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中国农业大学 硕士学位论文 苹果渣干燥试验和数学模拟 姓名：孙俊红 申请学位级别：硕士 专业：农产品贮藏与加工 指导教师：汪政富 20060601 中国农业大学硕十学位论文摘要 摘要 苹果渣是苹果工业生产的副产物，有很多用途，但是苹果渣的干燥是制约其利用的第一大 因素。为了解苹果渣的干燥特性和干燥规律，寻求较优的苹果渣干燥工艺，本文主要进行了以 下几个方面的研究和探讨： 1 、分别选择热风、微波和远红外作为薄层干燥的热源，根据单因素多水平安排薄层干燥试 验，研究苹果渣的干燥特性，选择常用的十个薄层干燥模型，对试验数据进行回归分析 和模型的拟合，确立最佳的薄层干燥模型。结果表明p a g e 模型、修正p a g e 模型、 l o g a r i t h m i c 模型、w a n g 和s i n g h 模型和修正的p a g e 方程一的适用性比较好，可用于指 导实际生产。 2 、选取了热风温度、气流速度、回转干燥器的转速和物料的初始水分含量作为试验因素， 利用正交设计进行三水平四因素的干燥实验。选取干燥时间、降水幅度、干燥速率和单 位能耗为试验指标，利用s p s s 统计分析软件建立了各实验指标与实验因素间的回归方 程，在此基础上又分析了各因素对各个指标的影响。 3 、根据苹果渣初始水分含量大及其薄层干燥的特性，提出了苹果渣的回转干燥器干燥工艺， 建立了苹果渣回转干燥器干燥的数学模拟与优化模型。在干燥工艺的优化时，以年生产 成本作为目标函数，对关键优化变量一回转干燥器转简体积一的求解采取微分法，提高了 模型的精度。模型模拟结果与实验结果吻合，误差在1 0 以内。 关键词：苹果渣；薄层干燥；数学模型；红外干燥：微波干燥 a b s t r a c t a p p l ep o m a c ei sab y _ p r o d u c ti nt h ea p p l ej u i c ep r o d u c t i o n ，h a sav a r i e t yo f u t i l i z a t i o n s h o w e v e r ， d r y i n go fa p p l ep o m a c ei s ac r i t i c a ls t e p i no r e d e rt ou n d e r s t a n dt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa p p l e p o m a c ea n dt oo p t i m i z et h ed r y i n gp r o c e s s ，t h i ss t u d yi n v e s t i g a y e dt h em a i na s p e c t sa sf o l l o w i n g s ： 1 t h et h i n l a y e rd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a p p l ep o m a c ew e r ei n v e s t i g a t e di nr e s p e c to f h o ta i rd r y i n g ， m i c r o w a v ed r y i n ga n di n f r a r e dd r y i n g r e g r e s s i o na n a l i s i sw a su s e dt od e t e r m i n et h ev a l u e so f p a r a m e t e r si nt e nc o m m o n u s e dt h i n - l a y e rm o d e l s t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l st od r y i n gd a t a w a st e s t e d r e s u t l t si n d i c a t e dt h a t ，p a g e ，m o d i f i e dp a g e ，l o g a r i t h m i c ，w a n ga n ds i n g h ，m o d i f i e d p a g ee q u a t i o n - i g a v et h eb e s tf i t t ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hc a nb eu s e dt og u i d et h e p r o d u c t i o np r a c t i c e 2 t h ee x p e r i m e n to fo r t h o g o n a ld e s i g nw i t hf o u r - f a c t o r s t h r e e - l e v e l sw a sc o n d u c m d t h ef o u r f a c t o r sw e r ea i rt e m p e r a t u r e ，a i rv e l o c i t ya n dm a t e r i a lm o i s t u r ec o n t e n ta n dr o t a r ys p e e do fr o t a r y d r y e r b yt a k i n gd r y i n gt i m e ，d e h y d r a t i o nr a t e ，d r y i n gr a t ea n ds p e c i f i ce n e r g ya so b j e c t i v e f u n c t i o n s ，t h er e g r e s s i o ne q u a i o n so f a b o v ef u n c t i o n sa g a i n s tv a r i o u se x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sw e r e d e r i v e dw i t l lt h es t a t i s t i c a ls o f t w a r es p s s a n dt h eq u a n t i t a t i v eg r a p h i c ma n a l y s e sw e f ec a r r i e do u t t os h o wt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e i lv a i l a b l e s 3 a c c o r d n g t o t h e t h i n - l a y e rd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h e l a r g e r q u a n t i t y o f i n i t i a l m o i s t u r eo f a p p l e p o m a c e ，t h i ss t u d yp r e s e n t e d a d r y i n gp r o c e s so fr o t a r yd r y e r a n d ，a n d c r e a t e dad r y i n g m a t h e n m t i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nm o d e lo f r o t a r yd r y e r b yt a k i n ga n n u a lp r o d u c t i o nc o a t a so b j e c t i v ef u n c t i o n , t h em o s tk e yv a r i a b l ei nt h eo p t i m i z a t i o no fd r y i n gp r o c e s s ，i e ，t h ev o l u m e o fr o t a r yd r y e r , w a sd e r t e r m i n e dw i t hd i f f e t m a t i a t i o n ，w h i c hi m p r o v e dt h em o d e lp r e c i s i o n t h e e r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a ld a t aw a sw i t h i n1 0 ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h e p r e d i c t e dv a l u e so f t h em o d e lw e r ei na g r e e m e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t av e r yw e l l 。 k e yw o r d s ：a p p l ep o m a c e ；t h i n - l a y e rd r y i n g ；m a t h m a t i c a lm o d e l ；i n f r a r e dd r y i n g ；m i c r o w a v ed r y i n g i i 插图和附表清单 t h el i s to f f i g u r e sa n dt a b l e s 图( f i g u r e s ) 图1 - 1 技术路线幽9 图2 _ 1 热风薄层干燥示意图1 0 图2 - 2 红外薄层干燥示意图1 1 幽2 - 3 微波薄层干燥示意图1 1 图2 _ 4 初始水分含量8 0 o 苹果渣热风干燥速率一湿度曲线1 4 图2 - 5 初始水分含量4 0 0 苹果渣热风干燥速率一湿度曲线1 4 图2 - 6 初始水分音量8 0 苹果渣热风干燥速率一时问图1 5 图2 7 初始水分含量4 0 苹果渣热风干燥速率一时间图 1 5 图p 8 初始水分含量鲫苹果渣的热风干燥时间曲线1 7 图2 - 9 初始水分古量4 0 苹果渣的热风干燥时间曲线 1 7 图2 - 1 0 初始水分含量8 0 苹果淹在9 5 的实验值与模拟值1 8 臣i2 - 1 i 初始水分含量4 0 苹果渣在9 5 的实验值与模拟值一1 8 图2 1 28 0 热风各温度实验值与l o g a r i t h m i c 模型模拟值2 1 图2 - - 1 3 4 0 皤热风各温度p a g e 模型实验值与模拟值2 2 图2 _ 1 4 9 0 热风有效扩散率和温度之间a r r h i j n i u s 关联式2 3 图2 1 5 4 0 热风有效扩散率和温度之间a r p 3 i f 2 q i u s 关联式 2 4 囝2 1 6 初始水分含量8 0 苹果渣的微波干燥速率一湿度曲线2 5 固2 一1 7 初始水分含量4 0 苹果整的微波干燥速率一湿度曲线2 5 图2 - 1 8 初始水分含量8 0 苹果渣微波干燥速率一时间图 2 6 l 璺| 2 1 9 初始水分吉量4 0 苹果渣微波干燥速率一时间图 2 6 图2 2 0 初始水分含量8 0 苹果渣的微波干燥时间曲线2 7 图2 - 2 1 初始水分含量为4 0 苹果渣的微波干燥时间曲线2 7 图2 - 2 2 初始水分含量8 0 在4 5 0 w 的实验值与模拟值 3 0 幽2 - 2 3 初始水分含量如在4 5 0 w 的实验值与模拟值。3 0 圈2 2 4 8 0 微波各功率下p a g e 模型实验值与模拟值 。3 1 圉2 _ 2 5 4 0 微波各功率下p a g e 模型实验值与模拟值3 1 图2 - 2 6 初始水分含量8 0 o 苹果渣的红外干燥速度一湿度曲线 3 3 图2 _ 2 7 初始水分含最4 0 苹果渣的红外干燥速度湿度曲线 3 3 图2 2 8 初始水分含量8 0 0 q z 果渣的红外干燥速度一时闻曲线 3 3 图2 _ 2 9 初始水分古量4 0 苹果渣的红外干燥速度一时问曲线 3 4 图2 _ 3 0 初始水分含量8 0 苹果渣的红外干燥时间曲线3 5 图2 3 1 初始水分含量8 0 苹果渣的红外干燥速时间曲线3 5 v i 中国农业大学硕士学位论文 捅图和附表清单 图2 3 2 苹果渣初始水分含量8 0 在6 5 的实验值与模拟值- 3 8 图2 3 3 苹果渣初始水分含量4 0 在6 5 。c 的实验值与模拟值3 8 图2 3 48 0 红外各温度fl o g a r i t h m i c 模型实验值与模拟值4 0 图2 3 54 0 红外各温度下p a g e 模型实验值与模拟值4 0 图2 3 68 0 红外有效扩散率和温度之间a r r h e n i u s 关联式4 2 图2 3 74 0 红外有效扩散率和温度之间a r r h e n i u s 关联式4 2 图3 - 1 回转干燥器试验台示意图4 4 图3 - 2 回转干燥器的试验装置4 5 图3 - 3 回转干燥器试验装置的传动部分，加热和测温部分4 5 图3 - 4 回转干燥器转速对干燥时间的影响曲线5 0 图3 5 回转干燥器转速对降水幅度的影响曲线5 1 图3 - 6 回转干燥器转速对干燥速率的影响曲线5l 图3 - 7 回转干燥器转速对单位能耗的影响曲线一5 1 图3 - 8 热风温度对降水幅度的影响曲线5 2 图3 - 9 热风温度对干燥速率的影响曲线5 2 图3 - 1 0 热风温度对干燥能耗的影响曲线5 3 图3 - 1 1 气流速度对降水幅度的影响曲线5 3 图3 - 1 2 气流速度对干燥速率的影响曲线5 4 图3 - 1 3 气流速度对单位能耗的影响曲线5 4 图3 - 1 4 初始水分含量对降水幅度的影响曲线5 4 图3 一1 5 初始水分含量对干燥速率的影响曲线5 5 图3 1 6 初始水分含量对单位能耗的影响曲线5 5 图4 _ 1 回转干燥器干燥流程及操作条件示意图5 9 图4 2 回转干燥器圆筒的连续干燥微分示意图一5 9 v i l 中i b 农q l , 大学硕十学位论文插图和附表清单 表( t a b l e s ) 表卜1 各种干燥模型及其参考文献3 表2 - 1 初始水分含量为8 0 矛n4 0 苹果渣的热风干燥速率数学模型及其参数值。1 6 表2 - 2 热风不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量8 0 ( w b ) ) 1 9 表2 - 3 热风不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量4 0 ( w b ) 2 0 表2 - 4 苹果渣在不同初始水分含量和各个温度下的有效扩散戏数。2 2 表2 - 5 苹果渣和其它物料有效扩散系数的比较2 3 表2 - 6 苹果渣初始水分含量为8 0 和4 0 和前人所作物料的活化能2 4 表2 - 7 初始水分含量为8 0 和4 0 苹果渣的干燥速率数学模型及其参数值2 6 表2 - 8 微波不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量8 0 ( w b ) ) 2 8 表2 - 9 微波不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量4 0 ( w b ) ) 2 9 表2 - 1 0 苹果渣在不同初始水分含量和各个功率下的有效扩散系数3 2 表2 1 1 初始水分含量为8 0 和4 0 苹果渣的红外干燥速率数学模型及其参数值3 4 表2 - 1 2 红外不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量8 0 ( w b ) 3 6 表2 - 1 3 红外不同薄层干燥模型的统计分析结果( 初始水分含量4 0 ( w b ) 。3 7 表2 - 1 4 苹果渣在红外干燥下的不同初始水分含量和各个温度下的有效扩散系数4 l 表2 1 5 苹果渣在不同干燥模式和初始水分含量下的有效扩散系数4 l 表2 1 6 苹果渣初始水分含量为8 0 和4 0 和红外干燥的活化能4 2 表3 - 1 苹果渣回转干燥器干燥试验参数值和因素水平表一4 6 表3 - 2 苹果渣回转干燥器干燥试验结果4 8 表3 3 指标y 1 回归系数及其显著性检验4 9 表3 - 4 指标y 2 回归系数及其显著性检验4 9 表3 5 指标y 3 回归系数及其显著性检验4 9 表3 - 6 指标y 4 回归系数及其显著性检验4 9 表3 - 7 各回归方程的显著性检验一5 0 表4 - 1 算例最优化工艺值 表4 2 验证模型试验已知条件 表4 - 3 模拟值和实验值的比较 v u i 酡 变量( v a r i a b l e s ) 主要符号表 m a i ns y m b o l st a b l e 干燥器的横截面积，m 2 干燥器外表面积，m 2 湿空气的比热，k j ( k g k ) 水蒸汽潜热，k j o ( g k ) 湿物料的比热，k j ( k g k ) 进干燥器的物料比热，k j ( k g - k ) 出干燥器的物料比热，kj ( kg k ) 空气的湿度，k g 木k g * 十 空气温度， 进干燥器的物料温度， 出干燥器的物料温度， 湿球温度， 年工作时间，h 总包散热系数，kj “h m 2 ) 空气流速，m s 物料干基湿含量k g 水k g f * # 绝千物料量，k h 空气饱和湿度k g k g * 十 气水问容积传热系数，l c j ，( 矗s ) p 干燥压力，p a 只水的饱和蒸汽压，p a q 传热量，kj h 埽 湿球温度下水的汽化潜热，k j kg 乙 对数平衡温度差， g 。绝千循环空气量，k e j s g 。 总的绝干空气量，k g s g ， 绝干新鲜空气量，k g s 吒 绝干空气的质量流量，啪 o ， 绝干物料的质量流量，k g s m n 每段回转干燥器里的空气质量，k g m ， 每段回转干燥器里的物料质量，k g x循环空气比率 下角标( s u b s c r i p t s ) h加热 i l l 干燥器进口 o u t 干燥器出口 m i x混合 r循环 a以x白。吒吒以乃强k o瓦u。矿郇 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：划。锤缸 时间：p ，年f 月j ；日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：划、傻缸 刷磁轹汉堇 时间：) 如f 年f 月驾日 时间： 。孑年多月；日 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 苹果渣( a p p l ep o i t l a c e ) 是苹果加工罐头、果汁、果酱和果酒等剩余的下脚料，主要由苹果 皮、果籽、果梗和部分果肉组成，果皮果肉占9 6 2 ，果籽占3 1 ，果梗占o 7 。鲜果渣通常 含水7 0 8 0 ，p h 3 - 4 。经分析测定，干果渣粉无氮浸出物含量高( 约6 0 ) ，其中含糖1 5 1 ， 粗脂肪6 2 ；代谢能( 牛) 接近于玉米( 1 0 6 6 8 m j k g ) 和麸皮( 9 5 3 4 m j k g ) ：蛋白质含量高于甘薯， 其中赖氨酸、蛋氨酸和精氨酸分别为o 4 1 、o 1 6 和1 2 l ，是玉米的l ，7 、1 2 和2 7 5 倍；富含维 生素，其中维生素b lo 9 m g k g ，维生素b 23 8 m g k g ，维生素b 2 含量是玉米粉黔3 5 倍；微量 元素中铁含量是玉米粉的4 9 倍；通常1 5 - 1 7 k g 苹果渣相当于l k g 玉米粉的营养价值( 武会娟，2 0 0 3 ； j o s h i ，s a n d h u ，1 9 9 6 ) 。 我国是世界晟大的苹果生产国，年产鲜果超过2 0 0 0 万吨，加工过程中可排出果渣1 0 0 多万 吨。目前除少数进行深加工外，大部分以废物处理，与国外利用情况相比差距甚远。以陕西省为 例，1 9 9 8 年苹果总产量为3 6 5 万吨，果渣中有1 5 - 2 0 用于肥料、燃料，1 0 作饲料，7 0 废 弃( 武会娟，2 0 0 3 ) ，每年大约有1 0 - - 1 5 万吨苹果渣不仅白白浪费掉，还因为鲜苹果渣废弃几天 就腐烂变质，发出酸臭味，严重地污染了环境。这已经成为一个亟待解决的重要问题( 王秦晋， 2 0 0 4 ) ，迫切需要对苹果皮渣进行综合利用。 而干苹果渣有很多的用途，比如l u , y e a p1 7 0 0 ( 2 0 0 0 ) 发现可以从苹果渣里提取抗氧化和清除自 由基的多酚类物质( s a b i n e ，e ta l ，2 0 0 4 ；z h c n g ，& s h e t t y , 1 9 9 9 ) ；以苹果渣为原料生产膳食纤维，而 纤维食品将是2 l 世纪的主导食品，也是一种功能性食品，添加了果渣的面包有一种独特的果香 味，还可以改善食品的风味( 张文会，2 0 0 4 ；l e o n t o w i c z ，e ta l ，2 0 0 1 ；n a w i r s k a ，e ta l ，2 0 0 5 ) ；还可以 通过添加适当的氮源，经微生物发酵将苹果渣转化为单细胞蛋白饲料：这些都是解决果渣出路的 重要途径( 籍保平，尤希风，1 9 9 9 ；f i g u e r o l a ，e ta l ，2 0 0 5 ；l u ，& y e a pf o o ，2 0 0 0 ；c o n s t c n l a ，p o n c e ， l o z a n o ，2 0 0 2 ) 。 其中饲料的生产和销售市场潜力很大，随着世界人口盼增长和生活水平的提高，全球范围对 饲料的需求呈上升趋势。仅就中国而言。据统计，我国2 0 0 1 年成品饲料的产量已达6 5 0 0 多万吨； 根据我国饲料工业的新世纪发展目标，到2 0 1 0 年我国成品诃料产量将达1 1 8 亿吨。国外的颗粒 饲料占总饲料的3 0 ，而我国目前的颗粒饲料只占饲料市场的5 ，市场缺额为1 0 0 0 余万吨。荠 看国际市场，国外的颗粒饲料占成品总量的比例已达3 0 以上；同时，由于二恶英、口蹄疫、疯 牛病等事件的影响世界各国均全面禁止使用动物性饲料；故在可以预见的未来较长时期内，果 渣饲料将成为动物饲料的替代品。此外，世界各国都在积极开发绿色饲料和节粮饲料。 干苹果渣做畜禽饲料的研究近来有不少的报道，每加a s1 0 0 0 k g 鲜苹果可产2 0 0 - - 3 0 0 k g 果渣， 进行干燥后可获得6 0 8 0 蝇干果渣。这是一项不可忽视的宝贵饲料资源( 王晋杰2 0 0 0 ) 。苹果渣 饲喂泌乳牛的试验效果都很显著，可以降低饲料成本，提高产奶量和改善奶牛的健康状况( 胡昌 军，2 0 0 3 ；贺克勇，2 0 0 4 ；李贵喜，1 9 9 9 ) 。苹果渣重金属、农药残留量低于国家饲料卫生标准和食 品卫生标准。由此认为苹果渣作为猪、牛、羊饲料是安全可靠的( 杨福有，2 0 0 0 ) 。因为苹果渣加 中国农业人学硕士学位论文 第一章绪论 工成普通的干饲料，不仅可以增加产品的附加值，促进畜牧业的发展，而且可以达到清沾生产的 目的。饲料是动物性食品生产链中重要的一环。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人 们日益关注动物性食品对消费者自身健康的影响，关注动物性食品对动物生长及畜牧业发展的影 响，关注动物性食品生产过程对人们赖以生存环境造成的影响。近年来，欧盟的“疯牛病”事件 在世界范围内引起了极大的恐慌，其病因均与饲料有关。这使人类更加关注饲料生产，更加关注 动物饲料的安全。 苹果渣饲料是以浓缩苹果汁加下后的果渣为原料，而浓缩苹果汁加工用的苹果原料经过了严 格的检验( 因为加工出的浓缩苹果汁，必须符合国际质量和食品安全标准) 。同时，苹果果渣饲 料生产过程同样采用1 5 0 9 0 0 1 国际质量管理体系组织生产，生产出的苹果渣饲料必须具有质量和 安全保证。 鲜苹果渣因为湿含量大，不易运输、贮藏，这成了限制其利用的第一人圜素，苹果渣干燥贮 藏问题亟待解决。然而，关于苹果渣干燥的研究尚鲜见报道，特别是系统的对某种干燥设备的选 择、优化方面。而果汁或果渣厂一般是照搬某种现存的干燥设备，根本没有充足的理论依据和指 导。所以，研究苹果渣干燥规律和干燥工艺及对其优化可以为苹果渣的综合利用打下良好的基础， 从而可以提高苹果总的利用价值降低生产成本，提高企业的市场竞争力；也可以增加果农的收 入，服务“三农”，从长远来看，即解决了环境污染又实现了农业的可持续发展，利国利民，意 义重大。 本论文拟对苹果渣的干燥规律、干燥特性和干燥工艺进行研究，以期了解苹果渣在干燥过程 中的变化，获得其干燥特性的基础数据，建立具体干燥工艺，以指导基础研究和实际生产。 1 2 薄层干燥的数学模型研究 物料的干燥过程是一个复杂的传热传质过程( y i l b a s ，d i n c e r , 2 0 0 3 ) ，薄层干燥是样品以粒 状或片状的形式铺成一个层状，薄层干燥是农产品物料干燥的基本形式，是深床干燥的基础。物 料的干燥特性不仅受干燥介质温度、湿度和流速等影响，而且因物料的种类，内部结构，物理化 学性质及外部形状的不同而存在明显差异。常用来描述农产品薄层干燥的模型有三大类型 ( d o y m a z i 2 0 0 5 ) ，分别为：理论模型，半理论模型和经验模型( m i d i l l i ，y a p a r , 2 0 0 2 ；p a n c h a r i y a ， s h a r m a ，2 0 0 2 ) 。理论模型，是描述农产品物料薄层干燥的最简单的模型( 王修兰，1 9 9 2 ) ，这 种模型是假定物料内部对水分的运动的阻力可以忽略，仅仅考虑物料表面边界层和干燥介质之间 水分迁移的阻力，前提是假设产品是理想的几何形状，其物质问的扩散和传导也是理想的( e c e & c i h a n , 1 9 9 3 ；d e m i r t a s ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。此模型适用于简单粗略的分析，是根据n e w t o n 冷却定律模 拟而来的。薄层方程一般模式，m r = ( m i - m 。) ( m 0 - m e ) 。 而其中的几个应用比较广泛的模型都是半理论模型，如h e n d e r s o n 和p a b i s 模型，l e w i s 模型， p a g e 模型。这些模型都是根据f i c k 第二扩散定律得出的模型，用来描述降速干燥段的干燥特性 ( w a n g ，1 9 7 8 ) ，假定物料中的水分是以液态水形式从表面向外扩散，其方程形式为m r = a e x d ( - k 0 ，a ，k 为干燥常数，e v a n g e l o s ( 1 9 8 6 ) 发现此方程对带穗谷物能够充分的描述。而l e w i s 模型是h e n d e r s o n 和p a b i s 模型的一个特例。其表示为m r = e x p ( - k t ) ，这个模型曾被r o s s 和w h i t e 等人用于描述小麦和稻谷和红茶( p a n c h a r i y a ，2 0 0 2 ) 常数k 通常与物料初始水分含量以及干燥介 2 中国农业大学硕七学位论文第一章绪论 质的温度平u 相对湿度有关。 p a g e 模型，p a g e 提出用2 个常数来描述农作物薄层干燥的经验模型( 曹崇文，1 9 9 5 ) ，其 表达式为m r = e “，常数k 和n 是与干燥介质有关的经验常数，w a n g ( 1 9 7 8 ) 、w h i t e ( 1 9 7 8 ) 、 l i ( 1 9 8 1 ) 、a k g u n ( 2 0 0 5 讶s a c i l i k ( 2 0 0 6 ) 等人先后用p a g e 模型描述了稻谷、火豆、人参和橄榄 油渣、苹果片等薄层干燥特性，这些研究都表明p a g e 有较好的适应性。后来很多学者又对p a g e 模型进行了修正，出现了几类适用性比较好的p a g e 修正模型( 见表1 - 1 ) 。 经验模型，此方程的结构包含两个指数条件，忽略干燥过程中的传热和传质，只是用平均水 分含量和干燥时间之间的非线性回归得到的模型( 见表1 - 1 ) ( 0 z d e m i r & d e v r e s ，1 9 9 9 ；w a n g s i o g h ，1 9 7 8 ) 。以上各式中： 一湿度比；m 物料干基含湿量( k g t l “k g 干物料) ，m e - 一平衡千 基含湿量( k g 水k g 干物料) ，m o _ 初始干基含湿量( k g z g k g 干物料) ，卜干燥持续时间( r a i n ) ， 卜干燥常数。 表卜1 各种干燥模型及其参考文献 坠：l 二! 坠地! 里型型堂型! 垂坚! 唑! 坚! ! ! 些堂! 望坠塑驾型竺! n o 模型名称模型参考文献 1 l e w i s 模型 m r = e x p ( - k 0b r u c e ( 1 9 9 5 ) 2 p a g e 模型 m r = “p ( - t op a g e ( 1 9 4 9 ) 3 修i e p a g e 模型m r = e x p ( - k o ” w h i t ee ta l0 9 8 t 1 4 h e n d e r s o n 和p a b i s m r = 矿e x p ( - - t 0 h e n d e r s o na n dp a b i s ( 1 9 6 1 1 5 l o g a r i t h m i c 模型m r = 矿e x p ( - k t 卜ct o g n a la n dp e h l i v a n ( 2 0 0 2 ) 6 二阶段模型 m r = - a e x p ( - k d ) + b e x p ( - 七，0h e n d e r s o n ( 1 9 7 4 ) 7 近似扩散模型 m r = a * e x p ( - l a ) + ( 1 - a ) * e x p ( - k a 0 y a l d i ze ta 1 ( 2 0 0 1 ) 8 w a n 9 4 自q s i n g h m r = l + a t + b t 2 w a n ga n d s i n g h ( 1 9 7 8 ) 9 简化的f i e k 扩散模型 m r = 矿e x p ( - c ( # l 2 ) ) d i m n a n t ea n dm u n r o ( 1 9 9 1 ) ! ! ：堡巫盟塑g ! 互矍= ! ! 堡= 曼武= ! g 竺：凸盟坚巴望塑! 坚塑婴( ! ! ! ! ) 1 3 几种常用的干燥方式 干燥是一种高能耗的操作，据资料统计法国、英国、瑞典等发达国家，高达1 2 的工业能 耗用于干燥工艺，在各种工业千燥能耗中，农产品、食品的干燥能耗仅次于造纸工业，位居第2 位( m u j u m d a r , 1 9 6 6 ) ，中国干燥操作的能耗约占总能耗的l o ( 潘永康，1 9 9 8 ) 。随着我国经济的高 速发展，能源的消耗也越来越大，能源短缺成为突出的问题。在农副产品加工中，加热和干燥是 耗能很大的一个环节。传统的一些加热干燥加工的产品质量不高，而且浪费了大量的资源和能源， 加深了我国的能源矛盾。近年来，加热干燥技术在高效、低能耗、环保等方面的要求越来越高， 许多新型加热技术应运而生，微波和红外辐射加热技术就是比较令人感兴趣的方法。下面就传统 的热风干燥、微波和红外辐射加热技术的干燥机理及其国内外研究情况作一个简要叙述。 3 中国农业大学硕士学位论文第章绪论 1 3 1 热风干燥原理、特点及研究现状 干燥过程的本质是水分从物料表面向气相中转移的过程，此过程得以进行，必须使被干燥物 料表面上的蒸汽压超过气相中的蒸汽分压，由于物料表面的水分不断汽化，物料内部的水分方可 继续扩散到表面来。热风干燥，一般都是直接以高温的热空气为热源，借对流传热将热量传给物 料，热空气既是载热体，又是载湿体。干燥过程中，热风的温度和湿度是决定干燥效果的两大要 素，在热交换的同时，热风和相接触的物料表层也构成湿差，形成脱湿过程。热风流经物料层的 风速和流量，耍保证同时完成热交换和湿气的排除，要避免局部过热损坏物料的质量，防止局部 过冷影响干燥速率。热风干燥是一个复杂的热质二相交换的过程，对某种新物料，要根据其含水 的构成、初终含水率的要求、对干燥温度的限制以及物料的热性能等特点，通常先在实验室内确 定其合理的热风干燥工艺，制订最佳的干燥曲线。干燥过程中，热风是传热和传质( 脱湿) 的主要 媒体。要使大量被干燥的物料在干燥全过程中按需要和具有适宜温度、湿度和流速的均匀的热风 接触，米满足干燥曲线的要求，使干燥全过程中热交换和湿交换均匀协调地进行，这些是优化干 燥的关键。 在干燥过程中湿物料的干燥条件不仅使其造成水分梯度，而且形成温度梯度。物料内部的 水分既靠水分梯度迁移( 浓度扩散) ，又靠温度迁移( 热扩散) 。最快水分扩散的通式为： q = ( a m + 5 t ) p a 式中，q 为水分流过密度，a 为水分扩散系数，6 为温度扩散系数，p 为物料干 物质密度，a m 和t 为水分梯度和温度梯度。热风干燥时，表面水分被带走，导致表面水分继续 蒸发，内外水分产生浓度差，内部水分向外表扩散。但热交换靠对流换热进行，温度由外向内传 递，始终有t 丧 t 。t 方向与a m 方向不一致，不利于干燥，其干燥主要靠水分浓度差实现。 热风干燥具有能耗低( 相对于其它干燥方法而言) 、生产方法相对简单、产量高等优点；但也 存在许多不足，如产品皱缩度大、色泽褐变严重、复水率低、营养元素损失严重等。 热风干燥是传统的干燥方式，也一直延用至今，并且依然是干燥单元中主要的操作方式。但 由于热风干燥的一些缺点，现在很多研究都在热风和微波、红外、真空联合干燥方面。 1 3 2 微波的干燥原理、特点及研究现状 微波加热的原理是，当介电质置于交变电磁场中时，带有不对称电荷的分子受到交变电场的 刺激。产生转动，由于物质内部原有的分子无规律热运动和相邻分子之间作用，分子的转动受到 干扰和限制，产生“摩擦效应”。结果一部分能量传化为分子热运动能，即以热的形式表现山来， 从而物料被加热也就是电场能转化为势能，尔后转化为热能( 应四新，1 9 7 6 ) 。在微波干燥中 物料中分子运动加剧，物料温度上升，在干燥的过程中始终有t t ，且差值较大。a m 和t 的 方向一致，在干燥中较快进入相对稳定干燥。微波干燥主要靠内外的温度差实现水分扩散( 王俊， 1 9 9 3 ) 。 微波加热还具有一个主要特点：就地加热，里外一起加热，加热速度快。这也是微波加热的 最大的特点，无论是传导、对流和辐射的加热方式，热源都是在外面，物料温度的升高是由外到 里，将表面加热之后再传导到内部这要受到傅立叶定律的限制，通常被加热物料是热的不良导 体，有很大的热阻，加热时间自然很长，微波加热热量在被加热物料 q 部产生，里外一起加热。 4 中国农业火学硕士学位论文第一章绪论 不仅温度很均匀。干燥也不会出现夹生现象。还有常规加热时，温度表面高，内部低，这种温度 分布，不利下水分迅速蒸发。而微波因为是内外一起加热，同时因为表面较容易散热，往往是内 部温度高于外部，温度梯度方向和水分梯度方相同，传热和传质方向一致，促使内部水分迅速蒸 发，形成内部压力梯度，使水分很快扩散到表面挥发掉，这就使干燥时间_ 人为缩短。这样微波加 热就可以提高热扩散和质扩散率，形成内部的压力梯度可以提高干燥速度。但微波干燥设备的资 金投入相对较高所以微波现在主要是用来提高干燥能力( 迅速去除水分而不在物料内部产生温 度梯度) 或是用于终端干燥或降速段的干燥，用于去除干燥需要花费很长时间才能出来的几个卣 分点的水( f u n e b o ，o h l s s o n ，1 9 9 8 ；k o s t a r o p o u l o s ，s a r a v a c o s ，1 9 9 5 ) 。 单独使用微波常压加热主要应用于食品烘烤和食品膨化以及耐高温产品的干燥，常压微波干 燥往往导致食品内部局部过热而严重影响产品品质。目前由于微波干燥的成本和热风干燥方式相 比还是很高的。很多的研究都是在围绕着微波干燥和普通干燥方式的有效结合，达到既缩短干燥 时间又降低干燥费用的目的。热风干燥方式是一种常用的干燥方式，其成本比较低廉，现在就考 虑微波和热风干燥的有效结合，即先用热风干燥，在物料含水量较大的时候，一般要经历恒速干 燥阶段，在此阶段是属于外部条件控制的。即内部的水分扩散速率很快，干燥速率主要是取决于 外部的干燥条件，比方说温度、风速和周围介质的性质等，这时可以用廉价的热风去除大部分的 水分。但是一旦物料的平均含水量达到了临界点之后，此时属于内部条件控制，干燥速率主要取 决于物料内水分的扩散速率，物料的干燥速率就会显著的降低，这时利用微波就会很显著的提高 干燥速率。这一段除去的水分不是很多，使用微波的费用占总的干燥费用的比例不是很大，却可 以大大的缩短干燥的时间。微波干燥在降低能耗和节省时间的同时，还使产品的质量更好( m a s k a n 2 0 0 0 ) 。在热风干燥过程中结合一定功率的微波，即微波和热风组合干燥在实验室研究和工业应 用上都取得了较大成功删i j h u i s ， 9 9 8 ) ，f e n g ，& t a n g ( 1 9 9 8 ) 3 ：j “ ；5 t j 研究了喷动床与微波组合干燥苹 果片：p r b h a n j i a n ( 1 9 9 5 ) 研究了微波与对流热风组合干燥胡萝h 片；f u n e b o ，o h l s s o n ( 1 9 9 8 ) 研究 了微波与热风组合干燥苹果片和蘑菇：r a g h a v a n ，& s i l v e i r a ( 2 0 0 1 ) 研究了微波与渗透压脱水组合干 燥草莓；t u m a h 等研究了微波与热风组合干燥过程中的热量和质量传递。以上研究都表明，微波辅 助干燥加快了干燥过程，与纯粹的热风干燥相比，产品的品质也有较大程度的提高。 1 3 3 远红外干燥的原理、特点及研究现状 远红外加热不同于热传导和热对流加热，它以辐射方式传递热量，不必通过中间介质而直接 加热被加热物料。在物质内部，组成物质的分子、原子和电子处在不停地运动中，正常情况下物 质处于基态，当有能量传递给它时，物质处于激发态。激发态为不稳定