西昌学院《食品工程原理》教案第一讲

西昌学院《食品工程原理》教案第十九讲教学目的教学要求本节学习的目的是让学生掌握湿空气的热力学性质，湿空气的湿度图及使用方法，干燥静力学重点与难点重点：握湿空气的热力学性质，湿空气的湿度图及使用方法，干燥系统的物料衡算难点：湿空气的湿度教具及参考资料参考资料：1、高福成。食品工程原理，中国轻工业出版社。1998。2、无锡轻工学院等。《食品工程原理》上、下册，北京：轻工业出版社，1985。3、谭天恩等编，《化工原理》上、下册，北京：化学工业出版社1984。主要教学方法讲授法学时分配3学时教学主要过程与主要内容概述去湿：除去物料中的水分和或其它溶剂（统称为湿分）的过程。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，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。8.1湿空气的热力学性质8.1.1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8.1.2湿度d(humidity)Hrm又称为湿含量或绝对湿度(absolutehumidity)。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。常温下，湿空气可视为理想气体，则有在饱和状态时，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gvvvgvnnpPpppggvvMnMnd量湿空气中绝干空气的质湿空气中水气的质量vvvvpPppPpd622.0)(2918ssspPpd622.0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8.1.3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(relativehumidity)，用符号φ表示，即当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。在一定总压和温度下，两者之间的关系为8.1.4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，又称为湿热，用符号CH表示，单位是kJ/(㎏绝干气·oC)，即在常用的温度范围内，有上式说明：湿空气的比热只是湿度的函数8.1.5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(humidvolume)，用符号vH表示，单位为：m3湿空气/kg绝干气。式中cr——湿空气的比热，kJ/(㎏绝干气·oC)；cg——绝干空气的比热，kJ/(㎏绝干气·oC)；cv——水气的比热，kJ/(㎏水气·oC)dcccvar),(Ptfd%100svppsspPpd622.0dcH93.10.18.1.6湿空气的焓H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h表示，单位是kJ/kg干空气。H=Hg+Hvd式中H——湿空气的焓，kJ/kg绝干气；Hg——绝干空气的焓，kJ/kg绝干气；Hv——水气的焓，kJ/kg水气。注：空气的焓是根据干空气及液态水在0oC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0oC的水变为0oC的水汽所需的潜热及湿空气由0oC升温至toC所需的显热之和，即8.1.7干球温度t和湿球温度tM干球温度t：空气的温度湿球温度tM：不饱和空气的湿球温度tM低于干球温度t。形成原理（如图所示）：在稳定状态时，空气向湿纱布表面的传热速率为：Q=αA（t-tM）气膜中水气向空气的传递速率为：N=kdA（ds-d）在稳定状态下，穿热速率和传质速率之间的关系为：Q=NLv对空气~水蒸气系统而言，α/kH=1.09强调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。：8.1.8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，称为绝干气水气绝干气kgmmvH33PtdPtdvH5510013.12732734.22)244.1772.0(10013.12732734.22)18291(..dTdTdTTcLdchvva2500)93.10.1()93.12500(00.1)()(,HHrktttwstwHw该湿空气的露点(dewpiont),用符号td表示。在露点时，空气的湿度为饱和湿度，φ=1。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td=(Hs,td)湿度越大，td越大。8.1.9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。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：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：ttas（或tw）td对于饱和的湿空气：t＝tas（或tw）＝td8.2湿空气的湿度图及使用方法8.2.1湿空气的湿度图dddtststsHPHp,,,622.0dddtststspPpH,,,622.0002001)()(rHtcHcIHrtHccIasasvasgvg)(00HHcrttasHasaswtt在工程计算中，常用的是以湿空气的焓值H为纵坐标，湿度rm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rm线)：等焓线(等H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d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h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)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）当湿空气的湿度rm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水蒸汽分压线该线表示空气的湿度rm与空气中的水蒸汽分压p1之间关系曲线。当湿空气的总压Ｐ不变时，水蒸汽的分压p1随湿度Ｈ而变化。水蒸汽分压标于右端纵轴上，其单位为kPa。8.2.2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rm-H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~rm，p~rm，td~p，tw~H，tas~H等，它们均在同一等H线或等I线上。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。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。例：已知湿空气的总压为101.3kN/m2,湿度为rm=0.02kg水/kg干空气，sspPpH622.0mmrPrp622.01干球温度为70oC。试用rm-H图求解：(a)水蒸汽分压p；(b)相对湿度φ；(c)热焓H；(d)露点td；(e)湿球温度tw；解由已知条件：Ｐ＝101.3kN/m2，H=0.02kg水/kg干空气，t=70oC，在rm-H图上定出湿空气的状态点Ａ点。pv=3kN/m2φ=10%I＝122kJ/kg干空气td=24oCtw=33oC8.2.3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。（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。利用上述方法，如果将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。（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（rm,1，H1），（rm,2，H2）。两空气混合后，由物料衡算和热量衡算，可求得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。（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。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8.3干燥静力学干燥过程的计算中应通过干燥器的物料衡算和热量衡算计算出湿物料中水分蒸发、空气用量和所需热量，再依此选择适宜型号的鼓风机、设计或选择换热器等。8.3.1、物料含水量的表示方法（1）湿基含水量w2,1,2,2,1,1,,mmmmmmnmqqrqrqr2,1,22,11,mmmmnqqHqHqH以湿物料为计算基准的物料中水分的质量分率或质量百分数。（2）干基含水量Ｘ：不含水分的物料通常称为绝对干物料或称干料。以绝对干物料