（茶学专业论文）茶叶烘干机理与烘干机的节能改进.pdf

茶f l i 。烘十机理与烘干机的节能改进 两姜 干燥是制茶过程中必不可少的工序。茶叶的干燥需要消耗大量能量，而现阶段 茶叶烘干机热能利用率普遍较低。本课题在综述了植物性物料干燥研究与进展的基 础上，制定茶叶非稳态干燥动力学试验方案，进行茶叶薄层干燥试验。通过对茶叶 非稳态干燥动力学特性与水分扩散的研究，揭示了干燥过程优化传热传质的机理， 并为茶叶烘干机新机型的开发与研制提供了可靠的理论依据与技术基础。本文的主 要工作如下： 1 茶叶非稳态干燥动力学试验 根据对干燥过程和茶叶干燥特点的分析，以茶叶揉捻叶为代表性物料，利用干 燥试验平台进行茶叶薄层干燥试验。 选择热风温度( 7 0 、8 5 、1 0 0 、1 1 5 、1 3 0 ) 、风速( 0 0 8m s 、0 2 2 m s 、 0 4 1m s 、1 3 7m s 、2 0 5m s ) 和干基含水量( 1 6 0g g 、1 3 2g g 、1 0 3g g ) 为试验 控制因素；确定较优化干燥条件，进行变温干燥工艺( 1 0 0 - 5 5 、1 0 0 - 7 0 。c 、 1 0 0 一8 5 、1 0 0 - 1 0 0 ) 及对茶叶干燥过程的分析，揭示强化干燥对流传热的机 理及各控制条件；研究表明，优化的变温干燥工艺与恒温干燥工艺脱去同样的水分 周期相同，存在着节能潜力：干燥动力学方程的形式( 2 1 0 ) 能够描述物料整个干 燥过程的特性；并运用m a t l a b 统计软件对数据进行处理，得出茶叶干燥的单项扩散 方程( 2 2 1 ) ，揭示了干燥控制因素热风风温、风速与干燥进程的关系。 2 烘干机热能利用的调查 在对常用的几种茶叶烘干机热能利用调查的基础上，分析了茶叶烘干机中普遍 存在的问题：热风是热量和热风动量的载体，茶叶烘干机底层进风方式使烘干机中 存在着温度场与风速场分布的不均，且大型烘干机存在着排湿不畅；随着干燥过程 的进行，茶叶烘干机的热能利用率逐渐降低。 3 茶叶烘干机的节能改进设计 结合大量实验研究与理论分析，烘干机的节能改进从两个方面进行：1 ) 将干燥 动力学原理与茶叶干燥特性相结合，实现生产过程的系统节能：一、对恒速干燥阶 段进行强化；二、对降速干燥阶段进行变温设计，防止干燥过度，实现能量的对口 合理梯级利用；2 ) 引进先进节能干燥设备热泵，回收干燥过程中废气中的显热和潜 热，以实现余热再利用，达到干燥节能的效果。 关键词：茶叶物料；干燥机理；数学模型；茶叶烘干机；节能 茶叶烘干机n ) - j 烘十机的节能改进 一_ _ - ，- _ _ 一 a b s t r a c t mt h et e ap r o c e s s i n gi ti sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yp r o c e s ss t e p sf o rd r y i n g a tp r e s e n t ， t h et h e r m a le n e r g ye f f i c i e n c yr e l a t i v e l yl o w e rg e n e r a l l yi nw h i c hi sn e e d e dal a r g eo f e n e r g y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l yd e s c r i p t i o no f t h eb i o l o g i c a lw e tp o r o u sm a t e r i a l d r y i n gs t u d ya n dd e v e l o p m e n t ，t h i sp a p e rh a sf o r m u l a t e dt h eu n s t e a d yd r y i n gd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n ts c h e m et o t e s tt h et h i nl a y e rd r y i n ga n dt h ei n t e r n a lm o i s t u r e d i f f u s i o ni nt h ed r y i n gp r o c e s sr e s e a r c h b yt h i sw a y , i ti sr e v e a l e dt h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e rm e c h a n i s mo fd r y i n go p t i m i z a t i o np r o c e s s ，a sw e l la sn e wm o d e l sd r y e rt e a r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o v i d e sar e l i a b l e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a l i n f r a s t r u c t u r e t h em a i nw o r k so ft h i st o p i ca r ea sf o l l o w s ： 1 u n s t e a d yd r y i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to ft e a a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ft h ed r y i n gp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i n l a y e rd r y i n g r e s e a r c hw a sp e r f o r m e dt h a tt h et e al e a v e s - r o l l e dw a su s e da st h er e p r e s e n t a t i o ni nd r y t e s tp l a t f o r m t h et e s tc o n t r o lf a c t o r sw e r eb a s e do i la i rt e m p e r a t u r e ( 7 0 ，8 5 ，10 0 ，115 ， 13 0 ) ，w i n dv e l o c i t y ( o 。0 8m s ，0 2 2r n s ，0 4 7r n s ，1 3 7r n s ，2 0 5m s ) a n dd r yb a s i s m o i s t u r ec o n t e n t ( 1 6 0e g ，1 3 2g g ，1 0 3g g ) ，a n ds e l e c t e dm o r eo p t i m i z e dt h ed r y c o n d i t i o n s i nw h i c hc a r r i e do u tv a r i a b l e t e m p e r a t u r e ( 1 0 0 一5 5 ，1 0 0 一7 0 ，1 0 0 8 5 ，1 0 0 1 0 0 ) d r y i n gp r o c e s sa n da n a l y z e dd r y i n gp r o c e s so f t e a t h er e s u l t s s h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ed r y i n g ，a l t h o u g hh a v i n g t h es a m e r e d u c t i o no fm o i s t u r ec o n t e n ta n dd r y i n gp e r i o d ，t h eo p t i m i z e dv a r i a b l e t e m p e r a t u r e d r y i n gh a sd i f f e r e n td r y i n gp r o c e s sa n de n e r g ys a v i n g 。t h e f o r mo f e q u a t i o n ( 2 一lo ) c a nb e d e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l ed r y i n gp r o c e s s ；o nt h eb a s eo ft h ea b o v e r e s e a r c h e s ，t h ee x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y z e dw i t ht h em a t l a b ，a n do b t a i nt h es i n g l ei t e m s s p r e a d i n ge q u a t i o n ( 2 2 1 ) t oe x p r e s s t h ec h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hr e v e a l e dt h ec o n t r o l l i n g f a c t o r so fh o ta i rd r y i n ga i rt e m p e r a t u r e ，w i n ds p e e da n dd r y i n gp r o c e s s e s 2 t h ei n v e s t i g a t i o na b o u th e a te n e r g yu t i l i z a t i o no ft e ad r y e r b a s e do nh e a te n e r g yu t i l i z a t i o n ，t h ec o n l n l o np r o b l e mw a sa n a l y z e da b o u ts e v e r a l c o m m o n l yt e ad r y e r , f o rt h ec a r r i e ro fh e a ta n dh o ta i rm o m e n t u m ，t h ew a y o fb o t t o m i n l e tw i n d sw h i c hm a d et h ep r e s e n c eo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dw i n ds p e e du n e v e n d i s t r i b u t i o ni nt e ad r y e r , a n dh a v eap o o rh u m i d i t ye l i m i n a t i o ni nl a r g e rd r y e r se s p e c i a l l y w it ht h ed r y in gp r o c e s s ，t h eu t ili z a t i o no fh e a te n e r g yo ft e ad r y e rw a sd e c r e a s e d g r a d u a l l y 3 i m p r o v e dd e s i g no ft e ad r y e rf o re n e r g y s a v i n g h a v i n gc o m b i n e dal a r g eo fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t e c h n i c a l i m p r o v e m e n to ft e ad r y e rf o re n e r g y - s a v i n gs h o u l db ec a r r i e do u tf o l l o wt w os i d e sb e m n d o nt h eo n eh a n d ，t h e p r i n c i p l eo fd r y i n gk i n e t i c sw a sc o m b i n e dw i t hd r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft e af o rs y s t e me n e r g y - s a v i n ga b o u t p r o d u c i n gp r o c e s si nw h i c hi ts h o u l d b es t r e n g t h e nd u r i n gc o n s t a n td r y i n gw h i l eb ed e s i g n e dw i t hv a r i a b l et e m p e r a t u r ed u r i n g f a l l i n gr a t ed r y i n g ，a n di n t h i sw a yi tc o u l db ef u l f i l l e dc a s c a d e dc o n t r a - a p e r t u r ea n d r e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no ft h e r m a lp o t e n t i a lw h i l eb ep r e v e n t e do v e r - d r y i n ga n dr e d u c e d u n n e c e s s a r yp r o d i g a l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，h e a t p u m pw o u l db ei n t r o d u c e da sa d v a n c e e q u i p m e n tf o re n e r g y s a v i n gw h i c hb eu t i l i z e df o rr e c y c l i n gt h el a t e n th e a ta n ds e n s i b l e h e a tt oa c h i e v er e s i d u a lh e a tr e u t i l i z a t i o na n d d r y i n go ne n e r g ys a v i n g k e yw o r d s ：t e am a t e r i a l s ；d r y i n gm e c h a n i s m ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t e ad r y e r ； e n e r g y - s a v i n g “i 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 奄 如需保密，解密时间年月日 是否保密 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x - 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，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定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做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：稃，1 专绎 时间： 97 年厂月，罗日 学位论文作者签名：叠倔辱导师签名： 签名怵口，年巾刁日签名帆。7 年万月圹日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 茶nf 。烘十机理，- j 烘干机的节能改进 1 前言 在制茶过程中，始终离不开热的作用，特别是在干燥阶段，不仅是除去水分， 而且在蒸发水分的同时，发生着复杂的有水参与下的热化学变化，进一步促进茶叶 色、香、味的形成。茶叶的干燥过程是一个伴有一系列热化学变化的脱水过程，从 物理学单方面分析，可认为是一个质热交换过程，茶叶从热空气中吸收热量，从而 使叶内水份获得运动能而向叶表迁移蒸发，达到脱水之目的。 茶叶作为植物性含湿多孔物料，在干燥过程中，内、外部传热传质条件与茶叶 本身的结构特征、生物特性、理化特性是相互影响、相互作用的。本课题通过对茶 叶干燥中干燥动态的研究，揭示优化传热传质的机理，以获得优质、高效、节能的 效果，并为工程实践提供理论依据与技术基础。 1 1 文献综述 1 1 1 干燥理论的研究 植物性物料的干燥，主要目的正是为了使其某些生物特性得以保存或改善。生 产加工中，干燥是制造各类茶必不可少的工序，也是形成绿茶香高味醇、色泽绿润 的品质、减少营养物质损失的关键工序。但生物材料本身对热湿条件十分敏感，如 果没有得到及时干燥或干燥工艺不当，物料原有的某些生物特性极易受到破坏。因 此干燥技术的研究既要研究不同干燥物料的干燥特性，也要研究各种节能高效的新 型干燥设备，以及研究一定的物料在某种干燥设备中的合理操作参数。 干燥技术的机理涉及传热学、传质学、流体力学、工程热力学、物料学、机械 学等学科，是一个典型的多学科交叉技术领域( a s g i n z b u r g ，1 9 8 5 ) ，国内外许多 科学家对干燥过程进行了广泛而深入的研究。干燥学科领域经历了从建立含湿气体 流体力学、热力学、干燥动力学及干燥工艺到开展干燥中能量与湿量传递及其耦合 的研究的各仑阶段。至今己形成囊括干燥理论、干燥技术和干燥工艺三个主要组成 部分的学科体系。其中，干燥理论主要阐述干燥过程的基本规律与干燥机理；干燥 技术包括实施干燥基本方法和干燥设备计算与设计方法；干燥工艺则是研究干燥对 象一物料特性、优选干燥程序、干燥方式及干燥条件等( 雷廷宙，2 0 0 6 ) 。 干燥是传热、传质、生物和化学等现象的复杂综合过程，在此过程中，物料的 含水随时间和空间而变化，最终过程自身趋于平衡。干燥强度取决于干燥过程的推 动力和物料的特性，是传热和传质两种传递现象的有机结合过程。干燥操作反映的 现象涉及的因素十分复杂，归结起来主要有两方面，即物料的结构特性及干燥方法。 山于多孔介质内部结构复杂，质键传递过程的物理机制不清晰，且其影响因素 繁多，过程观察困难等诸多原因，在经历了液态扩敞理沦、毛细管理论、蒸发冷凝 理论、l u i k o v 理论、p h i l i p 与d ev r i e s 理沦、k r i s c h e r 与b e r g e n 等许多理论等来描 茶叶烘干机理与烘干机的节能改进 述干燥中的质量传递过程后( 杨彬彬，刘相东，2 0 0 4 ) ，l u i k o v 唯象理论和w h i t a k e r 体积平均理论已经成为干燥学科理论分析的基础( b e a rj ，b a c h m a ty ，1 9 9 0 ) 。 前苏联科学家l u i k o v 发现了湿分热扩散现象，首次运用热动力学不可逆输运定 律，提出温度梯度也是影响物料内湿分输送的因素。从宏观的质量、能量守恒定律 和非平衡热力学原理出发，发展了多孔介质热湿迁移的热力学理论，考虑了温差、 浓度差和压差三种驱动力，建立了描述温度场、湿度场和压力场耦合的方程组。较 真实地反映了在多孔介质中的湿分迁移过程，而且基本上反映了非稳态过程。 现在人们对物料干燥问题的研究方法己由原来的实践探索法转变为把干燥理论 和干燥技术有机结合起来，采用一系列的数学方程模拟干燥过程，实现干燥工艺优 化设计。物料干燥模型实质上就是对物料干燥过程中干燥特性的一种数学表达，而 物料干燥特性通常指的是物料在干燥过程中表现出的各种性质，其中主要包括物料 干燥速率、升温速率、结构变化( 收缩与变形) 规律、质量与品质的变化规律等。因 此二f 燥理论不仅要能解释干燥过程中出现的各种传递现象，而且应建立相应的干燥 模型，以预测在一定干燥条件下的干燥行为，能从模型推出反映干燥过程特性的干 燥曲线。 在干燥机理、应用基础研究方面，国内外学者作了大量的研究工作，分别建立 了谷物热特性、水分扩散特性、干燥速率等实验测定装置。与其它过程类似，干燥 可分为静力学与动力学( 张洪沅等，1 9 5 7 ) ，干燥动力学即是研究物料在干燥过程中 脱水量与各种支配因素的关系( 褚治德等，1 9 9 6 ) 。植物性材料的干燥是一个典型的 非稳态过程，不仅表现在外部干燥条件不同参数对脱水速度的影响，而且也表现在 同步的物料内部水分扩散过程中。在物料的整个干燥过程中，即使控制的外部条件 保持恒定，即加热强度、方式、介质的速度、温度、湿度、压力等都是定常的，但 因其物料自身特性的变化，过程仍然是非稳态的。 雷树业( 1 9 9 9 ) 从多相渗流和扩散迁移机制出发建立以温度、压力和饱和度为 基本变量的实用化三参数模型。施明恒( 2 0 0 0 ) 利用一台x 一6 5 0 扫描电子显微镜对 快速干燥过程中多孔介质内部湿分迁移机制进行了实验研究和理论分析。李友荣 ( 2 0 0 0 ) 对对流干燥时水分蒸发扩散过程的热力学条件进行了研究。赵耀华( 赵耀 华等，2 0 0 3 ) 利用可视化实验，研究了含水多孔介质体的干燥现象并利用实验拍摄 的数字图像进行分析和含水率计算，提出干燥过程中含水率分布图像化的方法，并 讨论了将此图像化方法应用于含水多孔介质体干燥的可行性。蔡伟，解国珍( 2 0 0 7 ) 根据非平衡热力学理论和偏移活化能理论，考虑了传热与传质之间的相互耦合，建 立了描述多孔介质对流干燥内部传热传质过程的数学模， 林瑞泰( 1 9 9 5 ) 认为，含湿多孔介质以对流换热方式从f 二燥介质中吸收热量使 物料内部湿份汽化、扩散，广：生的蒸汽以对流传质的方式扩散至十燥介质巾去，从 而达到除去物料内部濉份的| 二1 的的过程。表现为：1 ) 干燥过程是种典! j ! l ! 的非1 ；急念 茶叶烘干机理与烘干机的节能改进 不可逆过程，其过程既随时间变化又具有不可逆转的特性；2 ) 干燥过程有多相多组 分参与，故一般要涉及相间与相变传热传质，影响因素众多、关系复杂；3 ) 在干燥 过程中传热传质相互藕合；4 ) 干燥过程与物料性质、含湿组分和状态关系密切。 概括起来物料干燥主要研究两方面的内容：其一是基于唯象理论和体积平均理 论的物料热质传递模型，深入研究物料干燥过程微观机理，掌握物料内部水分移动 规律，建立反映物料干燥特性的理论模型包括干燥速率方程、升温速率方程、结构 变化模型、质量与品质变化模型等；其二是基于不可逆热力学理论建立起来的干燥 模型，其研究结果往往是侧重从宏观方面描述干燥过程，预测干燥速率，确定干燥 时间，把干燥领域实验研究及理论分析结果应用到实际干燥过程分析中，实现优化 设计和优化运行。 1 1 2 茶叶干燥特性 茶叶加工过程是以热量供应为基础的，每个工序茶叶在制品都需要吸收热量。 热量吸收的多少，叶温上升的快慢和加热过程中水分散失速度都影响茶叶品质形成。 在茶叶的干燥过程中，物料的内、外部传热传质条件与茶叶本身的结构特征、生物 特性、理化特性相互影响。 从热物理学分析，茶叶的干燥脱水是由于热传递而使水分子激活能增加并超越 了分子束缚势能极限而脱离基团，同时在温度场的作用下引起水分或水蒸汽浓度的 不均匀分布而形成水分梯度，开始质量传递，故脱水过程是个传质传热的动力学过 程。 由于植物性物料内部持水方式不同，热气流与物料表而的传热传质过程和物料 内部的传热传质的过程和机理也不同，两者在不同干燥阶段起着不同的主导和约束 作用而影响物料的：- f 二燥进程，这就导致了一般湿物料一r 燥时前一阶段总是以较快r 日 稳定的速度进行，而后一阶段则是以越米越慢的速度进行，所以我们就将干燥过程 依干燥速度随时间变化为三个阶段，即增速( 预热) 干燥阶段、等速干燥阶段和降 速干燥阶段。其问的分界点称为临界点，对应的物料湿含量称为临界湿含量。 董士林( 1 9 9 0 ) 分析了茶叶各干燥阶段的脱水特性。在恒率脱水阶段，脱去的 水分主要为存在于叶内组织间的空隙中的非束缚水和表面自由水。这部份水分属物 理吸附水，水分的迁移方式为毛细管作用、液压流动及表面扩散。而在降率期阶段， 脱去的主要是以氢键结台于羧基和酰氨基团中的水分，和被束缚于羧基团和氨基团 这类离子基团中的水分。因降率期脱去的水分是一些化学结合水，其难易程度取决 于这些水分子化学键的结合势能的大小。降率脱水阶段，水分的迁移方式主要是液 体的扩敞和水蒸汽的扩散。 龚琦等( 1 9 9 0 ) 埘茶叶等温干燥模式进行了研究。干燥前茶叶内爿5 温度场和湿 度场也是均匀的。当二f 燥丌始时，片先只力【l 热茶叶的农i f 层，水分自表层开始蒸发， 茶叶烘十机理1 j 烘干机的节能改进 并以蒸汽形式进入空气。茶叶内部的湿度场变为不均匀场，出现水分浓度梯度。在 湿度梯度作用下，水分以液体形式开始向样品表面移动。水分的迁移需要克服水分 的结合机制及物料毛细管干缩等物料本身的阻力，另外水分浓度梯度也影响它的迁 移，造成了物料干燥变化的非等速特性。 在等速干燥期，水分自物料内层的迁移强度足以满足表面水分蒸发的需要，物 料失水与干燥时间成正比。对于如茶叶导湿性较小的物料，表现出的是一种非严格 意义上的等速，而是一种稳中有降的干燥特性。这种条件也会造成内层水分传输跟 不上表面散发的速率。当由物料内层移向样品表面的水分量小到表面湿含量等于吸 湿湿度时，在干燥曲线上出现干燥临界点m e 。临界含水量不仅与湿物料的种类有关， 而且和干燥方法和操作参数有关( 杨振鹭，1 9 9 5 ) 。 茶叶的干燥过程是一个伴有一系列热化学变化的脱水过程，茶叶从热空气中吸 收热量，从而使叶内水份获得运动能而向叶表迁移蒸发，达到脱水之目的，而脱水 速率的大小与诸干燥因子有关。董士林利用多元统计相关性理论对烘干机干燥系统 各因子之间的相关性分析，探明各因子之间的相关性大小，对于掌握茶叶在烘干机 内的干燥脱水机理，有效地控制干燥速率，保证出叶含水率的稳定性( 董士林，1 9 8 8 ) 。 茶叶在干燥过程中其叶温的变化显著地影响着其含水率的变化，叶温制约着茶叶内 含物热化学反应的速率和方向( y i nh o n g f a n ，1 9 8 8 ) 。 茶叶干燥的数学模型也是对茶叶干燥研究的重点，董士林( 1 9 9 0 ) 把绿茶揉捻 叶在链板式茶叶烘干机内的干燥过程视作一个多薄层的干燥过程，建立了茶叶烘干 机多薄层干燥数学模型。并应用传质传热理论，建立了绿茶揉捻叶烘干机干燥工序 的叶温一含水率模型，并为实现利用计算机自动检测出叶的叶温而进行出叶含水率控 制研究( 董士林，1 9 8 9 ) 。殷鸿范对茶叶烘干过程的质热交换与烘干机生产效率预测 ( 殷鸿范，1 9 8 6 ) ，茶叶干燥的时f n j 预测( 殷鸿范，1 9 8 7 ) 等做了研究，为制茶设备 的设计提供了理论依据。 研究茶叶的传热特性有助于品质管理及提高热效率，茶叶热物野特性是传热特 性研究的基础，随茶叶的加工方法、形状、容重、操捻紧度和含水量而变化。一批 茶叶的导热系数是干物质、水分、茶叶中空气三者的导热特性的综合体现，单粒茶 叶的导热性则主要受水分和干物质影响。殷鸿范( 1 9 8 5 ) 对茶叶热物理性质测定， 结果表明：茶叶的导热系数与茶叶的温度、含水率、空隙度都有直接关系，茶叶导 热性与茶叶比热和容重成正比，但至今还没有一个能同时反映叶温，含水率及空隙 度对茶叶导热系数影响的关系式。 然而植物性含湿多孔介质中的热质迁移是一个非常复杂的过程，受众多l j , l 素影 响：1 ) 很难对茶叶的几何参量作严格的描述。实际均匀一致的颗粒形状以及j 艺个均 匀的孔隙分枷几乎是不存在的，固桐界面也存在管随机的不确定性；2 ) 湿份的迂移 可在二砷 i 动力之1 1 i j 的相互耦合作j t j ；3 ) 缺乏测试湿份分斫j 的有效二段和方法。征研 4 茶叶烘干机理j 烘干机的节能改进 究非饱和多孔介质传热传质时，需要热湿迁移特性的基础数据，如有效导热系数、 有效导温系数、质扩散系数、热质扩散系数、渗透率等，然而这些数据却很难直接 测出，在一定程度上妨碍了基础理论的研究和充实。 1 1 3 干燥过程传热传质分析 在湿物料的干燥过程中，同时发生了两个过程：一是热量的传递( 热交换) ；二 是湿分的汽化及其传递( 质交换) ；当热空气通过物料表面时，一方面在温差的作用 下，空气以对流方式把热量传向物料表面，再以导热方式传向物料内部；另一方面， 物料表面的水分受热汽化后以对流方式传向气流主体，物料内部和表面间将产生水 分梯度。在湿度梯度的推动下，内部水分将以液态或气态形式向表面扩散。质、热 是同时而反向的传递过程。 镛洁；陟7 m 。 i 陟 移动边界 j i 三荔 i ；l ：j 每i 薹i ：， ， ro 图1 - 1 物料干燥过程分析 f i g 1 1m a t e r i a ld r y i n gp r o c e s sa n a l y z e 研究物料在干燥过程中任一瞬时的脱水量与各种支配因素的关系属于干燥动力 学范围，从传递过程所受作用力不同去分类，其过程涉及的几大基础学科：渗流、 桐变、扩散、流体力学、热力学、传热学等。干燥过程基木模型是以干燥物料表面 与干燥介质l 训同时发生的动量、热量和质量传递及干燥物料内部的传递为研究对象， 具体模型如图： 茶叶烘干机理j 烘干机的节能改进 干燥介质 困 干燥介质状态变化的方程 非稳态流体力学、温度 和扩散边界层 边界条件 非稳态茶叶内湿度场的 微分方程 待干茶叶 l 物料变化的状态方程 图1 - 2 物料干燥过程模拟图 f i g 1 - 2m a t e r i a ld r y i n gp r o c e s ss i m u l a t e dd r a w i n g 边界层 在对流干燥过程中，热量首先传热介质表面，然后向介质内部传递。以介质表 面为基准，其传热传质过程可划分为两个基本过程： 1 ) 自由水分在介质表面蒸发并向外界面扩散的传热传质过程。此过程取决于介 质表面温度、对流空气温度、压力、湿度、空气流速和暴露表面积等，该过程称外 部条件控制过程。外部干燥条件在干燥的初始阶段，即在介质表面还存在自由水分 时特别重要，因为介质表面的水分以蒸汽的形式通过介质表面气膜向外界扩散，这 种传质过程伴随着传热进行，强化传热可以加速干燥过程。 从能量传递特点看，对流、传导和辐射能量都需经由流体介质传递到物料表面， 再由物料表面传递到内部，是水分挣脱物料束缚蒸发而脱水。在热风对流干燥过程 中，对传递热量起主要热j x l 的对流干燥。根据牛顿冷却定量q = 五出r 可知，对流介 质携带的热量传递到物料表面的能力大小，首先提高热风至物料表面的温度梯度， 然而植物性材料由于考虑产品质量的因素，受物料耐热性的限制，因此强化干燥的 方法集中在对流换热系数h ，。 对流换热系数，又称单位面积导热率、膜系数等，指加热或冷却过程中粘附到 物体表面的一层流体膜的导热系数，是与流体热特性和流体流动特性有关的物理量， 只是从数值的大小上反映这个现象在不同条件下的综合强度。影响对流换热系数的 因素主要有：流动产生的原因、流体流动的速度、流体的物理性质、换热表面的几 何尺寸、形状和位置等。 2 ) 介质内部湿份的传输和热：量的传递过程。此过程取决于介质内邡的温度、压 力和液4 1 j 饱和度的分布情况，为内部条什控制过程。干燥过程巾湿份的迁移町“i 种动j 作川下发卜，即：在总压力梯度卜的渗流迁移；舀i 龠湿牢梯度作用下的扩敞 茶n t 烘十机理0 烘十机的节能改进 迁移；以及在温度梯度作用下的热质扩散迁移，此外，还存在着不同动力之间的相 互耦合作用。以残余含湿量为判据，介质在高于该含湿量阶段，即孔隙中存在自由 水分时，自由水分受气相压力和毛细压力梯度的驱动要发生渗流，蒸汽或空气在压 力梯度和浓度梯度的驱动下要发生渗流和扩散。 当介质含湿量到达残余含湿量时，介质内部不存在自由水分。此时的传质过程 仅仅存在于气体传输过程，气体的渗流和扩散成为介质内部传热传质的控制因素。 虽然一些外界控制变量对介质表面存在自由水分时的干燥过程有严重影响，如提高 外界干燥气流的温度、速度和降低其湿度和蒸汽分压力，有利于提高干燥速率，但 是如果介质表面不存在自由水分时，外界控制因素对干燥过程的影响作用降低。介 质从外界环境吸收热量，使得内部介质温度升高，但其传热传质驱动势不一定增大， 传热传质能力进一步被削弱。对内部条件控制的干燥过程，介质内部传热传质过程 的强化手段是有限的。 1 1 4 茶叶烘干机的发展 1 8 7 9 年，第一台自动式茶叶烘干机的发明到1 9 1 0 年的杰克生设计的帝国 ( e m p i r e ) 式烘干机，已经具备了近代茶叶烘干机的三大组成部分，即炉灶、鼓风机和 干燥室。自此以后的茶叶烘干机，仅在充分利用热量，节省燃料，提高工效和烘干 的均匀性作改进。 1 9 7 9 年，中国农机研究院、四川省农机所、杭州茶机总厂、绍兴茶机总厂及江 津茶机厂联合开发出我国第一个茶机系列产品6 c h 系列茶叶烘干机，作为主要参数 的有效摊叶面积为1 0 、1 6 、2 5 、5 0m 2 ，使茶机产品的质量检验，性能比较以及新产 品的丌发开始有了自己的定量标准( 殷鸿范，1 9 9 4 ) 。 1 9 8 4 年，浙江省金华工科所推出y z h c h l 8 0 0 4 型圆振动蒸汽远红外热j x l 茶叶 烘干机也具有动态烘干特点，茶叶既在翻滚运动。 j 接受热风和远红外幅射双重下燥 作用，又在翻滚中散失水分并紧条，热耗降低2 0 左右。 计算机适时控制技术在茶机上的应用始于茶1 1i 。烘干机( 殷鸿范等，1 9 9 0 ) 。1 9 8 7 年，中国农科院茶叶研究所、浙江省计算技术研究所和杭州茶机总厂联合研制成功 6 c h j 2 0 1 型计算机控制茶叶烘干机，突破了茶叶干燥水分闭环控制的技术关键，具 有对原料、风温和环境自适应控制的能力。 茶叶烘十机理1 j 烘干机的节能改进 茶叶烘干机的分类 图卜3 茶叶烘干机的分类 f i g 1 - 3c a t e g o r i z a t i o no ft e ad r y e r 不同的干燥方法由于传热、着热形式、叶温变化、失水速率( 反应浓度) 不同， 而使反应分子的碰撞频率、活化能量不同，形成不同的茶叶品质特征。 金属传导干燥，热量主要由铁锅传导，传热较快，由于不断翻炒，叶子动态着 热，叶温间断变化而不稳定。接触锅面时叶温高，抛散开时叶温低，而且是局部受 热，造成受热不均匀。如炒干高温处理，毛火叶升温很快，由于失水速度快，没有 类似烘干的较长受热作用，化学成分转化不充分，苦味的花青素也不能得以适量转 化；再则受热强弱不匀，因而炒干的味尚浓带苦，不够醇。局部强热作用可能加速 黄烷醇氧化及i i i 绿降解而使汤色较黄。故高温的汤色较低温的黄。 热风干燥足空气导热为主，传热较快，叶温上升较炒干缓和。干燥过程中，热 风是传热和传质( 脱湿) 的主要媒体。使大量被干燥的物料在干燥仝过程中按需要和 具有适宜温度、湿度和流速的均匀的热风接触，来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。干燥过程中热风的温度和湿度足决定干燥 效果的两大要素。 红外干燥是以辐射的形式进行传热，红外线烘干机制茶干燥上选用的红外段约 在4 1 0 0 m 范围，所以称为远红外干燥。茶叶吸收红外线后，引起内部分子发生振 动，分子间的快速碰撞、摩擦迅速转变为热能，使茶条内外均匀得到加热，但红外 线的穿透能力较差( 管荣，| 三，1 9 8 1 ) 。 微波干燥的原理是微波发，i 三器将微波辐射到干燥的茶叶上，诱使茶叶水等极性 分子随微波的频率作同步高速旋转，使茶叶瞬时产_ i 摩擦热，导致茶叶表而和内部 茶叶烘干机理j 烘十机的节能改进 同时升温，使大量的水分子从茶叶中逸出而被蒸发，达到干燥茶叶的效果。与微波干 燥处理效果密切相关的是茶叶的比表面积和比热容。现在加工中茶叶微波干燥以箱 型隧道式机械装置较多。 1 2 研究的背景和意义 干燥是能量消耗较大的生产操作单元之一。1 9 9 7 2 0 0 7 我国能源需求平均年增长 5 4 ，其中2 0 0 7 年能源消费2 6 6 亿t 标准煤。干燥业所用能源占国民经济总能耗的 1 2 左右，平均能量利用率只有3 3 ( 刘登瀛，曹崇文，2 0 0 6 ) ，干燥过程造成的污 染又常是环境污染的重要来源。根据作者调查试验，在绿茶揉捻叶干燥过程中更是 需要1 1 7 0 0 1 3 6 0 0k j k g ，烘干机最高时热效率5 7 6 ，而热风炉与烘干机联合干燥 效率1 3 1 8 。若能提高干燥过程的能量利用率，每年节约的能源将是很可观的。 制茶能源问题 制茶能源有电能和燃料能，以燃料能为主。我国的很多茶区在山区，多采用木 柴。但木柴热值较低，消耗量大、薪炭林成长慢，大量砍伐势必会造成绿色植被的 破坏，殷鸿范等人做过实验调查，加工1k g 茶叶需柴5 1 0k g 。我国煤碳资源丰富， 与柴相比运输费用低，热值高，贮存简便，因此呈上升的势头。天然气是一种理想 的燃料。因为天然气燃烧比较完全，燃烧温度稳定，容易实现作业温度的自动控制。 燃料油是一种高热值燃料具有运输费用低、贮存管理容易、燃烧温度易于控制等优 点。可以直接用燃烧废气烘焙，热效率相当高。 电能是二次能源，具有较高的能量品位，理论上可以全部转化成其他形式的能 量。由于电能本身无污染、易输送、易调控、转换装置简单，因此广泛用于电动力 转换、电热能转换等。然而，在制茶干燥过程，全部使用电热直接转换，经济成本 不现实，且是对能源的严重浪费。 制茶烘干设备的发展 目前，我国多数产品的干燥操作是在单一干燥设备内在一种干燥参数下完成 的。从物料干燥动力学特性可以看出，物料在不同的干燥阶段，其最优干燥参数是不 同的。采用单一干燥设备和单一干燥参数，不仅造成能源与资源的浪费，还会影响干 燥质量与产量。因此，首先必须从干燥工艺上进行改进，例如采用组合干燥方式，即 在物料的不同干燥阶段，采用不同干燥参数和干燥方式，可实现对干燥过程的优化 控制。 干燥是一种热能消耗大的操作，直接影响着产品的质量。为了节能( 伴随着减少 c 0 2 等温室效应和有害气体的排放) 以及生产附加值高的产品、解决干燥操作过程中 出现的i i j j 题，需婴结合各种有效的二_ | 二燥技术，或者研究开发特殊干燥技术和新型干 9 茶叶烘干机理oj 烘十机的节能改进 燥装置，同时也需要强化干燥过程的智能化控制( 李占勇，小林敬幸，2 0 0 6 ) 。 干燥技术关联的学科面很广，既涉及到复杂的传热、传质机理，又与干燥物质 的物料特性等密切相关，最后在各种不同的干燥工艺和设备上体现出干燥效率和干 燥品质的差别。当前，许多产品品质的高低取决于干燥技术与干燥设备，而要获得 优质干燥产品往往又需要昂贵的干燥成本。近年来，随着科学技术的发展，干燥已 不仅仅是对产品实施单元操作的一项技术，它已被作为一种探索新产品、提高产品 质量的新方法，同时，发展高效、节能、低污染排放的干燥技术与设备，具有极大 的经济效益和社会效益。国际干燥协会主席m u j u m d a r 预测干燥技术未来发展趋势 仍将沿着实现( a s m u i u m d a r ，番永康，1 9 9 2 ) ：有效利用能源、提高产品质量， 减少环境污染，具有操作安全、易于控制等方向发展。 干燥方案与干燥工艺直接影响着产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等诸 多方面。因此，研究影响干燥品质的相关因素、探讨更合理的干燥工艺和设备是本 文试图解决的问题。 1 3 研究内容 通过查阅大量的文献资料，调查国内外的学者对植物性含湿多孔介质对流干燥 特性的研究，确定本课题研究的主要内容和目标。本课题的主要工作就从以下三个 方面展开：研究外部传热传质条件对物料干燥过程的影响，即物料的干燥动力学过 程特性的研究和理论分析；研究物料在外部干燥条件下颗粒内部水分变化的动态特 征，即茶叶内部水分扩散机理的研究；以上述理论研究和技术依据改进茶叶烘干机， 以获得优质、高效、节能的效果。本文的主要工作如下： 茶叶的非稳态干燥实验 非稳态干燥动力学方程 的建立与分析 茶叶烘干机干燥工况 与能量利用的研究 茶叶干燥模型的建立 节能烘干机开发的理论依据 图1 4 本文主要内容及其相互关系 f i g 1 4t h em a i n l yc o n t e n t sa n di t sm u t u a lr e l a t i o n s h i pi nt h i sp a p e r 1 ) 针对物料特性，进行干燥特。肚模拟实验装置的改进，制定m 稳态干燥动力学 试验力案，进ij ：茶叶薄层干燥试验，从而为理论分析提供可靠的坫础； 2 ) 从基术的热质平衡出发，建。莎反映物料非稳态干燥过祝特性的动力学方程， 1 0 茶叶烘十机理与烘十机的节能改进 并结合具体实验工况进行数学模拟，以此为基础分析影响干燥速率的主要因素，进 行优化干燥工艺的模拟与预测；以扩散理论为基础，结合物料的非稳态干燥动力学 实验进行模型的数值求解，以此为基础分析物料颗粒水分扩散的机理，并进行优化 干燥工艺过程的模拟计算与分析； 3 ) 新型烘干机的改进：结合大量实验研究与对烘干机热能利用的调查研究， 使烘干机工况结合茶叶干燥特性，对风温风速的合理分配，在结构上实现了物料的 变温优化干燥工艺，并利用干燥节能设备改进的茶叶烘干机。新型烘干机型适合茶 叶的干燥特性，提供了良好的升速与恒速段，且烘干机温度场均匀、技术先进、干 燥品质好、热能利用率高。 茶叶烘十机理j 烘干机的节能改进 2 茶