太阳能干燥

第四章太阳能干燥第一节概述在农业生产和农副产品加工过程中，干燥作业是必不可少的重要环节。

改革开放以来，我国农村经济得到了空前发展，广大农村正在利用资源优势脱贫致富，解决温饱，奔向小康。

然而，由于我国农村能源的长期短缺，农副产品的干燥加工仍然以自然摊晒方式为主，这种落后的生产加工方式，不但干燥时间长，受气候变化影响和制约，而且干燥物料易受灰尘、蝇虫以及各种微生物的污染，使得干燥品质不高，质量无法保证。

有些物料，如油脂类食品在阳光下曝晒，还会加速油脂氧化，易产生致癌物质，影响人体健康。

有些物料，如粮食、鲜果等，由于受季节性影响，若不及时干燥处理，常常腐烂变质，使农民蒙受不应有的损失。

传统的陈旧的自然摊晒方式阻碍了农村生产力的发展，已成为制约农副产品加工的“瓶颈”。

为了更有效地利用太阳辐射能来干燥物料，人们结合各地的太阳能资源和气候条件，根据物料的干燥特性，设计和建造了各种形式的太阳能干燥器。

他们可以分成高温聚焦型和低温热利用型两大类。

前者经过尝试，由于造价高、设备复杂，很少使用。

后者由于造价较低，可因地制宜、就地取材施工。

况且，农副产品干燥加工一般只需低温(40c0～65 °c )，有的必须低温干燥(如种子和带挥发性物质的中药材等)，因而低温热利用型太阳能干燥器发展迅速。

本章所述太阳能干燥，均指用低温热利用型干燥器来干燥物料。

这种形式的太阳能干燥器，可使太阳辐射能直接照射在物料上，利用温室效应，人为地创造一种适合于干燥作业的环境，并通过合理的送风使物料于燥；也可以利用太阳能空气集热器采集太阳辐射能加热空气，用流动的热空气来干燥物料；或将两者组合起来应用。

太阳能f-燥器与常规能源配套使用，还能实现全天候运行、仁业化产的目的。

利用太阳能十燥器进行干燥作业，具有干燥周期短，干燥效率高，产品干造品质好，可避免自然摊晒的物料污染和腐妙变质损失实践证明，它具有较明显的经济效益和社会效益。

例如，我用山西省翟山县利用简易太阳能干燥器干燥红枣，与自然摊晒方式利!比，干燥速度提高了3倍以上；烂枣率由10%～20%下降到2%～3%；成品干枣外形丰满，色洋红润，鲜甜味美。

广州三元里平沙乡利用太阳能干燥器干燥各种干鲜果，每天可得到加工费150～300元，3个月即可回收投资，而且节省了劳力，保证了产品质量。

目前，我国太阳能干燥器已发展到推广应用阶段，已建立的太阳能干燥器的采光面m左右。

各种类型的太阳能干燥装置200多座，其中，广东江门农阳能农药干燥积达2万2装置太阳能采光面积达3000m2，是世界上少有的大型太阳能干燥装置。

并且从间歇运行向全天候使用的方向发展，有的甚至使用电子计算机来控制干燥器的运行。

总之，太阳能干燥是一种行之有效的方法.值得大力推广。

利用太阳能干燥，对于发展农村经济、节约常规能源、避免环境污染、提高产品质量、改变落后的生产加工方式和农民致富都将起到积极作用。

由于篇幅所限，本章仅从物料的干燥特性和干燥原理人手，介绍太阳能干燥器的特点、分类以及典型结构、太阳能干燥器的评价指标，并粗略地介绍物料干燥过程中的热量平衡。

第二节物料含有水分的性质及含水量表示法干燥的过程就是不断地除去物料中水分的过程。

由于干燥对象(物料)千差万别，品种繁多.其物理构成、化学成分也不同，物料中所含水分在干燥过程中表现出的性质也有很大差异。

物料性质的这些差异，使得干燥的时间、干燥作业的要求、干燥的难易程度也大不相同。

设计十燥器，最基本的数据是需要了解从物料中除去多少水分，除去水分的速率多大，因此，了解物料含水量的表示法，并通过实验测定出来，就显得十分必要。

一、物料中所含水分的性质物料中所含水分可能是纯液态，或是水溶液。

根据水分在物料中位置的不同，物料中的水分可分为吸附水分、毛细管水分、溶胀水分和化学结合水分4种，由于化学结合水分的去除已不属于干燥作业的范围，我们仅介绍前3种。

(1)吸附水分吸附水分是物料外表面上附着的水分，与纯态水一样，在任何温度下，它的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。

(2)毛细管水分它存在于多孔性物料的孔隙中，这种水分在干燥过程中可借助毛细管的吸引作用转移到物料表面。

物料孔隙较大时，所含水分与吸附水分一样，蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。

孔隙较小时，所含水分的蒸汽压小于同温度卜纯水的饱和燕汽压。

毛细竹水分的蒸汽压还随着干燥过程的进行而下降，这是因为存留的水分大多是在更小的毛细管中。

(3)溶胀水分这是物料组成的一部分·渗透人物料的细胞壁内，它的存在使物料体积增大。

为了说明十燥过程的限度，物料中所含水分又划分为平衡水分和自由水分湿物料中水分的蒸汽压与物料的性质、含水量和温度有关，将湿物料与一定温度(T)、相对湿度(ϕ)的空气相接触，物料中水分汽化，直到物料表面水蒸气压与空气中水蒸气分压相等为止。

这时，物料中水分与空气中水分达到平衡，继续延长干燥时间，物料中的水分也不再增减。

此时，物料中含有的水分称为平衡水分，或称平衡含水量。

空气的相对湿度越大，或温度越低，平衡水分也越大。

因此，平衡水分是物料在一定的空气状态下可能干燥的最大限度，并随空气状态的变化而变化。

物料的含水量大于平衡含水量时，实际含水量与平衡含水量之差，称为自由水分或自由含水量。

因此，自由含水量是在一定的空气状态下能用干燥方法除去的水分。

根据物料中水分被除去的难易程度，物料中水分又分为结合水分和非结合水分。

结合水分存在于细胞壁和孔隙较小的毛细管内，它与物料的结合力强，较难蒸发，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。

当物料中只存在结合水分时，物料中水汽至空气主体的扩散推动力(p)随干燥过程的进行逐渐下降。

非结合水分是指存在于物料表面的吸附水分，以及较大孔隙中的水分等.其蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压，它与物料的结合力弱，容易除去。

上述几种水分的关系列表如下：{{−−→−−→自由水分平衡水分不能除去的结合水物料中的水分非结合水首先去出的水分能除去的结合水 二、物料中含水量的表示方法在干燥过程中，物料的含水量有湿基含水量和干基含水量两种表示方法。

(1)湿基含水量指湿物料中水分占有的百分率，用符号ω表示，单位为kg/千克湿物料，计算公式：湿基含水量(ω)=%100湿物料中水分的质物 ⨯湿物料总质量=%100⨯+水分的质量量湿物料中就对干料的质湿物料中水分的质量 这是习惯上常用的含水量表示法，但是用这种方法表示物料的最初和最终含水量时，不能用简单的相减来计算水分蒸发量。

(2)干基含水量干基含水量是以绝对干料为基准表示的湿物料中水分的含量，用符号x 表示，单位为kg/千克绝对千料，计算公式：干基含水量（x ）=量湿物料中绝对干料的质湿物料中水分的质量 =湿物料中水分的质量湿物料总质量湿物料中水分的质量- 在用干基含水量计算水分蒸发量时，可用物料最初和最终含水量相减计算。

两种含水量之间的换算关系如下：ωω-=1x （4-1） x x +=1ω（4-2） 第三节干燥原理及物料干燥特性一、干燥原理如前所述，物料的干燥过程就是不断从湿物料中除去水分，直至达到要求含水量的过程。

干燥过程的驱动力是物料表面蒸汽压（1p ）与空气中水蒸汽分压力（v p ）之差。

在单位时间、单位干燥面积上汽化的水分量，称为干燥速率，用符号U 表示，单位是Kg/(2m s ∙)。

物料的干燥速率由实验测定。

设物料的干燥在恒定的空气条件下进行，即干燥介质（热空气）的温度、相对湿度、流速以及与物料接触方式在整个干燥过程中保持恒定。

用大量空气干燥少量物料可以认为是接近恒定的干燥情况。

图4—1表示恒定干燥条件下典型的物料干燥速率曲线。

图中纵坐标是干燥速率，用U 表示，横坐标是物料的干基含水量，用x 表示。

由图4-1可见，干燥过程明显地分成3个阶段，即预热阶段AB 、等速干燥CB 和降速干燥阶段CD 段。

(1)预热阶段如图4-1中AB 段，干燥作业由A 点开始，随着物料温度的逐渐升高，干燥速率迅速增加到最大值。

此阶段的特点是物料被热空气加热，从初始温度迅速上升到该热空气的湿度温度。

此阶段的热量消耗主要用于增加物料内能，同时用于物料中水分的蒸发。

(2)等速干燥阶段如图4-1中召BC 段，物料的干燥速率和物料表面温度保持不变，且干燥速率不随物料含水缺的不断下降而变化。

这是因为物料表面水分的汽化速率与物料内部水分向农面的扩散速率相等，物料水分含量的减少随时间的变化率为常数，所以BC 段从本保持一水平直线。

在这个阶段，干操速率的快慢主要取决于物料表面的汽化速率和热空气的性质，而与湿物料的性质关系很小。

(3)降速干燥阶段如图4-1中CD 段，在此阶段，物料的干燥速率从C 点降到D 点。

其特点是干燥速率逐渐下降，物料表面温度逐渐上升。

图中C点称为临界点，对应的物料含水量称为临界含水量。

临界点是物料中非结合水分与结合水分的界限。

干燥过程进行到C点时，物料中的非结合水分已基本排除，在降速干燥阶段要排除的主要是物料中的结合水分。

此时，物料内部水分向表面的扩散速度随着物料含水量的下降而下降，因不能及时地向表面补给水分，使物料表面的湿润面积逐渐减小，干燥速率不断地下降，物料表面温度脱离热空气的湿球温度状态，趋向于热空气温度。

因此，在降速干燥阶段，物料的干燥速率主要取决于物料本身的性质、形状和大小等，而与热空气的性质关系较小。

因此，物料不同，曲线由C点到D点变化的形状是不同的。

干燥速率曲线与横坐标的交点D所表示的物料含水量是平衡含水量，此点的干燥速率为零。

表4-1、表4-2和图4-2 ( 25°C条件下)给出了一些物料在各种空气参数下的平衡含水量值。

在同样的空气状态参数下，各种物料的平衡含水量不同，差异较大。

同一种物料在不同的空气状态参数下，平衡含水量也不同。

温度上升和相对湿度下降，平衡含水量下降。

二、物料干燥特性很多农副产品并不一定要干燥到平衡含水量，而只需干操到某个要求的值(在临界含水量和平衡含水量之间)。

如收获季节的稻谷含水量约为24%（湿基)，安全储存含水量为14%(湿基)。

如果在气温为40°C 、相对湿度40%的空气中干燥，稻谷的平衡含水量为8%(湿基)，而干燥速率随物料含水量的下降迅速下降。

从节约能源、充分利用干燥装置.提高经济效益考虑，确定合适的干燥最终含水量是很有必要的。

此外,阴雨天气.空气相对湿度达到90%。

由表4-2可见.稻谷的平衡含水量>14%，达到17%～19%（湿度）。

因此，储存期间应保持干燥状态，必要时应再次进行干燥，以保证储存质量。

此外，干燥速率曲线中的临界点往往不是固定的，它随热空气温度、物料形态的不同而不同，如蚕茧的临界含水量随温度的升高而降低。

干燥周期是评价干燥器性能的又一个重要指标，它表示物料从最初含水量干燥到要求的最终含水量需要的时间（τ），用小时表示。