、2狀態(tài)點處的氣體質(zhì)量； 、分別為1、2狀態(tài)點處的焓； 、分別為1、2狀態(tài)點處的濕含量。12.1.2 干燥計算食品水分又稱為食品含水率，以百分數(shù)或小數(shù)表示，水分的表達方法有干基水分和濕基水分兩種。1) 干基水分 干基水分為食品中含有水的質(zhì)量與干物質(zhì)的質(zhì)量之比，(12-12)式中，干基水

4、分（小數(shù)）； 食品中水的質(zhì)量； 干物質(zhì)質(zhì)量。2) 濕基水分 濕基水分以濕物料的質(zhì)量為分母(12-13)式中，濕物料質(zhì)量。兩者之間的換算關系為(12-14)(12-15) 3)水分活度（12-16）式中，物料中水分的化學勢；純水的化學勢；p物料中水的蒸汽壓；ps同溫度下純水的蒸汽壓；a物料中水分的活度。對于純水，活度a01，對于與物料相結合的水分，a1。4) 產(chǎn)品量和汽化水分量干燥產(chǎn)品量為，(kg/h)(12-17)水分汽化量為，(kg/h)(12-18)式中，Mw1、Mw2分別為干燥前和干燥后的濕基水分； m1、 m2分別為干燥前每小時處理的濕物料量和干燥后每小時的產(chǎn)品量； ms每小時汽化水分

5、量。5) 空氣消耗量(kg干空氣/kg水分)(12-19)式中，汽化1kg水分所消耗的干空氣量，稱為單位質(zhì)量空氣消耗量。分別為進入干燥室和離開干燥室空氣的濕含量；L通過干燥室的干空氣量。6) 熱耗量(12-20)式中，因物料、運輸機械的出入和干燥室的散熱，對汽化1kg水分所造成的熱損失，kJ/kg水分。 分別為進入干燥室和離開干燥室空氣的焓； 7) 干燥器的熱效率、干燥效率和蒸發(fā)效率干燥器的熱效率是指空氣在干燥室內(nèi)放出的顯熱量與空氣在預熱器中獲得的熱量之比。(12-21)干燥效率，多數(shù)人認為用于蒸發(fā)水分所需的熱量與干燥室內(nèi)空氣放出的顯熱量之比。(12-22)干燥器的蒸發(fā)效率是指干燥室內(nèi)的實際蒸

6、發(fā)能力與排氣完全被水蒸氣飽和的理想蒸發(fā)能力之比?？山茷椋?12-23)式中 T1干燥室進口濕空氣溫度；T2干燥室排風溫度；T0進入預熱器濕空氣溫度；Ts進入干燥室的濕空氣的絕熱飽和溫度；CH濕空氣的比熱容； LV水的汽化潛熱； ms水分汽化量。12.1.3 對流干燥理論1) 物料干燥過程的推動力和阻力 由水分梯度而引起的內(nèi)部水分擴散速率可表示為，(12-24)由溫度梯度引起的水分擴散速率可表示為，(12-25) 上述兩種梯度均存在于物料內(nèi)部，故水分傳遞應是兩種傳遞水分的代數(shù)和，即(12-26)式中，由溫度梯度引起的水分擴散系數(shù)；由水分梯度引起的水分擴散系數(shù)；水分梯度；溫度梯度；A干燥物料的表

7、面積。2) 干燥速率和干燥特性曲線干燥速率是單位時間內(nèi)被干燥物料所能汽化的水分，其表達式為， kg水/h(12-27)干燥特性曲線包括水分隨干燥時間而變化的曲線，溫度隨時間而變化的曲線及干燥速率隨時間而變化的曲線。3) 等速干燥速率等速干燥階段即是表面汽化控制段，因而干燥速率可以從理論上加以確定。對于熱風從物料層表面流過的干燥情況，可按濕球溫度的原理進行分析。(12-28)式中，料層厚度，m；干物料的密度，kg/m3。同理，我們可以得出邊長為a的正方體物料的干燥速率(12-29)邊長為2a厚度為c的矩形物料的干燥速率(12-30)對于上式中的對流換熱系數(shù)，它與氣流和料層的相對運動方向、氣流與顆

8、粒的接觸狀態(tài)等有關。氣流平行流過料層 (W/m2K)(12-31)式中，L為空氣質(zhì)量流速，kg/(m2s)，上式適用于L0.75.0 kg/(m2s)。氣流垂直穿過料層 (W/m2K)(12-32)上式適用于L1.15.5 kg/(m2s)。固體懸浮于氣流中(W/m2K)(12-33)式中，dp顆粒直徑，m；空氣導熱系數(shù)，W/(mK)；空氣的運動粘度，m2/s；u0顆粒沉降速度，m/s。流化干燥(W/m2K)(12-34)式中，u流化介質(zhì)空氣的流速，m/s。4)等速干燥時間 (s)(12-35)式中，Mdc由等速干燥轉變?yōu)榻邓俑稍飼r轉換點的水分，稱為臨界水分；Md0物料初始水分。5) 降速干燥

9、若干燥速率與物料水分近似為線性，則降速干燥時間可按下列各式計算，僅有一個降速干燥段的情況(12-36)總干燥時間為等速干燥與降速干燥時間和。(12-37)具有兩個降速干燥段的情況(12-38)式中，Md1第一降速干燥階段物料剩余水分；Mdc1第二臨界點的臨界水分；Md2第二降速干燥階段物料剩余水分；若干燥速率與物料水分呈較強非線性，則降速干燥時間可按下式計算(12-39) 6) 由模型擬合確定干燥時間(12-40) (12-41) 式中，K干燥常數(shù)，與物料種類及干燥介質(zhì)狀態(tài)有關； 干基平衡水分；MR水分比。12.1.4 食品冷凍干燥1) 傳質(zhì)控制下的冷凍干燥速率模型大平板冰面均勻后退模型，簡稱

10、(URIF)模型。它的兩個主要假設條件是：1)冰晶在食品中是均勻分布的；2)升華界面后移所形成的多孔層是絕干物質(zhì)。在此基礎上，水蒸氣在多孔干燥層內(nèi)以及干燥層表面至冷阱表面的質(zhì)量連續(xù)方程為， (12-42)式中 冰的升華速率，kgmol / (m2s)；食品表面對流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；氣體常數(shù)，8314.34m3Pa / (kgmolK)；凍結食品中冰的溫度，；分別是食品表面、冷阱表面和食品升華界面的水蒸氣壓力，Pa；其值可由教材表12-2查得；水蒸氣擴散系數(shù)，m2/s；食品多孔干燥層厚度，m。對于兩側傳熱與兩側傳質(zhì)方式下，冷凍干燥時間的表達式為， (12-43)式中 食品厚度，m；食品初始水分含

11、量，kg水/kg干物質(zhì)；冷凍干燥結束時食品中的殘余水分含量，kg水/kg干物質(zhì)；水的分子量；多孔干燥層的密度，kg/m3。2) 傳熱控制下的冷凍干燥速率模型傳熱與傳質(zhì)僅發(fā)生在一側情況下，干燥速率模型為， (12-44)傳熱與傳質(zhì)同時發(fā)生在兩側情況下，干燥時間為， (12-45)式中 多孔干燥層的導熱系數(shù)，W/(m.K)； 分別是食品表面溫度和升華界面溫度，。冰的升華潛熱，J/kg。12.2 基本概念解答【12-1】熱風干燥時，對濕空氣預熱的目的是什么？答：預熱后的空氣有兩個主要作用，即把熱量傳遞給食品，同時帶走從食品中蒸發(fā)出來的水蒸氣。從焓濕圖可知，預熱后空氣濕含量一般不變，但焓值增加，而相對

12、濕度下降，這強化了空氣與食品間的熱質(zhì)傳遞速率。【12-2】在濕空氣的焓濕圖上確定濕球溫度時，可以采用沿等焓線來確定的近似方法，試分析其中近似的原因。答：實際上，在測定濕球溫度時其過程并非等焓，濕空氣也不一定飽和。由公式（12-11）可知，對流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)均與空氣狀態(tài)和流速有關，如果空氣流速小，傳熱與傳質(zhì)受到影響，空氣的飽和度將受到影響。此外，在測定濕球溫度時，也避免不了溫度計對濕球的熱傳導和環(huán)境的輻射傳熱，因此，空氣與濕球之間的傳熱傳質(zhì)并非絕熱等焓。但由實驗可知，對流傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之比近似為常數(shù)，且當空氣流速不小于5m/s時，測得的濕球溫度可以近似為絕熱飽和溫度?！?2-3】真空冷凍

13、干燥過程中，如果提供給物料的升華熱量過高或過低，將會出現(xiàn)什么干燥現(xiàn)象。答：由附圖可見，設在正常運行情況下，工作點為A，真空干燥室內(nèi)的壓力為，溫度為。如果此時由于加熱器控制問題使供給熱量大于升華等需求熱量，工作點將沿著升華線向上移動，如果水蒸氣擴散阻力小，此時由于飽和壓力升高使升華界面與冷阱間的壓力差增大，升華干燥速率提高。如果此干燥過程是質(zhì)量擴散控制類型，即水蒸氣擴散阻力很大，此時升華界面的壓力升高將導致進一步升華速率的降低，使溫度升高，最后導致界面融化或已干燥層的塌陷。如果加熱器供熱不足，升華吸熱將使升華界面溫度下降，工作點將沿著升華線向下移動。在冷阱溫度不變情況下，升華界面與冷阱間的壓力差

14、將減小，導致升華干燥速率下降。液相pP氣相固相AP【12-4】某種物料的臨界含水量與哪些因素有關，改變臨界含水量對干燥過程有何影響。答：臨界含水量是等速干燥與降速干燥的轉折點。臨界含水量與材料的組成及結構有關，某些成份是親水性物質(zhì)，而某些成份是疏水性物質(zhì)，它們所占比例影響臨界含水量。此外，材料中的孔隙等結構以及干燥方式也影響臨界含水量大小。同一材料，當溫度高，相對濕度低，空氣流速大時，臨界含水量也大，反之，臨界含水量小。臨界含水量大，說明等速干燥階段短，而降速干燥階段長，在干燥過程中應該注意提高水蒸氣的擴散能力，避免材料表面形成硬結。臨界含水量小，說明干燥過程主要是等速干燥，因此，在干燥過程中

15、應該注意提高空氣溫度和流速。在材料成份與結構不可改變情況下，通過將材料切分成薄片或堆積成一定厚度或適當攪拌，都可以降低臨界含水量，增加等速干燥階段的比例。這對整個干燥有利?！?2-5】平衡含水量是如何測定的？平衡時物料中水分的蒸汽壓如何測得？答：在恒溫恒濕環(huán)境下，如果物料表面水蒸氣分壓大于其環(huán)境空氣水蒸氣分壓，則物料表面水分向空氣中擴散，當二者分壓相等時，擴散停止。如果物料表面水蒸氣分壓小于其環(huán)境空氣水蒸氣分壓，則物料表面吸濕，當分壓相等時，吸濕停止。物料表面水蒸氣分壓等于環(huán)境空氣水蒸氣分壓時，物料中的水分即為該溫度和濕度下的平衡含水量。空氣中的水蒸氣分壓既是物料平衡時的水蒸氣壓力?！?2-6

16、】廢氣循環(huán)有哪些優(yōu)缺點。答：從焓濕圖上可以看出，混合后的狀態(tài)點是3。與新鮮空氣1相比，雖然焓值增加了，但濕含量和相對濕度均增加，濕含量和相對濕度增加降低了水分擴散動力，因此，在回收廢氣能量的同時應該注意空氣相對濕度。焓231濕含量12.3 習題解答【12-1】濕空氣在壓力101.33kPa、溫度20下，濕含量為0.01kg/kg干空氣，試求1)空氣的相對濕度1；2)壓力不變，將空氣溫度升高至50時的相對濕度2；3)若溫度仍為20，將壓力升高至125kPa時的相對濕度3；4)若溫度仍為20，壓力升高至250kPa，問100m3原濕空氣所冷凝的水分量。解：由式（12-4）得由附表可知，20飽和蒸氣

17、壓為2334.6Pa，由式（12-3）得如果溫度升高至50，由附表可知飽和蒸氣壓為12340Pa，得如果壓力升高至125kPa，水蒸氣分壓力為，如果壓力升高至250kPa，水蒸氣將達到飽和，其濕含量為，加壓后每公斤干空氣冷凝出的水量為由式（12-8）得原濕空氣的比容為100m3原濕空氣冷凝出來的水為，【12-2】將常壓下溫度為30、相對濕度為20的新鮮空氣，通過第一加熱器加熱到某一溫度后，再通過一噴水室進行絕熱冷卻增濕至飽和狀態(tài)，最后通過第二加熱器加熱得到溫度為45、相對濕度為40的濕空氣。求1)在焓濕圖上繪出空氣狀態(tài)的變化過程；2)離開第二加熱器時空氣的濕含量；3)噴水室中水的溫度（設離開噴

18、水室的空氣與水的溫度相同）；4)離開第一加熱器時空氣的溫度。解：1）如圖所示8040452030100 2）在焓濕圖上可知，離開第二個加熱器時空氣的濕含量為0.025kg/kg。 3）由題意可知，空氣離開噴水室時為飽和水蒸氣，飽和水蒸氣的濕含量等于離開第二個加熱器時的濕含量，由此可以計算出飽和蒸氣壓，由附表可知該飽和蒸氣壓對應的飽和溫度約為28。即為水的溫度。 4）在焓濕圖上可知，離開第一加熱器時空氣溫度約80。【12-3】常壓下溫度為30、濕含量為0.024kg/kg干空氣的濕空氣，在預熱器內(nèi)被加熱至90，試在焓濕圖上繪出空氣狀態(tài)的變化過程；又若濕空氣的流量為0.028kg/s，求加熱濕空氣

19、所需要的熱量Q。解：1）如圖所示90300.024kg/kg干空氣 2）首先計算干空氣的流量，由焓濕圖可知，初始點焓值為90kJ/kg，預熱后焓值約為155kJ/kg，所需要的熱量為【12-4】在連續(xù)式逆流干燥器中，用熱空氣干燥某種固體濕物料，已知空氣狀態(tài)為：進入干燥器時空氣的濕含量為0.01kg/kg干空氣、焓為120kJ/kg干空氣。離開干燥器時空氣的溫度為38。物料狀況為：進出干燥器時物料的含水量分別為0.04kg/kg干物質(zhì)和0.002kg/kg干物質(zhì)，進出口溫度分別為27和63。處理干物質(zhì)量為450kg/h。干物質(zhì)比熱容為1.465kJ/(kg. )。假設干燥器的熱損失為5kW，試求

20、空氣流量。解：設下標1為干燥器的進口參數(shù)，下標2為出口參數(shù)，首先列干空氣和干物料進出干燥器的平衡式，即 干燥器能量平衡式其中，進入干燥器的空氣熱含量離開干燥器的空氣熱含量進入干燥器的物料熱含量離開干燥器的物料熱含量干燥器熱損失將各參數(shù)帶入能量平衡式，得即 聯(lián)立求解物料平衡式和能量平衡式，得原濕空氣流量為【12-5】在常壓連續(xù)理想干燥器中，用通風機將空氣送至預熱器，經(jīng)120飽和蒸汽加熱后進入干燥器。已知空氣狀態(tài)為：進預熱器前濕空氣中水蒸氣分壓為1.175kPa、溫度為15，進入干燥器時的溫度為90，離開干燥器時的溫度為50。物料狀況為：進出干燥器時物料的干基水分分別為0.15kg/kg干物質(zhì)和0

21、.01kg/kg干物質(zhì)。干燥器生產(chǎn)干燥產(chǎn)品的能力為250kg/h，預熱器的總傳熱系數(shù)為50W/(m2. )，試求通風機的送風量和預熱器的傳熱面積。解：干物料量為，水分蒸發(fā)量為，空氣預熱前的濕含量和熱含量為，進干燥器前，離開干燥器后，由上式解得需要的干空氣量為通風機的送風量為預熱器的傳熱面積為其中 采用對數(shù)溫差將溫差和預熱量帶入對流換熱公式，得【12-6】在逆流連續(xù)干燥器中，將某種物料由初始濕基含水量3.5%干燥至0.2%。物料進入干燥器時的溫度為24，離開干燥器時的溫度為40，干燥產(chǎn)品量為0.278kg/s。干物質(zhì)的比熱容為1.507kJ/(kg. )。空氣的初始溫度為25、濕含量為0.009

22、5kg/kg干空氣，經(jīng)預熱器預熱到90后送入干燥器，離開干燥器時的溫度為35。試求空氣消耗量、預熱器的熱功率和干燥器的熱效率。假設熱損失可以忽略不計。解：將物料濕基水分轉換為干基水分干物質(zhì)量水分蒸發(fā)量設干燥器是理想干燥器，由焓濕圖可知，因此，干空氣的消耗量為預熱器的傳熱速率為干燥器的熱效率為【12-7】如果習題6的干燥過程為非理想過程，其熱損失為5.25kW。求此時的空氣消耗量、預熱器的熱功率和干燥器的熱效率。解：由于干燥過程為非理想狀態(tài)，因此，要聯(lián)立求解物料衡算、能量衡算和焓的定義表達式。由水分衡算得，由熱量衡算得，其中，因為，焓的定義式為聯(lián)立求解得，預熱器的傳熱速率為，干燥器的熱效率為【1

23、2-8】在一常壓連續(xù)干燥器中，濕物料處理量為0.8kg/s，物料含水量由濕基5%干燥至1?？諝獬跏紲囟葹?0、濕含量為0.05kg/kg干空氣，空氣離開干燥器時的溫度為55。為了保證干燥產(chǎn)品的質(zhì)量，要求進入干燥器的空氣溫度不得高于90。試求以下兩種情況下所需的空氣量（kg干空氣/s）和熱耗量（kW），設干燥過程為理想過程。1)將新鮮空氣預熱到90進入干燥器中進行干燥；2)采用廢氣循環(huán)，循環(huán)氣中干空氣量為干燥器出口廢氣中干空氣量的2/3，混合氣溫度為90，進入干燥器干燥。解：第一種情況將物料濕基水分轉換為干基水分干物質(zhì)量水分蒸發(fā)量對于理想干燥過程， 干空氣的消耗量為傳熱速率為第二種情況2L如圖所示，由混合狀態(tài)點的物料衡算得，T0，d0，L干燥器預熱器dm3Ld1T2，d2，L即 混合狀態(tài)點的熱量衡算得，即對于理想過程，則聯(lián)立求解以上三個平衡式，得由熱量衡算求得則最后求得傳熱速率為【12-9】將某濕物料在恒定干燥條件下進行間歇干燥，經(jīng)過6h的干燥使其干基含水量由0.35降至0.07。試求在相同的操作條件下，將該物料由0.35降至0.05所需的時間。已知物料的臨界含水量為0.15，平衡含水量為0.04。降速階段中干燥速率曲線為直線。解：由于，所以干燥過程分為恒速干燥和降速干燥兩過程