基于旋風(fēng)式烘干機(jī)的油菜籽干燥工藝優(yōu)化

呂 磊

吳明亮1,2,3

謝 偉1

向 偉1

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128；2. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；3. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

基于旋風(fēng)式烘干機(jī)的油菜籽干燥工藝優(yōu)化

呂 磊1

吳明亮1,2,3

謝 偉1

向 偉1

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128；2. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；3. 湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128)

為探索油菜籽單位時間失水率影響因素，研究旋風(fēng)式干燥方式下油菜籽的最佳干燥工藝參數(shù)，利用自制的旋風(fēng)式油菜籽烘干機(jī)進(jìn)行干燥試驗(yàn)。選取旋風(fēng)式烘干機(jī)的干燥溫度、氣流速度、分級器內(nèi)孔直徑為主要因素進(jìn)行單因素和多因素旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)式烘干機(jī)的干燥溫度、氣流速度、分級器內(nèi)孔直徑3因素是影響油菜籽單位時間失水率的主要因素，其取值范圍為：干燥溫度70～90 ℃，氣流速度17～22 m/s、分級器內(nèi)孔直徑130～140 mm；多因素試驗(yàn)表明，影響油菜籽單位時間失水率的因素顯著性順序?yàn)椋焊稍餃囟?氣流速度>分級器內(nèi)孔直徑；旋風(fēng)式干燥方式下油菜籽的最佳干燥工藝參數(shù)為干燥溫度85 ℃、氣流速度19 m/s、分級器內(nèi)孔直徑136 mm。

油菜籽；烘干機(jī)；旋風(fēng)；分級器

中國油菜的種植面積和總產(chǎn)量均占世界25%以上，占國內(nèi)油料作物產(chǎn)量的60%[1]，常年種植面積達(dá)8.0×106hm2，總產(chǎn)量1.2×107t，并且呈現(xiàn)上升趨勢[2]。油菜籽粒間空隙小、堆積密度大，干燥時受熱面積小導(dǎo)致受熱不均，嚴(yán)重影響干燥效率，同時油菜籽蛋白質(zhì)含量高，吸濕性強(qiáng)，收儲過程中因干燥不均勻會出現(xiàn)局部發(fā)熱、生芽、霉變等現(xiàn)象，影響菜籽油的品質(zhì)[3-4]。

目前中國針對大田作物籽粒干燥技術(shù)及裝備研究較多，主要是針對水稻、小麥的干燥工藝參數(shù)及對應(yīng)裝備的研究，其成果已在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。劉春山等[5]研究了糧食干燥工程中各個參數(shù)對干燥后糧食含水率的影響，并采用降維法進(jìn)行了相關(guān)的分析，建立的數(shù)學(xué)模型為塔式干燥機(jī)參數(shù)的確定提供了相應(yīng)的參考依據(jù)；謝煥雄等[6]研制了5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)小麥干燥機(jī)，并通過試驗(yàn)分析了空載和滿載條件下干燥床面風(fēng)場、水分和溫度分布，干燥機(jī)熱效率和能耗等特性，得到了箱式換向通風(fēng)干燥機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)；李長友等[7]設(shè)計了高濕糧食貯藏干燥機(jī)，并從理論上分析糧食干燥狀態(tài)參數(shù)和水分結(jié)合能的變化特性，能同時完成多個品種糧食的干燥需求。然而，油菜籽無論外觀形狀、機(jī)械力學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)組成等均不同于水稻和小麥，將現(xiàn)有稻、麥烘干機(jī)直接用于油菜籽干燥，無論從干燥裝備還是工藝參數(shù)都難以滿足油菜籽的干燥要求，因此有必要研究油菜籽專用干燥設(shè)備和干燥工藝。

旋風(fēng)式干燥是一種通過風(fēng)力輸送物料將其連續(xù)加入干燥管內(nèi)，在高速熱氣流的輸送和分散中，物料與熱氣流并流，充分接觸，使?jié)裎锪现械乃终舭l(fā)的干燥方式[8]。為此，筆者結(jié)合油菜籽干燥工藝要求，為實(shí)現(xiàn)干燥效率高、干燥后的油菜籽含水率均勻的目的，設(shè)計了一臺油菜籽旋風(fēng)式烘干機(jī)。本研究擬利用旋風(fēng)式烘干機(jī)干燥油菜籽，對影響油菜籽干燥性能的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為油菜籽旋風(fēng)式烘干機(jī)干燥工藝的制定提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

油菜籽：湘油11號，測定除雜后的新鮮油菜籽含水率W1和經(jīng)晾曬干燥的油菜籽含水率W0，并分別標(biāo)記為樣品A和樣品B，將油菜籽樣品分別裝入密封袋儲存于3～4 ℃的冰柜中。測得其含水率W1=20.78%；W0=7.84%。

1.2 儀器與設(shè)備

水分測定儀：MA 35型，量程0～35 g，精度1 mg，北京賽多利斯儀器有限公司；

智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀：KMI-500A型，量程0～30 m/s，精度0.01 m/s，上海日暮電子科技有限公司；

熱電偶：TM902C系列K型，量程-50～400 ℃，精度0.1 ℃，杭州滕策電子科技有限公司；

旋風(fēng)式烘干機(jī)：實(shí)驗(yàn)室自制，主要由變頻電機(jī)、調(diào)頻控制器、高壓離心風(fēng)機(jī)、溫度控制箱、電加熱爐、加料器、加料器管、分級器、干燥器、旋風(fēng)收料器、卸料器等組成，見圖1。干燥器進(jìn)風(fēng)口處安裝有TM902C系列K型熱電偶測定干燥器進(jìn)風(fēng)口溫度，即干燥溫度。干燥器進(jìn)風(fēng)口處同時安裝有智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀測定風(fēng)速，即氣流速度。干燥器的頂端設(shè)置有分級器，通過更換分級器實(shí)現(xiàn)對其內(nèi)孔直徑參數(shù)的改變。工作時，調(diào)頻控制器調(diào)控變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動高壓離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生可變氣流，經(jīng)電加熱裝置熱交換形成熱氣流并經(jīng)加料器管道進(jìn)入干燥器內(nèi)；油菜籽從加料器中喂入，在加料器管道中隨熱氣流一起切向進(jìn)入干燥器內(nèi)，隨同高速低壓的旋轉(zhuǎn)氣流在干燥器內(nèi)做螺旋上升運(yùn)動。同時油菜籽與熱氣流充分接觸并實(shí)現(xiàn)熱交換，水分逐漸除去。失水后的油菜籽因質(zhì)量減少，所受慣性離心力隨之變小而導(dǎo)致螺旋上升運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)半徑也逐漸變小，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)半徑≤分級器內(nèi)孔直徑時，籽粒則通過分級器內(nèi)孔進(jìn)入到旋風(fēng)收料器內(nèi)，完成油菜籽的干燥。

1. 加料器管 2. 高壓離心風(fēng)機(jī) 3. 溫度控制箱 4. 加料器 5. 電加熱爐 6. 分級器 7. 干燥器 8. 旋風(fēng)收料器 9. 卸料器 10. 變頻電機(jī) 11. 調(diào)頻控制器

圖1 油菜旋風(fēng)式烘干機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

Figure 1 Rapeseed whirlwind dryer structure diagram

1.3 試驗(yàn)方法

為研究旋風(fēng)式烘干機(jī)工作參數(shù)對油菜籽干燥性能的影響，選擇干燥溫度、氣流速度和分級器內(nèi)孔直徑對單位時間失水率的影響規(guī)律開展試驗(yàn)研究。

1.3.1 油菜籽單位時間失水率的測定 更換安裝于干燥器頂端分級器內(nèi)孔直徑，設(shè)定氣流速度v，調(diào)控干燥溫度T；稱取質(zhì)量為m0、含水率為W1的油菜籽樣品A從加料器中喂入，用秒表計時，記錄從油菜籽喂入至卸料口處沒有物料排出時的時間t，稱量排出的油菜籽質(zhì)量m2，用MA35型水分測定儀測定其含水率W2。由式(1)計算單位時間失水率[8]，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

(1)

(2)

(3)

式中：

m2——排料口排出的油菜籽質(zhì)量，kg；

m1——烘干機(jī)實(shí)際干燥質(zhì)量，kg；

W1——油菜籽初始含水率，%；

W2——油菜籽最終含水率，%；

A——失水率，%；

V——單位時間失水率，%/min；

t——試驗(yàn)時間，min。

1.3.2 最低氣流速度初選 為保障油菜籽干燥過程中能懸浮于氣流場中，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，測試烘干機(jī)內(nèi)氣流速度對油菜籽正常排出情況進(jìn)行試驗(yàn)，從而得到旋風(fēng)式烘干機(jī)正常工作的最低氣流速度。

試驗(yàn)時，干燥器頂端不安裝分級器，通過調(diào)頻控制器配合智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀測定調(diào)控氣流速度v，每次氣流速度改變量為1 m/s，將質(zhì)量mj的油菜籽從加料器中喂入，記錄卸料口中排出的油菜籽質(zhì)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值記為該試驗(yàn)風(fēng)速下排出的油菜籽質(zhì)量mc。由式(4)計算出籽率。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

(4)

式中：

C——出籽率，%；

mj——喂入量，kg；

mc——出籽量，kg。

圖2 不同氣流速度對出籽率的影響Figure 2 Effect of different airflow speed on seeds yield

由圖2可知：隨著氣流速度的增大，出籽率逐漸增大，當(dāng)氣流速度達(dá)到14 m/s時，油菜籽從干燥器內(nèi)排出率接近100%，即在此氣流速度下，油菜籽經(jīng)烘干機(jī)作業(yè)能完全排出，不會殘留在烘干機(jī)內(nèi)；查文獻(xiàn)[9]可知，油菜籽的懸浮速度為6.52～7.46 m/s，綜上所述烘干機(jī)正常作業(yè)的最低氣流速度為14 m/s。

1.3.3 分級器內(nèi)孔直徑初選 為保障油菜籽經(jīng)干燥后其含水率能達(dá)到安全含水率標(biāo)準(zhǔn)，通過更換分級器內(nèi)孔直徑，進(jìn)行不同含水率油菜籽的干燥試驗(yàn)，從而得到旋風(fēng)式烘干機(jī)工作適宜的分級器內(nèi)孔直徑范圍。

試驗(yàn)時，通過更換干燥器頂端的不同內(nèi)孔直徑的分級器(分級器內(nèi)孔直徑D取80～160 mm，每次分級器內(nèi)孔直徑D改變量為10 mm)，通過調(diào)頻控制器配合智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀測定調(diào)控氣流速度v，因安裝有分級器，故將進(jìn)行試驗(yàn)的風(fēng)速設(shè)置為20 m/s。分別將質(zhì)量為mj的樣品A和樣品B油菜籽從加料器中喂入，記錄從卸料口中排出的對應(yīng)的油菜籽質(zhì)量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值記為該分級器內(nèi)孔直徑下的樣品A和樣品B油菜籽排出質(zhì)量mc，由式(4)計算其出籽率，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 分級器內(nèi)孔直徑對出籽率的影響Figure 3 Effect of different classifier inner hole diameter on seeds rate

分級器內(nèi)孔直徑D取值150～160 mm時，樣品A、樣品B試驗(yàn)的出籽率均大于50%，故烘干機(jī)使用此區(qū)間的內(nèi)孔直徑進(jìn)行試驗(yàn)時，有未干燥或未干燥完全的油菜籽排出；分級器內(nèi)孔直徑D取80～110 mm時，樣品A、樣品B試驗(yàn)的出籽率均低于20%，此時烘干機(jī)干燥后的油菜籽無法正常排出；分級器內(nèi)孔直徑D取110～140 mm時，樣品B試驗(yàn)的出籽率逐漸增大接近至100%，樣品A試驗(yàn)的出籽率幾乎為0。綜上所述分級器內(nèi)孔直徑D取110～140 mm時，能夠同時滿足烘干機(jī)內(nèi)油菜籽安全儲藏含水率W0≤8%正常排出，油菜籽含水率W1=20.78%不出籽的設(shè)計要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對單位時間失水率的影響

油菜籽品質(zhì)受溫度影響較大，應(yīng)根據(jù)不同干燥機(jī)類型嚴(yán)格控制干燥過程中的最高料溫。干燥機(jī)一般的干燥溫度為75～85 ℃，不得超過90 ℃[7]，故選取干燥器進(jìn)風(fēng)口溫度T=60～90 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時，稱取油菜籽樣品A，每組5 kg，取氣流速度v=20 m/s、分級器內(nèi)孔直徑D=140 mm，測定進(jìn)風(fēng)口溫度在60，70，80，90 ℃對單位時間失水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 烘干溫度對單位時間失水率的影響Figure 4 Effects of different drying temperature on water loss rate per unit time

結(jié)果表明：隨著溫度的升高，單位時間失水率逐漸增大。溫度從60 ℃增大到80 ℃時，單位時間失水率增大明顯，溫度從80 ℃增大到90 ℃時，單位時間失水率較高，且單位時間失水率基本維持在1%/min左右，可以預(yù)測，溫度繼續(xù)增大，其單位時間失水率變化很少，能量消耗將會大幅增加。故油菜籽干燥溫度宜取70～90 ℃。

2.2 氣流速度對單位時間失水率的影響

試驗(yàn)時，稱取油菜籽樣品A，每組5 kg，取干燥溫度T=80 ℃、分級器內(nèi)孔直徑D=140 mm，測定進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速在17，19，22，25 m/s時對單位時間失水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 氣流速度對單位時間失水率的影響Figure 5 Effects of different airflow speed on water loss rate per unit time

結(jié)果表明：隨著氣流速度的增大，單位時間失水率呈先增大后減小的趨勢，且在氣流速度19 m/s時取得最大值。通過對氣流速度與單位時間失水率的分析，故干燥適宜的氣流速度在17～22 m/s。

2.3 分級器內(nèi)孔直徑對單位時間失水率的影響

試驗(yàn)時，稱取油菜籽樣品A，每組5 kg，取干燥溫度T=80 ℃、氣流速度v=19 m/s，測定分級器內(nèi)孔直徑在110，120，130，140 mm對單位時間失水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 分級器內(nèi)孔直徑對單位時間失水率影響

Figure 6 Effects of different diameter of classifier inner hole diameter on water loss rate per unit time

結(jié)果表明：隨著分級器內(nèi)孔直徑的增大，單位時間失水率逐漸增大，當(dāng)內(nèi)孔直徑在130～140 mm時，單位時間失水率增長緩慢，基本維持在1%/min以上。分析分級器內(nèi)孔直徑與單位時間失水率的關(guān)系，選取分級器內(nèi)孔直徑為130～140 mm時較為適宜。

2.4 多因素正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.4.1 多因素試驗(yàn)因素水平設(shè)計 為獲得3因素組合下的最優(yōu)解，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)臍饬魉俣?、干燥溫度、分級器?nèi)孔直徑為試驗(yàn)因素，使用Design-Expert軟件進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)處理及分析[10]。二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)各因素水平編碼見表1。

將因素水平編碼表代入Design-Expert 8.0軟件中，軟件將自動生成試驗(yàn)參數(shù)組合[11]。根據(jù)所得到的試驗(yàn)參數(shù)組合進(jìn)行多因素試驗(yàn)，取各影響因素水平值為自變量，油菜籽單位時間失水率為評價指標(biāo)。最終試驗(yàn)結(jié)果記錄并代入軟件中，見表2。

表1 試驗(yàn)因素及水平編碼表Table 1 Coding with experimental factors and levels

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of test

2.4.2 響應(yīng)曲面分析 使用Design-Expert 8.0軟件的ANOVA功能對表2的試驗(yàn)結(jié)果建立回歸模型。得到下列單位時間失水率二次多元回歸擬合方程[12]：

(5)

2.4.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 利用二次回歸方程預(yù)測獲得最優(yōu)參數(shù)組合[15]為：干燥溫度85.20 ℃、氣流速度19.16 m/s、分級器內(nèi)孔直徑135.90 mm，此時烘干機(jī)對油菜籽單位時間失水率的軟件分析值為1.12%/min，響應(yīng)曲面見圖7。經(jīng)取整，干燥溫度85 ℃、氣流速度19 m/s、分級器內(nèi)孔直徑136 mm。對上述最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。烘干機(jī)對油菜籽干燥的實(shí)際單位時間失水率為1.11%/min，油菜籽干燥后的含水率為7.65%。單位時間失水率實(shí)際值與模型預(yù)測值相比，誤差為0.01%/min，可忽略不計，驗(yàn)證了模型是合理可靠的。

表3 試驗(yàn)結(jié)果的回歸模型方差分析?Table 3 Regression model with variance analysis of tests

? *表示為顯著(P<0.05)，**表示為極顯著(P<0.05)。

圖7 烘干溫度和氣流速度對單位時間失水率影響 的相應(yīng)曲面

Figure 7 The response surface of the drying temperature and airflow speed on water loss rate per unit time

3 結(jié)果

本研究利用自制的旋風(fēng)式油菜籽烘干機(jī)進(jìn)行干燥工藝優(yōu)化試驗(yàn)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取氣流速度、干燥溫度、分級器內(nèi)孔直徑3因素進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，采用Design-Expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，確定最佳工藝參數(shù)為：干燥溫度85 ℃、氣流速度19 m/s、分級器內(nèi)孔直徑136 mm。此條件下所得油菜籽單位時間失水率的實(shí)際值與模型預(yù)測值相比，誤差僅為0.01%/min。研究結(jié)果解決了油菜籽干燥效率低、干燥不均勻的問題，為油菜籽的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)參考。本研究對油菜籽干燥工藝應(yīng)用還處于小試階段，有待進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

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Optimized technology of rapeseed drying based on whirlwind dryer

LULei1

WUMing-liang1,2,3Cedric1Cedric1

XIEWei1

XIANGWei1

(1.CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China; 2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha,Hunan410128,China; 3.HunanProvinceModernAgriculturalEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenter,Changsha,Hunan410128,China)

In order to explore the influencing factors of water loss rate per unit time during rapeseed drying, the optimum drying technological parameters of rapeseed under whirlwind drying were studied. The drying experiments were also carried out by using the self-made whirlwind drying machine of rapeseed. The singleand multi factors rotating orthogonal tests were undertaken by choosing the main factors including drying temperature, air velocity and the diameter of the inner diameter of the whirlwind dryer. The single factor test showed that the drying temperature, the air velocity and the diameter of the inner hole of the whirlwind dryer were the three main factors that affected the water loss rate per unit time of the rapeseed: The drying temperature is 70～90 ℃, the air flow rate is 17～22 m/s, and the diameter of the inner hole of the classifier is 130～140 mm. The multi factor test on the other hand showed that the significant factors affecting the water loss rate per unit time of the rapeseed were in the order of Drying temperature, airflow speedand classifier inner hole diameter. It was also found that the optimum drying technological parameter of rapeseed in whirlwind mode drying at 85 ℃, with airflow velocity 19 m/s and grading hole diameter 136 mm. The research provided a theoretical basis for the drying process optimization of the rape whirlwind dryer.

rapeseed; dryer; whirlwind; classifier

湖南省科技重大專項(編號：2014FJ1006)；湖南省科技廳重點(diǎn)項目(編號：2016NK2120)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(編號：CX2016B286)

呂磊，男，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

吳明亮(1972—)，男，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士。 E-mail：mlwu@hunau.edu.cn

2017—03—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.023