摘要： 通过对花粉在不同干燥温度( T) 、花粉厚度( h) 条件下干燥实验,, 建立了花粉热风干燥的数学模型：MR=aexp( - kdt) 其中： a=exp( 0.056 6T+0.404 4h- 3.358 6) ； kd=- 0.000 3T+0.177 6h- 0.532 1
关键词： 花粉； 热风干燥； 干燥特性； 数学模型；
刚采集的新鲜花粉含水量高达15 %～20 %, 易发霉变质, 降低商品价值, 必须通过干燥处理使含水量降到5 %以下, 才可以贮藏, 故干燥是花粉加工中主要问题之一。为保证干燥质量, 使干燥工艺更加合理, 必须先了解花粉干燥中的失水规律。本文旨在研究热风温度、花粉厚度等参数对花粉的干燥影响, 建立干燥数学模型, 为干燥工艺控制和生产应用提供依据。
1 实验设备、材料和方法
1.1 实验设备、材料
电热风干燥箱, 电子天平。鲜花粉, 初始水分15 %左右。
1.2 实验材料和方法
将花粉分别放入具有标号的称量瓶中, 称量瓶中花粉厚度分别为0.5 cm、1.0 cm、1.5cm, 并称重作好记录, 把称好的称量瓶置入电热风干燥箱中进行干燥。定时测定装有花粉的称量瓶的质量, 并记录, 直到物料质量不变为止, 此时为花粉的含水量达到平衡状态。将装有花粉的称量瓶放入电烘箱中, 温度为105 ℃。干燥至恒重, 得到绝干物料量。
2 结果与分析
2.1 干燥曲线的一般形式
通过试验得到了花粉的水分含量比( MR) 与连续通风干燥时间t 之间的干燥曲线, 呈指数关系( 见图1) 。在干燥初期MR 随着时间t 的增加而下降, 下降幅度较大, 干燥后期下降非常缓慢。图1 是在温度60 ℃条件下MR- t 的关系曲线, 说明花粉干燥过程中水分蒸发遵循指数规律下降, 这为建立干燥模型提供了依据。
2.2 温度对干燥特性的影响
物料的湿度比与干燥时间呈现指数关系。在相同厚度的情况下, 随着温度的升高, 指数曲线的曲率有所增大, 即温度越高干燥速率越快, 干燥周期越短( 见图2) 。
2.3 厚度对干燥特性的影响( 见图3)
在相同干燥温度下, 花粉厚度越大, 干燥速率越小, 干燥时间越长。
3 花粉干燥数学模型
物料干燥是一个复杂的非稳态传热、传质过程。它不仅受干燥介质的温度、湿度、流速等因素影响, 而且因物料种类、内部结构、物理化学性质及外部形状的不同而存在着明显的差异。许多学者通过对不同物料的研究, 总结出了几种常用的经验、半经验干燥数学模型, 用以定量地描述物料的干燥规律, 也给我们从事这方面的研究提供了良好的借鉴。
3.1 果蔬干燥的几种数学模型[1]
指数模型：MR=exp( - kdt)
单项扩散模型：MR=aexp( - kdt)
Page 方程：MR=exp( - kdtn)
式中：MR=( Mt-Me) /( M0-Me) 称水分含量比
Mt—t 时刻物料含水率( 干基) /%；
M0—物料初始含水率( 干基) /%；
Me—物料干燥平衡含水率( 干基) /%；
t—干燥持续时间/h；
kd、a、n— 待定系数, 与干燥条件有关的常数。
对三种模型进行线性化处理[2], 然后分别用三种模型对实验数据进行拟合, 结果见表1。
表1 花粉干燥模型的比较
干燥温度/℃ 花粉厚度/cm 指数模型 单项扩散模型 Page方程
Index model
Kd R2 Individual diffusion model
Lna Kd R2 Page model
N Lnkd R2
45 2.5 0.126 6 0.977 6 0.187 0 0.135 5 0.985 2 1.188 9 -2.699 5 0.985 0
60 0.5 0.420 5 0.976 2 0.296 3 0.474 5 0.988 9 2.394 3 -2.914 6 0.792 4
60 1.0 0.196 9 0.835 7 0.397 9 0.269 3 0.959 8 1.106 8 -2.139 2 0.462 9
60 1.5 0.028 4 0.175 9 0.690 3 0.221 5 0.964 4 -0.253 6 -0.948 0.088 5
65 0.5 0.237 6 0.583 0.473 0.492 3 0.988 5 2.080 4 -2.20 4 0.998 9
65 1.0 0.276 4 0.760 6 0.736 9 0.446 4 0.927 1 1.087 1 0.076 4 0.978 7
Table 1 Comparision of models for pollen drying
由表1 可以看出化粉干燥曲线与单项扩散模型高度相关, 且厚度与温度的不同, 待定系数kd、a、n 也不同, 因此可认为花粉干燥过程的失水规律服从单项扩散模型, kd、a 与干燥时的温度、厚度有关。
3.2 待定系数的确定
求得各实验数据用单项扩散模型进行拟合, 得到模型的干燥常数kd、Lna 列于表2。
表2 表明, 在不同的风温和花粉厚度条件下kd、Lna 也随之改变, 可见kd、Lna 分别是干燥温度、花粉厚度的函数。对kd、Lna 进行关于干燥温度( T) 、花粉厚度( h) 的二元线性关系的回归, 见表3、表4。
综上所述, 待定系数a、kd 可由下式求得：
a=exp( 0.056 6T+0.404 4h- 3.358 6)
kd=- 0.000 3T+0.177 6h- 0.532 1
式中： T———干燥温度/℃； h———花粉厚度/cm。
4 结论
1) 花粉干燥曲线为指数曲线, 干燥温度、花粉厚度对干燥曲线有影响。
2) 干燥模型符合单向扩散模型即MR=aexp( - kdt)其中： a=exp( 0.056 6T+0.404 4h- 3.358 6) ； kd=- 0.000 3T+0.177 6h- 0.532 1, 这里T、h 分别为干燥温度、花粉厚度。利用该模型可定量描述干燥过程水分含量曲线随干燥温度、花粉厚度的变化规律。
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