（食品科学专业论文）烟叶对流干燥特性的实验研究.pdf

摘要 采用下进风方式的热风对流干燥方法，对烤烟和自肋烟在不同热风温湿度下 的干燥过程进行了实验研究。研究了干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度随时 问的变化规律；对部分干燥条件下的烟叶采用烟草行业标准方法分析了干燥过程 中烟叶总氮、还原祷等常规化学成分随时间的变化情况；另外还对部分干燥条件 下干燥后的烟叶样品进行了感官质量评吸。绘制出了实验烟叶的干燥特性曲线； 找出了干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度随时间变化的数学方程。实验结果 表明； 实验烟叶的干燥特性曲线可以大致地分为三个干燥阶段，干燥较快的第一干 燥阶段，干燥非常慢的第三干燥阶段，以及由干燥较快向非常慢过渡的第二干燥 阶段。实验烟叶在实验条件下的平均含水率和表面温度随时间的变化规律可用式 ( 3 9 ) 和式( 3 1 4 ) 较好地描述。随着热风温度的增大，烟叶干燥速率加快， 烟叶表面温度上升加快。随着热风湿度的提高，烟叶干燥速率减慢，烟叶表面温 度上升加快。 实验烟叶常规化学成分的变化主要发生在干燥较快的前几分钟( 2 m i n 4 m i n 前) 。干燥过程中烤烟和白肋烟的总氮含量、总挥发碱含量、总植物碱含量呈减 少的趋势；白肋烟的还原糖含量也呈减少的趋势，而烤烟的还原糖含量则呈增加 的趋势；干燥过程中烟叶的钾、氯含量变化不明显。热风温湿度对干燥过程中烟 叶的常规化学成分和感官质量有影响，但其影响趋势和程度有所不同。 关键词：烟叶、干燥、含水率、温度、常规化学成分 a b s t r a c t u n d e rc o n v e c t i v e d r y i n g w i t h u p w a r d h o t a i r , e x p e r i m e n t a l s t u d i e sw e r e c o n d u c t e do nf l u ec u r e da n db u r l e yt o b a c c oi nab a t c hp r o c e s s i n ge q u i p m e n t t h e m e a nm o i s t u r ec o n t e n ta n ds u r f a c e t e m p e r a t u r eo ft o b a c c od u r i n g d r y i n gw e r e m e a s u r e d t h ev a r i a t i o n so fr o u t i n ec h e m i c a lc o m p o n e n t so fs e v e r a lt o b a c c os a m p l e s w e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d s e n s o r yt e s ta l s op e r f o r m e db y p a n e l f o rs o m et o b a c c os a m p l e sa f t e rd r y i n g a sar e s u l t ，d r y i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sf o r t o b a c c os a m p l e sw e r e p l o t t e d ，a n dm a t h e m a t i c a le q u a t i o n sf o rm e a n m o i s t u r ec o n t e n t a n ds u r f a c et e m p e r a t u r eo ft o b a c c o d u r i n gd r y i n gw e r ed e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a t d r y i n g c h a r a c t e r i s t i cc u r v e sf o rt o b a c c o s a m p l e sc o u l db ed i v i d e d i n t ot h r e em a i nd r y i n gp h a s e s t h ef i r s t d r y i n gp h a s e f e a t u r e sr a p i dv a r i a t i o no fm e a nm o i s t u r ec o n t e n ta n ds u r f a c et e m p e r a t u r eo ft o b a c c o s a m p l e s ；t h et h i r dd r y i n gp h a s e f e a t u r e sv e r ys l o w d r y i n g r a t ea n ds u r f a c et e m p e r a t u r e i n c r e a s e ；a n dt h es e c o n dd r y i n gp h a s ei sv i r t u a l l yat r a n s i t i o np h a s ef r o mt h er a p i d v a r i a t i o nt ot h ev e r ys l o w v a r i a t i o n i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e o rd e c r e a s i n gh u m i d i t yo f h o ta i ra c c e l e r a t e st h ed r y i n gr a t e so f t o h a c c os a m p l e s m o s tr o u t i n ec h e m i e a lc o m p o n e n t sv a i l a t i o n so c c u r r e di nt h ef i r s t2 m i n - 4 m i n d u r i n gd r y i n g t h et o t a ln i t r o g e n ，t o t a lv o l a t i l eb a s ea n dt o t a la l k a l o i dd e c r e a s e df o r f l u ec u r e da n db u r l e yt o b a c c od u r i n gd r y i n g ，t h er e d u c e ds u g a r si nb u r l e yt o b a c c o d e c r e a s e dd u r i n gd r y i n g ，h o w e v e r , t h er e d u c e ds u g a r si nf l u e c u r e dt o b a c c oi n c r e a s e d n os i g n i f i c a n tc h a n g eo fc h l o r i d ea n dp o t a s s i u mi nb o t ht o b a c c o sw e r ef o u n d t h e r e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fh o ta i ra f f e c t e dt h er o u t i n e c h e m i c a lc o m p o n e n t sv a r i a t i o n sa n ds e n s o r yq u a l i t yo f t o b a c c o k e yw o r d s ：t o b a c c o ，d r y m g ，m o i s t u r e c o n t e n t ，t e m p e r a t u r e ， r o u t i n ec h e m i c a lc o m p o n e n t s 烟叶对流干燥特性的实验研究 1 绪论 干燥技术在工农业各方面都有广泛的应用“1 。物料干燥的方法主要有机械干 燥、物理化学干燥和加热干燥三种，烟草工业广泛采用的是加热干燥”1 。根据热 能传递方式的不同，烟草的加热干燥可分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥以及 几种干燥方式并存的混合干燥，而以对流干燥的应用较为普遍。在对流干燥过程 中，热空气是常用的干燥介质，它既是热载体，又是湿载体。在烟草加工过程中， 根据干燥的对象不同，干燥的目的和要求也有所不同。1 ，有的是用来脱除过多的 水分以便于加工和贮存；有的是为了改善其物理性能；有的是为了改善和提高其 感官质量。对烟草干燥过程进行深入研究具有重要的理论和现实意义。 1 1 烟叶干燥研究现状 1 1 1 烟叶干燥原理 烟叶属胶体毛细管多孔薄层物料，具有很强的吸湿和解湿能力。烟叶中的水 分可分为自由水、吸附水和结合水三种形式。在一定的温、湿度下，烟叶的干 燥过程大致可分为四个阶段( 如图1 _ 1 ) 睁”。 图1 1烟叶干燥特性曲线“1 f i g 1 1c h a r a c t e r i s t i cd r y i n gc u r v eo ft o b a c c ol e a f 预热阶段。气流传递的热量主要用于烟叶的升温，这一阶段一般时间很短， 烟叶的含水率变化也很小，在实际的干燥过程中常可忽略8 1 。 等速干燥阶段。气流传递给烟叶的热量主要用于烟叶中水分的蒸发，烟叶 含水率基本呈等速下降趋势。此阶段的干燥速率取决于空气温度、湿度和空气流 郑州烟草研究院硕士学位论文 速、暴露的表面积和压力等外部条件，强化传热可加速其干燥。 降速干燥阶段。气流传递给烟叶的热量一部分用来蒸发烟叶中的水分，另 一部分则用于烟叶的升温。在这个阶段，烟叶的干燥速率变慢，烟叶温度逐渐上 升。从等速干燥阶段至降速干燥阶段的转折点处的烟叶干基含水率约为8 9 滞速干燥阶段。烟叶再继续干燥，水分从烟叶中释放出来的难度更大，这 时烟叶的干燥速率更加缓慢并趋于停滞，而烟叶的温度迅速上升趋向于热空气的 干球温度。 1 1 2 影响烟叶干燥速率的主要因素 影响烟叶干燥速率的因素众多，y o s h i h i d o 等叫采用小型烟叶干燥试验机进 行烟叶复烤试验时发现：烟片的干燥速率与热风温度、风速里正相关，与铺叶厚 度、气流湿含量呈负相关，烟片本身的特性对其干燥速率也有一定的影响。刘垣 。3 等在对复烤过程中烟片干燥特性进行研究时，也发现了相同的规律。 1 1 3 烟叶干燥动力学实验 干燥动力学实验“1 的目的主要是测定物料平均含水率和平均温度( 通常是测 定物料的表面温度) 随时间而变化的试验数据，再根据这些数据绘制出物料的干 燥特性曲线。烟叶干燥动力学研究是烟叶干燥研究的基础，人们一直在不间断地 对此进行研究和完善，并得出了一些在特定条件下适用的半经验、经验模型。 s a m f i e l d “”指出，可用下式来描述烟叶干燥的降速阶段。 一警= k ( m - m 。) ( 1 1 ) 式中：t 为干燥时间，s ；k 为试验常数，i s ；m e 为平衡含水率( ，干 基) ，h l 为t 时间的含水率( ，干基) 。 p a r u p s 等“”认为对烤烟来讲，用下式来反映烟叶降速阶段的干燥速率较为 合适： 一d m 墨( 丝二丝! ( 1 2 ) d tf 2 式中：m 0 为烟叶初始含水率( ，干基) ，k 为试验常数，s 。 烟叶对流干燥特性的实验研究 h e n s o n 等“”认为，如果考虑烟叶成熟度对干燥速率的影响，不熟、成熟和 过熟的烟叶干燥速率可用下式来表示： 牌玎” ( 1 3)(m o 一肘e ) “7 式中：k 和i q 为试验常数。 不同成熟度烟叶的k 和n 值如表1 1 所示： 表1 1 不同成熟度烟叶干燥的k 和n 值“2 3 t a b l e1 1ka n dnv a l u e so ft o b a c c ol e a v e sw i t hd i f f e r e n tm a t u r i t yd u r i n g d r y i n g c h i b a 等“”研究发现，对于烤烟和白肋烟的干燥，均可用下式来描述其干燥 速率的变化规律： 一掣：b m 。( 1 4 ) 讲 式中：b 和a 为试验常数。 随着计算机和数值计算技术的发展以及实验方法和手段的进步，烟草干燥的 研究方法也由最初的单纯实验研究转到目前的以理论分析并结合实验验证上来， 同时找出了一些较具理论深度的干燥模型。2 0 0 0 年，f u k u c h i 等“”为减少气流干 燥过程中烟丝的造碎和使干燥后的烟丝含水率、温度更加均匀，采用高速摄像机 和数值模拟方法等对气流干燥机中的烟丝动力学特性进行了模拟研究，其模拟预 测结果与实验检验结果非常吻合。2 0 0 2 年，p a k o w s k i 等o ”对烟丝的过热蒸汽干 燥过程进行了数值模拟，首先根据干燥系统中的连续相( 干燥介质) 和离散相( 烟 丝) 的能量守恒、质量守恒以及动量守恒建立控制方程，然后对这些方程进行数 值计算，直到有足够的收敛为止，证明其对干燥后烟丝含水率和温度的模拟结果 与实验结果一致。计算过程见图1 2 。 连续相( 干燥介 质) 的流体计算 离散相( 烟丝) 流 体动力计算 更新连续 相数据 图1 2计算过程图 f i g 1 2c o i 玎p u t a t i o n a lp r o c e s s 3 郑州烟草研究院硕士学位论文 1 1 4 干燥过程中烟叶的物理变化 烟叶干燥除了会引起其含水率和温度的变化外，同时也会使其物理性质发生 较大的改变。刘其聪等“”研究了k g 2 4 2 型烟片复烤机干燥段热风干球温度、排潮 气流湿球温度对烟片收缩程度的影响。试验结果表明：在相同排潮风量的条件下 烟片收缩随热风干球温度的升高而增大，在三个组合试验中，烟片大片率相对减 少量高低之差为1 0 个百分点左右；在相同温度条件下烟片收缩随排潮气流湿度 的增大而减少，在三个试验组合中，烟片大片率相对减少量高低之差为5 个百分 点左右。 1 1 5 干燥过程中烟叶的化学成分变化 烟叶经加热干燥后，其色、香、味都将发生一定程度的变化，对烟叶干燥过 程中化学成分的变化研究，一般是从烟叶常规化学成分和烟叶致香成分分析，以 及感官质量评吸等方面来进行的。 国内外对烟叶干燥过程中常规化学成分的变化研究进行得较多“7 4 “，因研究 的目的各异，不同研究者分析的成分种类也略有不同。干燥过程中烟叶常规化学 成分的变化，随干燥热风温度的增加或干燥时间的延长，有的呈减少趋势( 如总 糖、总氮、总植物碱、氨态氮等) ，只是减少的程度有所不同；有的变化不明显 ( 如蛋白质氮) ；也有的呈现上升趋势( 如还原糖、有机酸等) 。 相对于干燥过程中常规化学成分的变化研究，对烟叶干燥过程中致香成分的 变化研究则较少。1 9 6 8 年，w a n g 等”2 。2 3 3 定性鉴定了白肋烟烘焙后和烘焙过程 中7 种醛酮类和6 种杂环类香味成分，并且发现白肋烟烘焙后和烘焙过程中的主 要醛酮类化合物组成相似。1 9 8 3 年，a t s u k u r a 等。”用n ：吹扫和冷阱吸收方法分 析了1 0 0 。l c 和1 5 0 y ：烘焙白肋烟后烟碱、新植二烯、茄酮、巨豆三烯酮等香味成 分的挥发情况，发现用1 5 0 c 烘焙比用1 0 0 c 烘焙白肋烟的香味损失更多。2 0 0 0 年，卢杰英等。8 1 对不同温度( 1 1 5 1 4 5 。c ) 和时间( 7 9 5 m i n ) 处理白肋烟后吲 哚、茄酮、香叶基丙酮等9 种香气成分的变化情况进行了分析，发现处理后的白 肋烟香气成分大部分是增加的，若烘焙温度过高或时间过长，香气成分则有减少 的趋势。2 0 0 1 年，李鹏采用气流温度1 0 0 c 和湿球温度5 0 。c 的工艺条件，对 烘焙前和烘焙l l m i n 后白肋烟中的羰基物总量、醛酮类香味成分( 2 0 种) 和碱 烟叶对流干燥特性的实验研究 性化合物( 4 0 种) 进行了分析研究，发现挥发性羰基物总量明显增加，醛酮类 香味成分较烘焙前有所增加，碱性化合物中的杂环化合物如毗嗪类、毗啶类含量 增加，而胺类和生物碱类化合物的含量降低。 1 2 课题的背景和研究内容 1 2 1 课题的背景 热风对流干燥是烟叶干燥中应用较为普遍的干燥方法。在烟叶热风对流干燥 过程中，干燥介质空气的温度、湿度及风速是影响烟叶干燥速率的三个重要 的外界因素。根据文献调研发现，有关烟叶热风对流干燥过程的干燥介质方面的 研究都集中在空气的温度和风速对干燥过程的影响规律上，而介质空气的湿度对 干燥过程的影晌规律在各类文献中却少有谈及。即使在这方面有所论述，不仅所 涉及的空气湿度条件有限，而且叙述也较简略。虽然在实验和理论分析中不可避 免地要涉及到空气的湿度，但由于诸多原因，也未对这个问题进行深入、细致、 全面的研究。 近年来，这方面的问题在我国烟草业越来越受到重视，如堵劲松等伽指出： 在白肋烟烘焙过程中，干燥区气流湿度对白肋烟处理质量有重要的影响，对不同 质量特点的白肋烟应采用不同的温湿度迸行加工处理。2 0 0 3 版卷烟工艺规范 。1 明确地把空气湿度纳入白肋烟处理的工艺控制参数中。最近颁发的卷烟工艺 测试与分析大纲中也把白肋烟烘焙干燥机各区的热风湿球温度作为测试内容 之一。 随着对烟草加工工艺的不断提高，更加需要这方面的研究结果来指导卷烟生 产。 郑州烟草研究院硕士学位论文 1 2 2 主要研究内容 本课题作了如下几方面的工作： 烟叶干燥特性曲线研究； 烟叶在不同的热风温湿度条件下进行干燥，烟叶表面温度、平均含水率 随时间的变化趋势研究； 烟叶在不同的热风温湿度条件下进行干燥，烟叶主要常规化学成分随时 间的变化趋势研究。 以上研究的目的在于，找出烟叶热风对流干燥的特性曲线、建立热风对流干 燥过程中烟叶平均含水率和表面温度随时间变化的数学方程，以及总结热风对流 干燥过程中烟叶主要常规化学成分的变化情况。 课题的实验结果将有助于对优化、改进烟叶复烤的工艺参数和提高白肋烟的 处理质量，有助于对烟叶精细化加工的深入研究。 烟叶对流干燥特性的实验研究 2 实验部分 2 1 实验仪器、设备 2 1 1 实验设备简介 干燥实验机如图2 1 所示，主要由风机、电加热器、温度控制器、干燥室、 蒸汽发生器等组成。 风机：为离心式风机配三相异步电动机，电动机功率为2 2 k w 。 电加热器：由电阻丝绕制而成，总功率为1 i k w 。 温度控制器：采用铂电阻测量干燥室中的热风温度，并配有h o n e y w e l l 温 度控制器。 干燥室中料筐尺寸为4 4 1 c m ( 长) 3 7 8 c m ( 宽) 9 8 c m ( 高) 。 蒸汽发生器( 如图2 2 所示) ：主要由两个功率为3 k w 的电阻丝构成。 越加热器 图2 1 烟叶干燥实验机示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ld r y e r 干燥室内热风平均风速为0 7 m s ( 常温下空载时的测定值) ，热风为下进风 方式，温度：o 1 8 0 。c ，可控。 郑州烟草研究院硕士学位论文 图2 2 蒸汽发生器示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e a mg e n e r a t o r 烟叶干燥实验机内的空气流程图及干燥介质热风的l t - d 图，如图2 3 和图2 4 所示。 燕 气笈生器 图2 3 空气流程图 f i g 2 3f l o wc h a r to fa i r i n e x p e r i m e n t a ld r y e r 图2 4 干燥实验机内热风w d 图 f i g 2 4 h - dd i a g r a m o fa i ri n e x p e r i m e n t a ld r y e r 图2 4 中，b c 为空气的加热过程；c d 为空气的加湿过程；d e 为烟叶干燥过 程；a e 为新鲜空气与循环热风的混合过程，混合后的热风状态为b 点。 烟叶对流干燥特性的实验研究 2 1 2 其它主要实验仪器、设备 ( 1 ) c s l 0 1 2 d 型电热鼓风干燥箱( 重庆四达有限公司) 温度：r t 1 0 2 0 0 ：温度波动度：0 5 c ：温度均匀度：2 5 ( 2 ) 蹦1 4 1 嘲p 4 6 温湿度仪( 芬兰，v a i s a l a 公司) 湿度测量范围：0 1 0 0 ：相对误差：1 ( 0 9 0 时) ，2 ( 9 0 1 0 0 时) 温度测量范围：一4 0 1 8 0 ；相对误差：最大2 显示分辨率：温度0 1 ，相对湿度0 1 ( 3 ) i ( a n o h i a xm o d e l6 4 2 2 增强型环境测试仪( 日本，k a n o m h x 公司) 风速测量范围：o s m s ，显示分辨率：0 i m s ( 4 ) r a y t e xm x 2 红外测温仪( 美国r a y t e x 公司) 温度测量范围：- 3 0 9 0 0 c ：精度：读数的o 5 或l ，取最大值 显示分辨率：0 1 ( 5 ) 双圈牌m p 4 0 0 0 电子天平( 上海第四天平仪器厂) 称量范围：o 4 0 0 0 9 ；显示分辨率：0 1 9 ( 6 ) a a i 自动分析仪( 德国b r a n + l u e b e e 公司) 测总氮、总植物碱、总挥发碱、还原糖、钾、氯 2 2 实验样品及前处理 实验样品见表2 1 ： 表2 1实验样品 t a b l e2 1t o b a c c os a m p l e s 首先对采购的把烟进行抽梗、剪片。 然后用烘箱法m ，测定烟片含水率，再根据所测烟片的含水率进行定量加 水，把白肋烟烟片含水率调至5 4 ( 干基) 左右，烤烟烟片含水率调至2 5 3 0 9 郑州烟草研究院硕士学位论文 ( 干基) 左右，平衡8 h 1 6 h ，使烟片含水率分布均匀。 对实验烟片取样、制样，然后进行主要常规化学成分分析和感官质量评吸。 2 3 实验方法及条件 2 3 1 实验方法 实验过程见图2 5 。 l 抽梗剪片 定量加水 上 平衡水分 b l 称取一定量的烟片 p i 干燥i 取样、制样 i 常规成分分析 图2 5 实验过程 f 逾2 5e x p e r i m e n t a lp r o c e s s 注：期0 量含水率 o 坝4 量烟叶温度 烟叶对流干燥特性的实验研究 ( 1 ) 用烘箱法测定平衡后的烟片例始含水率( 同一批次测五个刁；同位置的烟 片含水率，取其平均值) ； ( 2 ) 取一定量( 5 5 0 9 ) 的烟片，用于十燥实验； ( 3 ) 调节干燥卜艺条件，当干燥机内的气流达到所需条件并稳定后，将称量 的烟片装入料筐并放入干二燥室中进行干燥实验，同时测定烟叶初始温度( 测血次 取其平均值) ，并丌始记时： ( 3 ) 一定干燥时间后立即取出，测量烟片表面温度( 测打次取其平均值) 和质 量；并根据烟叶重量损失推算烟片的平均含水率； ( 4 ) 取样，装入自封袋，并贴好标签；选择性地制样用于感官质量评吸和常 规化学成分分析。 2 3 2 常规化学成分测定方法 ( 1 ) 含水率测定烘箱法“。 ( 2 ) 还原糖的测定连续流动法” ( 3 ) 总氮的测定连续流动法” ( 4 ) 总植物碱的测定一连续流动法”。 ( 5 ) 总挥发碱的测定连续流动法。”3 ( 6 ) 氯的测定连续流动法。”1 ( 7 ) 钾的测定b r a n 十i u e b b e 方法n o g 2 7 6 0 2r e v o 郑州烟草研究院硕士学位论文 2 3 3 实验条件( 如表2 2 所示) 表2 2 烟叶干燥实验条件 t a b l e2 2 d r y i n gc o n d i t i o i l s f o rt o b a c c ol e a v e s 实验烟叶干球温度湿球温度相对湿度 实验代码备注 2 50 9 b 2 f t 7 0 h 0 热风均 7 03 9 91 7b 2 f t 7 0 h l 为下进风 5 24 0b 2 f t 7 0 h 2 方式，热风 3 3o 9b 2 f t 9 0 h 0风速均为 烤烟b 2 f 9 04 3 38b 2 f t 9 0 h 10 7 m s ，如 5 5 62 0b 2 f t 9 0 h 2无特别说 3 8 4j 1b 2 f t 】o h o 明，本文中 l l o5 0 96 2b 2 f t l l o h l 的实验条 6 0 41 2b 2 f t l 】0 h 2 件均用表 2 50 9c 3 f t 7 0 h 0 中的编号 表示。 7 03 9 91 7c 3 f t 7 0 h l 3 30 ，9c 3 f t 9 0 h 0 烤烟c 3 f 9 04 3 38c 3 f t 9 0 h l 5 5 62 0c 3 f t 9 0 h 2 3 84i 1c 3 f t l l 0 h 0 1 1 05 0962c 3 f t l l o h l 6 041 2c 3 f t “0 h 2 3 822s 2 t 1 0 0 h 0 1 0 04 63 6 5s 2 t 1 0 0 h 1 5 5 41 3s 2 t 1 0 0 h 2 4 31 5s 2 t 1 2 0 h 0 白肋烟上二 1 2 05 0 94 1s 2 t 1 2 0 h 1 5 9 88s 2 t 1 2 0 m 4 9l4 s 2 t 1 4 0 h 0 1 4 05 6 13 s 2 t 1 4 0 h l 6 6 16 s 2 t 1 4 0 h 2 3 82 2z 4 t 1 0 0 h 0 1 0 04 5 3 6 5z 4 t 1 0 0 h 1 5 5 41 3 z 4 t 1 0 0 h 2 4 31 5 z 4 t 1 2 0 h 0 白肋烟中四 1 2 05 094 1 z 4 t 1 2 0 h 1 5 9 88 z 4 t 1 2 0 2 4 91 4 7 4 t 1 4 0 h o j 4 05 6 】 3z 4 t 1 4 0 h l 6 5l 6z 4 t 1 4 0 h 2 1 2 烟叶对流干燥特性的实验研究 3 实验结果与讨论 3 1 干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度的变化趋势 3 1 1 干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度的数学模型 干燥过程中热风既是载热体也是载湿体，可以用如图3 1 所示来简单描述烟 叶的对流干燥过程。 干燥后热风温度t 。、热风韫含置h 、热风的焓i 烟叶初贻含水牢h 烟时初始温度t 0 干燥后烟叶含水率x 干燥后烟叶温度t 干燥前热风温舯。、热风湿台量h 、热风的始i o 图3 ，1 烟叶与热风间的传热传质示意图 f i g 3 1 h e a ta n d m a s s t r a n s f e r b e t w e e n t o b a c c o l e a f a n d h o t a i r 于是可以根据传热、传质方程和质量、能量守恒方程来分析烟叶干燥过程中 的甲均含水率和表而温度的数学模型。 3 1 1 1 干燥过程中烟叶平均含水率的数学模型分析 假设烟叶层与烟叶内部水分的运动主要是由扩散作用来进行的，而且烟叶水 分的传递沿一个方向进行。 传质方程： 而= 一l 琅1 ( v c ) 或丙= 一陋l ( v ( p j ) ) ( 3 1 ) 式中： ： 水分通量( k g 水( 1 n is ) ) i n | ：有效扩散张量系数( c m 2 s ) c ： 水分浓度( k g m 3 ) p ：烟叶密度( k g m 3 ) 郑州烟草研究院硕士学位论文 x ： 烟叶干基含水率( k g k g ) 质量守恒方程： 学+ v ( 阱v ( 圳) = o ( 3 2 ) 假设烟叶密度为常数，并且水分的扩散只沿x 方向的单向扩散，那么式( 3 2 ) 可简化为： 望：堕 。， 对式( 3 3 ) 的初始条件为： t = 0 x ( x ，o ) = x 0 ( 初始含水率)( 3 4 ) 假设有效扩散系数d 。为常数，可得边界条件为： f - - x ( 表面，t ) = x 。( 平衡含水率) ( 3 5 ) 于是联合式( 3 2 ) 至( 3 5 ) 可解得： 糕= 吾毒赤e x 一卜删2 皿帮 慨。， 式中b 为烟叶层厚度的一半。 当n = 0 时，式( 3 6 ) 可简化为： 箍一 守印 限， 即x = 置+ ( x o 一五) e x p 一喙) 2 叼】 ( 38 ) 把常数项合并简化后得： x = x + a e “ ( 3 97 ) 式中：x 。、a 、k 为常数。并且有：x 。烟叶平衡含水率，是方程的下界，或 者说x = x 。是曲线的渐近线： a = x o x 。，是曲线的最大变化幅度，或者称为振幅； 进一步转化分析还可发现，t 。= l k ，也即脱去( x o - x 。) 一半的水分所需的时间 为1 k 分钟。 3 1 1 2 干燥过程中烟叶表面温度的数学模型分析 根据烟叶在干燥过程中，烟叶与热空气之间的热交换主要是对流传热，而且 烟叶对流干燥特性的实验研究 热风对流传递的热量主要用于烟叶升温和烟叶脱水干燥，可得如下的能量守恒方 枷乃一r ) = m , c fd 蹦t g , 2 等- t ( 3 1 0 ) 些d t 叫务2 见( 一置) e x p 一( 务2 印 ( 3 r。一c：i；再(三ydo，c主i土，o一土：，cp一(蠢】1 d r 一8 一害砉”，一c l 一瓦，p 一 苦缶”( 3 13 ) t = 瓦一a l e 一a 2 e “ ( 3 1 4 ) 3 1 1 3 实验数据的回归拟合 对式( 3 9 ) 和( 3 1 4 ) ，用o r i g l n 固软件对实验数据进行拟合，结果如图3 5 郑州烟草研究院硕士学位论文 歪图3 2 0 ，图中点为实验数据点，线为拟合结果。方程中各参数拟合值见表3 1 。 由表3 1 可以看出：两方程拟合的相关系数r 2 大部分在9 8 以上，只有少数 的其相关系数小于9 8 ，这说明对干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度的变化 规律用式( 3 9 ) 和( 3 1 4 ) 来描述是较为台适的。 表3 1 方程拟合参数表 t a b l e3 1v a l u e so fp a r a m e t e r si ne q u a j c i o n ( 3 9 ) a n d ( 3 1 4 ) 实验代码含水率曲线拟合参数温度曲线拟合参数 r 2 x eakr 2 a 1a 2 k k 1 s 2 t 10 0 _ 1 00 9 9 50 0 9 64 9 0 60 3 , t 70 9 8 65 2 4 32 8 7 80 3 4 7 1 9 2 9 s 2 t l o o t t l0 9 9 6o 1 0 64 9 1 50 3 0 90 9 9 66 0 6 02 4 6 80 3 0 91 1 9 7 s 2 t 1 0 0 h 20 9 8 8o 1 3 65 0 2 90 2 7 50 9 6 l6 2 4 22 0 3 30 2 7 5 l ，1 9 4 s 2 t 1 2 0 h o 0 9 9 7 0 0 7 54 7 2 70 4 3 3 0 9 9 46 0 0 1 3 9 1 20 4 3 31 5 3 7 $ 2 t 1 2 0 1 t l0 9 9 90 0 7 84 8 3 40 4 0 30 9 9 66 1 6 53 4 7 60 4 0 30 7 8 5 s 2 t 1 2 0 h 20 9 9 30 0 8 54 9 5 1 0 3 9 4 0 9 9 26 2 3 13 4 5 80 3 9 4 0 6 5 7 s 2 t 1 4 0 1 1 0 0 9 9 5 0 0 6 94 5 9 80 6 0 20 9 9 68 0 0 23 6 9 30 6 0 20 9 7 2 $ 2 t 14 0 h 10 9 9 30 0 7 24 6 i 60 5 9 90 9 8 i8 2 j 83 4 0 00 5 9 90 7 3 4 s 2 t 1 4 0 1 1 20 9 9 60 0 8 04 6 5 6 o 5 1 3 0 9 9 48 6 1 62 9 6 4 o 5 1 30 8 1 3 z 4 t 1o o h o 0 9 9 70 0 7 75 1 2 j0 4 0 30 9 7 35 0 7 72 8 5 60 4 0 32 0 0 0 z 4 t i o o h l0 9 9 40 0 8 34 8 9 4o 3 7 50 9 9 85 3 9 1 2 7 3 3 0 3 7 5 1 2 2 0 z 4 t i o o h 20 9 9 6 0 0 9 1 4 8 0 9 o 3 2 1 0 9 9 74 9 3 4 2 8 5 20 3 2 11 2 3 5 z 4 t 1 2 0 h o0 9 9 8 0 0 6 5 5 2 6 1 0 4 6 70 9 8 85 6 5 64 0 7 00 4 6 7l _ 7 6 1 z 4 t 1 2 0 h 10 9 9 50 0 6 75 2 6 40 4 2 70 9 9 85 9 9 84 0 5 5 0 4 2 70 7 5 6 z 4 t 1 2 0 t 2o 9 9 3 0 0 7 35 2 8 70 4 0 20 9 9 06 0 1 23 9 3 80 4 0 20 6 3 2 z 4 t 1 4 0 h o0 9 9 80 0 3 05 2 1 00 5 5 60 9 6 8 7 7 3 03 9 3 40 5 5 60 8 8 1 z 4 t 14 0 1 】0 9 9 00 0 3 95 1 8 3o 5 1 80 9 8 28 0 3 3 3 5 7 7o 5 1 80 6 6 1 z 4 t 1 4 0 h 20 9 8 5 0 0 6 65 3 2 40 4 9 30 9 7 58 2 0 33 5 8 30 4 9 3 0 5 0 5 b 2 f t l l o t t 00 9 9 3 0 6 6 02 8 7 40 4 2 60 9 8 45 3 2 4 3 4 5 20 4 2 61 8 5 5 b 2 f t l l o t t l0 9 9 50 8 3 02 8 8 2o 4 1 70 9 7 55 6 7 23 4 1 30 4 1 7 1 1 9 5 b 2 f t l l o h 2o 9 9 10 9 3 02 9 0 50 3 3 00 9 9 45 8 5 63 0 2 1 0 3 3 0 0 8 4 6 b 2 f t 9 0 h o0 9 9 7 1 7 2 32 8 9 50 2 8 80 9 7 34 8 1 33 1 2 40 2 8 8 2 3 3 1 b 2 f t 9 0 h 10 9 9 41 7 9 12 9 3 30 2 7 00 9 6 24 9 8 93 0 5 60 2 7 0 l _ 3 3 7 b 2 f t 9 0 t t 20 9 7 82 4 7 22 8 6 6 0 2 3 1 0 9 8 74 8 7 53 0 1 8 0 2 3 1 1 3 6 7 c 3 f t l l o t t o0 9 9 30 4 9 2 3 0 4 40 4 1 80 9 9 25 1 8 93 6 1 3 o 4 1 81 8 8 3 c 3 f t ll o h l0 9 9 7 0 6 4 52 9 9 90 4 0 90 9 8 l 5 7 1 13 4 8 80 4 0 91 2 1 2 c 3 f t l l o h 20 9 9 50 7 5 32 9 5 7o 3 1 70 9 6 35 8 4 2 3 2 1 70 3 1 70 9 6 4 c 3 订9 0 1 1 00 9 9 7 1 6 9 02 8 0 4o 2 8 6o 9 5 24 7 2 l 2 8 7 40 。2 8 62 4 5 1 c 3 f t g o h l 0 9 9 31 8 8 12 7 8 00 2 7 00 9 9 24 6 0 3 2 9 3 10 2 7 0 1 3 6 4 c 3 f t 9 0 h 20 9 7 8 2 3 3 22 9 6 70 2 0 70 9 6 34 8 2 72 7 1 50 2 0 7 1 3 8 2 c 3 f t 7 0 1 1 00 9 9 7 2 5 4 l2 6 9 50 17 20 9 7 54 0 8 7 1 1 6 5o 1 7 22 5 5 8 c 3 f t 7 0 h 1 0 9 9 22 8 5 12 8 0 9 0 1 6 3 0 。9 5 3 4 0 3 81 2 7 30 1 6 3 1 9 3 4 烟叶对流干燥特性的实验研究 3 1 2 烟叶干燥特性曲线 将实验数据整理为以下两种曲线来反映烟叶干燥特性曲线： ( 1 ) 干燥曲线：干燥曲线反映的是烟叶平均干基含水率随时间变化的曲线。该 曲线直观地显示出烟叶的干基含水率与干燥时间的对应关系，是人们分析干燥过 程时最常用的曲线。另外，该曲线的斜率还反映了烟叶的干燥速率。 ( 2 ) 于燥温度曲线：干燥温度曲线反映的是烟叶表面温度随干燥时间变化的曲 线。 干燥过程中烟叶上方热风排潮湿含量随时间变化的曲线如图3 2 所示，对应 的排潮热风干球温度和湿球温度随时间的变化曲线如图3 3 所示，在该热风条件 下实验烟叶c 3 f 的干燥特性曲线如图3 4 所示。其它实验条件下的烟叶干燥特性 曲线也具有相同的变化趋势。 矿 州 m 鼍 蚓 如 喇 图3 2 热风排潮湿含量随时间变化曲线 f i g 3 2h u m i d i t yv a r i a t i o no fe x h a u s t e da i rv e r s u s t i m e 郑州烟草研究院硕士学位论文 05 052 02 53 0 时间。m i n 图3 3 热风排潮温度随时间变化曲线 f i g 3 3t e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fe x h a u s t e da i rv e r s u st i m e 图3 4c 3 f 烟叶干燥特性曲线 f i g 3 4c h a r a c t e r i s t i cd r y i n gc u r v eo ff l u e c u r e dt o b a c c oc 3 f 由图3 2 、图3 3 和图3 4 可以看出，实验烟叶的干燥过程大致分为三个阶 段：第一干燥阶段表现为，烟叶平均含水率和表面温度变化较快，同时体现在 热风排潮湿度迅速增大，而且此时的排潮热风干球温度较低；这一阶段干燥时问 较短，大约在1 分钟左右。第二干燥阶段是从第一干燥阶段转变到第三干燥阶 段的一个过渡阶段。此阶段表现为烟叶平均含水率和表面温度变化由变化较快逐 p 越啊 伯 帖 侣 o 巧 竹 俯 0 o 96斟*舡嚣 烟叶对流干燥特性的实验研究 步过渡到非常平缓。第三干燥阶段表现为，烟叶平均含水率变化非常慢，接近 于此热风条件下烟叶的平衡含水率；而且此时烟叶的表面温度变化也很慢，接近 于热风进口的干球温度。同时热风排潮的干球温度变化也很小，也接近于热风进 口的干球温度。 而且，由图3 4 可以看到，干燥过程中烟叶平均含水率随时间变化的曲线以 x = x 。为渐近线，以及，烟叶表面温度随时间的变化曲线以y = t 。为渐近线。这点也 可以由式( 3 9 ) 和式( 3 1 4 ) 得到。 3 1 3 实验结果分析 从实验和方程( 3 9 ) 和( 3 1 4 ) 的拟合结果表3 1 以及图3 5 至图3 2 0 可以看 出，烟叶的干燥特性与热风温度、热风湿度、烟叶类型和等级等的关系。 3 1 3 1 热风温度的影晌 热风温度是影响烟叶干燥特性的一个重要因素。 a 随着热风温度的升高，烤烟b 2 f 、c 3 f 和白肋烟上二、中四的平均含水 率的变化速率加快，体现在含水率方程中的k 值随着热风温度的升高而增大，a 值则随着热风温度的升高而增大。热风温度还影响烟叶的平衡含水率，随着热风 温度的升高烟叶的平衡含水率) ( e 值随着热风温度的升高而减小。 b 随着热风温度的升高，烤烟b 2 f 、c 3 f 和白肋烟上二、中四的升温速率 加快，体现在方程( 3