錢珊珠，楊 哲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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苜蓿草捆太陽能干燥特性試驗(yàn)研究

錢珊珠，楊 哲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

為研究苜蓿草捆在太陽能干燥過程中干燥介質(zhì)狀態(tài)和草捆狀態(tài)與干燥速率及干燥特性間的關(guān)系，在已有的太陽能干燥試驗(yàn)臺上進(jìn)行了單層和多層的草捆干燥試驗(yàn)。通過試驗(yàn)獲得了草捆的干燥特性曲線，分析了各因素對干燥特性的影響規(guī)律，建立了試驗(yàn)因子與含水率間的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明:草捆的干燥存在著明顯的水分梯度和溫度梯度；介質(zhì)溫度每增加10℃，草捆的干燥速度可提升10%～15%；草捆的密度小時(shí)，草捆與介質(zhì)溫差大，有利于干燥；采用太陽能捆草干燥技術(shù)可以加快干燥速度，且減少營養(yǎng)成分損失。

苜蓿草捆；太陽能干燥；含水率；數(shù)學(xué)模型

0 引言

紫花苜蓿具有極高的飼草品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)適應(yīng)性，采用科學(xué)的牧草干燥技術(shù)不僅可以保持牧草原有的營養(yǎng)價(jià)值，而且還可以提高其利用價(jià)值。

太陽能干燥屬于低溫干燥，既能克服田間自然干燥造成的發(fā)霉、變質(zhì)及腐爛現(xiàn)象，又能解決高溫快速干燥過程中因蛋白質(zhì)發(fā)生變異引起的適口性差和消化率低等問題，且節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染。內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨、日照充足，畜牧業(yè)和草業(yè)是兩個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，近年來飼草種植面積逐年擴(kuò)大，因此立足當(dāng)?shù)厍闆r利用太陽能風(fēng)干牧草是非常必要的。

干草捆是目前應(yīng)用最廣泛的草產(chǎn)品，具有加工成本低、工藝簡便、貯藏時(shí)間長、營養(yǎng)保存完好及飼喂時(shí)取用方便等優(yōu)點(diǎn)。在草捆的干燥過程中，苜蓿初始水分含量、打捆密度及干燥介質(zhì)狀態(tài)等因素影響著干草捆的質(zhì)量。本文通過紫花苜蓿捆草太陽能干燥試驗(yàn)，分析研究干燥過程中草捆內(nèi)苜蓿表面溫度和濕含量的變化情況，以及干燥介質(zhì)狀態(tài)及草捆自身狀態(tài)對干燥過程的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供可借鑒的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與地點(diǎn)

試驗(yàn)選用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所沙爾沁基地種植的紫花苜蓿，一茬、花期(開花30%左右)，收割時(shí)初始含水率為80.34%(濕基)。取莖葉比例基本相同的長散草進(jìn)行打捆，打捆密度分別為100、150、200kg/m3，小方捆的外形尺寸為300mm×200mm× 150mm(高×寬×長)。試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室院內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)間為2014年7月1日-7日。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計(jì)的苜蓿太陽能干燥試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。干燥系統(tǒng)由太陽能集熱器、離心式通風(fēng)機(jī)、干燥箱和監(jiān)測系統(tǒng)組成，如圖1所示。電子天平為賽多利斯儀器公司制造，型號SQP。風(fēng)機(jī)開啟后集熱器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，冷空氣進(jìn)入集熱器被加熱并進(jìn)入干燥箱，與干燥箱內(nèi)的苜蓿草捆進(jìn)行熱質(zhì)交換，干燥后的廢氣從干燥箱頂部排出；監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并記錄環(huán)境、介質(zhì)、草捆所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.太陽能集熱器 2.風(fēng)機(jī) 3.監(jiān)測設(shè)備 4.干燥箱

1.3 試驗(yàn)方案

利用試驗(yàn)系統(tǒng)對不同密度苜蓿草捆進(jìn)行實(shí)時(shí)天氣下的太陽能干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)因素有干燥介質(zhì)溫度和相對濕度、草捆初始含水率和密度。試驗(yàn)指標(biāo)為草捆中苜宿表面溫度及其周圍氣流相對濕度、草捆的含水率。試驗(yàn)各指標(biāo)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10906—2008《太陽能飼草干燥設(shè)備》規(guī)定進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)應(yīng)用Origin 和Spss軟件分析處理。

干燥前，給各個(gè)草捆標(biāo)號、稱重并測其初始含水率。為獲取不同介質(zhì)、密度下的干燥數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行單層、多層(3層)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)方案在草捆內(nèi)部及各層草捆的介質(zhì)入口、出口布置溫濕度傳感器，如圖2所示。調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄數(shù)據(jù)，每層隨機(jī)取5個(gè)草捆樣本用電子天平測其質(zhì)量變化情況，取樣間隔50min，取樣時(shí)暫停送風(fēng)，試驗(yàn)時(shí)間為9: 00-18: 00。

圖2 傳感器布置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 草捆干燥的熱質(zhì)傳遞分析

干燥過程是傳熱與傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的，溫度梯度推動(dòng)傳熱，濕度梯度推動(dòng)傳質(zhì)，傳熱和傳質(zhì)的方向相反但密切相關(guān)。因此，通過測量苜蓿表面溫度和相對濕含量可以實(shí)時(shí)掌握草捆的干燥狀態(tài)，如圖3所示。試驗(yàn)中，將溫濕度傳感器分別放置于草捆的中部，所測數(shù)據(jù)為草捆內(nèi)苜蓿附近很小范圍內(nèi)的表面溫度和相對濕含量。試驗(yàn)中，草捆密度150kg/m3，初始含水率66.4%，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 800r/min，當(dāng)天環(huán)境平均溫度29.3℃，平均相對濕度19.84%。

從圖3中可以看出：3層草捆苜蓿溫濕度變化曲線趨勢基本一致，但由于介質(zhì)變化較大，上兩層干燥速率明顯滯后。干燥開始時(shí)，草捆內(nèi)部溫度較高，這是因?yàn)檐俎４蚶r(shí)含水率高、密度大，于是草捆內(nèi)部苜蓿自身的呼吸和新陳代謝加速，此生化過程使苜蓿表面溫度高、水分大；當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)干燥時(shí)，溫度曲線開始下降，苜蓿自身呼吸代謝逐漸消失，進(jìn)入降溫排濕階段，10：30左右溫度達(dá)到最低點(diǎn)。隨后，隨著介質(zhì)溫度的增高，介質(zhì)與苜蓿表面溫度差增大，從而加大了傳熱推動(dòng)力，使傳熱速率加快，牧草表面溫度升高，在14：30苜蓿表面溫度達(dá)到最高值；之后，由于介質(zhì)溫度降低草捆內(nèi)部溫度也呈現(xiàn)平穩(wěn)緩慢的下降。

觀察草捆相對濕度曲線可以看出：開始處相對濕度很大，達(dá)到76%，通風(fēng)干燥后濕度反而升高一度達(dá)到80%。這是由于此階段呼吸作用還沒有停止，外加草捆表層的水分向內(nèi)部擴(kuò)散，使內(nèi)部牧草濕含量增大。隨后，由于介質(zhì)溫度的增高，降低了相對濕度，增大了與物料的傳質(zhì)推動(dòng)力，加快了傳質(zhì)，因此相對濕度曲線迅速下降，草捆處于快速脫水階段，此階段的傳質(zhì)屬表面汽化控制。當(dāng)苜蓿表面的自由水蒸干時(shí)，傳質(zhì)屬苜蓿內(nèi)部遷移控制，干燥進(jìn)入平穩(wěn)緩慢階段，濕度曲線也平穩(wěn)下降。

圖3 苜蓿表面溫度和相對濕度變化規(guī)律

2.2 干燥介質(zhì)溫濕度對草捆含水率的影響

3層草捆的干燥過程是在3種干燥介質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)。圖4為草捆含水率在不同介質(zhì)溫度和相對濕度下隨時(shí)間變化曲線。

由圖4可知：各層的介質(zhì)溫度與其相對應(yīng)的濕度呈負(fù)相關(guān)，草捆的含水率曲線呈下降趨勢，且隨著干燥時(shí)間的延長，干燥速率逐漸平緩。第1層草捆干燥介質(zhì)溫度高、相對濕度低，溫度范圍為27.3～57.8℃，平均溫度51.2℃，平均相對濕度5.7%，熱空氣的干燥勢很強(qiáng)，經(jīng)過4h草捆的含水率降至25%左右，此階段草捆含水率下降幅度明顯增大有利于快速脫水；而后，由于草捆內(nèi)部水分?jǐn)U散速度不及表層蒸發(fā)速度，呈現(xiàn)出降速干燥。第2層草捆水分蒸發(fā)所需的能量一部分來自下層草捆的熱傳導(dǎo)，一方面來自物料間隙內(nèi)熱空氣的流動(dòng)，而干燥介質(zhì)溫度低且相對濕度大，水汽向空氣主體傳遞推動(dòng)力小，所以干燥過程平穩(wěn)緩慢。第3層草捆開始階段干燥極其緩慢，這是因?yàn)闊峥諝獯┻^下層草捆時(shí)所吸收的水分已經(jīng)達(dá)到飽和(相對濕度超過50%)喪失了吸濕性，不具有干燥上層草捆的能力，而且還有可能將上層草捆加濕，延長了上層草捆的干燥時(shí)間。

研究發(fā)現(xiàn)：在草捆干燥過程中，干燥程度和速率不均勻。干燥介質(zhì)溫濕度對草捆含水率影響差異非常顯著，其他條件不變時(shí)，干燥溫度每增加10℃，草捆的干燥速度可提升10%～15%。為了提高干草捆質(zhì)量，節(jié)約成本，在實(shí)際干燥過程中應(yīng)從改善通風(fēng)工藝考慮解決此問題。

圖4 介質(zhì)溫度、相對濕度及草捆含水率變化圖

2.3 草捆密度對干燥特性的影響

表1為試驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)值，圖5為不同密度的草捆在介質(zhì)基本相同條件下的含水率與干燥速度曲線。

表1 環(huán)境與參數(shù)值

圖5 不同密度草捆對含水率與干燥速度的影響

從圖5可以看出：不同密度苜蓿草捆的濕含量、干燥速率具有明顯的不一致性，密度越大，含水率變化曲線的凹凸性越小，其含水率的變化趨勢也越趨于平緩，臨界干燥速度越慢。這是因?yàn)槊芏却髸r(shí)氣流所受阻力大，沿氣流方向溫度梯度變小，濕度梯度變大。此外，由圖5可以看出：草捆的干燥過程不同于薄層干燥，沒有穩(wěn)定的勻速干燥階段。這是因?yàn)檐俎２粌H與熱空氣有接觸，同時(shí)也與相鄰的苜蓿有接觸，所以在干燥早期干燥過程是對流換熱與傳導(dǎo)換熱并存的，隨著干燥過程的繼續(xù)，對流換熱就會(huì)占據(jù)主要地位；并且隨著水分的汽化，苜蓿間接觸點(diǎn)的受力也發(fā)生變化，隨之苜蓿間的接觸面積也要發(fā)生變化。

2.4 草捆干燥數(shù)學(xué)模型

建立干燥模型對研究干制規(guī)律，預(yù)測不同介質(zhì)參數(shù)下的含水率具有重要的意義。草捆含水率的變化不僅與介質(zhì)狀態(tài)還和草捆狀態(tài)有關(guān)，許多薄層干燥模型已建立起來，然而卻很少有關(guān)捆草的干燥模型。為此，運(yùn)用理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法分別對幾種方程進(jìn)行擬合比較，獲得捆草干燥的數(shù)學(xué)模型為

r=exp(0.007+0.126T+0.049Φ-0.024ρ)

n=-1.126+0.042T+0.005Φ-0.031ρ

k=-0.124t+0.021T+0.015Φ+1.031ρ

其中，Mt為t時(shí)刻草捆干基含水率(kg/kg-1)；M0為草捆初始干基含水率(kg/kg-1)；ρ為草捆密度(kg/m3)；T為干燥介質(zhì)溫度(℃)；φ為干燥介質(zhì)相對濕度(%)；t為干燥時(shí)間(h)。

3 結(jié)論

1)苜蓿含水率從50%降到17%的過程中，田間干燥速度慢，營養(yǎng)成分損失大。采用太陽能捆草干燥技術(shù)可以加快這一階段的干燥速度，減少牧草的營養(yǎng)成分損失，而后可以草捆成品進(jìn)行運(yùn)輸、深加工、貯存和飼喂，實(shí)現(xiàn)牧草的優(yōu)質(zhì)化處理。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：苜蓿草捆的干燥存在著明顯的水分梯度和溫度梯度，具有不均勻性；草捆內(nèi)部苜宿的表面溫濕度分布和含水率的變化與干燥介質(zhì)的分布有很大的關(guān)系，介質(zhì)溫度越高，相對濕度越低，越有利于草捆中水分的快速擴(kuò)散。

3)草捆密度對干燥過程的影響非常大，密度越大則其干燥速率越慢；同時(shí)，干燥過程中草捆的密度和接觸面積是在變化的，苜宿所能獲得的熱空氣流量不同，沒有穩(wěn)定的勻速干燥階段。

4)通過分析影響草捆含水率變化的參數(shù)，建立了苜蓿草捆的含水率多元回歸方程，為進(jìn)一步進(jìn)行牧草濕法打捆干燥的研究打下了基礎(chǔ)。

[1] 錢珊珠.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的苜蓿固定深層太陽能干燥過程仿真[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[2] 杜建強(qiáng).透射聚光型太陽能集熱器牧草干燥應(yīng)用理論研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2014.

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Testing Study on Solar Drying Characteristics of Alfalfa Bale

Qian Shanzhu,Yang Zhe

(Agricultural Electrification，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

In order to study the influence of the dry medium state and the alfalfa bale state on the drying rate and drying characteristics during the course of solar drying, the drying experiment of single and multi layers was carried out on the existing test-bed of solar drying. The drying characteristic curve of alfalfa bale was obtained by experiment, and the effect of various factors on drying characteristics was analyzed, and the mathematical model between the factor and water content was established. The results showed that there was a clear water gradient and temperature gradient in the alfalfa bale. The drying speed can be increased by 10%～15% when temperature of the medium is increased by 10 degrees Celsius. The density of the alfalfa bale is small, the alfalfa bale and the medium temperature difference are big, which is beneficial to the drying.Faster drying rate and less nutrient loss can be achieved by using solar drying technology of alfalfa bale.

alfalfa bale; solar drying; moisture content; mathematical model

2015-12-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51266009)

錢珊珠(1964-),女，內(nèi)蒙古通遼人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)719725846@qq.com。

S375

A

1003-188X(2017)02-0158-04