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(1.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院,北京 100083; 2.北京科技大學冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室,北京 100083)

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不同干燥方法下枸杞干燥特性及氣流床厚層干燥的壓降特性

張牧心1,尹少武1,2,*,劉傳平1,2,童莉葛1,2,王立1,2

(1.北京科技大學能源與環(huán)境工程學院,北京 100083; 2.北京科技大學冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點實驗室,北京 100083)

對枸杞采用自然晾曬、烘箱薄層和氣流床厚層三種不同方法進行干燥實驗,考察干燥溫度、是否堿水處理等因素對枸杞的干燥速率和干燥特性的影響,同時模擬氣流床內(nèi)的床層壓降,探究不同因素對干燥過程中壓降的影響。實驗結果表明,將新鮮枸杞干燥至含水率13%以下,采用26 ℃的自然晾曬干燥時,經(jīng)堿水處理和未經(jīng)堿水處理的樣品分別耗時103、350 h;而采用溫度為50、60、70 ℃的烘箱薄層干燥法,經(jīng)堿水處理的樣品,耗時分別為14、10.5、6.5 h;溫度對枸杞的干燥速率起決定性作用;枸杞噴灑堿水后干燥速度顯著增加,且枸杞干品表面色澤明亮。氣流床厚層干燥結果表明,氣流速度和孔隙率對壓降影響顯著,氣流溫度對壓降影響不顯著;在雷諾數(shù)(Re)較小的情況下,Ergun方程所預測的壓降值與實驗值吻合較好,本模擬方法可以準確預測氣流床厚層干燥的床層壓降。

枸杞,干燥,干燥特性,壓降

枸杞,中藥稱為枸杞子,既是傳統(tǒng)名貴中藥材,又是一種營養(yǎng)滋補品[1]。目前,枸杞的干燥方式主要是自然晾曬法和機械烘干法。自然晾曬是傳統(tǒng)的干燥方法,其優(yōu)點是簡單且成本低,但是受到天氣因素的影響,不僅干燥時間長,而且直接與外界環(huán)境接觸,衛(wèi)生條件差,干燥品質得不到保證。隨著枸杞種植規(guī)模擴大以及干燥品質要求提高,枸杞機械化烘干需求越來越大,因此,有必要研究枸杞機械化烘干加工工藝[2-3]。

近年來許多學者對枸杞的熱風干燥特性和干燥工藝進行了研究。岑海堂[4]等研究發(fā)現(xiàn),常壓熱風干燥枸杞過程有升速、恒速和降速階段,并推薦了干燥枸杞過程中三個階段宜采用的干燥參數(shù)。賈清華[5]等對枸杞熱風干燥過程中溫度、風速的影響進行研究,發(fā)現(xiàn)氣流溫度是影響干燥速率的主要因素,風速是次要因素。鄭碩[6]等從干燥速率和干燥品質兩方面,對枸杞干燥過程中的相關因素進行實驗和評價。李明濱[7]等對枸杞恒溫恒濕干燥特性進行分析,得出了干燥過程中快速、恒速和降速階段的最佳工藝參數(shù)組合。因此,分階段變溫干燥是枸杞熱風干燥的一個重要研究方向。

本文對枸杞在自然晾曬、烘箱薄層干燥和氣流床厚層干燥等方法下進行了干燥實驗,考察了干燥溫度、是否噴堿水等因素對不同品種枸杞干燥特性的影響,得到了枸杞的干燥特性,并研究了氣流干燥過程中影響壓降變化的因素,以期為枸杞機械烘干技術的推廣奠定基礎。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

枸杞鮮果 中寧1號,由寧夏中寧縣某種植場提供,采摘種植基地成熟枸杞,空運至北京后在5 ℃保鮮存放;堿水 每50 mL水配2.5 g食用堿。

XCT-1型高溫鼓風烘箱裝置 上海錦屏儀器儀表有限公司,電源220 V,加熱功率6 kW,風機功率100 W,溫度范圍:室溫～500 ℃;氣流床 自制,電源220 V,加熱功率10 kW,風機功率2 kW,溫度范圍:室溫～120 ℃,該氣流床系統(tǒng)主要包括:供風系統(tǒng),加熱系統(tǒng),管道系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等,電壓380 V/50 Hz,全壓:6420～5300 Pa,轉速:2800 r/min;電子天平 深圳市博途電子科技有限公司;溫濕度記錄儀 杭州聯(lián)測自動化技術有限公司,測量范圍:溫度-40～100 ℃,濕度0～100% RH,精度:溫度0.5 ℃,濕度0.1% RH。

1.2實驗方法

實驗前,選取大小均勻、成熟飽滿的枸杞顆粒,去除雜質,將堿水用噴壺均勻噴灑在需要噴堿水的枸杞上,每1000 g枸杞噴灑50 mL堿水,放置3 min后開始實驗。

本文實驗對比了枸杞在自然晾曬、烘箱薄層干燥和氣流床厚層干燥方法下的干燥特性。

1.2.1 自然晾曬 實驗在北京科技大學研究生工作室進行,時間為7月份,溫度為21～32 ℃。將枸杞分別選取噴堿水和無堿水枸杞鮮果各50 g,早上9:00至17:00在室外晾曬,其余時間在室內(nèi)通風處存放。

1.2.2 烘箱薄層干燥 采用電熱鼓風干燥箱,干燥過程打開鼓風機,風速為1 m/s。干燥氣流溫度分別為50、60、70 ℃,每個溫度下稱取50 g枸杞并均勻噴灑堿水，進行干燥對比實驗。干燥過程中分別間隔2、1.5、1 h后取出枸杞稱重,直至含水量降至13%以下。實驗完成后對比發(fā)現(xiàn),在60 ℃下枸杞干品質量最佳,故在60 ℃下進行噴堿水和無堿水對比實驗。

1.2.3 氣流床厚層干燥 實驗時稱取一定質量的新鮮枸杞裝入氣流床的干燥箱內(nèi),對枸杞在氣流床中進行厚層干燥實驗,干燥過程中每隔6 h切換氣流風向,實現(xiàn)枸杞交變氣流厚層干燥。

枸杞厚層干燥基本實驗:在風速為1 m/s、料層厚度為10 cm下探究不同溫度(50、60、70 ℃)對枸杞干燥過程的影響;在60 ℃、料層厚度為10 cm下探究不同風速(0.6、0.8、1.0 m/s)對枸杞干燥過程的影響;在60 ℃、風速為0.8 m/s下探究不同料層厚度(5、10、15 cm)對枸杞干燥過程的影響。

枸杞厚層干燥壓降實驗,因素水平見表1,探究不同干燥條件下(每組枸杞600 g)壓降的變化。

表1 壓降實驗中實驗參數(shù)設置表Table 1 Setting table of test parameters in pressure drop test

1.2.4 氣流床壓降模擬 模擬利用Gambit2.4.6建立幾何模型并進行網(wǎng)格劃分,使用Fluent軟件對模型進行計算并得到不同工況下干燥室內(nèi)流場和壓降的具體分布情況。氣流床的干燥室屬于標準的長方體結構,干燥室主體長×寬×高=150 mm×140 mm×300 mm,物料厚度均為10 cm,熱風氣流從干燥室底部吹入、從氣流床上方流出為正向,氣流床幾何模型如圖1所示。

圖1 填有多孔介質的氣流床幾何模型Fig.1 Air beds filled with porous medium geometric model

將干燥室內(nèi)空氣視為不可壓縮流體,不考慮溫度的影響,氣流為穩(wěn)態(tài)流動。本文采取標準k-ε方程模型結合標準壁面模型函數(shù)的方法來解決壁面處粘性力影響區(qū)域的流動,所有的方案模擬計算過程均選用SIMPLE算法。對壁面區(qū)劃分網(wǎng)格時進行網(wǎng)格加密,并在壁面位置設置邊界層,進風口設置為速度進口邊界(velocity-inlet),出風口設置為出口流動邊界(outflow),壓力速度耦合采用SIMPLE算法,控制方程的離散采用有限體積法,動量離散方程采用一階迎風格式。由于出口與大氣相連,故設置表壓為0 Pa。網(wǎng)格類型為非結構化的三角形網(wǎng)格。各模型網(wǎng)格均通過網(wǎng)格質量檢查?？諝馕镄詤?shù)及模型計算參數(shù)設置如表2所示:

表2 模型計算參數(shù)Table 2 Parameters used for simulation

1.2.5 壓降的半經(jīng)驗公式計算 在各種文獻中,床層壓降模型應用比較廣泛的是Ergun方程。Ergun等提出了針對固定床的床層內(nèi)壓降公式,但該公式是一個半經(jīng)驗公式,對于床層內(nèi)不同形狀、不同顆粒粒徑采用了近似處理,代入后期實驗數(shù)據(jù)并計算后,提出目前接受度較高的Ergun方程[8]:

式(1)

式中,Δp為床層壓降,Pa;L為固定床長度；μ為流體動力粘度,kg/ms;d為顆粒直徑,m;φ為孔隙率;ρ為流體密度,kg/m3;u為流體流速,m/s;A、B為經(jīng)驗系數(shù),由實驗確定,根據(jù)文獻現(xiàn)列出三組有代表性的經(jīng)驗系數(shù)的值[9]。

表3 Ergun型方程經(jīng)驗系數(shù)A和B的取值Table 3 Empirical coefficient A and B values in the Ergun type equation

但是人們逐漸發(fā)現(xiàn)該等式是在床層直徑與顆粒直徑之比較大時才成立。Eisfeld等人[10]指出當床層直徑與顆粒直徑之比較小時,Re較低,流體流過壁面受到阻力,從而增加了壓降;Re較高,壁面與物料之間的孔隙率較大,流體在此區(qū)域產(chǎn)生溝流,從而降低了壓降。所以Reichelt[11]等人在Ergun方程基礎上提出了適用于床層直徑與顆粒直徑之比較小時的半經(jīng)驗Reichelt公式:

式(2)

式(3)

式(4)

式(5)

式中,Re為雷諾數(shù);L為物料厚度;D為固定床直徑。

1.3評價指標

1.3.1 含水率 非飽和多孔介質是由固相骨架和骨架孔隙內(nèi)水分組成的濕物料,其含水率(Moisture content)可以按干基含水率和濕基含水率兩種方法來定義[12],分別表示為:

式(6)

式(7)

式中,M為干基(d.b.)含水率,%;W為濕基(w.b.)含水率,%;ms為固相骨架質量,kg;mw為水分質量。

1.3.2 干燥速率 干燥速率即單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分量。按照Falade等[13]的方法,計算公式[14]如下:

式(8)

式中,Vt為t時刻物料(d.b.)的干燥速率,%/h;Mt、Mt-1分別為t、t-1時刻樣品干基含水率，%;Δt為時間間隔,h。

1.4數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)使用Originpro 9.0軟件處理。

2 結果分析與討論

2.1不同干燥方法下枸杞干燥特性

2.1.1 自然晾曬干燥特性 枸杞在自然晾曬條件下干燥曲線如圖2所示。

圖2 自然干燥下是否噴堿水的枸杞干燥曲線及干燥速率曲線圖Fig.2 The drying rate curves and drying characteristicscurves of Chinese wolfberry with and without alkali water under natural drying

結果表明,自然條件下干燥枸杞,不僅干燥時間長,還容易受到天氣因素的影響,導致枸杞品質受損;在自然干燥條件下,噴堿水的枸杞干燥速率遠高于不噴堿水的枸杞干燥速率。干燥至相同含水率,噴堿水的干燥時間為103 h,不噴堿水的干燥時間為350 h。

2.1.2 烘箱薄層干燥特性

2.1.2.1 溫度對干燥的影響 對枸杞分別在50、60、70 ℃下進行噴堿水烘箱干燥,得到其干燥曲線與干燥速率曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同干燥溫度下枸杞干燥曲線Fig.3 Drying curves of Chinese wolfberry under different drying temperature

圖4 不同干燥溫度下枸杞干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curves of Chinese wolfberry under different drying temperature

圖5 60 ℃下是否噴堿水干燥曲線及干燥速率曲線Fig.5 Drying curves and drying rate curves of Chinese wolfberry with and without alkali water at 60 ℃

通過三種溫度下所得到的干燥曲線可知,干燥溫度越高,干燥速率越快,干燥到安全含水率的時間越短。而采用溫度為50、60、70 ℃的烘箱薄層干燥法,經(jīng)堿水處理的樣品,耗時分別為14、10.5、6.5 h。

2.1.2.2 是否噴堿水對干燥的影響 由圖5可知,干燥至相同含水率,噴堿水的干燥時間為12 h,而不噴堿水的干燥時間為16.5 h。故噴堿水可以加快枸杞干燥速度,并且是干燥后的枸杞更鮮亮,更加美觀。且堿水是食用堿調制,可供食用,傳統(tǒng)上允許對枸杞噴灑適量食用堿水。

烘箱薄層干燥過程中沒有出現(xiàn)明顯的恒速干燥階段,整個干燥過程主要是降速干燥階段。降速干燥階段還可分為第一降速階段和第二降速階段。在第一降速階段由于枸杞表面不是完全潤濕,干燥過程開始后不久,物料內(nèi)部水分向表面遷移,枸杞內(nèi)部的水分擴散速率低于表面水分汽化的速度,所以干燥速率下降。當干燥進入第二降速階段時,其干燥速率完全由內(nèi)部水分向外部的擴散速度決定,水分排出更加困難,因而在干燥后期,干燥速率繼續(xù)降低。

2.1.3 氣流床厚層干燥特性 烘箱內(nèi)干燥實驗發(fā)現(xiàn),枸杞在50～60 ℃干燥時,顏色保持好,枸杞干品呈亮紅色,干燥過程中枸杞產(chǎn)生的褶皺也比較美觀。在前期氣流床中干燥時發(fā)現(xiàn),若一直采用較高溫度的熱風干燥,部分枸杞會在表面產(chǎn)生類似水泡一樣的隆起,且顏色發(fā)黃,干燥后枸杞顏色不夠鮮亮,外形也不美觀。因此建議氣流床干燥采用分段變溫干燥,先用較低溫度干燥,進行保色,防止枸杞表面劇烈收縮,第二階段采用較高的溫度干燥,直至含水率為13%以下。本文為了探究料層厚度的變化對壓降的影響,氣流床干燥均采用60 ℃進行恒溫干燥。

圖6 氣流床中枸杞層厚5 cm的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.6 Drying characteristic curves and drying rate curves of 5 cm thick layer of Chinese wolfberry in airflow bed

圖7 氣流床中枸杞層厚15 cm的干燥曲線及干燥速率曲線Fig.7 Drying characteristic curves and drying rate curves of 15 cm thick layer of Chinese wolfberry in airflow bed

實驗結果(圖6～圖7)表明,氣流床干燥時,枸杞料層厚度太薄則干燥效率低,太厚則一方面枸杞之間產(chǎn)生擠壓變形,擠壓后破裂糖分析出發(fā)生黏連,且糖分滲出后經(jīng)高溫烘烤會變黑,導致枸杞干品外形不美觀,另一方面料層太厚干燥不均勻,因此枸杞厚層干燥時的料層厚度適宜在5～15 cm范圍。

2.2氣流床厚層干燥的壓降特性

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理得到不同工況下壓降隨時間的變化曲線如圖8所示,在干燥開始階段,壓降下降明顯,隨后趨于穩(wěn)定。氣流速度越大,壓力變化越大,物料越厚,壓力變化也越大。其中,氣流速度對壓降影響最大,其次是物料厚度,氣流溫度與風速、物料厚度相比,對壓力影響不大。

表4 壓降不同計算方法的計算值與實測值對比Table 4 Comparison of calculated values and measured values of different calculation methods for pressure drop

圖8 實驗中壓降隨風速、物料厚度、溫度的變化曲線Fig.8 The pressure drop curve with the change of wind speed,material thickness and temperature in the experiment

壓降實測值與不同計算方法得到的計算值對比如表4所示,對比編號1和2組實驗結果發(fā)現(xiàn),在氣流速度相同的情況下,氣流溫度升高、孔隙率增大,壓降減小;編號2組與編號4組實驗比較,在氣流速度和孔隙率一樣的情況下,氣流溫度增大并不會影響壓降,壓降的變化與氣流溫度沒有明顯的關系;對比編號1和5組實驗發(fā)現(xiàn),在氣流溫度和孔隙率相同的情況下,氣流速度增大,壓降增大;對比編號1、2、3和5組可以發(fā)現(xiàn),編號3組雖然氣流速度增幅沒有編號5組大,但是孔隙率減小,壓降明顯增加,說明與氣流速度相比,孔隙率對壓降的影響更大。多孔介質中單相流阻力為粘性力與慣性力之和,故孔隙率對壓力變化的影響更大。

根據(jù)范寧公式:

式(9)

可知粘性力與流體速度有關,并且隨著流體速度的增加Re變大,而Re反映了流體流動中慣性力與粘性力之比,其值越大,流體的湍動越劇烈,內(nèi)摩擦力也越大,慣性力影響越來越明顯。所以隨著流體速度的增加,流動阻力增加,壓差增大。而多孔介質區(qū)域孔隙率越大,氣流流通區(qū)域面積增大,壓降自然就越來越小。

其中,Ergun-1和Ergun-3經(jīng)驗公式計算值可以較好的與實測值吻合,可較好的預測壓降;Ergun-2和Eisfeld經(jīng)驗公式并不能很好的預測中藥材厚層干燥過程中的壓降，其計算值均小于實測值,且隨著氣流速度和孔隙率的變化而變化,uφ值越大,誤差越大。比較實測值與Ergun-1經(jīng)驗公式計算值,這六組實驗誤差分別為14.36%、3.63%、2.92%、7.25%、2.80%、13.14%。誤差的產(chǎn)生由于在模型中,把經(jīng)驗系數(shù)A和B簡化為一個常數(shù),而隨著速度的增加,慣性力對壓降的影響越來越明顯,氣流速度較小時,Re也較小,可以忽略Re的影響,但氣流速度增大時就必須考慮Re增加的影響,所以偏差越來越大,但誤差均屬于可接受范圍內(nèi)。

壓降不同經(jīng)驗公式計算值與實測值結果對比如圖9所示,模擬值與實測值十分接近,部分值比實測值稍大,主要因為在模擬軟件中,所有條件均為理想化,干燥室壁面均為絕熱且完全密封,但在實際搭建過程中,雖然做了相關保溫密封工作,仍存在漏風現(xiàn)象,實驗操作與測量中也存在一定的人工誤差與系統(tǒng)誤差,導致模擬值與實測值的偏差。比較實測值與模擬值,這六組實驗誤差分別為1.23%、3.75%、2.85%、2.50%、2.78%、1.47%,誤差均屬于可接受范圍內(nèi)。

圖9 壓降實測值與不同計算方法的計算值對比圖Fig.9 Comparison of measured values and calculated values of different methods for pressure drop

3 討論與結論

本文對不同品種枸杞鮮果在不同方法和干燥參數(shù)下進行了干燥實驗。對比三種干燥方法發(fā)現(xiàn),自然晾曬的枸杞所需干燥時間長,容易返潮吸水,枸杞干品品質較差,如果同時大量晾曬,不僅需要比較大的曬場[15],還需薄攤勤翻,效率低,費時費力;烘箱薄層干燥時間比自然晾曬時間大大縮短,但烘箱內(nèi)溫度波動較大,枸杞干品的品質得不到保證,且一次干燥枸杞的量較少,經(jīng)濟效益較低;氣流床厚層干燥,采用全自動控制系統(tǒng),分段式逐步升溫,各階段風溫風向自動切換,一次干燥量大且干燥時間短,枸杞干品品質最佳?？傮w來說,氣流床干燥效率最高,是一種值得大力推廣的方法。

在上述三種方法中,噴堿水都能大大縮短干燥時間,使枸杞干品更加美觀。在自然干燥、烘箱干燥和氣流床干燥中,噴堿水的枸杞與無堿水的枸杞相比,不僅其顏色更加明亮,干燥時間也明顯縮短。但是由于人為處理不當及其他原因,有些部門反對用堿水處理,所以可以采用其他枸杞促干劑來縮短枸杞干燥時間[16-17]。

對比不同干燥實驗參數(shù)可知,干燥溫度對干燥速率影響顯著,而是否噴堿水對枸杞干燥品質和干燥速率有較大影響。在氣流床干燥中,料層過厚不利于干燥均勻,枸杞過多過厚,會造成底部枸杞擠壓,并且中部枸杞干燥緩慢,故枸杞料層宜在5～15 cm之間。

在相同實驗條件下,氣流溫度對壓降影響不顯著,氣流速度、孔隙率對壓降影響顯著,其中,孔隙率的變化對壓降的影響最大。氣流速度越大,壓降越大;孔隙率越小,壓降越大。當流體Re較小時,Ergun半經(jīng)驗公式可以較好的預測壓降值,Re越大,預測誤差越大。模擬值與實驗所測數(shù)據(jù)最大誤差不超過4%,證明模擬預測壓降結果可信。

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DryingcharacteristicsofChinesewolfberryunderdifferentdryingmethodsandpressuredropcharacteristicsofairflowthick-layerdrying

ZHANGMu-xin1,YINShao-wu1,2,*,LIUChuan-ping1,2,TONGLi-ge1,2,WANGLi1,2

(1.School of Energy and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The drying experiments of Chinese wolfberry were performed at natural drying,oven thin-layer drying and airflow thick-layer drying conditions. The influences of drying temperature and spraying alkali water on Chinese wolfberry were studied,the drying rate curves and drying characteristics were obtained. At the same time,the pressure drop in the airflow bed was simulated to investigate the influence of different factors on the pressure drop during drying process. The results showed that,the fresh Chinese wolfberry were dried to moisture content below 13% under 26 ℃ natural drying conditions,it needed 103 h and 350 h for the wolfberry with spraying alkali water and without alkali water,respectively. When the fresh Chinese wolfberry were dried under oven thin-layer drying conditions,it needed 14,10.5,6.5 h for the wolfberry with spraying alkali water at 50,60,70 ℃,respectively. The temperature played a decisive role in drying rate of Chinese wolfberry. The drying rate increased significantly after spraying alkali water,and the surface of wolfberry was bright. The results of airflow thick-layer drying showed that the air velocity and porosity had significant influence on the pressure,air temperature on the pressure drop was not significant. In Re small,the Ergun equation predicted pressure drop values agreed well with experimental values. This simulation method could accurately predicted the pressure drop of airflow thick-layer drying conditions.

Chinese wolfberry;drying;drying characteristics;pressure drop

2016-11-01

張牧心(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：濕物料干燥技術的研究，E-mail：zmxaxdyj@163.com。

*通訊作者:尹少武(1979-)，男，博士，副教授，主要從事濕物料干燥技術與裝備研發(fā)方面的研究，E-mail：yinsw@ustb.edu.cn。

北京青年英才計劃項目(YETP0360)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0601101)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費(FRF-BD-15-009A)。

TS255.1

:A

:1002-0306(2017)12-0103-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.019