2.5　物料干燥過程

2.5.1　太陽(yáng)能干燥原理

太陽(yáng)能干燥是指以太陽(yáng)能為能源，被干燥的濕物料或者在溫室內(nèi)直接吸收太陽(yáng)能并將它轉(zhuǎn)換為熱能；或者通過太陽(yáng)集熱器所加熱的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱而獲得熱能。物料表面獲得熱量后，將熱量傳入物料內(nèi)部，使物料中所含的水分從物料內(nèi)部以液態(tài)或氣態(tài)逐漸到達(dá)物料表面，然后通過物料表面的氣態(tài)界面層（邊界層）而擴(kuò)散到空氣中去，干燥過程中濕物料中所含的水分逐步減少，最終達(dá)到預(yù)定的終態(tài)含水率，變成干物料。因此，干燥過程實(shí)際上是一個(gè)傳熱、傳質(zhì)的過程。它包括以下過程。

①太陽(yáng)能直接或間接加熱物料表面，熱量由物料表面?zhèn)髦羶?nèi)部。

②物料表面的水分首先蒸發(fā)，并由流經(jīng)表面的空氣帶走。此過程的速率主要取決于空氣溫度、相對(duì)濕度和空氣流速及物料與空氣接觸的表面積等外部條件。此過程稱為外部條件控制過程。

③物料內(nèi)部的水分獲得足夠的能量后，在含水率梯度（濃度梯度）或蒸汽壓力梯度的作用下，由內(nèi)部遷移至物料表面。此過程的速率主要取決于物料性質(zhì)、溫度和含水率等內(nèi)部條件。此過程稱為內(nèi)部條件控制過程。

物料干燥速率的大小取決于上述兩種控制過程當(dāng)中的主要矛盾方面，即由兩個(gè)過程中較慢的一個(gè)速率控制。一般來說非吸濕性的疏松性物料，兩種速率大致相等。而吸濕性的多孔物料，如黏土、谷物、木材和棉織物等物料，干燥的前期取決于表面水分汽化速率，后期由于物料內(nèi)部水分?jǐn)U散傳遞速率滯后于表面水分汽化，導(dǎo)致干燥速率的下降。

太陽(yáng)能干燥是熱空氣與濕物料間對(duì)流換熱，熱量由物料表面?zhèn)髦羶?nèi)部，物料內(nèi)的溫度是外高內(nèi)低。而物料內(nèi)的水分是由內(nèi)向外遷移，其含水率是內(nèi)高外低。由于溫差和濕度差對(duì)水分的推動(dòng)方向正好相反，結(jié)果溫差削弱了內(nèi)部水分?jǐn)U散的推動(dòng)力。當(dāng)物料內(nèi)部溫差不大時(shí)，溫差的影響可以忽略不計(jì)。另外在干燥工藝上可以采取一些措施，來減少這種影響。

物料干燥過程中，水分不斷地由物料轉(zhuǎn)移至空氣中，使空氣的相對(duì)濕度逐漸增大，因此需要及時(shí)排除一部分濕空氣，同時(shí)從外界吸入一部分新鮮空氣，降低干燥室空氣的濕度，才能使干燥過程連續(xù)進(jìn)行。

2.5.2　干燥過程曲線

物料含水率隨時(shí)間變化的曲線，稱為物料的干燥過程曲線或干燥特性曲線。

通常，物料的過程特性曲線包括三個(gè)階段：預(yù)熱階段、恒速干燥階段和降速干燥階段，如圖2-10所示。

（1）預(yù)熱階段（A-B）　干燥過程從A點(diǎn)開始，熱風(fēng)將熱量轉(zhuǎn)移給物料表面，使表面溫度上升，物料水分蒸發(fā)，蒸發(fā)速率隨表面溫度升高而增加。在熱量轉(zhuǎn)移與水分蒸發(fā)達(dá)到平衡時(shí)，物料表面溫度保持一定值。預(yù)熱處理對(duì)于一些難于干燥的厚物料十分重要，預(yù)熱期間干燥室不排氣，使干燥室內(nèi)保持高的相對(duì)濕度，讓物料熱透。

（2）恒速干燥階段（B-C）　干燥過程到達(dá)B點(diǎn)后，水分由物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散的速率與表面蒸發(fā)的速率基本相同，傳入物料的熱量完全消耗在水分的蒸發(fā)階段。在這一階段中，物料表面溫度基本保持不變，含水率隨干燥時(shí)間呈直線下降，干燥速率基本保持一定值，即保持恒速干燥。恒速干燥段的長(zhǎng)短與物料性質(zhì)、干燥條件和干燥方法等因素有關(guān)。對(duì)難干物料而言，大部分干燥是在降速階段進(jìn)行的，有的物料如木材用常壓熱風(fēng)干燥時(shí)，基本上沒有恒速干燥段，或者這段的時(shí)間很短；但木材采用微波干燥時(shí)，則可能出現(xiàn)較長(zhǎng)的恒速干燥段。

（3）降速干燥階段（C-D-E）　干燥過程過C點(diǎn)以后，水分的內(nèi)部擴(kuò)散速率低于表面蒸發(fā)速率，物料表面的含水率比內(nèi)部低。隨著干燥時(shí)間增加，物料溫度則增高，蒸發(fā)不僅在表面進(jìn)行，而且還在內(nèi)部進(jìn)行，移入物料的熱量同時(shí)消耗在水分蒸發(fā)及物料溫度增高階段上。這階段稱為降速干燥的第一階段（C-D）。

干燥過程繼續(xù)進(jìn)行，物料內(nèi)部水分以蒸汽的形式擴(kuò)散到表面上來。這時(shí)干燥速率最低，在達(dá)到與干燥條件平衡的含水率時(shí)，干燥過程即告結(jié)束。這一階段稱為減速干燥的第二階段（D-E）。如物料的初始濕含量相當(dāng)?shù)颓乙笞罱K濕含量極低，則降速階段就很重要，干燥時(shí)間就很長(zhǎng)。

從恒速干燥階段轉(zhuǎn)為減速干燥階段時(shí)的含水率，即恒速干燥與降速干燥階段的分界點(diǎn)，稱為臨界含水率（C點(diǎn)）。物料的臨界含水率是干燥設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)極為重要的參數(shù)。該值不僅與物料的性質(zhì)有關(guān)，而且還隨干燥條件不同而顯著不同。一般來說，物料的組織越致密，水分由內(nèi)部向外部擴(kuò)散的阻力就越大，這樣臨界含水率值也就越高。例如，粒狀物料堆積干燥時(shí)，臨界含水率C=0.08～0.12，均勻分散在熱氣流中干燥時(shí)，臨界含水率C≈0.01，這兩者之間的差別是非常明顯的。而且對(duì)同一種物料，用同樣的干燥設(shè)備，但干燥介質(zhì)不同，其值也是不一樣的，例如用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)比用空氣作為干燥介質(zhì)的臨界含水率低得多。

另外，在工業(yè)生產(chǎn)中一般不要求干燥到平衡含水率（否則將需要很長(zhǎng)的干燥時(shí)間），而是介于臨界含水率和平衡含水率之間的某一位置上，視干燥生產(chǎn)需要和經(jīng)濟(jì)與否而定。如收獲季節(jié)的稻谷含水量約為24%（濕基），安全貯存含水量為14%（濕基）。如果在氣溫為40℃、相對(duì)濕度40%的空氣中干燥，稻谷的平衡含水量為8%（濕基），從節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益考慮，確定合適的干燥最終含水量是很有必要的。

2.5.3　影響干燥速率的因素

干燥速率一般有兩種表示法：①單位時(shí)間、單位干燥面積上汽化的水分量，單位是kg/（m²·s）。②單位時(shí)間內(nèi)物料含水率降低的百分率，單位是%/h。物料的干燥速率由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

總體來說，影響干燥速率的因素包括外部（空氣）條件和內(nèi)部（物料性質(zhì)）條件兩個(gè)方面。

2.5.3.1　空氣參數(shù)的影響

（1）空氣溫度　當(dāng)空氣相對(duì)濕度不變時(shí)，提高熱空氣溫度，可使物料進(jìn)一步升溫，增強(qiáng)物料內(nèi)水分的汽化的強(qiáng)度；另一方面可以降低物料內(nèi)部溶液的黏度，有利于水分向表面擴(kuò)散，并提高了物料界面層內(nèi)水蒸氣向空氣擴(kuò)散的能力。因?yàn)闇囟让刻岣?0℃，水的飽和蒸氣壓增加約一倍，而空氣的相對(duì)濕度降低約一半，這無論對(duì)恒速干燥階段或降速干燥階段都有好處。但溫度的提高應(yīng)以不損害物料品質(zhì)為原則，尤其對(duì)某些熱敏性物料，如種子和含有揮發(fā)性物質(zhì)的中藥材等。例如，種子表面溫度不允許高于45℃，否則影響出芽率；不少碳水化合物，都不宜超過110℃，否則會(huì)發(fā)生糊化或焦化，影響物料品質(zhì)；木材則需要隨干燥過程進(jìn)行逐漸升溫，否則會(huì)發(fā)生開裂、變形等干燥缺陷。在太陽(yáng)能干燥過程中，一般干燥溫度不會(huì)超過80℃，更多的是60℃左右，這樣的干燥溫度對(duì)一般食品和副食品物料都比較適宜，而且太陽(yáng)能集熱器的熱效率也比較高。

（2）空氣相對(duì)濕度　空氣濕度越低，空氣中水蒸氣分壓力越低。因此，驅(qū)動(dòng)物料中水分蒸發(fā)的壓差變大，物料界面層和空氣間的蒸氣壓差越大，干燥過程推動(dòng)力越大，帶走物料水分的能力越強(qiáng)，因而干燥速率越高。但對(duì)于難干物料，如木材和瓷器等物料，若空氣濕度太低，干燥速率太快，從內(nèi)部到表面產(chǎn)生很大的濕度梯度和過度收縮。這會(huì)在物料內(nèi)部造成較大的應(yīng)力，致使物料產(chǎn)生龜裂或彎曲等干燥缺陷。

（3）流動(dòng)速率　提高熱空氣的流動(dòng)速率，無論對(duì)傳熱和傳質(zhì)都有利，可以有效地強(qiáng)化干燥過程。但是空氣流速大，與濕物料接觸時(shí)間短，熱能有效利用率降低，且風(fēng)機(jī)能耗增加。尤其是對(duì)于一定采光面積的太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)，流量增大，集熱溫度必然相應(yīng)降低。試驗(yàn)證實(shí)對(duì)于一定的集熱器和輻射強(qiáng)度，有一個(gè)最佳流速（詳見第3章）。在降速干燥階段，氣流的速率和流向?qū)Ω稍锼俾实挠绊戄^小。而且從節(jié)能的角度看，隨著物料內(nèi)水分蒸發(fā)速率的降低，應(yīng)逐漸減小氣流循環(huán)速率，以減少風(fēng)機(jī)能耗，建議最好采用變頻電機(jī)，以調(diào)整風(fēng)速。

（4）空氣與物料接觸的情況　空氣與物料的接觸面積越大，則換熱情況越好，干燥速率越快。如固定床物料表面平行流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)h值，大約是空氣從固定床物料中垂直穿過時(shí)的一半左右。由此說明，干燥過程應(yīng)盡量使空氣與物料有一個(gè)良好的接觸狀態(tài)，而且要求盡可能不產(chǎn)生死角，否則，會(huì)使物料干燥不均勻，尤其是在熱空氣溫度較高和床面較大時(shí)比較嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)干燥裝置時(shí)，應(yīng)考慮合理地安排氣流。

2.5.3.2　物料的影響

（1）物料的內(nèi)部特性　它包括被干燥物料的成分、結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率、比熱容、含水量、水分與物料的結(jié)合形式等。不同的物料具有不同的干燥特性，而且即使同一種物料在不同的干燥階段也會(huì)表現(xiàn)出不同的干燥特性。只有充分掌握干燥過程中物料的內(nèi)部特性，才能確定合理的干燥工藝，并設(shè)計(jì)出有效的太陽(yáng)能干燥裝置。

（2）物料的尺寸與形狀　從干燥和水分?jǐn)U散的角度出發(fā)，人們希望物料直徑越小或料層越薄越好。這樣不但使氣-固間接觸面積增加，而且減少物料內(nèi)部擴(kuò)散的距離，縮短降速干燥階段的時(shí)間。但是顆粒越小，顆粒間的孔隙率減小，氣流穿透阻力增加。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)控制。

（3）物料的堆置方式　對(duì)于溫室型太陽(yáng)能干燥器來說，應(yīng)充分利用溫室的有效采光面積把物料均勻攤開，盡量多地直接接受太陽(yáng)光以加速干燥過程。對(duì)于集熱器型干燥器來說，由于熱空氣溫度較高，干燥強(qiáng)度較大，可適當(dāng)加厚料層進(jìn)行干燥。一般來說，厚層堆疊干燥方式的熱利用效率比較高，但料層一般不宜太厚，否則容易干燥不均勻，且干燥作業(yè)所需時(shí)間較長(zhǎng)。

對(duì)于片狀物料，則應(yīng)充分使物料表面暴露于空氣之中，例如：皮革、煙葉、絲綿、紙張、面條的干燥等，多采用懸掛方式。

總之在降速干燥階段，物料的性質(zhì)和形狀等對(duì)干燥速率起決定性作用。物料的最初和最終含水率，決定了每千克物料必須除去的水分量，影響著干燥各階段所需時(shí)間，從而影響干燥周期。因此，對(duì)于初始游離含水量很高的物料，可先用機(jī)械脫水方法降低物料的初始含水率，并合理選定最終含水率，對(duì)縮短干燥周期是有意義的。