茭白薄層熱風干燥特性與動力學研究

諸愛士,陳震宇,成 忠

(浙江科技學院生物與化學工程學院,杭州310023)

茭白是中國特有的水生蔬菜。茭白營養(yǎng)豐富,據(jù)分析,100 g茭白含蛋白質(zhì)1.4 g,脂肪0.3 g,果糖1.1 g,鈣 40 mg,磷43 mg,鐵0.3 mg。此外,它還含有維生素C、核黃素、尼克酸、胡蘿卜素及多種氨基酸等營養(yǎng)成分。茭白潔白、甘甜、鮮嫩、味美,食法多樣,燒、炒、蒸、燉、燜皆可成佳肴,既可與葷料合烹,又可輔以食用菌、葉菜類合燒,還可以作水餃、包子和餛飩的餡。茭白味甘、性寒,有解熱毒、除煩渴、利二便等的功效[1]。由于茭白是水生植物,水足肉嫩,所以極易腐爛變質(zhì),在鮮貨市場直銷時,儲藏期不超過1周[2]。因此有學者研究其加工,除常規(guī)的曬茭白干外,有室溫保鮮液保鮮[3]、生產(chǎn)茭白罐頭[4],還有微波干燥[5]等。本實驗采用熱風對片狀茭白進行薄層干燥[6],探討了風溫、風速[7]、茭白切片厚度及裝載量等對干燥的影響,對干燥動力學進行了分析計算,用Page模型擬合了不同風溫、風速下的干燥方程,并將對流傳熱系數(shù)α及傳質(zhì)系數(shù)k H與風速進行了關(guān)聯(lián),這些關(guān)系可為工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鮮茭白:市售,產(chǎn)自杭州附近農(nóng)村。樣本粗細均勻、新鮮,平均含水率為94.2%(濕基),保濕冷藏于冰箱備用。

原料處理:鮮茭白→挑選→清洗→去殼→切片→裝盤。

1.2 試驗設(shè)備

DG100D數(shù)字型洞道干燥裝置(浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司制造),DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司制造),BS124S型精密分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司制造),T500Y型電子天平(常熟雙杰測試儀器廠制造)。

1.3 實驗方法

設(shè)置好數(shù)字型洞道干燥裝置需要的溫度和風速,待其穩(wěn)定;稱取需要量的茭白片(控制同一因素考察時各實驗裝載量基本一樣),平鋪一層蓋滿整個干燥盤,進行干燥,記錄干燥時間和質(zhì)量,直至質(zhì)量不變,停止實驗。得到的干制品除平衡含水率不一樣外,不同條件下干制品均色清白、味清香。再將干燥盤從干燥裝置中取出放入恒溫鼓風干燥箱,在105℃下恒重,得出茭白片絕干質(zhì)量,進行數(shù)據(jù)處理。

1.4 結(jié)果表達

干基含水率X:

干燥速率U i:

式中:A為干燥接觸面積,m2;τ為干燥時間,s;Gi-1,Gi+1分別為τi-1,τi+1時刻物料質(zhì)量,g;Ui為τi時刻干燥速率,g/(m2?s)。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥條件

2.1.1 不同溫度對干燥過程的影響

片狀(厚約2 mm)茭白,風速0.733 m/s、平均裝載量1.180 kg/m2,考察干燥溫度55、60、65、70、75 ℃(濕球溫度37.5、40.2、43.3、45.5、48.2 ℃)對干燥的影響,計算得干燥曲線(圖1)和速率曲線(圖2)。

圖1、圖2顯示,干燥溫度高,干燥速率快,干燥相同時間下物料的含水率就低。這是由于溫度越高,傳熱推動力——溫度差越大;空氣的相對濕度也越低,空氣與物料之間的傳質(zhì)推動力——濕度差就越大。干燥過程可分為3個階段:預熱、恒速及降速干燥階段,符合傳統(tǒng)的干燥速率曲線變化規(guī)律。預熱段時茭白放入干燥設(shè)備,物料預熱,在升溫的同時失去水分,速率加快。恒速段時去除的是茭白片表面附著的非結(jié)合水分,表面溫度為濕球溫度,保持不變,使傳熱溫差不變;物料表面是飽和濕度,故傳質(zhì)推動力也不變,干燥速率不變。降速階段去除的是茭白片內(nèi)部的水分和結(jié)合水分,此時水分從內(nèi)部移動到表面的速率趕不上表面水分汽化速率,再加上物料表面濕度變小使傳質(zhì)推動力減小,導致干燥速率下降。加速階段極短。溫度越高,進入恒速干燥階段越快,恒速階段時間越短,臨界含水率(恒速階段轉(zhuǎn)入降速階段的轉(zhuǎn)折點所對應的含水率)越高。由于茭白組織結(jié)構(gòu)比較疏松,有利于水分傳遞,故非結(jié)合水分脫除快,使得恒速階段速率較大、也比較短,較快進入降速段,降速段長。干燥速率受溫度影響較顯著,隨溫度升高而增高。數(shù)據(jù)表明,70℃后隨溫度升高而使干燥時間減少及平均速率增高的幅度已經(jīng)減小;雖提高干燥溫度對過程有利,但溫度升高亦增加了能耗;從干燥效率和物料熱敏性來說,干燥溫度不宜過高。溫度過高,物料被烤熟、色澤變黃,營養(yǎng)成分也被破壞得越多,結(jié)合文獻[3],干燥溫度以70℃為宜。

2.1.2 不同風速對干燥過程的影響

片狀(厚約2 mm)茭白,干燥溫度70℃(濕球溫度約45℃)、平均裝載量1.256 kg/m2,考察風速0.423、0.598、0.733、0.846、1.037 m/s對干燥的影響,得到干燥曲線(圖3)和速率曲線(圖4)。

如圖3、圖4所示,風速越大,干燥越快。這是因為風速越大,強制對流越好,傳熱與傳質(zhì)邊界層越薄,傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)均增大。因此增大風速有利于干燥,但風速增大也使加熱空氣所需能耗增加。干燥過程與2.1.1一樣出現(xiàn)預熱、恒速及降速3個階段;風速越大,加速階段時間越短,恒速階段越短,臨界含水率越高。干燥速率受風速影響較大,隨速度增大而增大,但其增輻逐漸減小;數(shù)據(jù)表明,0.733 m/s后隨風速的增加而使干燥時間減少及平均速率增高的幅度明顯減小。綜合考慮,以風速0.733 m/s干燥為宜。

2.1.3 不同厚度及裝載量對干燥過程的影響

風速0.733 m/s、干燥溫度70℃(濕球溫度約45℃),考察茭白切片的厚度與裝載量(約1.5 mm、1.067 kg/m2,約 2.0 mm 、1.256 kg/m2,約 3.0 mm 、2.168 kg/m2,約 1.5 mm 、裝雙層 、1.998 kg/m2)對干燥的影響,得到干燥曲線(圖 5)和速率曲線(圖6)。

圖5顯示,切片薄有利于干燥,這與水分內(nèi)部擴散與傳遞有關(guān);薄一半但物料裝二層要比厚的一層物料干燥快,起始階段快得少些,降速階段要快得多些。這與層間縫隙有關(guān),剛開始兩層貼得緊,等表面出現(xiàn)干區(qū),層間出現(xiàn)縫隙,就有利于傳遞;但切片薄需要更多的切片工時,輔助工時增加會影響生產(chǎn)能力;從茭白切片厚度、量及干燥速率綜合來看,厚度以2 mm左右為宜。而圖6顯示,單位面積揮發(fā)的水分隨裝載量增加而增大,這與物料和水分總量有關(guān);相同的裝載量,薄一半物料裝二層要比厚的一層物料干燥速率大,這與干燥時物料與熱風接觸的面積有關(guān)。

2.2 干燥模型和系數(shù)

2.2.1 干燥方程

大量文獻證明,蔬菜干燥適用薄層Page模型[7-10],采用該模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合。方程為:

對式(1)線性化后得出:

式中:X0為物料初始含水率,g/g;X*為干燥平衡含水率,g/g;K、n為干燥方程參數(shù)。

將不同溫度、不同風速實驗數(shù)據(jù)分別在ln[-ln MR]與lnτ坐標上作圖,見圖7,可得到直線的斜率即為方程的系數(shù)n,直線的截距即為方程中的ln K。

圖7 不同干燥風速、風溫下的干燥曲線ln[-ln MR]與lnτ的關(guān)系Fig.7 Relationship between ln[-ln MR]and lnτat different wind speeds and temperatures

由圖7可見,在干燥前期,各線基本是直線,說明干燥曲線較好地符合Page模型,后期可能由于測量等誤差導致線性變差,這與文獻[8-9]一致。各干燥方程的系數(shù)K與n見表1和表2。

表1 風速0.733 m/s時不同溫度干燥方程系數(shù)Table 1 Drying equations coefficient of different temperatures at 0.733 m/s

表2 70℃時不同風速干燥方程系數(shù)Table2 Drying equations coefficient of different wind speeds at 70℃

2.2.2 恒速階段對流傳熱系數(shù)α計算與關(guān)聯(lián)

根據(jù)單位面積水分汽化所需熱量由單位傳熱面?zhèn)鬟f的熱量提供的原理,即α(t-tw)=Nwr w[11],可得:α=Nwrw/(t-tw);查得 rw,計算不同風速 u、不同溫度t下的α值見表3和表4。

式中:Nw為速率曲線中恒速階段的干燥速率U i;α為對流傳熱系數(shù),W/(m2?K);t為干球溫度,℃;tw為濕球溫度,℃;r w為濕球溫度對應的水汽化潛熱,k J/kg。

表3、表4數(shù)據(jù)表明,α隨風速增大而增大,其關(guān)聯(lián)式為α=91.46u0.7749,R2=0.961 9;而α與溫度的關(guān)聯(lián)不明顯。

表3 不同風速的αTable3 Convective heat-transfer coefficientαof different wind speeds

表4 不同溫度的αTable 4 Convective heat-transfer coefficientαof different temperatures

2.2.3 恒速階段傳質(zhì)系數(shù)kH計算與關(guān)聯(lián)

根據(jù)水分揮發(fā)速率等于傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動力——濕度差的乘積的原理,即 Nw=kH(Hw-H)[11],可得:k H=Nw/(H w-H);查得 H w與H,計算出不同u、t下的k H值,見表5和表6。

式中:kH為傳質(zhì)系數(shù),g/(m2?s?ΔH);H w、H 為空氣的飽和濕度、實際濕度,kg/kg。

表5、表6數(shù)據(jù)表明,kH亦隨u增大而增大,它們之間的關(guān)聯(lián)式為kH=79.24u0.7661,R2=0.959 2;而干燥溫度對kH影響不大。

表5 不同風速的k HTable 5 The mass transfer coefficient k H of different wind speed

表6 不同溫度的k HTable6 The mass transfer coefficient k H of different temperature

3 結(jié) 語

1)不同條件下的干燥均可分為預熱、恒速及降速干燥3個階段。預熱與恒速階段短;風溫愈高、風速愈大、切片厚度越薄,干燥曲線愈陡、速率曲線愈高、恒速階段愈短。對茭白片干燥,比較適宜的條件是:干燥溫度70℃、風速0.733 m/s、切片厚2 mm左右。

2)各條件下的干燥方程均符合Page模型。

3)風速對 α與k H影響明顯,各自的關(guān)系均隨風速增大而增大,關(guān)系為:α=91.46u0.7749,kH=79.24u0.7661;而α與k H不受干燥溫度的影響。

干燥模型及傳熱、傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)可為工業(yè)化生產(chǎn)時的干燥條件選擇提供依據(jù),也為干燥設(shè)備的設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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