21st 第12章 食品系列数材 食品干燥原理 本章的学习目的与要求 学习本章内容，学生能够完成食品干燥加工中最佳工艺参 数的优化工作，如热风干燥，应该使空气温度、湿度、流速 流向与食品材料的组织结构、水分含量、大小与形状以及品质 要求等达到最佳状态。要求学生掌握湿空气的性质和食品中 水分的性质，并能熟练运用湿空气焓湿图解决实际问题；掌握 影响干燥过程中湿热传递的因素；能够测绘干燥过程曲线；热 悉常用的干燥方法和干燥设备；了解真空冷冻干燥基本原理与 设备
第12章食品干燥原理783 食品干燥是食品储藏加工中的主要技术之一，通过干燥技术将食品中的大部 分水分除去，达到降低水分活度，抑制微生物的生长与繁殖，延长食品储藏期的 目的。 食品的干燥方法较多，一般按加热方式可分为四大类： (1)导热干燥热量通过与食品材料接触的加热面直接导入，使材料中的水 分汽化排除，达到干燥的目的。这种干燥方法要求食品材料与加热面之间应该有 良好的接触表面，同时，食品材料的导热性能也要好，否则，将造成接触表面处 过热、焦化等不良现象。导热干燥一般用于液体食品材料较多，有时为了加快干 燥过程，降低水分汽化温度，往往在真空下进行。 (2)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，使内部的水分汽化，达到干燥的目的。这种干燥方 法常用于具有较大表面积的材料。有时为了加快干燥过程，降低水分汽化温度， 往往配合真空技术进行。辐射干燥在食品工业上应用较多，它除了具有脱水作用 外，同时还有杀菌作用。如果再配备真空环境，干燥过程中还有降低氧化速率的 作用，是干燥热敏性食品、易氧化食品的有效方法。 (3)介电加热干燥在高频电场中，食品材料中的水分子处于高速旋转与振 动，由此产生的热量使水分汽化，达到干燥的目的。 电场的频率低于300MHz时，称为高频加热，频率为300~300000MHz 时为超高频加热。工业上微波加热所用的频率为915MHz和2450MHz。微波 干燥时，湿物料在高频电场中很快被均匀加热，由于水分的介电常数比固体物料 的介电常数高，当干燥到一定程度时，物料内部的水分比表面水分多，物料内部 所吸收的电能比表面多，致使物料内部的温度高于表面温度，温度梯度与水分扩 散的浓度梯度方向一致，即传热和传质的方向一致，使干燥时间大大缩短。这一 特点是导热干燥、辐射干燥和对流干燥无法比拟的。 (4)对流干燥热量以对流的方式传递给湿物料，使食品材料中的水分汽 化，以达到干燥的目的。一般传热介质为湿空气。湿空气的作用是将加热器的热 量传递给湿物料，同时将湿物料汽化出来的水分带走。根据空气的流动状态，湿 空气有时也起流化物料、输送物料的作用。对流干燥成本低，是食品工业上应用 最普遍的干燥技术，如固定床干燥、流化床干燥、喷雾干燥等。 根据加热方式和干燥原理，本节重点介绍对流干燥原理和真空冷冻干燥原 理
784食品工程原理 湿空气的热力学性质 湿空气是干空气和水蒸气的混合物，在食品干燥中，湿空气起着传热与传质 的作用，即湿空气将加热器提供的热量传输给食品，食品受热后蒸发出来的水分 再由湿空气携带出去。湿空气的这种传热与传质作用可用其状态变化量衡量。又 由于湿空气在未达到饱和时可视为理想气体，因此，可借用理想气体状态方程分 析其热力学性质。 1.1绝对湿度和相对湿度 绝对湿度为单位体积湿空气中水蒸气的含量，其值等于在水蒸气分压p,下 水蒸气的密度P。对于不饱和湿空气，水蒸气的状态为过热状态，由理想气体 方程得 Py-RyT (kg/m3) (12-1) 式中R。为水蒸气的气体常数，其值为气体常数与水蒸气的分子质量之比，即 R,=及-1=461.5J/(kgK),如果空气中水裁气达到饱和，其饱和绝对 湿度为 .-RT （12-2) 式中。为水蒸气饱和蒸汽压。在饱和状态下，空间内水蒸气分子的数目已达到 了极限，再增加就会使分子被挤压而液化，所以这时候的湿空气已不具备继续吸 收水分的能力。为了表征湿空气的吸湿能力，常引进“湿度比”的概念，即 中=P=y (12-3) PsPs
第12章食品干燥原理785 习惯上叫做相对湿度。实际上，P和p是湿空气在相同温度下，P,和p,的最 大值。 1.2湿含量d 湿含量是对单位质量干空气而言所含水蒸气的质量。其值等于水蒸气的密度 P,与干空气的密度Pa之比。设干空气的分压力为pa,干空气的气体常数为R 则 d== =R2 Pa Rvp。 由空气平均相对分子质量M.≈29，得R.=287J/(kg·K)。且湿空气的总压强 P=pa+p,d,pv=p,得 d=0.622pPn.=0.622p2p. (12-4) 1.3湿空气的比热容和比体积 湿空气的比热容是以单位质量干空气为计算基础，即含1kg干空气的湿空 气温度升高1K所需吸收的热量，它应等于1kg干空气升温所需的热量和dkg 水蒸气升温所需热量之和。设cH,ca,c,分别表示湿空气、干空气和水蒸气的 比热容，则有 CH=Ca+cvd (12-5) 因为干空气和水蒸气在温度0~120℃范围内的平均定压比热容分别约为1.0 和1.93kJ/八kgK),故有 cH=1.0+1.93d (12-6) 湿空气的比体积vH是指含有单位质量干空气的湿空气所占有的体积(mkg
786食品工程原理 干空气)。即 -g ma (12-7) Pa 而湿含量d=0.62pPD，将p,代人上式，得 m=(1+1.608a) (12-8) 湿空气的比容在选择风机型号时非常重要，因为在湿空气能量平衡计算时往 往是以含单位质量干空气的湿空气为基准，但风机铭牌上给出的往往是单位时间 的体积流量，因此在确定风机大小时需将质量流量转换成体积流量。 1.4湿空气的热含量 湿空气的热含量或焓h是指含单位质量干空气的湿空气的焓。具体应用时， 以0℃时干空气和液态水的焙值为零作为计算起点。设湿空气的温度为T (℃)，湿含量为d(kgkg)干空气中的水蒸气，干空气的比热容ca=1.00k/ (kgK),水蒸气的比热容cv=1.93kJ/(kgK),0℃时水的汽化潜热Lv=2500 kkg,则 h=caT+d(Lv+cvT)=1.00T+d(2500+1.93T) h=(1.0+1.93d)T+2500d (12-9) 由上式可见，湿空气的热含量随温度及湿含量而变。式中前一项可视为湿空 气的显热，后一项则为潜热。 1.5千球温度和湿球温度 在湿空气中，用一般温度计所测得的温度称为该空气的干球温度T,即该
第12章食品干燥原理787 空气的真实温度，这是湿空气的一项基本状态参数。 若将温度计的感温部分包以湿纱布，置于一定温度和湿度的湿空气中，经一 段时间达到稳定后，温度计所反映的温度就不再是湿空气的真实温度，而是另一 低于干球温度的温度，称为湿空气的湿球温度TM 湿球温度形成的原理如图12-1 所示，湿纱布所含的水分对主体湿 湿空气主体 空气而言是少量的，实际上，凡少 一温度计 量的水与大量的空气相接触都会使 湿空气 (T,d) 水温变化而达到稳定的空气湿球温 湿纱布 度。假设开始时水温和空气温度相 ,和 等，由于液态水表面始终存在着一 湿空气 层被水蒸气所饱和的空气层，此层 图121湿球温度形成原理 的湿含量必大于外围不饱和湿空气 的湿含量，从而水分即不断汽化并向空气中传递，同时水分汽化需吸收热量，又 势必使水温降低，水温一旦降低，就会出现空气与水滴之间的温度差，从而空气 中热量又会传到水中。随着过程的进行，从空气到水滴的传热推动力愈来愈大， 而从水滴到空气的水分传递的推动力却愈来愈小。最后，由空气传到水滴的热量 恰好等于水滴汽化所需之热时，两者达到动平衡，水温即维持不变。此温度即为 湿空气的湿球温度。 湿球温度的高低不仅与空气的干球温度T有关，还与空气的湿含量d有关， 所以它是湿空气的一项状态函数。设上述湿、热交换达到动平衡时，液滴及其表 面的温度为TM,则 Q=a.A(T-TM)=kdA(ds-d)Ly 或 a(T-TM)=kaLv(ds-d) (12-10) 式中：d。为液滴表面空气层的饱和湿含量；k为汽化系数；Lvy为水的汽化潜 热；a为对流热换系数，k/(m2·c)；A为面积，m2 由式(12-10)可得湿球温度的函数式 Tw=T-kaby(d,-d)）(c) (12-11)
788食品工程原理 1.6 露点温度 湿空气的露点T是不饱和空气在其总压和湿度保持不变的情况下，而被冷 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。 湿空气的焓湿图及使用方法 2.1湿空气的焓湿图(h一d图) 上述所得的许多关系式给出了湿空 气各项状态参数之间的相互关系。若将 这些关系式直接用于食品干燥计算中， 湿度 往往很繁杂。为了简化计算过程，人们 绘制成湿空气的状态图，常称为焙湿 湿含量 湿含量 图。图中表示的湿空气性质参数有：干 球温度T、湿球温度TM、焓h、湿含 饱和线 湿球温度 量d、相对湿度中、比容v、及露点温 度T等。各参数的等值曲线走向如图 干球温度 12-2所示，其标准曲线图为图12-3、图 图12-2焓湿图的状态参数曲线走向 12-4和图12-5。这些图是在总压力等于 101.325kP情况下，分别为适用于普通干燥温度区、低温干燥温度区和高温干 燥温度区绘制
第12章食品干燥原理789 (8/Y)￥继
790 食品工程原理 02 (五士)ry 母绿1婴#时倒 ”8 90-
第12幸食品干燥原理791 ed/*d 2 38 36 320 30 4 169 120