高東明，羅 鋼

(北京工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100048)

苜蓿作為世界上種植面積廣大的牧草，其收獲和干草制備具有很強的時效性[1]，干燥過程對苜蓿干草產(chǎn)品的品質(zhì)有很大影響[2].為了加快苜蓿的干燥速率，人們通過破壞莖桿及其表面結(jié)構(gòu)或化學(xué)處理的方法，加快其內(nèi)部水分的散失，縮短干燥時間，并對田間環(huán)境下不同處理條件的苜蓿干燥特性進行了廣泛的研究[3-4].近年來,國內(nèi)外學(xué)者利用熱風(fēng)、太陽能以及組合干燥等方法，對干燥的工藝過程機理、技術(shù)應(yīng)用參數(shù)和裝備等方面進行了研究，取得了一定的成果[5-7].這為人工干燥技術(shù)在苜蓿收獲加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ).由于苜蓿的產(chǎn)量大，人工干燥雖然能較好地保留苜蓿干草的營養(yǎng)和色香味，但干燥所需時間長、干燥過程能耗大，導(dǎo)致能耗成本成為產(chǎn)品成本的主要組成部分.因此，在保證品質(zhì)的前提下，近年來采用太陽能等清潔能源進行低溫?zé)犸L(fēng)干燥已成為降低干燥能耗成本以及提高干燥效率的重要途徑[8-9].一直以來，相關(guān)研究主要集中于對干燥過程參數(shù)研究[10-11]，缺少物料參數(shù)以及不同干燥階段的詳細研究.

文中針對我國量大面廣的苜蓿在低溫太陽能干燥過程中普遍高能耗、干燥過程控制粗放等突出問題，以干燥難度最大的紫花苜蓿莖稈為材料，以物料參數(shù)和干燥過程參數(shù)(不同溫度、壓扁程度、風(fēng)速以及莖稈直徑等)為研究因素，設(shè)計了試驗裝置對干燥過程中的干燥特性以及干燥能耗和效率進行較精確的測定和分析，經(jīng)過分析不同含水率階段影響能耗和效率的主要因素并確定不同干燥階段的詳細優(yōu)選工藝參數(shù)，為干燥裝備的設(shè)計及干燥工藝參數(shù)的控制及組合提供較精確的基準(zhǔn)和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所采用的苜蓿樣本取自伊利牧場的第2茬現(xiàn)蕾期的中苜1號苜蓿，在莖葉粗壯飽滿、無病蟲害、無外界損害、色澤正常試驗區(qū)內(nèi)，用取樣框沿對角線方向分別取5個樣點，刈割時留茬高度為8～10 cm[12-13].取刈割后苜蓿的主莖稈作為樣本，在0～4 ℃條件下貯藏以備試驗.

1.2 儀器與設(shè)備

苜蓿熱風(fēng)干燥實驗臺的結(jié)構(gòu)見圖1；此外，試驗設(shè)備還包括用于快速測定苜蓿含水率的SMART System 5快速測定水分/固形物分析儀(美國培安公司)，以及一個可以調(diào)節(jié)苜蓿莖稈壓扁程度的壓扁裝置.

圖1 苜蓿干燥實驗臺簡圖

干燥實驗臺工作原理如下：將被測物料放置在水分測定儀的托盤上，并設(shè)定干燥溫度；調(diào)速風(fēng)機吸入經(jīng)干燥劑過濾的干燥空氣并配合風(fēng)閥以及熱式風(fēng)速計可調(diào)節(jié)、設(shè)定干燥所需的風(fēng)速；電參數(shù)儀用于測定水分測定儀的電參數(shù)；最終，水分測定儀實時測定的水分、溫度值以及電參數(shù)儀測定的實時能耗同步傳至計算機進行記錄和儲存.

1.3 試驗方法

1.3.1試驗工藝流程

干燥試驗的工藝流程：苜蓿主莖稈→按直徑分類→統(tǒng)一降至70%含水率→壓扁→干燥試驗→采集含水率變化和能耗數(shù)據(jù).技術(shù)要點：試驗取干燥能耗最高、干燥速率最慢的主莖稈為試驗對象，取主莖稈直徑較均勻的苜蓿作為樣本，將主莖桿按照直徑不同進行分類，取部分樣品放在105 ℃烘箱中干燥5 h后，取出后放置在密封的干燥器中冷卻至常溫并立即稱重，測得樣本的初始含水率范圍為75.67%～78.79%.由于新鮮的苜蓿含水率存在著一定的差異，為了減小含水率不同造成誤差以及避免對比性差的問題，本試驗設(shè)計將苜蓿莖稈含水率統(tǒng)一降至70%，質(zhì)量范圍80～100 g，然后在不同的參數(shù)條件下進行薄層干燥試驗.試驗過程中電參數(shù)和含水率值的采樣頻率為1 Hz.儀器設(shè)定如下：連續(xù)3次的采集值之差小于0.002 g時為干燥終點.使用水分測定儀實時測定在某個干燥溫度下水分的變化，電參數(shù)測試儀同步記錄每次試驗的實時功率消耗，兩者都傳送至電腦進行保存.

1.3.2試驗因素及水平的選取

影響苜蓿干燥的因素較多，結(jié)合當(dāng)前清潔能源干燥苜蓿的發(fā)展現(xiàn)狀及工程實際需求選取以下因素進行試驗，并參考相關(guān)文獻的研究結(jié)論和預(yù)試驗結(jié)果確定試驗因素，選取較佳的參數(shù)水平進行試驗.

1.3.2.1干燥溫度對干燥能耗及效率的影響

文獻[7]研究表明，采用低溫干燥對太陽能等清潔能源而言易于實現(xiàn)，且可以較好保存其中的熱敏性營養(yǎng)物質(zhì).文獻[10-11]研究表明70 ℃的熱風(fēng)干燥溫度可以獲得較好的品質(zhì)和干燥效率.基于上述研究結(jié)果，文中將苜蓿鋪為薄層，選擇干燥溫度為60，65，70，75，80 ℃進行試驗.

1.3.2.2壓扁程度對干燥能耗及效率的影響

苜蓿莖稈的水分擴散是一個復(fù)雜的過程，涉及水分子在維管束中的毛細管流動以及莖稈外表面的比表面能等因數(shù).不同程度的壓扁不但會破壞莖稈表皮的蠟質(zhì)層，降低表面能，還可能使得內(nèi)部細胞壁破裂，減小部分結(jié)合水?dāng)U散阻力.此外，壓扁后莖稈的形貌變化也改變了水分擴散的距離，減小內(nèi)部擴散阻力.參考文獻[14]，選擇壓扁系數(shù)(壓扁后最小徑與原直徑的百分比)為100%，90%，80%，70%，60%進行試驗.

1.3.2.3風(fēng)速對干燥能耗及效率的影響

苜蓿莖稈表面有足夠的水分蒸發(fā)時，風(fēng)速的差異直接影響著質(zhì)熱交換.在試驗托盤中放入一定量的水作為干燥物料進行預(yù)試驗.結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速為2.2 m·s-1時，水的蒸發(fā)速率達到最大值.因此，基于節(jié)能的考慮，選擇風(fēng)速為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m·s-1進行試驗.

1.3.2.4苜蓿莖稈直徑對干燥能耗及效率的影響

不同地域氣候條件下的苜蓿長勢往往存在著一定的差異，刈割后苜蓿的莖稈直徑不同，水分在其內(nèi)部的擴散阻力也不同，因此物性參數(shù)對干燥的能耗和效率也存在影響.選擇直徑為1，2，3，4，5 mm的苜蓿莖稈進行試驗.

1.3.3試驗指標(biāo)的測定方法

1.3.3.1水分測定儀熱效率的測定

苜蓿在干燥過程中所需要的能量包括物料最初被加熱升溫所消耗的能量以及所含水分氣化所需要的能量[15].本試驗熱效率的測定方法是將水分測定儀的電源與電參數(shù)儀聯(lián)接，分別設(shè)定水分測定儀的加熱溫度為 60，70，80 ℃，通過測量一段時間內(nèi)試驗容器和試驗水的溫度變化及質(zhì)量變化對應(yīng)的儀器耗電量，可得到熱效率η，計算式為

(1)

式中：m1，m2為試驗水、試驗容器的質(zhì)量，kg；c1，c2為試驗水、試驗容器的比熱容，J·(kg·℃)-1；ΔT為干燥前后試驗水和試驗容器的溫度差，℃；r為水在100 ℃時的汽化潛熱值，J·kg-1；Δm為干燥過程中蒸發(fā)水的質(zhì)量，kg；W是水分測定儀的耗電量，J.

試驗將水的質(zhì)量作為自變量，通過改變水的質(zhì)量多次測量在一定時間內(nèi)水的溫度差以及儀器消耗的電量，計算水分測定儀的熱效率.

1.3.3.2水分比的測定

水分比 (MR)表示一定干燥條件下物料還有多少水分未被干燥除去，可用來反應(yīng)物料干燥速率的快慢.假設(shè)苜蓿干燥樣品的初始質(zhì)量為m0，干物質(zhì)質(zhì)量為mg，測定時當(dāng)前質(zhì)量為mt，則試驗中t時刻的實時含水率為

Xt=[(m0-mt)/m0]×100%，

(2)

其初始干基含水率為

c0=[(m0-mg)/mg]×100%，

(3)

干燥時t時刻的干基含水率為

ct=[(mt-mg)/mg]×100%.

(4)

由式(3)-(4)可得水分比為

職業(yè)認同高的個體所具有的與職業(yè)相關(guān)的積極情感能夠幫助其克服對惡劣工作條件的不滿，會阻礙其離職意向，還有助于同事間合作[3]。因此，保持并提高醫(yī)護工作者職業(yè)認同水平，對我國醫(yī)療事業(yè)的和諧發(fā)展具有重要意義。

(5)

1.3.3.3干燥速率的測定

干燥速率DR計算式為

(6)

式中：ct+Δt為t+Δt時刻的干基含水率；ct為t時刻的干基含水率；t為干燥時間，min；DR為干燥速率，kg·(kg·min)-1.

1.3.3.4干燥能耗的測定

干燥能耗以干燥過程中單位質(zhì)量的脫水量所需要的能量計算，使用水分測定儀實時測定在某個干燥溫度下水分的變化，電參數(shù)測試儀同步記錄每次試驗的實時功率消耗，兩者都傳送至電腦進行保存，然后對功率進行積分運算獲得耗電量.物料在t時刻消耗的能耗Wt計算式為

(7)

式中：Pt為t時刻的功率，W.

1.3.4干燥試驗

溫度取值為60，65，70，75，80 ℃，干燥風(fēng)速取值為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m·s-1，壓扁系數(shù)選擇100%，90%，80%，70%，60%，直徑取值為1，2，3，4，5 mm.由此將溫度(A)、壓扁系數(shù)(B)、風(fēng)速(C)、莖稈直徑(D)作為試驗因素，設(shè)計四元二次回歸正交試驗，因素水平編碼見表1.

表1 四元二次回歸正交試驗因素編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性試驗結(jié)果與分析

2.1.1時間效率下的干燥特性

苜蓿在單位時間內(nèi)的水分散失情況和能耗反映了干燥工藝的時間效率，因此，以時間為橫坐標(biāo)，在其他3個因素取0水平的基礎(chǔ)上，分別給出不同干燥參數(shù)(溫度、壓扁系數(shù)、風(fēng)速、莖稈直徑)條件下的水分比與能耗變化，如圖2所示.

圖2 干燥參數(shù)在時域內(nèi)水分比和能耗的影響

由圖2a可見，溫度對能耗和水分比影響都顯著，且溫度越高單位時間內(nèi)的水分比變化越快，能量消耗也越少，因此提高干燥溫度可提高苜蓿干燥的時間效率；由圖2b可見，壓扁調(diào)制的程度對水分比具有一定的影響但對單位時間能耗影響較小，這表明壓扁調(diào)制可以加快苜蓿內(nèi)部水分的散失，但由于不同組分顆粒從熱源獲得的能量差較大，對能耗影響較小[16]；由圖2c可見，風(fēng)速大小對能耗影響顯著且兩者之間呈非線性關(guān)系，但其對水分比的影響很小，這表明風(fēng)速變化會大幅影響能耗，但對苜蓿干燥的時間效率影響較小.由圖2d可見，苜蓿莖稈的直徑對水分比影響顯著，這表明苜蓿莖稈越細苜蓿內(nèi)部水分散失越快，但直徑大小對單位時間內(nèi)的能量消耗影響很小.

2.1.2能量效率下的干燥特性

苜蓿單位時間內(nèi)的水分變化和能量消耗無法表征除去單位質(zhì)量水分所消耗的能量和速度，因此，在其他3個因素取0水平基礎(chǔ)上，以干基含水率為橫坐標(biāo)，分別對比各干燥參數(shù)(溫度、壓扁系數(shù)、風(fēng)速、莖稈直徑)對苜蓿干燥特性的影響，如圖3所示.

圖3 干燥參數(shù)在不同含水率階段對干燥速率和能耗的影響

由圖3可見，在不同干燥參數(shù)條件下，苜蓿的干燥速率普遍經(jīng)歷了加速干燥和降速干燥階段.這是由于苜蓿由新鮮狀態(tài)至干草過程中，早期的自由水在升溫過程中不斷蒸發(fā)，因此蒸發(fā)速度不斷加快.當(dāng)物料溫度升至設(shè)定溫度，蒸發(fā)速度開始穩(wěn)定，但隨著莖稈內(nèi)部各孔隙面逐漸變干，汽化表面減少，擴散受阻.這造成了水分外逸速度降低.隨著含水率的降低(干基含水率≤1.0)，干燥速率呈現(xiàn)加速下降的趨勢，這表明此時莖稈內(nèi)的水以結(jié)合水和半結(jié)合水為主，水分的散失靠水蒸氣濃度和壓力梯度進行驅(qū)動，擴散難度較大.在干燥的中后期，不同風(fēng)速下的干燥速率差異較小(圖3c)，這表明在該階段，風(fēng)速對干燥無顯著的驅(qū)動作用.

對比圖3中各能耗曲線可見，對于蒸發(fā)相同質(zhì)量的水分，風(fēng)速對能耗的影響最顯著，且風(fēng)速越大能耗越高.溫度、壓扁程度以及莖稈直徑對能耗有一定的影響，且溫度越高、壓扁系數(shù)越大、莖稈越細，蒸發(fā)相同質(zhì)量水分的能耗就越小.

2.2 不同干燥階段的能耗及效率

根據(jù)圖2-3的結(jié)果可知，4個因素條件下，不同的含水率階段，干燥特性呈現(xiàn)不同的規(guī)律.為了進一步研究不同干基含水率階段(將干基含水率c取值區(qū)間2.33～1.0，1.0～0.8，0.8～0.6，0.6～0.4，0.4～0.2分別定義為Q1，Q2，…，Q5階段)各因素對能耗及干燥效率的影響，制定最優(yōu)的干燥策略，對含水率階段所需的能耗和所消耗的時間進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2所示.

表2 不同干燥階段的能量和時間消耗

續(xù)表

依據(jù)表2所示的多元線性回歸試驗結(jié)果分別對各含水率階段的干燥能耗和時間效率進行方差分析和顯著性(F-test)檢驗，設(shè)定置信度為95%時，得到各因素的F值如圖4所示.

圖4 不同含水率階段各因素對干燥能耗及時間效率影響的顯著性

由圖4a可見，在不同的含水率下，風(fēng)速對干燥能耗的影響最為顯著，其次為莖稈直徑，再其次為干燥溫度.壓扁程度對干燥能耗的影響不顯著，這表明在人工中低溫?zé)犸L(fēng)干燥過程中，選擇合適的風(fēng)速可以大大降低干燥能耗，莖桿直徑對干燥能耗影響也較大，壓扁調(diào)制對能耗影響較小.由圖4b可見 ，干燥溫度對時間效率的影響最顯著，其次為莖桿直徑，再其次為壓扁程度，而風(fēng)速對干燥的時間效率影響最小.對比圖4a，b可見，各因素對能耗及時間效率影響的顯著性存在著差異，但溫度和莖稈直徑對兩者的影響都顯著.這種現(xiàn)象表明，合理安排干燥的過程參數(shù)可以實現(xiàn)降低干燥能耗的同時適當(dāng)提高時間效率.莖稈直徑間接反映了苜蓿的長勢或產(chǎn)量情況，而莖稈直徑對干燥能耗及時間效率的影響都顯著，這表明在干燥相同質(zhì)量條件下，苜蓿的長勢和產(chǎn)量不同時合理改變干燥參數(shù)對節(jié)能高效干燥非常重要.

莖桿直徑作為物料因素，在干燥前和干燥中均無法改變.因此，在顯著性分析的基礎(chǔ)上去除莖稈直徑因素，在不同含水率階段，分別對影響干燥能耗及時間效率顯著的因素采用響應(yīng)面法進行分析[17]，確定最佳干燥參數(shù).

對能耗的顯著性分析結(jié)果表明，壓扁調(diào)制對能耗影響較小，進一步分析不同含水率階段的干燥溫度和風(fēng)速對干燥能耗影響的等高線云圖如圖5所示.圖5中，干燥所消耗的能量由藍至紅逐漸變大，黑色線為等高線，紅色點為試驗點.

由圖5可見，風(fēng)速在不同的含水率階段對能耗的影響較一致，均表現(xiàn)為風(fēng)速水平為1.0 m·s-1時能耗最低.以To表示最優(yōu)干燥溫度，在干基含水率c為2.33～1.0階段的To為80～90 ℃，在c為1.0～0.6階段的To為70～90 ℃，在c為0.6～0.4階段的To為70～85 ℃，在c為0.4～0.2階段的To為80～90 ℃.以降低能耗為目標(biāo)的干燥策略是：風(fēng)速保持1.0 m·s-1，干燥溫度開始高，中期低，干燥末期再回升.

圖5 干燥溫度和風(fēng)速在不同含水率階段對能耗的影響

分析不同含水率階段的干燥溫度(因素A)和壓扁系數(shù)(因素B)對時間效率影響，如圖6所示.圖6中，干燥所消耗的時長由藍至紅逐漸變大，黑色線為等高線，紅色點為試驗點.

圖6 干燥溫度和壓扁系數(shù)在不同含水率階段對時間效率的影響

壓扁系數(shù)作為干燥的前置因素，在干燥前由調(diào)制處理確定而在干燥過程中無法改變，因此需要首先確定最優(yōu)的壓扁系數(shù).觀察圖6中使得干燥耗時最少的B因素(壓扁系數(shù))的區(qū)間可知，在干基含水率c為2.33～1.0階段的最優(yōu)區(qū)間為[-1，1]，在c為1.0～0.4階段的最優(yōu)區(qū)間為[-1，2]，在c為0.4～0.2階段的最優(yōu)區(qū)間為[-2，1].由于壓扁調(diào)制工藝本身也有設(shè)備成本和能耗，因此隨著壓扁系數(shù)的增加能耗也增加，從經(jīng)濟性的角度考慮，優(yōu)選壓扁系數(shù)水平為-1(壓扁系數(shù)90%).對于干燥溫度，在干基含水率c為2.33～1.0階段的最優(yōu)干燥溫度To為80 ℃以上，在c為1.0～0.6階段的To為77～85 ℃，在c為0.6～0.4階段的To為80～85 ℃，在c為0.4～0.2階段的To為77～85 ℃.以提高時間效率為目標(biāo)的干燥策略是：壓扁系數(shù)90%，干燥溫度以先高后低的波浪式變化.

對比圖5，6的結(jié)論可見，在各干燥階段，以降低能耗為目標(biāo)的最優(yōu)干燥溫度總是低于以時間效率為目標(biāo)的干燥溫度.壓扁系數(shù)90%且風(fēng)速保持1.0 m·s-1既可以降低能耗也不影響干燥的時間效率.

3 結(jié) 論

1) 在不同干燥參數(shù)條件下，苜蓿的干燥速率普遍經(jīng)歷了加速干燥和降速干燥階段.在不同的含水率，風(fēng)速對干燥能耗的影響最為顯著且兩者之間呈非線性關(guān)系，其次為莖稈直徑，再其次為干燥溫度，壓扁程度對干燥能耗的影響不顯著.對于蒸發(fā)相同質(zhì)量的水分，風(fēng)速越大能耗越高.在干燥的中后期，不同風(fēng)速下的干燥速率差異較小的現(xiàn)象表明，在該階段風(fēng)速對干燥無顯著的驅(qū)動作用.在人工中低溫?zé)犸L(fēng)干燥過程中，選擇合適的風(fēng)速可以大大降低干燥能耗.

2) 干燥溫度對時間效率的影響最顯著，其次為莖桿直徑，再其次為壓扁程度，而風(fēng)速對干燥的時間效率影響最小.由于莖稈直徑間接反映了苜蓿的長勢或產(chǎn)量情況，而莖稈直徑對干燥能耗及時間效率的影響都顯著則表明，苜蓿的長勢和產(chǎn)量不同時合理改變干燥參數(shù)對節(jié)能高效干燥非常重要.

3) 以降低能耗為目標(biāo)的干燥策略是：風(fēng)速保持1.0 m·s-1，干燥溫度開始高，中期低，干燥末期再回升.以提高時間效率為目標(biāo)的干燥策略是：壓扁系數(shù)90%，干燥溫度以先高后低的波浪式變化.在各干燥階段，以降低能耗為目標(biāo)的最優(yōu)干燥溫度總是低于以時間效率為目標(biāo)的干燥溫度.綜合考慮干燥能耗和效率，壓扁系數(shù)90%且風(fēng)速保持1.0 m·s-1既可以降低能耗也不影響干燥的時間效率.