2.5　物料干燥过程

2.5.1　太阳能干燥原理

太阳能干燥是指以太阳能为能源，被干燥的湿物料或者在温室内直接吸收太阳能并将它转换为热能；或者通过太阳集热器所加热的空气进行对流换热而获得热能。物料表面获得热量后，将热量传入物料内部，使物料中所含的水分从物料内部以液态或气态逐渐到达物料表面，然后通过物料表面的气态界面层（边界层）而扩散到空气中去，干燥过程中湿物料中所含的水分逐步减少，最终达到预定的终态含水率，变成干物料。因此，干燥过程实际上是一个传热、传质的过程。它包括以下过程。

①太阳能直接或间接加热物料表面，热量由物料表面传至内部。

②物料表面的水分首先蒸发，并由流经表面的空气带走。此过程的速率主要取决于空气温度、相对湿度和空气流速及物料与空气接触的表面积等外部条件。此过程称为外部条件控制过程。

③物料内部的水分获得足够的能量后，在含水率梯度（浓度梯度）或蒸汽压力梯度的作用下，由内部迁移至物料表面。此过程的速率主要取决于物料性质、温度和含水率等内部条件。此过程称为内部条件控制过程。

物料干燥速率的大小取决于上述两种控制过程当中的主要矛盾方面，即由两个过程中较慢的一个速率控制。一般来说非吸湿性的疏松性物料，两种速率大致相等。而吸湿性的多孔物料，如黏土、谷物、木材和棉织物等物料，干燥的前期取决于表面水分汽化速率，后期由于物料内部水分扩散传递速率滞后于表面水分汽化，导致干燥速率的下降。

太阳能干燥是热空气与湿物料间对流换热，热量由物料表面传至内部，物料内的温度是外高内低。而物料内的水分是由内向外迁移，其含水率是内高外低。由于温差和湿度差对水分的推动方向正好相反，结果温差削弱了内部水分扩散的推动力。当物料内部温差不大时，温差的影响可以忽略不计。另外在干燥工艺上可以采取一些措施，来减少这种影响。

物料干燥过程中，水分不断地由物料转移至空气中，使空气的相对湿度逐渐增大，因此需要及时排除一部分湿空气，同时从外界吸入一部分新鲜空气，降低干燥室空气的湿度，才能使干燥过程连续进行。

2.5.2　干燥过程曲线

物料含水率随时间变化的曲线，称为物料的干燥过程曲线或干燥特性曲线。

通常，物料的过程特性曲线包括三个阶段：预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，如图2-10所示。

（1）预热阶段（A-B）　干燥过程从A点开始，热风将热量转移给物料表面，使表面温度上升，物料水分蒸发，蒸发速率随表面温度升高而增加。在热量转移与水分蒸发达到平衡时，物料表面温度保持一定值。预热处理对于一些难于干燥的厚物料十分重要，预热期间干燥室不排气，使干燥室内保持高的相对湿度，让物料热透。

（2）恒速干燥阶段（B-C）　干燥过程到达B点后，水分由物料内部向表面扩散的速率与表面蒸发的速率基本相同，传入物料的热量完全消耗在水分的蒸发阶段。在这一阶段中，物料表面温度基本保持不变，含水率随干燥时间呈直线下降，干燥速率基本保持一定值，即保持恒速干燥。恒速干燥段的长短与物料性质、干燥条件和干燥方法等因素有关。对难干物料而言，大部分干燥是在降速阶段进行的，有的物料如木材用常压热风干燥时，基本上没有恒速干燥段，或者这段的时间很短；但木材采用微波干燥时，则可能出现较长的恒速干燥段。

（3）降速干燥阶段（C-D-E）　干燥过程过C点以后，水分的内部扩散速率低于表面蒸发速率，物料表面的含水率比内部低。随着干燥时间增加，物料温度则增高，蒸发不仅在表面进行，而且还在内部进行，移入物料的热量同时消耗在水分蒸发及物料温度增高阶段上。这阶段称为降速干燥的第一阶段（C-D）。

干燥过程继续进行，物料内部水分以蒸汽的形式扩散到表面上来。这时干燥速率最低，在达到与干燥条件平衡的含水率时，干燥过程即告结束。这一阶段称为减速干燥的第二阶段（D-E）。如物料的初始湿含量相当低且要求最终湿含量极低，则降速阶段就很重要，干燥时间就很长。

从恒速干燥阶段转为减速干燥阶段时的含水率，即恒速干燥与降速干燥阶段的分界点，称为临界含水率（C点）。物料的临界含水率是干燥设备设计时极为重要的参数。该值不仅与物料的性质有关，而且还随干燥条件不同而显著不同。一般来说，物料的组织越致密，水分由内部向外部扩散的阻力就越大，这样临界含水率值也就越高。例如，粒状物料堆积干燥时，临界含水率C=0.08～0.12，均匀分散在热气流中干燥时，临界含水率C≈0.01，这两者之间的差别是非常明显的。而且对同一种物料，用同样的干燥设备，但干燥介质不同，其值也是不一样的，例如用过热蒸汽作为干燥介质比用空气作为干燥介质的临界含水率低得多。

另外，在工业生产中一般不要求干燥到平衡含水率（否则将需要很长的干燥时间），而是介于临界含水率和平衡含水率之间的某一位置上，视干燥生产需要和经济与否而定。如收获季节的稻谷含水量约为24%（湿基），安全贮存含水量为14%（湿基）。如果在气温为40℃、相对湿度40%的空气中干燥，稻谷的平衡含水量为8%（湿基），从节约能源、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。

2.5.3　影响干燥速率的因素

干燥速率一般有两种表示法：①单位时间、单位干燥面积上汽化的水分量，单位是kg/（m²·s）。②单位时间内物料含水率降低的百分率，单位是%/h。物料的干燥速率由实验测定。

总体来说，影响干燥速率的因素包括外部（空气）条件和内部（物料性质）条件两个方面。

2.5.3.1　空气参数的影响

（1）空气温度　当空气相对湿度不变时，提高热空气温度，可使物料进一步升温，增强物料内水分的汽化的强度；另一方面可以降低物料内部溶液的黏度，有利于水分向表面扩散，并提高了物料界面层内水蒸气向空气扩散的能力。因为温度每提高10℃，水的饱和蒸气压增加约一倍，而空气的相对湿度降低约一半，这无论对恒速干燥阶段或降速干燥阶段都有好处。但温度的提高应以不损害物料品质为原则，尤其对某些热敏性物料，如种子和含有挥发性物质的中药材等。例如，种子表面温度不允许高于45℃，否则影响出芽率；不少碳水化合物，都不宜超过110℃，否则会发生糊化或焦化，影响物料品质；木材则需要随干燥过程进行逐渐升温，否则会发生开裂、变形等干燥缺陷。在太阳能干燥过程中，一般干燥温度不会超过80℃，更多的是60℃左右，这样的干燥温度对一般食品和副食品物料都比较适宜，而且太阳能集热器的热效率也比较高。

（2）空气相对湿度　空气湿度越低，空气中水蒸气分压力越低。因此，驱动物料中水分蒸发的压差变大，物料界面层和空气间的蒸气压差越大，干燥过程推动力越大，带走物料水分的能力越强，因而干燥速率越高。但对于难干物料，如木材和瓷器等物料，若空气湿度太低，干燥速率太快，从内部到表面产生很大的湿度梯度和过度收缩。这会在物料内部造成较大的应力，致使物料产生龟裂或弯曲等干燥缺陷。

（3）流动速率　提高热空气的流动速率，无论对传热和传质都有利，可以有效地强化干燥过程。但是空气流速大，与湿物料接触时间短，热能有效利用率降低，且风机能耗增加。尤其是对于一定采光面积的太阳能干燥系统，流量增大，集热温度必然相应降低。试验证实对于一定的集热器和辐射强度，有一个最佳流速（详见第3章）。在降速干燥阶段，气流的速率和流向对干燥速率的影响较小。而且从节能的角度看，随着物料内水分蒸发速率的降低，应逐渐减小气流循环速率，以减少风机能耗，建议最好采用变频电机，以调整风速。

（4）空气与物料接触的情况　空气与物料的接触面积越大，则换热情况越好，干燥速率越快。如固定床物料表面平行流动时的对流换热系数h值，大约是空气从固定床物料中垂直穿过时的一半左右。由此说明，干燥过程应尽量使空气与物料有一个良好的接触状态，而且要求尽可能不产生死角，否则，会使物料干燥不均匀，尤其是在热空气温度较高和床面较大时比较严重。因此，在设计干燥装置时，应考虑合理地安排气流。

2.5.3.2　物料的影响

（1）物料的内部特性　它包括被干燥物料的成分、结构、热导率、比热容、含水量、水分与物料的结合形式等。不同的物料具有不同的干燥特性，而且即使同一种物料在不同的干燥阶段也会表现出不同的干燥特性。只有充分掌握干燥过程中物料的内部特性，才能确定合理的干燥工艺，并设计出有效的太阳能干燥装置。

（2）物料的尺寸与形状　从干燥和水分扩散的角度出发，人们希望物料直径越小或料层越薄越好。这样不但使气-固间接触面积增加，而且减少物料内部扩散的距离，缩短降速干燥阶段的时间。但是颗粒越小，颗粒间的孔隙率减小，气流穿透阻力增加。因此，必须根据实际情况适当控制。

（3）物料的堆置方式　对于温室型太阳能干燥器来说，应充分利用温室的有效采光面积把物料均匀摊开，尽量多地直接接受太阳光以加速干燥过程。对于集热器型干燥器来说，由于热空气温度较高，干燥强度较大，可适当加厚料层进行干燥。一般来说，厚层堆叠干燥方式的热利用效率比较高，但料层一般不宜太厚，否则容易干燥不均匀，且干燥作业所需时间较长。

对于片状物料，则应充分使物料表面暴露于空气之中，例如：皮革、烟叶、丝绵、纸张、面条的干燥等，多采用悬挂方式。

总之在降速干燥阶段，物料的性质和形状等对干燥速率起决定性作用。物料的最初和最终含水率，决定了每千克物料必须除去的水分量，影响着干燥各阶段所需时间，从而影响干燥周期。因此，对于初始游离含水量很高的物料，可先用机械脱水方法降低物料的初始含水率，并合理选定最终含水率，对缩短干燥周期是有意义的。