康乃馨熱風干燥特性研究

張亞晶 楊 薇

（昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，云南 昆明 650224）

康乃馨熱風干燥特性研究

張亞晶 楊 薇

（昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，云南 昆明 650224）

選取康乃馨為研究對象，以熱風溫度、風速、裝載量為試驗因素進行單因素試驗，分析各個因素對干燥特性的影響。結(jié)果表明，3個因素對康乃馨的干燥特性影響均顯著，溫度越高，風速越大，裝載量越少，康乃馨達到安全水分所用的時間就越短。采用3種常用的干燥模型單項擴散模型、指數(shù)模型、Page模型對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析和模型的擬合，得出Page模型適合描述康乃馨的干燥進程，并建立康乃馨的干燥模型。通過試驗驗證，Page模型的預測值與實測值的最大誤差僅為6.7%，很好地描述了康乃馨的干燥進程。

康乃馨；熱風干燥；干燥特性；Page模型

康乃馨花茶是深受人們喜愛的一種茶飲，它含人體所需的多種營養(yǎng)元素，主要有鉀、鈣、鈉、鐵、鎂、錳、銅、鋅等［1］。研究［2］證明，康乃馨能改善血液循環(huán)，增強機體的新陳代謝。具有清新除燥，排毒養(yǎng)顏，延緩衰老，調(diào)節(jié)內(nèi)分泌等功能。

關(guān)于花卉的干燥特性及干燥品質(zhì)的研究文獻很多。張曉辛等［3］對菊花在微波－氣流組合干燥下的干燥特性與純氣流干燥和微波干燥下的干燥特性進行了對比，結(jié)果表明采用微波－氣流組合干燥技術(shù)可以使干燥時間縮短到4 h內(nèi)，生產(chǎn)效益大大提高，且干燥后的菊花品質(zhì)較優(yōu)，等級高，市場價格較傳統(tǒng)干制的菊花提高了5～10倍；吉永奇等［4］針對金銀花采用蒸后烘干的干燥方法與傳統(tǒng)的干燥方法相比，金銀花綠原酸的含量和干燥速率都得到了提高；Chen Wei等［5］對康乃馨和玫瑰花的冷凍干燥特性進行了研究，得出在冷凍干燥條件下能得到較好品質(zhì)的干花，但是干燥成本大大提高了，不利于批量生產(chǎn)。

熱風干燥作為一種傳統(tǒng)古老的干燥方法，被廣泛應用于谷物、水果、蔬菜、海產(chǎn)品等各類物料的干燥，具有投資低、管理方便等優(yōu)點，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)干制品的一種重要干燥方式。本試驗以熱風溫度，風速，裝載量為試驗因素，研究康乃馨的熱風干燥特性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

康乃馨鮮花：購自昆明市斗南鎮(zhèn)的花卉生產(chǎn)基地，要求鮮花全開，大小均勻，且無病蟲害的污染。

1.2 試驗設備

熱風干燥箱：本實驗室自制（見圖1）；

電子分析天平：BL310，德國賽多利斯集團。

1.3 試驗方法

1.3.1 康乃馨預處理方法 將買來的新鮮康乃馨剪去花柄，然后手工去除花托及花芯，整朵進行熱風干燥試驗。

1.3.2 試驗因素及水平的選擇 影響物料熱風干燥特性的因素主要有熱風溫度、風速、裝載量、物料形狀大小、預處理方法等［6－8］。就康乃馨干燥，選擇熱風溫度、風速、裝載量作為影響其干燥特性的主要因素。通過試探性的試驗，確定了各試驗因素的水平（見表1）。

圖1 自制熱風干燥箱裝置圖Figure 1 Schematic diagram of hot air dryer

表1 康乃馨干燥試驗因素與水平Table 1 The factors and levels of the test of carnation

1.3.3 單因素試驗方案

為了研究熱風溫度、風速、裝載量對康乃馨干燥特性的影響，根據(jù)選定的因素水平，進行如下單因素試驗。

（1）固定風速為3.4 m／s、裝載量為3 kg／m2，分別采用60，70，80℃的熱風溫度進行康乃馨的熱風干燥試驗，以獲得不同溫度下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線；

（2）固定溫度為70℃、裝載量為3 kg／m2，分別采用3.4，1.5，0.8 m／s的風速進行康乃馨的熱風干燥試驗，獲取不同風速下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線；

（3）固定溫度為70℃、風速為3.4 m／s，分別采用3，6，12 kg／m2的裝載量進行康乃馨的熱風干燥試驗，得到康乃馨在裝載量改變時的干燥曲線和干燥速率曲線。

干燥過程中每隔5 min或15 min測量物料的實時質(zhì)量，計算干基含水率，直到物料達到安全含水率為止。每組重復兩次，取平均值。

1.4 測定指標及其計算方法

1.4.1 初始水分含量的測定 參照GB 5009.3——2010。

1.4.2 干基含水率 干基含水率按式（1）計算［9］：

式中：

Mt—— 康乃馨的干基含水率，g／g；mt—— 康乃馨的實時質(zhì)量，g；

mg—— 康乃馨絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4.3 干燥速率 干燥速率按式（2）計算［10］：

式中：

V t—— 干燥速率，g／（g·min）；

Mt—— 物料在t時刻的干基含水率，g／g；

Mt－1—— 康乃馨在t－1時刻的干基含水率，g／g；

t d——t－1時刻和t時刻的時間間隔，min。

1.4.4 水分比Mr水分比按式（3）計算［11，12］：

式中：

Mr—— 水分比；

M0—— 物料的初始干基含水率，g／g；

Mt—— 物料在t時刻的干基含水率，g／g。

2 結(jié)果與分析

2.1 康乃馨的干燥特性

2.1.1 不同溫度下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線 由圖2可知，溫度一定時含水率隨時間呈指數(shù)變化，而且熱風溫度越高，所用的時間越短。溫度為60℃時，干燥到安全含水率所用的時間為150 min，而溫度為80℃時只用了30 min，干燥時間縮短了90 min。由圖3可知，溫度越高，所表現(xiàn)的干燥速率越大。根據(jù)Trabert理論［13，14］，自由靜水表面的蒸發(fā)量E0可用式（4）表示：

式中：

C——比例常數(shù)；

T—— 絕對溫度，K；

V—— 風速，m／s；

d——一定溫度時水的飽和蒸汽壓和周圍空氣水蒸氣壓力之差，MPa。

那么在風速固定的條件下，溫度T升高時，物料內(nèi)部的水分蒸發(fā)速率就會加快，使干燥時間縮短。整個干燥過程無恒速干燥段，只有調(diào)整階段和降速階段。調(diào)整階段自干燥初始至干燥速率達到峰值，這段時間康乃馨吸收的熱量一部分用于本身的升溫，一部分用于水分蒸發(fā)。調(diào)整階段物料的水分蒸發(fā)量很快達到峰值，康乃馨花瓣表面的水分迅速蒸發(fā)。當表面的大部分水分蒸發(fā)后，而內(nèi)部水分來不及擴散到表面，就會導致干燥速率下降，當干燥進行到一定階段時，由于物料本身收縮，細胞間隙變小，再加上物料表面形成了一層薄薄的殼，使得水分的蒸發(fā)阻力加大，干燥速率不斷減小。由此可見，熱風溫度對康乃馨的干燥特性影響顯著，提高熱風溫度可以加快水分蒸發(fā)，縮短干燥時間。

2.1.2 不同風速下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線 由圖4和5可知，風速越大，干燥速率越大，康乃馨達到安全水分所用的時間就越短。當風速為3.4 m／s時干燥所用的時間比風速為0.8 m／s時節(jié)約了60 min。同樣，根據(jù)Trabert理論，在溫度和裝載量一定的情況下，當風速變化時，蒸發(fā)量也會隨之變化。風速越高，蒸發(fā)量越大，達到安全水分所用的時間就越短。所以在干燥過程中適當提高風速可以加快物料的干燥，縮短干燥時間。

圖2 不同溫度下康乃馨的干燥曲線Figure 2 Drying curves for carnation under different temperature

圖3 不同溫度下康乃馨的干燥速率曲線Figure 3 Drying rate curves for carnation under different temperature

圖4 不同風速下康乃馨的干燥曲線Figure 4 Drying curves for carnation under different wind speed

2.1.3 不同裝載量下康乃馨的干燥曲線和干燥速率曲線

由圖6和7可知，裝載量不同，失水速率也不同，物料達到安全水分所用的時間就不同。當裝載量變大時，失水速率相應的變小，達到安全水分所用的時間加長。這是因為，裝載量越大，物料的鋪料厚度就越大，康乃馨單位質(zhì)量與熱風的接觸面積變小，整體干燥速率就減小了。由此可以看出，當裝載量變大時，物料的干燥速率就會減小。在實際生產(chǎn)中，要確定合適的物料裝載量，以利于水分的蒸發(fā)和節(jié)約能耗。

圖5 不同風速下康乃馨的干燥速率曲線Figure 5 Drying rate curves for carnation under different wind speed

圖6 不同裝載量下康乃馨的干燥曲線Figure 6 Drying curves for carnation under different loading weight

圖7 不同裝載量下康乃馨的干燥速率曲線Figure 7 Drying rate curves for carnation under different loading weight

2.2 康乃馨熱風干燥模型的建立

2.2.1 常用的干燥模型及線性化 描述干燥過程常用的數(shù)學模型主要有以下3種：

（1）單項擴散模型：

式中：

A，K——模型的參數(shù)。

（2）指數(shù)模型：

式中：

B——模型的參數(shù)。

（3）Page模型：

式中：

k，n—— 模型的參數(shù)。

為了確定康乃馨的干燥模型，對3種常用的干燥模型進行線性化。從表達形式上看，指數(shù)模型可以看做是單項擴散模型（A＝1）或Page模型（n＝1）的特殊形式。所以研究康乃馨的干燥模型時，只對單項擴散模型和Page模型進行對比［15］。

單項擴散模型一次線性化后形式如下：

Page模型進行兩次線性化后形式如下：

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分別繪制－Ln（Mr）－t曲線和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲線，結(jié)果見圖8～10。

通過比較圖8～10可知，圖8（b）、圖9（b）、圖10（b）圖呈現(xiàn)出更好的線性關(guān)系。這說明Page模型更適合用來描述康乃馨的干燥進程。

圖8 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同溫度時的曲線Figure 8 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different temperature

圖9 不同風速時的 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt曲線Figure 9 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different wind speed

圖10 －Ln（Mr）－t和Ln（－Ln（Mr））－Lnt不同裝載量時的曲線Figure 10 The curve of－Ln（Mr）－t and Ln（－Ln（Mr））－Lnt under different loading weight

2.2.2 康乃馨干燥模型的建立 為了進一步說明Page模型對康乃馨熱風干燥特性的適用性，采用了SPSS統(tǒng)計分析軟件對圖8（b）、圖9（b）、圖10（b）中的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和模型擬合的方差分析，可以得到各個條件下康乃馨的干燥模型系數(shù)及復相關(guān)系數(shù)R和F值，結(jié)果見表2。表中的復相關(guān)系數(shù)R用來表示變量之間的密切關(guān)系，R越接近1，那么表明模型與試驗數(shù)據(jù)的擬合度越好，越是能很好的反映該條件下康乃馨的干燥進程。用方差分析對回歸結(jié)果進行顯著性檢驗，F(xiàn)值越大，說明回歸方程的顯著性越好。

表2 Page模型擬合結(jié)果及R值Table 2 Regression analysis of Page Model

由表2可知，R值范圍在0.983～0.999，F(xiàn)值均達到顯著效果，說明所得到的回歸方程擬合程度較高，回歸結(jié)果顯著。顯然Page模型適合用來描述康乃馨熱風干燥的干燥動力學規(guī)律。同時，當溫度、風速、裝載量這3個因素中的任何一個因素改變時，k、n值都隨著變化。k值隨著溫度的升高而增大、隨風速的增加而增大、隨著裝載量的增大而減小。n值則隨風速的增大而減小，隨著溫度、裝載量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2.2.3 模型的驗證 圖11表示的是固定風速為3.4 m／s，裝載量為3 kg／m2，溫度分別為60，70，80℃時的實測值與Page模型模擬值的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)其預測值的最大相對誤差僅為6.7%。由此可知，各個干燥條件下建立的Page模型對康乃馨熱風干燥數(shù)據(jù)的擬合性較好，可以用它來描述康乃馨的干燥進程。

圖11 相同條件下實測值與模擬值的比較Figure 11 Comparison of test values and regression values under the same condition

3 結(jié)論

（1）溫度、風速、裝載量對康乃馨的干燥特性均有顯著的影響。溫度越高，風速越大，裝載量越小，康乃馨達到安全水分所用的時間越短。

（2）采用3種常用的干燥模型即單項擴散模型、指數(shù)模型、Page模型對康乃馨薄層干燥特性進行擬合，通過模型線性化后的回歸分析，得到Page模型較適合用來描述康乃馨的干燥進程。

（3）采用SPSS對各條件下的干燥曲線進行擬合，建立了各個干燥條件下的Page方程，且復相關(guān)系數(shù)范圍為0.983～0.999，F(xiàn)值均達到顯著效果。說明所得到的回歸方程擬合程度較高，回歸結(jié)果顯著。通過試驗驗證，Page模型的預測值與實測值的最大誤差僅為6.7%，Page模型能很好的描述康乃馨的干燥動力學規(guī)律。

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Research on hot－air drying characteristics of carnation

ZHANG Ya－jing YANG Wei

（Faculty of Modern Agriculture Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan650224，China）

Hot－air temperature，wind velocity and loading weight were taken as experimental factors to study the drying characteristics of carnation.Experimental results showed that all of the three factors significantly influence the drying characteristics of carnation.It was favorable to strengthen the drying process by increasing drying temperature and wind velocity.But the increase of loading weight could reduce drying rate.The experimental datum was simulated with different mathematical models.The results also showed that Page model was fitted to the hot－air drying curves of carnation.The change regulation of hot－air drying of carnation could be described and predicted very well by Page model according to the comparison of experimental and calculated values.

carnation；hot－air drying；drying characteristics；Page model

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.012

張亞晶（1985－），女，昆明理工大學在讀碩士研究生。E－mail：522176470＠qq.com

楊薇

2011－11－01