稻谷热风—真空联合干燥特性及工艺优化研究

发布时间：2020-04-18 22:44

【摘要】：中国南方高温阴雨季节收获的稻谷含水率高,极易发生霉变、腐烂现象造成巨大经济损失,及时对其进行干燥储藏、保证干后品质是稻谷收获后的重要工作。热风和真空干燥是两种常用干燥方式,但单一的稻谷热风或真空干燥作业方式自身都存在不可避免的局限性,稻谷热风-真空联合干燥可以将两种干燥方式的优点集合起来,更好地满足稻谷的干燥生产作业。本文在稻谷热风、真空以及热风-真空联合干燥方式下对稻谷的干燥特性、干燥模型、工艺优化以及能效评价方面进行了深入研究,主要工作包括:(1)通过稻谷热风、真空单因素干燥试验,分析各因素对干燥特性曲线的影响程度;利用Weibulll函数拟合含水率比MR曲线并求解尺度参数α及形状参数β,建立含水率比Weibulll函数预测模型并验证其可靠性,计算水分扩散系数D_(eff)、D_(cal)以及几何参数R_g值。结果显示:热风温度和真空温度对干燥速率DR和总干燥时间的影响较大,热风风速和真空度对干燥速率DR和总干燥时间的影响较小。各干燥方式下的Weibulll函数拟合决定系数R~2值均在0.96以上,拟合均方根误差RMSE及离差平方和χ~2值均小于0.1,说明Weibulll函数对含水率比曲线的拟合效果较好。对稻谷热风、真空Weibulll函数预测模型进行试验验证,发现模型预测值与实验值的相对误差均低于10%,说明稻谷热风及真空干燥Weibulll函数预测模型的预测准确度较高。(2)通过热风、真空二次回归通用旋转试验,建立不同干燥方式单指标数学模型并进行显著性检验、方差及响应面分析,研究各因素对单指标的显著性影响程度。通过归一化处理和加权评分得到不同权重比下的7组综合指标值并进行工艺参数优化。结果显示:热风温度对平均干燥速率r和爆腰率b的影响非常显著,对单位能耗e影响一般显著;风速对平均干燥速率r和单位能耗e影响非常显著,对爆腰率b影响不显著。真空温度对所有指标影响均非常显著;真空度对干燥速率r和单位能耗e影响非常显著,对爆腰率b影响一般显著。所有单目标模型的决定系数R~2、校正系数Adj R~2、预测决定系数Pred R~2都超过0.9以上,变异系数C.V.%值都低于10%,说明模型拟合效果好,可信度高。热风干燥的最优参数组合为:温度35℃、风速0.6m/s,此时的平均干燥速率r为0.000685g/(g?min),爆腰率b为7%,单位能耗e为6552kJ/kg。真空干燥最优参数组合为:温度44℃、真空度0.05Mpa。此时的平均干燥速率r为0.000363g/(g?min),爆腰率b为7.3%,单位能耗e为2988kJ/kg。(3)在单一干燥方式研究基础上,通过热风-真空联合干燥四元二次BBD(Box-Behnken Design)试验,建立联合干燥方式下的单指标数学模型并进行显著性检验、方差及响应面分析,研究稻谷热风-真空联合干燥方式下各因素对评价指标的影响程度。通过归一化处理和加权评分得到不同权重比下的11组综合指标值并进行工艺参数优化,并对比分析联合干燥较单一干燥方式的优势特点。结果显示:热风温度T_0对平均干燥速率r和爆腰率b的影响非常显著,对单位能耗e影响不显著。热风风速v对平均干燥速率r影响不显著,对爆腰率b和单位能耗e影响非常显著。转换点含水率M和真空温度T_1对三个单指标影响都非常显著。所有单指标模型的决定系数R~2、校正系数Adj R~2和预测决定系数Pred R~2都超过0.9以上,变异系数C.V.%值都低于10%,说明模型拟合效果好,可信度高。最优工艺参数组合为Y(3:6:1):T_0=40℃v=0.7m/s M=20.7%T_1=38.1℃(V=0.05Mpa),对应的平均干燥速率r为0.000483g/(g?min),爆腰率b为6.3%,单位能耗e为2612kJ/kg。将联合干燥最优参数组合对应的单目标值与单一干燥方式最优参数组合对应的单目标值进行比较分析发现稻谷联合干燥方式较单一干燥方式优势明显。(4)通过热风干燥两因素三水平全面试验,对热风干燥?传递进行深入解析,考察温度和风速对热?及流动?效率的影响规律。通过稻谷热风干燥能量利用效率和干燥系统能耗结构的分析,对热风干燥系统进行能效评价。结果显示:随着温度的升高平均热?效率降低而平均流动?效率升高,随着风速的升高平均热?效率和平均流动?效率均降低。风速0.5m/s条件下不同温度对应的平均热?和平均流动?效率值最高,40、50、60℃对应的平均热?和平均流动?效率分别为:0.683、0.679、0.602,0.275、0.397、0.466。综合比较平均热?效率和平均流动?效率可知,50℃、0.5m/s条件下的综合?效率最高。而由能量利用效率和干燥系统能耗结构分析可知能效最优条件为50℃、0.5m/s,该条件下的稻谷干燥能耗为0.27kW?h,与?效率分析结果相一致。
【图文】：

曲线,干燥特性曲线,热风温度,热风干燥

/ 2cDral effcalgD D/R是可以通过尺度参数α估算出干燥过程中的水分扩散系数 Dcal，而不考虑其水分迁移特点[70]。其计算公式如下：（3-11）式中，Dcal为有效水分扩散系数估算值，m2/min r 为水稻等效半径，取 r 值为2.78×10-3m α为其尺度参数。几何参数 Rg表示 Deff与 Dcal之间的关系，其计算式如下：（3-12）3.3 结果与分析3.3.1 稻谷热风干燥特性分析3.3.1.1 热风温度对稻谷干燥特性的影响在热风干燥方式下，取新鲜水稻样品在风速 1m/s 的条件下，控制热风温度分别在 30、40、50、60、70℃条件下进行温度单因素试验，并将不同风温条件下的热风干燥含水率比 MR 曲线以及干燥速率 DR 曲线绘制如下（图 3-1）

曲线,干燥特性曲线,热风,干燥速率

但随着温度的提高其影响程度是逐渐降低的。说明温度越高相同时间内水分子获得能量越多，其汽化和脱离吸附位点的能力也越强干燥速率越快，但是由于干燥物料中的水分迁移还受温度梯度以及湿度梯度等多重因素的影响，所以温度和干燥速率的提高并不完全成正比。因此在实际生产中不能盲目通过提高干燥温度来提高干燥效率，应在考虑综合成本和干燥品质的基础上选择该物料适合的干燥温度。由图 3-1 中的干燥速率 DR 曲线可以发现，热风干燥不同的干燥温度条件下稻谷的干燥速率都在前期迅速达到最大值，自由水分被带走后干燥速率迅速下降，其后整个干燥过程均是降速干燥过程，30℃和 70℃条件下的最高干燥速率均在2min 时达到最高，，分别为 0.00869g/(g min)和 0.02694g/(g min)，后者最大干燥速率是前者的 3.1 倍，说明温度对干燥速率 DR 影响较大。3.3.1.2 热风风速对稻谷干燥特性的影响在热风干燥方式下，取新鲜水稻样品在热风温度 50℃条件下，控制热风风速分别为 0.5、1、1.5、2m/s 条件下进行热风风速单因素试验，并将不同风速条件下的热风干燥含水率 MR 比曲线以及干燥速率 DR 曲线绘制如下（图 3-2）。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S226.6

【参考文献】