錢(qián) 旺 楊世昆 劉貴林 賀 剛 王振華 杜建強(qiáng)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

苜蓿草是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料之一，面對(duì)國(guó)內(nèi)蛋白質(zhì)飼料短缺的情況，如何高效獲得優(yōu)質(zhì)苜蓿草是行業(yè)內(nèi)亟待解決的重要問(wèn)題[1-2]。太陽(yáng)能低溫干燥能夠最大限度地減少苜蓿草營(yíng)養(yǎng)成分的損失[3]。

利用太陽(yáng)能干燥牧草最早起源于歐洲，但目前在歐洲仍主要采用燃油高溫快速干燥設(shè)備干燥牧草。國(guó)內(nèi)、外學(xué)者主要開(kāi)展高溫快速干燥、強(qiáng)制對(duì)流干燥和熱風(fēng)干燥的研究，在苜蓿草太陽(yáng)能低溫干燥方面的研究很少。FARHANG等[4]研究了利用微波原理對(duì)苜蓿草進(jìn)行干燥，通過(guò)微波爐試驗(yàn)找到不同功率對(duì)干燥速率的影響規(guī)律；HRISTOV[5]研究了不同干燥方式對(duì)紫花苜蓿青貯料干物質(zhì)和蛋白質(zhì)降解性能的影響，發(fā)現(xiàn)苜蓿草干燥速度對(duì)蛋白質(zhì)溶解度有影響；SILES等[6]研究了苜蓿草的干燥動(dòng)力學(xué)，并進(jìn)行了濕度和溫度對(duì)干燥速度影響的模擬；車(chē)剛等[7]研究了紫花苜蓿熱風(fēng)干燥特性，發(fā)現(xiàn)在熱風(fēng)溫度為190～200℃時(shí)，其干燥速率較高；呂黃珍等[8]以輕柴油為燃料，導(dǎo)熱油為載體，研究了對(duì)幾種牧草種子干燥的效果；王全喜等[9]研究了牧草種子熱泵輔助型太陽(yáng)能儲(chǔ)熱干燥設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4種供熱干燥模式的耗電量之比為0.9∶1.0∶1.2∶1.5；杜建強(qiáng)等[10]利用太陽(yáng)能低溫干燥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了苜蓿草含水率和表面溫度對(duì)干燥時(shí)間影響的研究；而太陽(yáng)能低溫干燥參數(shù)(進(jìn)口溫度、風(fēng)速)對(duì)干燥工藝和干燥后苜蓿草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響因素方面的研究很少。

本文根據(jù)自行設(shè)計(jì)的9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備的運(yùn)行情況及生產(chǎn)能力，提出影響牧草干燥的基本因素，利用干燥試驗(yàn)臺(tái)對(duì)苜蓿草干燥特性進(jìn)行理論研究和分析，找出苜蓿草干燥過(guò)程中不同進(jìn)口溫度、進(jìn)口風(fēng)速組合下，干燥速率和干基含水率隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)苜蓿草干燥模型進(jìn)行擬合回歸，對(duì)干燥后的苜蓿草營(yíng)養(yǎng)成分變化情況進(jìn)行初步研究，最終提出太陽(yáng)能干燥成套設(shè)備的最優(yōu)干燥工藝及參數(shù)方案，以期為太陽(yáng)能干燥設(shè)備相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和編制提供優(yōu)化的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備總體結(jié)構(gòu)包括太陽(yáng)能空氣集熱器、調(diào)頻風(fēng)機(jī)、風(fēng)送系統(tǒng)、牧草干燥倉(cāng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制柜和自動(dòng)抓草斗具等[11]，如圖1、2所示。

圖1 太陽(yáng)能干燥設(shè)備圖 Fig.1 Drawing of solar drying equipment

圖2 太陽(yáng)能干燥設(shè)備原理圖 Fig.2 Diagram of solar drying equipment 1.太陽(yáng)能集熱系統(tǒng) 2.風(fēng)送系統(tǒng) 3.自動(dòng)抓草斗具 4.牧草干燥倉(cāng)

該設(shè)備的工作原理：抓草斗具實(shí)現(xiàn)苜蓿草的自動(dòng)進(jìn)料和出料，廠(chǎng)房頂部太陽(yáng)能空氣集熱器對(duì)熱空氣進(jìn)行收集，調(diào)頻電動(dòng)機(jī)將熱空氣通過(guò)風(fēng)送系統(tǒng)送入干燥倉(cāng)，調(diào)頻電動(dòng)機(jī)和溫控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)進(jìn)口風(fēng)速、進(jìn)口溫度進(jìn)行控制。

1.2 苜蓿草的干燥工藝流程及工藝參數(shù)

9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備可對(duì)苜蓿草、黑麥草、蘇丹草、披堿草、羊草等牧草進(jìn)行干燥生產(chǎn)。由于早期太陽(yáng)能集熱器集熱效率所限，9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備設(shè)定了統(tǒng)一的干燥工藝流程和參數(shù)，干燥工藝參數(shù)設(shè)定為進(jìn)口風(fēng)速1.5 m/s、進(jìn)口溫度45℃(圖3)。課題組發(fā)現(xiàn)在苜蓿草干燥生產(chǎn)中干燥工藝不合理，參數(shù)不理想。設(shè)定不同的進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速，最終干燥苜蓿草的用時(shí)不同，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)也不同。為了細(xì)化9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備的干燥工藝，優(yōu)化干燥工藝參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行干燥機(jī)理研究，對(duì)苜蓿草干燥模型進(jìn)行擬合回歸，優(yōu)化苜蓿草的干燥工藝。

圖3 太陽(yáng)能干燥設(shè)備工藝流程圖 Fig.3 Process flow chart of solar drying equipment

1.3 試驗(yàn)裝置

如圖4、5所示，由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院自行設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能牧草干燥試驗(yàn)臺(tái)，主要由透射聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器和牧草干燥試驗(yàn)臺(tái)兩部分組成，透射聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器安裝于實(shí)驗(yàn)室屋頂之上，收集的太陽(yáng)能是熱風(fēng)的主要能源。牧草干燥試驗(yàn)臺(tái)放置于實(shí)驗(yàn)室屋內(nèi)地面上，兩者之間通過(guò)風(fēng)管連接。干燥試驗(yàn)臺(tái)具體包括電子稱(chēng)量?jī)x、入風(fēng)室、溫度探頭、濕度探頭、干燥箱、溫控柜、數(shù)據(jù)記錄儀、計(jì)算機(jī)等部分。

圖4 干燥試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.4 Schematic drawing of solar drying test-bed 1.電子稱(chēng)量?jī)x 2.入風(fēng)室 3.溫度探頭 4.濕度探頭 5.干燥箱 6.溫控柜 7.數(shù)據(jù)記錄儀 8.計(jì)算機(jī)

圖5 干燥試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖 Fig.5 Drawing of solar drying test-bed

1.3.1參數(shù)的測(cè)量方案

試驗(yàn)儀器如圖6所示，干燥箱下端均勻布置3個(gè)0.05級(jí)精度的BK-5型電子稱(chēng)量傳感器，量程為300 kg，可測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)上苜蓿草質(zhì)量。進(jìn)風(fēng)口布置有精度為0.2 m/s的FTS64-2011-10M型風(fēng)速傳感器和準(zhǔn)確度±0.5℃、±2%的JWSK-6W1WDB型溫、濕度傳感器，量程分別為0～30 m/s和-40～120℃、0～100%，控制單元通過(guò)傳感器精準(zhǔn)控制進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速。溫、濕度傳感器可對(duì)干燥箱內(nèi)不同高度的溫、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以在線(xiàn)顯示時(shí)間、溫度、風(fēng)速、苜蓿草質(zhì)量等參數(shù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。另外，本試驗(yàn)還用到DGQ型電熱干燥箱、N962E型風(fēng)速儀、電子天平、DH516-A型紅外在線(xiàn)水分測(cè)定儀等儀器。

圖6 干燥試驗(yàn)儀器 Fig.6 Instruments of drying test

1.3.2測(cè)量的控制方案

在測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施中，通過(guò)變頻器、可編程控制器PLC和上位計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，將透射聚光型太陽(yáng)能空氣集熱器內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣由風(fēng)管引入到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)牧草干燥特性試驗(yàn)臺(tái)中。溫度控制器PID可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)輔助熱源電加熱空氣的控制，進(jìn)行干燥空氣的溫度調(diào)節(jié)。風(fēng)道內(nèi)和干燥箱入口處布置了勻風(fēng)裝置，實(shí)現(xiàn)了干燥空氣的均勻分布。物料相關(guān)的參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)全部由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，見(jiàn)圖7。

圖7 干燥試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng) Fig.7 Measurement and control system of solar drying test-bed

1.4 試驗(yàn)材料

苜蓿草原料采自?xún)?nèi)蒙古呼和浩特市托克托縣種植場(chǎng)的金皇后初花期紫花苜蓿。

1.5 試驗(yàn)方案

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和已有的苜蓿草干燥試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提出了6組參數(shù)組合方案，見(jiàn)表 1。經(jīng)試驗(yàn)研究得出6組干燥時(shí)間和苜蓿草質(zhì)量的數(shù)據(jù)。計(jì)算得出干基含水率、水分比和干燥速率，繪制干基含水率、干燥速率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，并對(duì)其進(jìn)行定量分析。每次測(cè)試的鮮苜蓿草質(zhì)量均為5 000 g。

表1 不同風(fēng)速、溫度試驗(yàn) Tab.1 Different wind speeds and temperatures test

苜蓿草干燥試驗(yàn)在溫度為(27±2)℃、相對(duì)濕度為(30±5)%、風(fēng)速為0 m/s的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行。

試驗(yàn)干燥流程：鮮苜蓿草→自然堆放→熱風(fēng)干燥→冷卻→品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。干燥后的苜蓿草濕基含水率控制在 15%～17%(安全含水率)。

1.6 測(cè)量指標(biāo)

1.6.1苜蓿草原始濕基含水率

苜蓿草刈割后，隨機(jī)取5個(gè)樣本，做切碎處理，使其長(zhǎng)度為15 mm。每個(gè)樣品質(zhì)量為50 g，裝入鋁盒內(nèi)，立即稱(chēng)量。按照草樣制作要求迅速進(jìn)行干燥處理。該試驗(yàn)采集草樣的含水率采用DGQ型電熱干燥箱進(jìn)行干燥。在105℃下恒溫干燥24 h，然后取出干燥后的苜蓿草放入干燥皿中冷卻至常溫(23℃左右)，再稱(chēng)其質(zhì)量[12]。苜蓿草的原始濕基含水率計(jì)算公式為

(1)

式中m0——樣品干燥前質(zhì)量，g

me——樣品干燥后質(zhì)量，g

測(cè)定數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計(jì)算，物料原始濕基含水率為77.4%。

表2 苜蓿草原始濕基含水率測(cè)定結(jié)果 Tab.2 Measurement of raw materials moisture content

1.6.2干基含水率

試驗(yàn)過(guò)程中苜蓿草質(zhì)量的測(cè)定由試驗(yàn)臺(tái)架上的電子稱(chēng)量傳感器完成。干基含水率Mt、水分比MR[13]計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中Mt——t時(shí)刻物料干基含水率，g/g

MR——水分比

mt——t時(shí)刻物料質(zhì)量，g

md——物料中干物質(zhì)質(zhì)量，g

M0——物料初始干基含水率，g/g

1.6.3干燥速率

干燥速率定義為濕物料在單位時(shí)間內(nèi)單位面積(物料和干燥介質(zhì)的接觸面積)汽化的水分質(zhì)量[14]。若物料與干燥介質(zhì)的接觸面積不易確定，可用干燥強(qiáng)度來(lái)表示干燥速率。干燥強(qiáng)度定義為物料干基含水率隨時(shí)間的變化率，通常用Vd表示[15]。計(jì)算公式為

(4)

式中Vd——干燥速率，g/(g·min)

Md，j+1、Md，j——tj+1、tj時(shí)刻干基含水率，g/g

t——干燥時(shí)間，min

在試驗(yàn)過(guò)程中濕物料的質(zhì)量因失去水分而逐漸減少，用牧草濕基含水率不能直接描述干燥所除去的水分。而絕對(duì)干料的質(zhì)量在干燥過(guò)程中是不變的，故用干基含水率來(lái)衡量干燥速度更合理，試驗(yàn)操作起來(lái)更方便[16-17]。

1.7 數(shù)據(jù)的采集

試驗(yàn)開(kāi)始前先稱(chēng)取準(zhǔn)備好的鮮苜蓿草，試驗(yàn)中每隔20 min讀取干燥試驗(yàn)臺(tái)電子稱(chēng)量傳感器讀數(shù)，將每一次測(cè)量數(shù)據(jù)填入記錄表內(nèi)，如表3所示。由式(2)～(4)分別計(jì)算可得干基含水率、水分比和干燥速率。

表3 物料質(zhì)量mt試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.3 Material quality mt of test data g

1.8 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算

為了尋找合適的苜蓿草干燥模型，根據(jù)國(guó)內(nèi)、外學(xué)者在干燥模型方面的研究成果，結(jié)合課題研究的物料物理特性，選擇了目前干燥研究領(lǐng)域比較常見(jiàn)的3種物料干燥動(dòng)力學(xué)的半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如?所示。3種模型中，Newton方程就是Page方程中n=1的修正方程[18]，因此，只要研究Page方程和Logarithmic方程是否與苜蓿草干燥特性試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合即可。

表4 物料干燥模型 Tab.4 Drying model of alfalfa

注：a、b為干燥模型中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；k為干燥常數(shù)；n為待定系數(shù)[22-23]。

對(duì)兩種物料干燥模型進(jìn)行非線(xiàn)性擬合處理，并對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析。

Logarithmic方程線(xiàn)性化后表示為

-lnMR=kt-lna

(5)

Page方程線(xiàn)性化后表示為

ln(-lnMR)=lnk+nlnt

(6)

由線(xiàn)性化后的函數(shù)可得-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt的關(guān)系圖。

1.9 苜蓿草品質(zhì)檢驗(yàn)

對(duì)各組干燥后的苜蓿草草樣進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分品質(zhì)化驗(yàn)[24]。課題組委托相關(guān)實(shí)驗(yàn)室對(duì)苜蓿干草重要指標(biāo)進(jìn)行了營(yíng)養(yǎng)成分品質(zhì)化驗(yàn)，品質(zhì)化驗(yàn)參考方法如下：按GB/T 6432—1994測(cè)定粗蛋白含量；按GB/T 6433—2006測(cè)定粗脂肪含量；按GB/T 6434—2006測(cè)定粗纖維含量；胡蘿卜素的測(cè)定參照《糧油籽粒品質(zhì)及其分析技術(shù)》[3-4]。通過(guò)化驗(yàn)結(jié)果對(duì)比苜蓿草干燥后營(yíng)養(yǎng)成分的保有量情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同試驗(yàn)參數(shù)下苜蓿草干基含水率

圖8為干基含水率隨干燥時(shí)間變化曲線(xiàn)，圖9為水分比MR隨干燥時(shí)間變化曲線(xiàn)。水分比MR的變化趨勢(shì)與干基含水率變化趨勢(shì)一致。由圖8、9分析可知，有4組試驗(yàn)達(dá)到苜蓿草的安全含水率所用的時(shí)間較少，即 第2、3、5、6 組；第1組所需干燥時(shí)間較長(zhǎng)；從試驗(yàn)條件可以看出第2組與第5組進(jìn)口溫度相同，進(jìn)口風(fēng)速不同，在干燥第1階段(65 min內(nèi))2條曲線(xiàn)干基含水率基本接近，在第2、3階段(65 min后)第5組干基含水率明顯低于第2組，因此，在干燥第2、3階段進(jìn)口風(fēng)速對(duì)干燥特性影響大于進(jìn)口溫度對(duì)其的影響；由第4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，進(jìn)口風(fēng)速過(guò)低將會(huì)使?jié)窨諝鉄o(wú)法完全散出，不能達(dá)到預(yù)期干燥的效果。比較第2組、第4組和第5組干燥速率曲線(xiàn)，在第2、3階段表現(xiàn)為進(jìn)口溫度相同時(shí)，進(jìn)口風(fēng)速越大干燥速率越快。由此可知在干燥過(guò)程的3個(gè)階段合理選擇進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速很重要。

由苜蓿草干燥特性曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)分析可知，苜蓿草干燥工藝應(yīng)采用多參數(shù)分段式干燥。苜蓿草干燥處于第1階段時(shí)，結(jié)合節(jié)能角度考慮選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s 。苜蓿草干燥處于第2、3階段時(shí)，為了達(dá)到快速干燥的效果，選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為2.5 m/s 。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用分段式干燥工藝及干燥參數(shù)，3個(gè)階段干燥速率會(huì)明顯增大。

圖8 干基含水率曲線(xiàn) Fig.8 Curves of moisture content of drying base

圖9 水分比曲線(xiàn) Fig.9 Curves of moisture ratio

2.2 不同試驗(yàn)參數(shù)下苜蓿草干燥速率

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制苜蓿草干燥速率曲線(xiàn)如圖10所示，不同進(jìn)口溫度和進(jìn)口風(fēng)速條件下的干燥速率變化曲線(xiàn)的總體趨勢(shì)相同。通過(guò)苜蓿草干燥試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干燥特性曲線(xiàn)的干燥速率分為3個(gè)階段。第1階段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游離水分蒸發(fā)為主，此類(lèi)水分與物料的結(jié)合力較弱，在干燥過(guò)程中易于除去。第2階段干燥速率由最大值開(kāi)始降低，此時(shí)苜蓿草的水分散失主要以物化結(jié)合水分為主，此類(lèi)水分與物料的結(jié)合比較穩(wěn)定，在干燥過(guò)程中較難除去。第3階段干燥速率趨于一個(gè)恒定值，主要是苜蓿草化學(xué)結(jié)合水分的蒸發(fā)，此類(lèi)水分是按照一定的數(shù)量和比例與化合物結(jié)合而生成帶結(jié)晶水的化合物中的水分，不易干燥。第1階段與第2、3階段干燥速率由快轉(zhuǎn)慢存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由圖10可得干燥速率最大值點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算該點(diǎn)苜蓿草濕基含水率為48%。為了實(shí)際生產(chǎn)中便于操作，確定濕基含水率(48±2)%為苜蓿草干燥特性3階段的分段點(diǎn)。從圖10可知，最先達(dá)到干燥分段點(diǎn)的是第6組，干燥速率達(dá)到峰值所用的時(shí)間是52 min。苜蓿草干燥速率由進(jìn)口溫度、進(jìn)口風(fēng)速?zèng)Q定，進(jìn)口溫度越高，進(jìn)口風(fēng)速越大，苜蓿草干燥速度越快；之后達(dá)到干燥分段點(diǎn)的是第2、3、5組，分別用時(shí) 66、63、65 min，比較第6組和第5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知第1階段進(jìn)口溫度對(duì)干燥速率有很大影響。第2組和第5組的干燥速率幾乎在相同時(shí)間達(dá)到峰值，干燥第1階段進(jìn)口溫度對(duì)干燥特性影響大于進(jìn)口風(fēng)速的影響。

圖10 苜蓿草干燥速率曲線(xiàn) Fig.10 Drying rate curves of alfalfa

2.3 數(shù)學(xué)模型分析

2種模型效果可由-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt關(guān)系得出。擬合曲線(xiàn)如圖11、12所示。

圖11 Logarithmic方程擬合曲線(xiàn) Fig.11 Fitting curves of Logarithmic equation

圖12 Page方程擬合曲線(xiàn) Fig.12 Fitting curves of Page equation

根據(jù)圖11、12，比較2組線(xiàn)性回歸曲線(xiàn)可以看出兩種模型擬合效果各不相同，干燥溫度不同，適合的干燥模型也不同。

為證明Logarithmic方程和Page方程在苜蓿草干燥方面的適用性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到干燥模型的各決定系數(shù)R2。擬合結(jié)果如表5、 6所示。

表5 Logarithmic 方程擬合結(jié)果 Tab.5 Fitting results of Logarithmic equation

表6 Page方程擬合結(jié)果 Tab.6 Fitting results of Page equation

干燥模型擬合程度由R2決定，一般情況下R2在 0.9～1 之間，模型擬合效果比較理想， Page方程擬合的R2均大于 0.9，故可以認(rèn)為其可靠性較好，Logarithmic方程擬合效果R2不理想。所以認(rèn)為Page方程作為苜蓿草干燥模型比較理想，利用該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)苜蓿草干燥特性。

由Page模型可確定水分比MR和時(shí)間t的關(guān)系，分段點(diǎn)MR值由式(2)、(3)計(jì)算可得。分段干燥時(shí)間由第2組的Page方程(6)確定，即進(jìn)口溫度50℃、進(jìn)口風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，將分段點(diǎn)MR值、k=0.003 9、n=1.232 3代入Page方程可得分段干燥工藝的第1階段干燥時(shí)間T1。T1作為分段式干燥工藝流程理論分界點(diǎn)，可編入程序由計(jì)算機(jī)控制。

3 干燥工藝參數(shù)優(yōu)化與干燥生產(chǎn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

通過(guò)6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，給出最優(yōu)參數(shù)方案：干燥第1階段，出于節(jié)能考慮選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s 。干燥第2、3階段，為了達(dá)到快速干燥的效果，選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為2.5 m/s。為了驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化方案的效果，將參數(shù)優(yōu)化方案和上文的6組參數(shù)方案，共計(jì)7組參數(shù)方案分別在9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)條件

苜蓿草原料為內(nèi)蒙古呼和浩特市托克托縣種植場(chǎng)的金皇后紫花苜蓿，原始濕基含水率為76.2%。試驗(yàn)環(huán)境為空氣溫度26℃，空氣濕度18%，風(fēng)速2 m/s。試驗(yàn)時(shí)間為2017年8月28日11：00。試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古呼和浩特市托克托縣種植場(chǎng)。

3.3 試驗(yàn)設(shè)備

9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司研制。

對(duì)9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備進(jìn)行了干燥生產(chǎn)驗(yàn)證。生產(chǎn)驗(yàn)證使用的儀器設(shè)備有DH516-A型紅外在線(xiàn)水分測(cè)定儀、DGQ型電熱干燥箱、N962E型風(fēng)速儀、電子天平等。

3.4 驗(yàn)證方案

3.4.1干燥模型驗(yàn)證

通過(guò)在線(xiàn)水分測(cè)定儀對(duì)苜蓿草試驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)記錄，驗(yàn)證Page干燥模型的合理性，為不同含水率苜蓿草干燥工藝流程提供依據(jù)(Page方程代入表6的參數(shù)和最終水分比，可得干燥時(shí)間)。

3.4.2干草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)化驗(yàn)

對(duì)7組參數(shù)方案干燥后的苜蓿草進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分品質(zhì)化驗(yàn)[25]。化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

3.5 驗(yàn)證結(jié)果

(1)根據(jù)表7可以看出，苜蓿草實(shí)際干燥時(shí)間與Page方程理論推導(dǎo)苜蓿草干燥時(shí)間相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，吻合程度很高，說(shuō)明Page方程可以作為該設(shè)備干燥不同含水率苜蓿草干燥工藝流程的模型。從7組數(shù)據(jù)可以看出優(yōu)化后的參數(shù)(第7組)相比設(shè)備原參數(shù)(第1組)在干燥苜蓿草效率上提高了34.4%。

(2)通過(guò)7組數(shù)據(jù)的營(yíng)養(yǎng)成分化驗(yàn)結(jié)果可以看出，第5組和第7組的苜蓿草各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)成分保有量最高，尤其是粗蛋白和胡蘿卜素，而粗蛋白和粗纖維指標(biāo)決定苜蓿干草的品質(zhì)分級(jí)。通過(guò)品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果分析和相關(guān)研究成果總結(jié)，發(fā)現(xiàn)牧草在干燥溫度升高時(shí)會(huì)伴隨著芳香性氨基酸揮發(fā)和蛋白質(zhì)變性[24]。故選擇溫度參數(shù)為50℃作為干燥苜蓿草的溫度是合理的(第3、6組不適合低溫干燥)。苜蓿市場(chǎng)普遍采用干草檢測(cè)報(bào)告和干草外觀物理描述兩種方法對(duì)干草進(jìn)行分級(jí)標(biāo)識(shí)。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部對(duì)進(jìn)口苜蓿草等級(jí)劃分依據(jù)，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%～20%和20%～22%的苜蓿草分別為三級(jí)和二級(jí)苜蓿草，而第5組和第7組相比第1組蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出近2個(gè)百分點(diǎn)。因此，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)(第7組)相比設(shè)備原參數(shù)(第1組)，粗蛋白和胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)成分保有量提高，苜蓿草銷(xiāo)售價(jià)格也會(huì)提高。

表7 苜蓿草干燥時(shí)間與營(yíng)養(yǎng)成分 Tab.7 Dry time and nutrient compositions of drying alfalfa

(3)考慮到第5組和第7組都是比較理想的參數(shù)方案，第7組在干燥第1階段進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s，干燥第2、3階段為2.5 m/s ，第5組進(jìn)口風(fēng)速為2.5 m/s，從能耗方面考慮，通過(guò)理論計(jì)算干燥第1階段(67 min內(nèi))第7組和第5組的能耗差異，節(jié)省能耗約為15%。因此，在干燥效果相近的情況下，選擇第7組的參數(shù)方案為最優(yōu)工藝參數(shù)方案。新工藝流程圖相比設(shè)備原工藝圖，將干燥過(guò)程劃分為2個(gè)階段分別進(jìn)行干燥，由計(jì)算機(jī)控制工藝流程程序、傳感器監(jiān)測(cè)干燥生產(chǎn)過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)干燥生產(chǎn)。圖13是設(shè)備干燥苜蓿草的工藝流程圖和工藝參數(shù)，圖14是第7組試驗(yàn)后苜蓿干燥的外觀質(zhì)量。

圖13 太陽(yáng)能干燥設(shè)備新工藝流程圖 Fig.13 New process flow chart of solar drying equipment

圖14 苜蓿草干燥效果 Fig.14 Drying effect of alfalfa

4 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得苜蓿草干燥特性分為3個(gè)階段。第1階段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游離水分蒸發(fā)為主。第2階段干燥速率由最大值開(kāi)始降低，此時(shí)苜蓿草的水分散失主要以物化結(jié)合水分為主。第3階段干燥速率趨于一個(gè)恒定值，主要是苜蓿草化學(xué)結(jié)合水分的蒸發(fā)。

(2)針對(duì)苜蓿草干燥特性，制定分段式干燥工藝及工藝參數(shù)。干燥第1階段，進(jìn)口溫度對(duì)干燥特性影響大于進(jìn)口風(fēng)速的影響，同時(shí)考慮節(jié)能，選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s 。干燥第2、3階段，進(jìn)口風(fēng)速對(duì)干燥特性影響大于進(jìn)口溫度的影響，為了提高干燥速率，選擇進(jìn)口溫度為50℃，進(jìn)口風(fēng)速為2.5 m/s。分段式干燥工藝分界點(diǎn)的濕基含水率為48%，為了實(shí)際生產(chǎn)中便于操作，確定濕基含水率范圍為(48±2)%，作為干燥工藝分段點(diǎn)參考范圍。

(3)通過(guò)干燥模型線(xiàn)性回歸分析得出， Page模型最適合描述苜蓿草太陽(yáng)能干燥曲線(xiàn)的變化規(guī)律。Page模型為苜蓿草太陽(yáng)能干燥工藝的制定和干燥設(shè)備生產(chǎn)實(shí)踐提供優(yōu)化依據(jù)。

(4)通過(guò)9TGK-1.5型太陽(yáng)能牧草干燥成套設(shè)備對(duì)分段式干燥工藝及工藝參數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合干草品質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)方案，干燥苜蓿草效率提高了34.4%，進(jìn)口溫度為50℃時(shí)有效控制了芳香性氨基酸揮發(fā)和蛋白質(zhì)變性，苜蓿干草的粗蛋白和胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)成分保有量高。