食品工程原理——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。

mvnvMv18pvH manaMa29Ppv

pv2或 H0.62Ppv （kg/kg绝干气）

式中：pv、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

湿空气中水蒸汽分压与同温度下水的饱和蒸汽压之比。

pv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，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。

psH0.622∴ Pps

1. 3湿空气的比热容CH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。 CHCaHCv 将绝干空气及水蒸汽的平均比热容代入可得：

CH1.01.93H （kJ/kg绝干气·℃）

湿空气的湿比容υH是指含有1 kg绝干空气

3

的湿空气所占有的体积（m/kg绝干空气）。

1Ht273P0H()22.4

2918273Pt273P0或 H(0.7721.244H)273P

式中：t-湿空气的温度，℃；

P0、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，P0/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。

ICat(Lv0Cvt)H1.0t(25001.93t)H或I(1.01.93H)t2500H (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tm

干球温度t：用一般温度计所测得的空气温度；

湿球温度tm：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：

QA(ttm)kHA(HsH)Lv

kHLvtt(HH)ms或 式中：Hs-液滴表面空气层的饱和湿含量；

2

kH-气化系数，kg/（m·s）；

LV-水在tm下的汽化潜热，kJ/kg；

2

α-对流传热系数，kW/(m·℃)；

2

A-传热（质）面积，m。 对空气—水系统:

α/kH=CH≈1.09kJ/kg. ℃

1．6 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：

pvpsdHHs0.6220.622 PpvPpsd

或 psdHP0.622H

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

Lnpsd4030.18223.561td235

式中，psd的单位为Pa，td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>tm>td； 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。

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

º

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℃到185℃。 4）等相对湿度线（等φ线）群

等相对湿度线是一系列向上倾斜弯曲的曲线群，从φ=5%到φ=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：

由图可清楚的看出：对于不饱和湿空气，有 t>tm>td；对于饱和湿空气（状态点A落在φ=100%线上），有 t=tm=td。

特别提示：湿焓图上φ=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A。

a）已知t，tm b）已知t，td c）已知t，φ

3. 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↑，冷却↓。

2） 间壁式冷（却）凝减湿过程

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φ=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L1和L2，对应的状态为（H1，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+ L2I2=（L1+L2）Im 由上两式可得：

H2HmI2ImL1HmH1ImI1L2

可见，混合点m（在H-I图上）位于1，2两状态点的联线上，且m点划分线段1-2，使

2mL1。 1mL2 （杠杆定律）

同时可由上两式解得：

L1H1L2H2HmL1L2L1I1L2I2Im ，L1L2

3．3 绝热冷却增湿过程

采用空气和水直接接触的混合式湿热交换即可达此目的。当水温为湿空气的tm时，其变化过程为等焓过程，过程的极限是达到饱和状态。

［例12-1］ 空气的温度为30℃，露点温度为12℃，问：(1)当冷却到16℃时，相对湿

3

度为多少？(2)有600 m的空气，当温度从30℃冷却到2℃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，φ1=33%），然后作等湿线与t=16℃的等温线相交，可读得过此交点的φ值为80% 。

（2）冷凝减湿过程。先由等温线t=2℃与ф=100%线的交点可读得H2=0.0043kg/kg绝干气。然后计算新鲜空气的湿比容以求绝干空气量L。

10.008827330H()22.42918273 30.870m/kg绝干气LVH600690kg绝干气 0.87

除去的水分量：

WL(H1H2)690(0.00880.0043)3.11kg

4. 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：①～⑧ （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：①～② （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

①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。

②物理化学结合水：这部分水是指吸附水、渗透水和结构水，其中吸附水与物料结合比

较牢固，难于除去。

③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。 ① 湿基含水量ω：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

②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。

W湿物料中水分质量XGC湿物料中绝干物料质量

两者之间的换算关系为

X X1 ，1X

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：

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φ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φ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 L QL L 预热器 P t0,H0,I0 t1,H1,I1 t2,H2,I2 ’’ G,θ,I ,X G,θ,I 22 2211 1,X1 QP 干燥器 QD

5．1 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/ h。 QP——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G1(11)G2(12)

干燥产品量：

G1(11)G212

汽化水分量：

1212WG1G2G1G2121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(H2H1)GC(X1X2)GC(X1X2)WL

H2H1H2H1L1定义：lWH2H1 为单位空气消耗量

（即每汽化1kg水分所消耗的绝干空气量）。 (3) 耗热量 QP

对预热器作热量衡算，有：

QPL(I1I0)QLP

对干燥器作热量衡算，有：

QDLI1LI2QL

QDQL 或 L（I2I1）QDQLI2I1或 HH W21式中：QD—干燥器内补充的热量，kJ/ h；

ΣQL—因物料、运输机械的出入所带走的热量与干燥器的散热损失之和，kJ/ h；

特别提示：若物料、运输机械的出入是带走热量，则其值为正“+”；若物料、运输机械的出入是带入热量，则其值为负“-”。 ε—每汽化1kg 水分干燥器净收入的热量，kJ/kg汽化水。

若ε=0，即I1=I2，称为等（恒）焓干燥过

程（也称绝热干燥过程），所用干燥器称为理论（想）干燥器。过程线沿等焓线变化。 若ε≠0，即I1≠I2，称为非等（恒）焓干燥过程（也称非绝热干燥过程），所用干燥器称为实际干燥器。 ΣQL的计算：

，，

ΣQL=GC（I2-I1）+QTR+QL

下列干燥器QTR=0：回转筒干燥器，气流干燥器，喷雾干燥器，沸腾床（流化床）干燥器。

湿物料的焓值按下式计算： ，

I=Cmθ= (CS+4.187X) θ

式中：CS—绝干物料的比热容，kJ/kg.℃ 由湿物料焓的计算式可推得：

GC(I2'I1')GCCm2(21)4.187W1

式中：Cm2CS4.187X2 干燥产品的比热容，kJ/kg.℃。

(4) 空气离开干燥器时状态参数的确定 用途：用于非等（恒）焓干燥过程。 非等焓干燥时，要确定空气离开干燥器时的状态参数就较为困难。通常，空气出口的已知参数为t2或φ2（或其它参数）。当出口

温度t2已知时，可用解析法求解其它状态参数，其方法是联立以下两个方程：

I2I1H2H1I2（1.01.93H2)t22500H2

可求得H2，I2。

当给出φ2（或其它参数）时，可在H-I图上图解求其它状态参数。 设12为过程线，P为1-2线上任一点，因1-2为直线，必有：

I2I1II1 H2H1HH1

即1-P和1-2线重合。 过程线1-2的画法如下： 1） 用QDQLW 求ε，若ε已知，则直

接到2）；

II12） 由HH1，任给一个H值，可求一个

I值，由此H，I值定出P点，联1，P并延长与φ2（设φ2已知）线相交于2点，则点2即为所求出口空气的状态点。

5．2 干燥器的热效率

热效率是指用于蒸发水分所需的热量与输入干燥系统的总热量之比，即

Qv100%QPQDW(25001.93t24.1871)100%

QPQD提高热效率的途径：

1） 降低空气的出口温度（但此法有一定限度，一般空气的出口温度t2应比进入干燥器时的湿球温度高20～50℃）。

2）采用废气（出干燥器的空气称为废气）循环操作。 ［例12-2］ 在一等焓干燥器内将含水率为24％的物料干燥至15.5％（湿基）。原料处理量为4200kg/h，如果干燥空气从温度为5℃，相对湿度为60％的环境状态下加热至

3

43℃，试确定风机的风量（m/h）和预热器加热量，假定从该物料中排出的废气相对湿度为98％。

解：该过程空气的状态变化如图所示（0→1→2）。

1） 汽化的水分量W

GC4200(10.24)3192kg/h

0.240.155 X10.3158,X20.1834

10.2410.155由图读得：H0=0.0032 kg/kg绝干气，I0=13.0 kJ/kg绝干气； H1=0.0032 kg/kg绝干气，I1=51.0 kJ/kg绝干气；H2=0.013 1kg/kg绝干气。

W3192(0.31580.1854)422.6kg/h 2） 新鲜空气体积流量V

W422.6L42690kg绝干气/h H2H10.01310.003210.00322735H（)22.40.791m3/kg绝干气

2918273VLH426900.79133770m/h

33） 预热器加热量QP

QPL(I1I0)42690(5113)1622103kJ/h451kW

［例12-3］ 某糖厂的回转干燥器的生产能力为4 030 kg/h（以干燥产品计），湿糖水分1.27％，于31℃下进入干燥器。离开干燥器时水分为0.18%（均为湿基），温度为36℃，环境空气温度为20℃，湿球温度17℃，空气经预热至97℃后进入干燥器。自干燥器排出的废气温度40℃，其湿球温度为32℃，已知产品的比热容为1.26 kJ/(kg·K)，试求：①干燥器的散热损失；②干燥器的热效率。 解：

1)汽化的水分量W 12WG2110.01270.0018403044.6kg/h

10.01272） 空气消耗量L 查H-I图（P791），得：H0=H1=0.011 kg/kg

绝干气，H2=0.028 kg/kg绝干气，

I0=49.4 kJ/kg绝干气,I1=125 kJ/kg绝干气，I2=113 kJ/kg绝干气。

W44.6L2620kg绝干气/h

H2H10.0280.0113） 干燥器散热损失QL

QDQL 由L（I2I1）QD=0，则：

Q2620(113125)31440kJ/h

，

，

LL(I2I1)又 ΣQL=GC（I2-I1）+QTR+QL

对回转筒干燥器，QTR=0，则：

QLQLGC(I2'I1')QLGCCm2(21)4.187W111880kJ/h3144040231.26(3631)4.18744.631

(其中，GC=4030×（1-0.0018）=4023kg/h) 4)干燥器热效率

W(25001.93t24.1871)100%QPQD44.6(25001.93404.18731) 100%55.1%2620(12549.4)05．3热风干燥基本过程的变型 （1）废气循环干燥过程

从干燥器出口状态为t2,H2,2,I2的废气中取出一部分与新鲜空气混合，通过预热器和干燥器，流程如下： LR

L m P H1I1 D H2I2 ，，H0，I0 G2，X2 G1，X1

进预热器的空气量为： LTLLR

WL(H2H0)(LLR)(H2H1)

预热器的耗热量：QP(LLR)(I1Im) 当为绝热干燥时，有： QPL(I2I0)

（2）中间加热空气干燥过程

一般而言，可将此过程看成是由若干个加热器和干燥器串联而成，使通过干燥器的空气多次加以利用，主要目的是为了降低干燥操作的温度。

其流程可表示为：

在H-I图上的表示，以绝热干燥为例：

6 对流干燥理论 6．1 物料干燥机理

一般干燥过程是水分由物料内部扩散至表面后，在表面汽化，并向气相中传递。 表面汽化控制：湿物料内部的水分能够迅速到达物料表面（即内扩散速率远大于表面汽化速率），使物料表面保持充分的润湿状态，物料表面温度约等于空气的湿球温度。 内部扩散控制：湿物料内部的水分无法及时到达物料表面（即内扩散速率远小于表面汽化速率），汽化表面不断向内部转移，物料表面温度不断升高。

6．2 干燥速率和干燥特性曲线

按空气状态参数的变化情况，干燥过程可分为恒定干燥操作和变动干燥操作两类。 恒定干燥操作：干燥过程中空气的状态不变的操作。一般用大量空气对少量物料进行的间歇干燥即属于此。

变动干燥操作：干燥过程中空气的状态不断变化的操作，一般连续式干燥操作均属于此。

以下仅讨论恒定干燥操作的情况。

干燥速率U：单位时间内、单位干燥面积上汽化的水分质量，即：

dW UAd t因为 dWGCdX ∴

GCdXdWU AdtAdt干燥特性曲线包括水分随干燥时间而

变化的曲线X=f(t)，物料表面温度随时间而变化的曲线θ=g(t)及干燥速率随时间而变化的曲线U=h（t）。

典型干燥过程都可明显的划分为两个阶段：恒速干燥和降速干燥阶段。

（1）恒速干燥阶段：为表面汽化控制，此阶段的物料温度达到了干燥空气的湿球温度，干燥速率维持不变。

（2）降速干燥阶段：为内部扩散控制，干燥速率逐渐下降，物料温度逐渐上升，物料水分曲线趋于平缓。

（3）干燥过程的临界含水量XC：恒速干燥与降速干燥阶段的转折点所对应的物料含

水量，表明表面汽化控制和内部扩散控制的界限。

典型干燥特性曲线如下图所示：

6．3干燥时间

6．3．1恒速干燥时间t1

从X1→X2所需时间（X1>X2≥XC）。 由

t1GCdXdWUUC AdtAdtX1可得：

GCt1dtA0WCdXGC(X1X2) UAUAUCCX2CUC的获取方法：

1） 直接查干燥速率曲线；

2） 由下述公式计算：

(ttm)UCLv

式中：t，tm—分别为空气的干、湿球温度，℃；Lv—为水在tm下的汽化潜热，J/kg；

α—空气对物料的对流传热系数，W/（m2. ℃）。

α可由下式计算： ① 气流平行流过料层

’0.82

α=14.3(L) (W/m·℃)

‘

式中：L为湿空气质量流速，kg/(m2·s)，

‘2

上式适用于L＝0.7～8.1 kg/(m·s)。 ② 气流垂直穿过料层

α=24.1(L’)0.37 (W/m2·℃)

2

上式适用于L＝1.1～5.5 kg/(m·s)。 ③固体悬浮于气流中

20.54(dPaadPu0)2

(W/m·℃) 0.5式中：dP为颗粒直径，m；λa为空气热导

率，W/(m·K)；

2

va为空气的运动粘度，m/s；u0为颗粒沉降

速度，m/s。

④流化干燥

adPu1.50.004()2

(W/m·℃) dPa式中u为流化介质空气的流速，m/s。

6．3．2 降速干燥时间t2

从X1→X2所需时间（XC≥X1>X2）。 GCt2dt A0t2dX UX2X1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：

UCkXCXP

UCUk(XXP)(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：

GC(XCXP)X1XPt2LnAUCX2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X1→X2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t1t2GCAUCXCXP(X1XC)(XCXP)Ln X2XP6．4由模型拟合确定干燥时间

选择合适的理论模型、经验模型和半理论半经验模型，对整个干燥过程的实验数据进行拟合，从而建立干燥速率表达式。利用该表达式，可以求出干燥过程中任何时刻的水分含量和干燥至某一水分所需要的时

间。

比较典型的是用下列微分方程表示：

dXK(XXP) dt积分可得：

X1XPLnKt XXP即X与t呈指数关系。

7．干燥设备

7．1干燥器的分类

分类方法有多种，连续式干燥按干燥介质与物料的相对运动方式，可分为顺流、逆流和错流三种。

顺流干燥的特点：

两者运动方向一致，进口处干燥推动力最大，出口处干燥推动力最小。 适合下列物料的干燥：

（1）湿度较大时快速干燥不会引起裂纹或焦化现象；

（2）适合于干后不耐高温而易发生分解、氧化的物料；

（3）适合于干后吸潮性小的物料。

缺点：干燥后期推动力过小而影响生产能力。

逆流干燥的特点：

两者运动方向相反，进、出口处干燥推动力相差不大，分布较均匀。 适合下列物料的干燥：

（1）湿度大时不允许快速干燥以免发生龟裂等现象的物料；

（2）干后能耐高温不致发生分解、氧化的物料；

（3）干后吸潮性大的物料。

缺点：入口处温度较低的物料与湿度较大的干燥介质相接触会使干燥介质中的水分冷凝在物料上，从而使物料湿度增加，影响生产能力。

错流干燥基本克服了上述两种方式的缺点，而发挥了其优点。 7．2 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，

喷雾干燥器；滚筒式干燥器；冷冻干燥器等。 喷雾干燥流程如下：

冷冻干燥流程如下：