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第21卷 第1期 2005年1月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol . 21 No. 1 Jan. 2005 苜蓿干燥特性试验研究 郑先哲,蒋亦元 (东北农业大学工程学院,哈尔滨市150030) 摘 要:该文在薄层干燥试验台上研究了苜蓿的干燥特性。试验结果为:干燥温度越高,苜蓿的干燥速度越快。试验确定了 临界干燥速度与干燥温度间的方程,定量分析了苜蓿干燥速度与干燥温度间的关系。运用量纲分析方法,得到干燥动力学 常数K与初始含水率Mo,样品质量G,干燥温度T,介质流速v,茎秆长度l的经验公式,可以准确分析和评价苜蓿在各种条 件下的干燥特性。 关键词:苜蓿;干燥;量纲分析法 中图分类号: S26. 201 文献标识码: A 文章编号: 100226819(2005)0120159204 收稿日期: 2004203216 修订日期: 2004205209 基金项目:黑龙江省青年基金(QC02Q 17);东北农业大学工程学院 科研启动基金资助 作者简介:郑先哲,副教授,博士后,哈尔滨市 东北农业大学工程 学院, 150030。Email: Zhengxzneau. edu. cn 0 引 言 苜蓿(M ed icago S ativa , L )素有牧草皇后之称,是 世界上种植面积最广牧草品种之一。 人工干燥是牧草收 获后必要的加工方式和趋势。 目前中国尚缺少牧草干燥 机械设备,苜蓿草产品一直停留在青干草自然晾干的水 平上。 由于雨淋、 叶片脱落及长时间的日光 “漂白” 作用, 牧草的各种养分损失超过50%60% ,其中粗蛋白质 含量只有5%7% ,胡萝卜素损失达90%左右,牲畜采 食并转化成畜产品的利用率只有40%50% 1。这样 的干草只能作为粗饲料,不能出口2, 3。 快速人工干燥法 生产出来的苜蓿,由于芳香性氨基酸未被破坏,具有青 草的芳香味,干草产品有很好的消化率和适口性,家畜 采食量增加,营养摄取量也增加,从而提高牧草的商品 价值,也便于长途运输和出口。中国目前对苜蓿干燥机 械做了较多研究工作,但是对苜蓿干燥机理方面的研究 较少,本文主要研究苜蓿在干燥过程中的特性规律。 1 苜蓿干燥特性 苜蓿的干燥特性是指在不同干燥温度下苜蓿的降 水规律。 苜蓿由粗茎、 细茎和叶片三部分组成,每部分的 形状、 结构、 质量和成分都有区别。 苜蓿的各部分结构差 别很大,它的粗茎部分有中空的结构,表层附有角质膜, 作为自然屏障阻止水分散失。细茎部分呈柱状,质地与 粗茎相比软得多,含水率较高。 苜蓿叶片质地脆嫩,呈薄 椭圆状,容易干燥去水。 因此,在干燥过程中苜蓿的各部 分表现出不同干燥特性4。 1. 1 试验材料与方法 选用的干燥样品的苜蓿品种是加拿大紫花苜蓿,在 东北农业大学草业研究所试验田取样。取现蕾期(开花 10%左右)的苜蓿作为样品,这期间的苜蓿营养成分最 高,含有不易消化的粗纤维少,最适合作为饲料。 在自行 研制的薄层实验台进行苜蓿干燥试验。 该实验台用电加 热器作为热源,通过调整控制器设定值,调整干燥温度。 苜蓿叶片的初始含水率78. 32% ,压扁后茎秆含水 率70. 17% ,热风表观速度0. 15 m?s。将苜蓿样品切段 成3 cm长。在实验台进行干燥试验,干燥温度为100 200,温度间隔为20。 取新鲜苜蓿150 g平铺在干燥 筛上,每隔1 m in测重,计算含水率,当苜蓿含水率达到 12%时,从干燥筛取下,取样封存。 1. 2 结果与讨论 从图1中(D T为干燥温度缩写)可以看出,干燥温 度越高,苜蓿叶片的干燥速度越大。苜蓿的叶片部分呈 椭圆形状,有较大的表面积,上面布满可以开闭的通气 孔,有助于水分的释放。 干燥筛中的叶片叠放在一起,形 成叶片群,在同一干燥温度下,干燥过程中叶片群逐渐 吸热升温干燥去水,在某一时刻当干燥筛中的全部叶片 开始干燥时,干燥速度上升到最大值(临界值)。干燥温 度越高,热空气的干燥势越强,干燥速度达到临界值的 时间越短。在试验条件下(压扁后茎秆含水率70. 17% , 热风表观速度0. 15m?s。)临界干燥速度vc (% ?m in)与 干燥温度T()的关系为 vc= 2. 8962 exp (0. 010928T) (r= 0. 9467)(1) 图1 苜蓿叶片的干燥速度曲线 Fig. 1 D rying rate curve of the alfalfa leaf 从图2中曲线可得:随着干燥温度增高,茎秆干燥 速度明显增大。在电镜(KYKY21000)下观察不同干燥 温度处理过的苜蓿茎秆表面,发现当干燥温度超过 100时,苜蓿表面光亮的蜡质层消失,显现出内部纤 951 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 维。 即高温对苜蓿表面阻止水分散发的蜡质保护层产生 热破坏,从而使苜蓿干燥速度提高,当苜蓿内部水分扩 散速度不及表层蒸发速度时,即出现内控现象,开始呈 现降速干燥阶段,而且苜蓿在高温干燥时也不会出表层 硬结现象,这是与谷物干燥的差别。 图2 苜蓿茎秆的干燥速度曲线 Fig. 2 D rying rate curve of alfalfa stem s 从图2中可见,干燥速度在临界值会维持一段时 间,进入恒速干燥段,此时热空气的干燥去水速度与叶 片脱水速度相等,约12 m in后,当水分比M R= 0. 7 0. 9( M R= Mo-M Mo-Me, 其中Mo、Me分别为初始水分 和平衡水分)时,叶片的含水率接近平衡水分,恒速干 燥阶段结束。此后由于叶片群含水率降低,苜蓿叶片干 燥进入降速干燥阶段,干燥温度越低,降速干燥阶段的 持续时间越长(但图2中的苜蓿叶片最终含水率没有达 到干燥条件所对应的平衡水分,所以这个规律不明显 ), 当叶片达到平衡水分时,干燥过程结束。比较图1和图 2,苜蓿叶片和茎秆的干燥速度曲线变化趋势相似。 干燥 热空气温度越低,干燥速度上升得越慢。 在本试验中,对比研究了苜蓿叶片、 茎秆(压扁和未 压扁)和整株压扁的干燥速度,结果如图3所示。 从图中 可以看出,在相同干燥条件下(初始含水率78. 32% ,热 风表观速度0. 15 m?s ), 苜蓿叶片的干燥速度最高,其 平均干燥速度是未压扁茎(速度最低)的平均干燥速度 的1. 85倍,是压扁茎秆干燥速度的1. 41倍。茎秆压扁后 能够减少扩散水分阻力,与未压扁相比,提高干燥速度 1. 31倍。 图3 苜蓿不同部位的干燥速度比较 Fig. 3 Comparison of drying rate among each parts of the alfalfa 从图3可见,整株压扁后苜蓿干燥速度界于压扁茎 秆和叶片之间,其原因是叶片的干燥速度最高,另外可 能是在干燥过程中,整株压扁后的苜蓿茎秆中的一部分 水分通过其叶片蒸发了,增加了脱水途径,所以干燥速 度较高。计算后得知,干燥温度每增加20,叶片的干 燥速度增加30%40% ,茎秆的干燥速度提高15% 20%。 在本试验的干燥条件下,由图3中的数据,用DSP 软件4拟合计算得出: 压扁茎秆的干燥速度v (% ? m in) 与干燥温度 T()的关系为(相关系数r= 0. 9812) v= -5. 9478 + 0. 095764T(2) 未压扁茎秆的干燥速度v (% ? m in) 与干燥温度 T()的关系为(相关系数r= 0. 9749) v= -6. 1154 + 0. 083642T(3) 叶片的干燥速度v (% ? m in) 与干燥温度T()的 关系为(相关系数r= 0. 9943) v= 5. 3905 + 0. 145608EX P(0. 023332T)(4) 整株压扁后苜蓿的干燥速度v (% ? m in) 与干燥温 度T()的关系为(相关系数r= 0. 9982) v= 31. 5829 1 + exp (3. 6496 -0. 017897T) (5) 2 苜蓿干燥动力学常数K的确定 干燥常数K是反映干燥速度快慢的重要参数,是 干燥过程中物料的降水幅度与干燥时间的比值,它既与 物料的结构、 规格、 形状和含水率有关,又与干燥介质参 数:干燥温度、 介质流速有关。 当前,研究苜蓿干燥常数 K只考虑了干燥温度4, 5,但是根据本课题的研究结果, 苜蓿叶片和茎秆的干燥速度还与其长度、 初始含水率以 及干燥介质流速有关。 因此,只考虑干燥温度来计算干 燥常数K不够全面。 本研究采用量纲分析方法确定苜蓿叶片和茎秆干 燥常数K。 在薄层干燥试验过程中,影响苜蓿茎秆的干 燥速度的因素有(包括量纲 ): 初始含水率Mo(无 ), 样品质量G (M ), 干燥温度 T (ML 2T- 2 ), 介质流速v (L T - 1 ), 茎秆长度l (L ), 干燥 常数K (T - 1)。 这些参数可以构成下式: =G a1Ta2Va3la4ka5 (6) 其量纲有如下关系: M 0L0T0 =M a1M L2T- 2 a2L T- 1 a3L a4T- 1 a5 (7) 根据量纲齐次理论和相似理论第二定理(计算过程 见文献7),本应有3个 项,但将 3=M0与2合并, 得到相似准则: 1= Gl2k 2 T (8) 2= GV 2 TM0 (9) 在苜蓿(整株压扁)薄层干燥试验过程中,每隔1 m in测 定干燥筛内苜蓿质量,当相邻两次称重的差值小于0. 01 061农业工程学报2005年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. g时,即可认为苜蓿达到干燥到平衡水分,试验重复2 次,用烘箱法测苜蓿含水率,取相近数的平均值。 根据苜 蓿在干燥过程中达到平衡水分的时间,计算出干燥常数 K,干燥参数取值及有关计算值,列于表1。 表1 各参数值和 项值 Table 1 V alue of the all parameters andterm s 样品质量G ?g 茎秆长度l ?cm 干燥温度T ? 介质流速v ?ms- 1 初始含水率Mo ?% 干燥时间 ?m in 干燥常数K ?m in- 1 1= Gl2k2 T 1032= GV 2 TM0 104 5021000. 1573. 22280. 035712. 551. 537 8031100. 3057. 62230. 0434812. 37411. 360 10041200. 546. 72150. 0666759. 26544. 592 12051300. 1577. 54460. 0217410. 9072. 679 14031400. 566. 72210. 0476220. 28913. 382 15021500. 357. 62190. 0526310. 9098. 330 10041600. 576. 77160. 062539. 06320. 353 5441800. 373. 21140. 0714324. 4238. 196 8031900. 368. 55170. 0588213. 1115. 528 3042000. 352. 33110. 0909119. 3410. 319 用DSP软件6拟合相似准则 1和 2间的关系 1= 61. 4138 1 + exp (2. 2251 -0. 1282272) (相关系数r= 0. 9144)(10) 将式(8)和(9)值代入整理后得到 k= 61. 413810- 3( T Gl2) 1 + exp (2. 2251 -0. 128227 GV 2 TM0 104) 1 2 (11) 可以用式(11)计算不同干燥条件下苜蓿干燥常数 K,为定量分析苜蓿干燥特性提供了依据7。 由于试验 条件限制和时间仓促,表1中的试验参数没有按正交组 合要求取值,使得根据式(11)获得的K值有局限性,但 为如何正确求导干燥常数提供了合理方法。 3 结 论 为了保证苜蓿营养品质,收获后干燥是必要加工环 节。 由于植株各部分的结构和成分不同,苜蓿的叶片、 细 茎和粗茎表现出不同的干燥特性。在相同的干燥条件 下,苜蓿的叶片干燥速度最高,其次为细茎、 粗茎。当干 燥温度超过120时,干燥速度明显增大,观察干燥后 的苜蓿茎秆表层,高温对苜蓿表面阻止水分散发的蜡质 保护层产生热破坏,使干燥速度提高到临界值。建立了 苜蓿叶片临界干燥速度与干燥温度间的关系,可以定量 分析不同干燥温度的苜蓿临界干燥速度,为确定苜蓿干 燥合理工艺参数提供了依据。 苜蓿在高温干燥时也不会 出表层硬结现象。运用量纲分析方法,得到干燥动力学 常数K与初始含水率Mo,样品质量G,干燥温度T,介 质流速v,茎秆长度l的经验公式,可以更准确分析和评 价苜蓿在各种条件下的干燥特性。 参 考 文 献 1 Rotz C A , A bram s S M.Losses and quality changes during alfalfa hay harvest and storageJ . T ransactions of the A SA E, 1988, 31(2): 350- 355. 2 王 钦.影响干草质量的主要因素及其质量标准的评定方 法J .中国草地, 1996, (3): 66- 70. 3 高彩霞,王 培.收获期和干燥方法对苜蓿干燥质量的影 响J .草地学报. 1997, 5(2): 113- 116. 4 Shahab Sokhansank, Patil E T. Kinetics of dehydration of green alfalfa J . D rying Technology, 1996, 14(5): 1197- 1234. 5 A run S. M ujumdar etc. D rying technology in agriculture and food sciencesM . N ew York: Science publishers, Inc. 2000. 191- 211. 6 唐启义,冯明光,著.实用统计分析及其DPS数据处理系统 M .北京:科学出版社, 2002. 5. 7 郑先哲.牧草干燥机理分析及三重滚筒干燥机设计D . 哈尔滨:东北农业大学工程学院, 2004. 3. 161 第1期郑先哲等:苜蓿干燥特性试验研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Experi mental study on the drying process characteristics of alfalfa Zheng Xianzhe,J iang Yiyuan (Eng ineering College,N orth2East A g ricultural U niversity,H arbin150030,China) Abstract: Both alfalfa drying property and constant K involving drying parameters of the alfalfa w ere studied. Due to the difference in physical structure and chem ical characteristics of fresh alfalfa component, the leaf, fine stem and coarse stem show different drying rates under the same drying condition. The higher the heated air temperature is, the higher the drying speeds of the drying speeds of the stem s and leaf are. A s drying temperature is over 120, the drying rate w as found to increase significantly w ith initial alfalfa moisture content. This may be attributed to thermal damage to w axy surface, w hich helpsmoisture retention in the plant, thereby increasing drying rate up to a critical level .The changes of the stem , the leaf and the w hole stalk drying rates w ith the heated air temperaturew ere obtained.In order to reduce themoisture difference betw een the stem s and leaf of the post2drying alfalfa, it is necessary to crush the stem s through mechanical