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空气源热泵烘干应用-农产品的干燥动力学特性

2018-06-05 02:31:31 http://www.chinarebeng.com/ 责任编辑: 浏览数:1237 手机访问 中国热泵网

在干燥初始阶段,许多物料的含水率急剧下降,绝大部分水在瞬问蒸发掉,而在此后较长的时间内只能去除较少的水分。在干燥开始,物料中的水分随干燥时间而呈直线下降,当湿含量降到某一值时,干燥速率不再呈直线下降,在后一阶段则沿平缓的曲线而变化,最后物料中的水分趋于平衡水分。

影响农产品干燥速度的本质因素是其干燥动力学特性,干燥动力学问题主要集中在这些物料的有效扩散系数上,固体内部的水分扩散困难,最终表现为干燥速率低、干燥时间长,据测算,食品及农产品的有效扩散系数平均为10-10~10-9m2/s,而其它化工、建筑材料的有效扩散系数平均为1010-7m/s。这也是多植物块茎物料,多种谷物等在干燥中不存在常速干燥段,且干燥时间长的原因。为此,食品及农产品的干燥不宜采用高介质温度和强化速度的干燥条件,而必须采用较温和的干燥介质,进行缓苏操作。

1、干燥过程分析

在干燥初始阶段,许多物料的含水率急剧下降,绝大部分水在瞬问蒸发掉,而在此后较长的时间内只能去除较少的水分。在干燥开始,物料中的水分随干燥时间而呈直线下降,当湿含量降到某一值时,干燥速率不再呈直线下降,在后一阶段则沿平缓的曲线而变化,最后物料中的水分趋于平衡水分。物料从第一阶段转入第二阶段时的含水量的值称为临界含水量,这个点称为临界点。第一阶段称为恒速干燥阶段,第二阶段称为降速干燥阶段。

(1)恒速干燥阶段

在恒速干燥阶段,物料表面的状况与湿球温度计缠上湿润的纱布表面状况很相似,气体与物料的接触也相当于大量热空气与少量水的接触一样,经过短时间之后,物料的表面温度即等于空气的湿球温度,且维持不变。而当湿球温度tw为定值时,物料表面处空气的饱和湿度Hw也为定值,湿物料的传热速率和传质速率就一定保持恒速不变。由于物料在刚移人于燥介质时,初始温度一般不会恰好等于空气的湿球温度,所以干燥曲线和速率曲线上表现为有一短暂的预热阶段。需要指出的是,在整个恒速干燥阶段中,要求物料内部的水分向其表面转移的速率能够与水分从物料表面汽化的速率相适应,以使物料表面能始终维持润湿状态。一般来说,此阶段被汽化的水分为非结合水,与从自由液面的蒸发汽化无异。显然恒速干燥阶段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率,即取决于物料外部的干燥条件,故又被称为表面汽化控制。当干燥速率为表面汽化所控制时,强化干燥操作就必须集中在去改善外部传递的因素。在常规热风干燥情况下,因物料表面保持润湿,物料表面温度可近似认为是空气湿球温度,水分的汽化也可认为是近似于纯水表面的汽化,因此,这时提高空气温度,降低空气湿度,改善空气与物料之间的接触和流动状况都将有利于提高干燥速率。

(2)降速干燥阶段

干燥过程中,当物料的含水量降至临界含水量以后,便转入降速干燥阶段。在此阶段中,干燥速率的变化规律与物料性质及内部结构有关,总的表现为水分自物料内部向表面转移的速率低于物料表面向空气的汽化速率,蒸发已由表面汽化控制转变成内部扩散控制。降速的原因大致是因为物料表面逐渐变于、汽化面逐渐向物料内部移动,使得物料内部传热、传质途径加长;另外此时物料中的非结合水已基本除尽,当汽化各种结合水时,平衡蒸汽压将逐渐下降,使传质推动力减小;对非多孔性物料(如肥皂、木材、皮革等),汽化表面只能是物体外表面,它不可能内移,当表面水分去除之后,干燥速率就取决于物料内部水分的扩散,而内扩散是个速度极慢的过程,并且扩散速度还要随含水量的减少而不断下降。因此,随着物料内部含水量的减少,其温度会不断上升,干燥速率也就越来越低。降速干燥阶段干燥速率主要取决于物料本身的结构、形状和尺寸,而与外部的干燥条件关系不大。

降速干燥阶段的干燥速率曲线的形状亦会随物料内部结构的不同而异(见阁2-17)。第一类是图2-17中直线1所表示的干燥速度曲线,具有粗孔隙的物料如纸张、纸板的干燥属于此类;第二类为曲线2所示干燥速度曲线,遵循它的物料有织物、皮革等;曲线3代表的第三类有陶瓷物料,以上三类干燥速度曲线虽然在降速干燥阶段形态完全不同,但曲线上均仅有一个临界点K1。结构复杂的物料其干燥速度曲线在降速阶段也相应复杂,图2-17中的曲线4.5.6分别为谷物、面包、泥土的干燥速度曲线,这些曲线均具有个临界点K1与K2之间称为第一降速阶段,K2点之后则称为第二降速阶段。第二临界点即相当于水分在物料内部传递机理发生变化的转折点,就大多数物料而言,此点即为排除吸附水分的开始点,而在此之前主要是排除微毛细管中的水分。

出现第二临界点的原因有是因为第一降速阶段属于物料在干燥中开始形成干燥的外层,直至千燥外层全部形成过程的阶段。一旦干燥外层完全形成之后,汽化表面就要全部向物料内部转移,水分汽化就要在物料内部进行,这便为第二降速阶段。在第二降速阶段,随着汽化表而逐步深入内层,干燥速度将迅速下降,直到物料达到平衡湿度,干燥速度即为零。图2-17中的N表示最高干燥速度值。

不同物料干燥速率

在农产品和食品干燥加工中,物料降速干燥最为常见,例如新鲜水果、蔬莱、肉、鱼等的加工制晶以及果胶、明胶、酪蛋白等一类胶体性物质均是以降速干燥为主。由于降速干燥阶段的干燥属于水分的内部扩散控制,所以要加快此种状态下的干燥速度,就必须改善内部水分扩散速度。

因此,物料的干燥速度曲线的形态与物料结构有着密切的关系,为此,我们在经基础上对物料按干燥速度曲线形式进行适当的分类,通常是将物料分成多孔性和无孔性两类,但实际上绝大多数物料是介于它们两者之间。也可以将物料按吸湿性分成吸湿物料和不吸湿物料;但结果均因为物料结构十分复杂、不同物料干燥机理不同,所以干燥曲线还是需要由实验确定。

(3)临界含水量

如前所述,我们把固体物料由恒速干燥阶段即将进入降速干燥阶段时的临界点含水量称为临界含水量Mo,临界点的出现表明结合水与非结合水的界限,表明表面汽化控制向内部扩散控制的转变,若临界含水量Mo越大,便会使干燥较早地转入降逮阶段,使干燥需要的时间越长。确定临界含水量的值,不仅对于燥速率和干燥时间的计算十分必要,而且由于影响两个干燥阶段速率的因素不同,所以确定Mo值对于强化具体的干燥过程也有重要意义。

(4)干燥过程对物料性状的影响

由于在恒速干燥阶段中,物料的表面温度维持在空气的湿球温度,因此,即使在高温下易变质、破坏的物料,也可以允许在恒速干燥阶段采用较高的气流温度进行干燥,以提高干燥速率和热利用率,但在降速阶段,因物料温度将要逐渐升高,故在此阶段要注意防止物料温度过高。物料的性状可能会在干燥中因脱水而发生多种物理、化学以至生物们学的变化,如谷物干燥中的裂纹、口味変差等就月一种很典型的表现。如果干燥速率过快,也会在衫料表面结成硬壳,使内部的水分无法逸出,干燥刈以继续进行。为避免干燥产生物料开裂、起皱、表硅结売等不良现象,常需要对降速干燥阶段的干燥窍件加以严格控制,通常采用减缓干燥速度,使物和内部水分分布比较均匀等措施。

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