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過熱蒸汽

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在飽和狀態下的液體稱為飽和液體,其對應的蒸汽是飽和蒸汽,但最初只是濕飽和蒸汽,待飽和水中的水分完全蒸發後才是幹飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和幹飽和的過程温度是不增加的(濕飽和到幹飽和温度保持不變),幹飽和蒸汽在定壓條件下繼續加熱則温度會上升,成為過熱蒸氣。
中文名
過熱蒸汽
應    用
食品加工領域
温    度
280℃
密    度
15.4273 kg/m³

過熱蒸汽形成方式

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當液體在有限的密閉空間中蒸發時,液體分子通過液麪進入上面空間,成為蒸汽分子。由於蒸汽分子處於紊亂的熱運動之中,它們相互碰撞,並和容器壁以及液麪發生碰撞,在和液麪碰撞時,有的分子則被液體分子所吸引,而重新返回液體中成為液體分子。開始蒸發時,進入空間的分子數目多於返回液體中分子的數目,隨着蒸發的繼續進行,空間蒸汽分子的密度不斷增大,因而返回液體中的分子數目也增多。當單位時間內進入空間的分子數目與返回液體中的分子數目相等時,則蒸發與凝結處於動平衡狀態,這時雖然蒸發和凝結仍在進行,但空間中蒸汽分子的密度不再增大,此時的狀態稱為飽和狀態。在飽和狀態下的液體稱為飽和液體,其對應的蒸汽是飽和蒸汽,但最初只是濕飽和蒸汽,待蒸汽中的水分完全蒸發後才是幹飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到幹飽和的過程温度是不增加的,幹飽和之後繼續加熱則温度會上升,成為過熱蒸汽。
飽和蒸汽焓值,需要通過熵焓表。但飽和蒸汽温度和壓力是對應關係,因此只需監測兩者之中任一個數據,然後根據熵焓表查出對應的焓值,乘以蒸汽量,就能計算飽和蒸汽的熱量。而過熱蒸汽的温度和壓力關係不對應,要計算過熱蒸汽的熱量必需監測過熱蒸汽的温度和壓力兩個數據,根據這兩個數據才能查出對應焓值。
過熱蒸汽温度與壓力沒有一一對應的關係,還與蒸汽密度有關。比如,3.5MPa,温度為260℃時,密度為16.4231Kg/m3;;温度為300℃時,密度為14.6049Kg/m3。同樣的壓力下,温度越高,密度越小。 [1] 

過熱蒸汽乾燥特點優勢

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1)過熱蒸汽乾燥
過熱蒸汽乾燥指用過熱蒸汽直接與被幹燥物料接觸而去除水分的乾燥方式,是近年來發展起來的一種全新的乾燥方法。與傳統的熱風乾燥相比,這種乾燥以水蒸汽作為乾燥介質,乾燥機排出的廢氣全部是蒸汽,利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潛熱再加以利用。
2)過熱蒸汽乾燥的優勢
可利用蒸汽的潛熱,熱效率高,節能效果顯著。
因乾燥室(機)排出的廢氣全部是蒸汽,可以用冷凝的方法回收蒸汽的汽化潛熱,故熱效率高,有時可高達 90%。
a)乾燥速率快
由於過熱蒸汽的比熱和傳熱係數比空氣大,同時過熱蒸汽乾燥介質中的傳質阻力可忽略不計,故水分的遷移速度快,乾燥週期可明顯縮短。
b)乾燥質量好
用過熱蒸汽乾燥的主要原因是產品的質量得到改善。用過熱蒸汽作乾燥介質時,由於物料表面濕潤、乾燥應力小,不易產生開裂、變形等乾燥缺陷;同時由於過熱蒸汽乾燥無氧化反應,木材顏色不會褪變,故乾燥品質好。研究表明,使用過熱蒸汽乾燥胡蘿蔔塊,幹後產品的覆水性、顏色、維生素保留量優於真空乾燥。
c)安全性好
過熱蒸汽乾燥避免了乾燥室着火或爆炸的危險。過熱蒸汽乾燥無空氣存在 ,沒有氧化和燃燒反應。一些通常不能用熱風乾燥的食品原料 ,可以用過熱蒸汽乾燥。
d)減少設備的體積和廢氣的淨化量
過熱蒸汽的比熱大 ,蒸汽用量少 ,這就可以減少設備的體積和廢氣的淨化量。
e)有利於保護環境
過熱蒸汽乾燥是在密封條件下進行的 ,粉塵含量大大降低。用過熱蒸汽乾燥可以消除城市垃圾、污泥等的臭味。
f)具有滅菌消毒作用
過熱蒸汽乾燥物料的温度是操作條件下水的沸點温度 ,在乾燥有滅菌要求的食品原料和藥品原料同時 ,能消滅細菌和其他有毒微生物。
由於過熱蒸汽乾燥具有上述優點,近年來美國、加拿大、法國、新西蘭和日本等發達國家己將過熱蒸汽乾燥技術用於乾燥木材及木頭壓塊、煤炭、紙張、甜菜渣、陶瓷、蠶繭、污泥、酒糟、牧草、魚骨和魚肉、蔬菜、食品以及城市廢棄物等多種物料。 隨着能源危機的日益嚴重和人們對食品質量要求的逐漸提高,過熱蒸汽乾燥的應用必將得到發展,尤其是可以降低乾燥温度同時保證產品質量的低壓過熱蒸汽乾燥,具有潛在的高效率。 [2] 

過熱蒸汽應用

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過熱蒸汽常規應用領域

過熱蒸汽有其本身的應用領域,如用在發汽輪機的透平,通過噴嘴至透平葉片,推動電機轉動。但是過熱蒸汽很少用於工業製程的熱量傳遞過程,這是因為過熱蒸汽在冷凝釋放蒸發焓之前必須先冷卻到飽和温度,很顯然,與飽和蒸汽的蒸發焓相比,過熱蒸汽冷卻到飽和温度釋放的熱量是很小的,從而會降低工藝製程設備的性能。

過熱蒸汽新興應用領域

1、食品加工領域
1)過熱蒸汽食品加工
隨着過熱蒸汽技術的發展,美國、日本等國逐步生產出用於食品加工的過熱蒸汽裝置或者電器。過熱蒸汽在食品加工、烹飪領域的應用越來越廣泛。使用過熱蒸汽進行烹飪和食品加工具有食品受熱均勻、加熱速度快、食物更加美味、防止維生素流失等顯著優點,同時過熱蒸汽技術還可以用於食品加工廠中輸送帶的清洗、殺菌以及食材加熱處理、食物殘渣的粉末化及除臭等。
2)過熱蒸汽在食品加工領域的應用效果
在無添加劑的情況下,改善食物的味道。
低氧或者微氧環境下加工,可抑制食物的腐化氧化。
通過水蒸氣加熱烹飪,大部分食物經加工後可保持處理後的材料不變硬,保持鬆軟的口感和水分。
提高加工階段的殺菌效果,實現短時間內的表面殺菌。
對噴灑在新鮮水果表面的防黴劑等農藥可大部分氣化。
通過對顏色及氣味成分的控制,使得食材本身的顏色和味道在加工中不被破壞。
通過膜狀凝結傳熱實現高速加熱。(熱傳導率是乾燥空氣的數倍)。
通過殺菌(數秒間)、抑制氧化、通過高速過熱加熱生成凝縮膜、通過酵素失活等提高食品的保鮮能力。
通過對澱粉α化,促進糖化及蛋白質變性
使用温度高達340℃的過熱蒸汽進行烹調,達到脱油、減鹽的健康烹飪效果。 [3] 
過熱蒸汽 食品加工應用案例 過熱蒸汽 食品加工應用案例
2、木材,污泥,藥品領域
1)木材幹燥
過熱蒸汽乾燥在木材上的應用 過熱蒸汽乾燥在木材上的應用
能源與環境問題是當今世界的幾個重大問題之一,乾燥是決定木製品質量、能耗和成本的重要環節,同時又與環境污染問題密切相關。目前我國木材幹燥的能源絕大部分是以煤或木廢料作燃料,而燃料的燃燒會釋放導致温室效應的氣體產生。目前占主導地位的常規蒸汽乾燥由於進、排氣的換氣熱損失較大,一次能源的利用率僅30%左右,故節能潛力很大。作為一種先進的節能幹燥技術,過熱蒸汽乾燥由於以過熱蒸汽作乾燥介質,它可以利用輔助裝置,回收排汽的餘熱,故可明顯節能。同時由於木材真空過熱蒸汽乾燥一般在低於 90℃的温度下實施,木材內乾燥應力小,乾燥質量好,故具有一定的應用前景。
2)食品、飼料、藥品、生物質乾燥
在食品、 藥品等熱敏性物料的乾燥過程中 ,為了保持物料中的有效成分 ,保證產品的質量 ,必須採用較低的乾燥温度 ,通常採用冷凍乾燥來乾燥此類物料。但是冷凍乾燥方式具有時間長、能耗大、經濟效益低的缺點。過熱蒸汽用於食品乾燥是近20年來發展起來的,但是由於温度過高影響熱敏性物料的適應性,人們開始使用低壓過熱蒸汽乾燥食品。低壓過熱蒸汽乾燥方法結合了過熱蒸汽和負壓甚至真空乾燥的優點 ,避開了常壓過熱蒸汽乾燥物料温度過高的劣勢,擴大了過熱蒸汽乾燥對熱敏性物料的適應性。對不同的食品如土豆片、麪條、大豆、稻穀、蔬菜、蝦米、雞肉、各種水果片等進行過熱蒸汽乾燥的研究表明,過熱蒸汽乾燥食品和熱風乾燥相比 ,除了節能環保等上述優點,還突出表現在乾燥時間短、物料收縮變形小、顏色保持新鮮、多孔、覆水性好和維生素含量高等方面。
過熱蒸汽乾燥對提高幹燥效率、降低乾燥能耗、減少環境污染、提高產品質量具有重要的意義 ,是一種很有發展前景的乾燥新技術。因此,將過熱蒸汽應用於食品乾燥有着廣闊的前景。
過熱蒸汽乾燥在食品中的應用 過熱蒸汽乾燥在食品中的應用
3)污泥乾燥
近些年來,隨着人口的增長和工業的發展,污泥產量大大增加。污泥具有含水量高、易腐敗、有惡臭、含有毒物質以及大量有害病原物等特點,所以必須及時進行污泥處理。污泥乾燥作為污泥處理的一個重要環節,歷來被認為是一個熱效率低、耗能大的操作過程。傳統的污泥乾燥採用熱風乾燥技術,熱效率低、能耗大,因此開發低能耗的乾燥方法是污泥乾燥發展的重要方向。過熱蒸汽乾燥以過熱蒸汽為帶走水氣和提供能量的介質,使熱效率提高的空間大增,而且能實現乾燥“廢氣”熱量的再利用,從而實現潛熱的再次利用,是一種很有前途的乾燥技術。
過熱蒸汽乾燥 污泥乾燥 過熱蒸汽乾燥 污泥乾燥
目前開發的過熱蒸汽式污泥乾燥設備,具有乾燥效率高、設備選型小、設備投資少等優勢,同時能達到能源節約、無廢氣排放、無污染、不產生污泥廢料的效果。 [4] 
3、在工業及其他領域的應用
1)污染土壤治理
分解、去除污染土壤中PCB,VOC、二噁英等物質。
2)廢舊印刷設備電路板處理(金屬回收的前處理裝置)。
3) 飛灰脱鹽處理。
4) 產業用垃圾處理機的前期處理。
5) 再利用市場(脱油、無氧)
過熱蒸汽在再利用市場上的應用主要表現在機械油的脱脂處理、廢塑料的再生利用塗裝乾燥、洗淨殺菌等。
6) 桑拿洗浴行業
在日本有把温泉水加熱成過熱水蒸汽,使用過過熱蒸汽在低温桑拿房中應用的案例。 [5] 
參考資料
  • 1.    苯乙烯裝置蒸汽過熱爐煙氣氮氧化物達標升級改造 成飛龍; 張彤; 王祥祥 石油化工安全環保技術 2017-10-20
  • 2.    白麗青、馬曉建.過熱蒸汽乾燥及其在食品乾燥中的應用(期刊名:農機化研究 ).黑龍江省哈爾濱市:《農機化研究》出版社,2008:158
  • 3.    紅棗乾果過熱蒸汽殺菌試驗研究 李婷;李晶;徐淑婭;曹建昕;任娜梅 安徽農業科學 2017-11-09
  • 4.    過熱蒸汽處理對青麥仁的減菌效果及品質的影響 張康逸;宋範範;楊妍;楊帆;康志敏 現代食品科技 2017-10-11
  • 5.    過熱蒸汽處理對馬尾松木材幹燥質量的影響 韋妍薔;姜帥成;李昀彥;程曦依;謝傑 木材工業 2017-11-08