食品工程原理——干燥

由于水的饱和蒸气压仅与温度有关，故湿空气的饱和湿 度是温度和总压的函数，即
H s f (t , P)
3 相对湿度 φ
在一定温度及总压下，湿空气的水汽分压pv 与同温度下
水的饱和蒸汽压 pS 之比的百分数，称为相对湿度(relative humidity)，用符号φ表示，即
pv 100% ps
1 H 273 t 1.013105 vH ( ) 22.4 29 18 273 P 273 t 1.013105 (0.772 1.244H ) 22.4 273 P
7 露点 td
不饱和的空气在湿含量Ｈ不变的情况下冷却，达到饱和状 态时的温度，称为该湿空气的露点(dew piont),用符号td表示。 在露点时，空气的湿度为饱和湿度，φ=1。
I H Hn 1 e t d 3
φ=1
H
4 绝热冷却增湿过程
空气和水直接接触时，空气的状态变化可视为空气和液态 水表面边界层内的饱和空气不断混合的过程。 若空气（以A点表示）与温度为tas的冷却水（其表面的饱 和空气以B点表示）相接触，由于水温保持不变，B点的位置 也固定不变，则空气的不断混合过程就表现为空气状态从A 点不断向B点移动。 I A tA φ=1 tas B 绝热饱和过程的进行，其结 果一方面表现为空气的冷却， 另一方面表现为空气的增湿， 故称为绝热冷却增湿过程。 H
补充水 tas
在空气绝热增湿过程中，空气失去的是显热，而得到的是汽 化水带来的潜热，空气的温度和湿度虽随过程的进行而变化， 但其焓值不变。
塔顶和塔底处湿空气的焓分别为：
I1 (cg Hcv )t Hr0
0 0
I 2 (cg H as cv )tas H as r0
湿空气在绝热增湿过程中为等焓过程，即：I1=I2 由于Ｈ和Ｈas值与l相比皆为一很小的数值，故可视为CH 、 CHas不随湿度而变，即CH=CHas 。则有
在一定总压和温度下，两者之间的关系为
ps H 0.622 P ps
4 湿空气的比热CH
在常压下，将湿空气中1kg绝干空气及相应Ｈkg 水汽的温度
升高（或降低）1oC所需要（或放出）的热量，称为比热，又
o 称为湿热，用符号CH表示，单位是kJ/(㎏绝干气·C)，即
cH cg Hcv
I=Ig+IvH
式中Ｉ——湿空气的焓，kJ/kg绝干气； Ig ——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气； Iv——水气的焓，kJ/kg水气。 注：空气的焓是根据干空气及液态水在0 oC时焓为零作基准而计算的， 因此，对于温度为t 及湿度为Ｈ的湿空气，其焓包括由0o C的水变为0o C 的水汽所需的潜热及湿空气由0oC升温至t oC所需的显热之和，即
8 干球温度t和湿球温度tw
干球温度t：空气的温度 湿球温度tw： 不饱和空气的湿球温度tw低于干球温度t。 形成原理（如图所示）： tw
补充液，温度tw
空气 湿度H 温度t
在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为： Q=αS（t-tw）
气膜中水气向空气的传递速率为：N=kH（Hs,tw-H）S
H s ,t d
0.622 ps ,t d P p s ,t d
p s ,t d
H s ,t d P 0.622 H s ,td
当空气从露点继续冷却时，其中部分水蒸汽便会以露珠的 形式凝结出来。空气的总压一定，露点时的饱和水蒸汽压ps,td 仅与空气的湿度Hs,td有关，即 ps,td=f(Hs,td) 或 度越大，td 越大。 td= (Hs,td) 湿
在稳定状态下，穿热速率和传质速率之间的关系为：Q=Nrtw
tw t
强调：
k H rtw

( H s ,tw H )
对空气~水蒸气系统而言， α/kH=1.09
湿球温度实际上是湿纱布中水分的温度，而并不代表空气的
真实温度，由于此温度由湿空气的温度、湿度所决定，故称其 为湿空气的湿球温度，所以它是表明湿空气状态或性质的一种 参数。 对于某一定干球温度的湿空气，其相对湿度越低，湿球温 度值越低。对于饱和湿空气而言，其湿球温度与干球温度相等。
I＝122kJ/kg干空气
td=24oC tw=33o C
三、湿空气的基本状态变化过程
1 间壁式加热和冷却
若空气的温度变化范围在露点以上，则空气中的含水量始终 保持不变，且为不饱和状态，为等湿过程，过程线为垂直线。 I tB tA A B A
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tA
B tB φ=1
H
2 间壁式冷却减湿
上述间壁式冷却过程当进行至露点，空气即达到饱和状态， 继续冷却时，水蒸气就在冷却壁面上凝结出来，而且温度不断 降低，但空气始终在饱和状态。 I 利用上述方法，如果将
在同一等H线或等I线上。 A
干球温度t、露点td、湿球温 度tw（或绝热饱和温度tas）都 是由等t线确定的。 I E tw td φ=1 D
F
B C
p
H
通常根据下述已知条件之一来确定湿空气的状态点，已知条 件是： （１）湿空气的干球温度t和湿球温度tw； （２）湿空气的干球温度t和露点td ； （３）湿空气的干球温度t和相对湿度φ。 I t 1 2 tw I I 2 φ A
o 式中 cH——湿空气的比热， kJ/(㎏绝干气·C)； o cg——绝干空气的比热， kJ/(㎏绝干气·C)； o cv——水气的比热， kJ/(㎏水气·C)
在常用的温度范围内，有
cH 1.01 1.88H
上式说明：湿空气的比热只是湿度的函数。
5 湿空气的焓 I
湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和，称为湿 空气的焓，用符号I表示，单位是kJ/kg干空气。
收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料 的去湿，或用于除去气体中的水分。
热能去湿法：如蒸发、干燥等
用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排 除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥。
干燥过程的分类
按操作压力：常压干燥、真空干燥 按操作方式：连续式、间歇式 按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和
压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化 的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。
第二节
湿空气的性质及湿度图
一、湿空气的性质
1 水蒸气分压pv
空气中水蒸气分压愈大，水分含量就愈高，根据气体分 压定律，则有 pv pv nv
pg P pv ng
2 湿度(humidity)H
又称为湿含量或绝对温度(absolute humidity)。它以湿空 气中所含水蒸汽的质量与绝对干空气的质量之比表示，使用 符号Ｈ，其单位为：kg水气/kg干空气 。
nv M v 湿空气中水气的质量 H 湿空气中绝干空气的质 量 ng M g
常温下，湿空气可视为理想气体，则有
18 pv pv H 0.622 29( P pv ) P pv
在饱和状态时，湿空气中水蒸气分压pv等于该空气温度 下纯水的饱和蒸气压ps，则有
ps H s 0.622 P ps
I (cg Hcv )t Hr0
0
(1.01 1.88H ) 2490H
6 湿空气的比容vH
在湿空气中，1kg绝干气体积和相应的Hkg水气体积之和，
称为湿空气的比容，亦称湿容积(humid volume)，用符号vH
表示，单位为：m3湿空气/kg绝干气。
m3绝干气 m3水气 vH kg绝干气
HP pv 0.622 H
该线表示空气的湿度Ｈ与空气中的水蒸汽分压pv之间关系曲 线。当湿空气的总压Ｐ不变时，水蒸汽的分压pv随湿度Ｈ而变 化。水蒸汽分压标于右端纵轴上，其单位为kN/m2。
湿焓图的说明与应用
根据湿空气任意两个独立的参数，就可以在H-I图上确定该 空气的状态点，然后查出空气的其他性质。 非独立的参数如：td~H，p~H，td~p，tw~I，tas~I等，它们均
当pv=0时，φ=0，表示湿空气不含水分，即为绝干空气。 当pv=ps时，φ=1，表示湿空气为饱和空气。
相对湿度和绝对湿度的关系
相对湿度：可以说明湿空气偏离饱和空气的程度，能用
于判定该湿空气能否作为干燥介质，φ值与越小，则吸湿
能力越大。
湿度：是湿空气含水量的绝对值，不能用于分辨湿空气
的吸湿能力。
第八章 物料干燥
重点：空气的焓湿图、干燥机理、干燥
曲线、干燥时间的计算；
难点：空气的焓湿图、干燥机理；
第一节
过程。
概述
去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的
去湿的方法：
机械去湿法：即通过过滤、压榨、抽吸和离心分离等方法
除去湿分。
物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙等吸
r0 tas t ( H as H ) cH
0
实验测定表明，对于在湍流状态下的空气－水蒸气系统 而言，a/kH≈ CH ， 同时 r00≈ rtw，故在一定温度t和湿度H下， 有
t w t as
强调：绝热饱和温度tas与湿球温度tw是两个完全不的概念。
但是两者都是湿空气状态(t和H)的函数。特别是对空气－水
A
φ=1
凝结出来的水分设法除去，
再将所得的饱和空气加热， 则不会恢复原来的状态，而 空气的湿度小于原空气的湿 度，即达到减湿的目的。
B
HB
HA
H
3 不同状态空气的混合
设有状态不同的空气1和2，对应的干空气的量为G1和G2， 对应的状态为（H1，I1），（H2，I2）。两空气混合后，由物 料衡算和热量衡算，可求得
9 绝热饱和温度tas
形成原理： 绝热降温增湿过程及等焓过程 绝热增湿过程进行到空气被水汽
空气 tas，Has，I2
所饱和，则空气的温度不再下降，
而等于循环水的温度，称此温度为 该空气的绝热饱和温度，用符号tas 表示，其对应的饱和湿度为Ｈas，此 刻水的温度亦为tas。 tas
水
空气 t，H，I1
介电加热干燥，以及由其中两种或三种方式组成的
联合干燥。
在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是
空气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。
物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。 干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其
它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压，
G1 H1 G2 H 2 Hn G1 G2
I
G1I1 G2 I 2 In G1 G2
若混合后的空气状态点落 入超饱和区，例如图中3-4 直线上的d点，则混合物将 分成气态的饱和空气和液态 的水两部分，前者的状态点 为过d点的等温线与φ=1线 的交点e。
I1
1
In
I2
2
H2 4
A
A
3
φ=1
t 1 2 td
3
φ=1
t 1 0
φ=1
0
H
0
H
H
例： 已知湿空气的总压为101.3kN/m2 , 湿度为H=0.02 kg水/kg 干空气，干球温度为70o C。试用I-H图求解：
(a)水蒸汽分压p； (b)相对湿度φ ； (c)热焓Ｉ； (d)露点td ；
(e)湿球温度tw ；
解 由已知条件：Ｐ＝101.3kN/m2， H=0.02 kg水/kg干空气， t=20o C，在I-H图上定出湿空气的状态点Ａ点。 pv=3kN/m2 φ=10%
气系统，两者在数值上近似相等，对其他系统而言，不存在 此关系。
对空气－水蒸气系统 ，干球温度、绝热饱和温度（或湿
球温度）及露点之间的关系为：
对于不饱和湿空气： t>tas（或tw）>td 对于饱和的湿空气： t＝ tas（或tw）
＝td
二、湿空气的湿度图
在工程计算中，常用的是以湿空气的焓值I为纵坐标，湿度
H为横坐标的焓湿图，即I-H图。
图上共有五种线，图上任一点都代表一定温度t和湿度Ｈ的 湿空气状态。
等湿度线(等H线)： 等焓线(等I线)： 等温线(等t线)： 等相对温度线（等φ线） 水蒸汽分压线：
1 等湿度线(等H线) 一组与纵轴平行的直线。在同一条等H线上，湿空气的露 点td不变。 2 等焓线(等I线) 一组与横轴平行的直线 。在同一条等I线上，湿空气的温度 t随湿度H的增大而下降，但其焓值不变。 3 等温线(等t线) I=(1.88t+2490)H+1.01t
当空气的干球温度t不变时，I与H成直线关系，故在I-H图中 对应不同的t，可作出许多等t线。 各种不同温度的等温线，其 斜率为(1.88t+2492)，故温度愈高，其斜率愈大。因此，这许多 成直线的等t线并不是互相平行的。
4 等相对温度线（等φ线）
ps H 0.622 P ps
当湿空气的湿度Ｈ为一定值时，温度愈高，其相对湿度φ值 愈低，即其作为干燥介质时，吸收水汽的能力愈强，故湿空气 进入干燥器之前必须经过预热器预热提高温度，目的除了提高 湿空气的焓值使其作为载热体外，也是为了降低其相对湿度而 作为载湿体。 5 水蒸汽分压线