烤煙回潮特性及其動力學(xué)模型

張保全+陳小翔+馬留軍+崔慶偉+鄭登峰+曹廷茂+代昌明+蔣明貴+劉瓊

摘 要：為研究不同條件下煙葉的回潮規(guī)律，對烤煙的回潮特性進(jìn)行分析，并構(gòu)建烤煙回潮的動力學(xué)模型。結(jié)果表明：烤煙回潮過程中煙葉的含水率呈對數(shù)增長趨勢，且各處理均能達(dá)到回潮效果，45 ℃與55 ℃時回潮效率較高；煙葉回潮的動力學(xué)模型為Page干燥模型，各處理的擬合參數(shù)不同，均達(dá)到0.000 1的極顯著水平，其中煙葉回潮的動力學(xué)模型為MR=exp[ （1.965 58-0.118 8×T+0.001 17×T2） ×t1.852 15-0.011 3×T]。在生產(chǎn)過程中可以利用煙葉回潮模型對煙葉的回潮效率進(jìn)行精準(zhǔn)控制，該結(jié)果可為煙葉回潮的研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：烤煙；回潮特性；動力學(xué)模型

中圖分類號：S573 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.08.022

Abstract：In order to study the resurgence law of tobacco leaves under different conditions， resurgence characteristics of flue-cured tobacco were analyzed， and a dynamic model was built. The results showed that the water content of leaf had a logarithmic growth trend， and all treatments could reach the dampening effect， and at 45 ℃and 55 ℃ the resurgence had high efficiency. The dynamic model of a resurgence of tobacco was page drying model， and the fitting parameters of different treatment were different， but all reach a significant level at 0.000 1， the model was MR=exp[ （1.9655 8-0.118 8×T+0.001 17×T2） ×t1.852 15-0.011 3×T]. During the process of production， use of tobacco moisture the model could be used to control the tobacco leaf dampening efficiency.

Key words：flue-cured tobacco； resurgence characteristics； dynamic mode

回潮作為烘烤過程中的重要環(huán)節(jié)，其效率的高低對煙葉烘烤周期以及煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益有著重要影響[1-9]，尤其是在外界天氣持續(xù)干燥少雨以及烘烤旺季烤房數(shù)量不足的情況下表現(xiàn)更加明顯[10]。煙葉的回潮是一個與周圍空氣的水分平衡過程，煙葉與周圍空氣的含水量水分梯度越大，回潮效率就越高。黃鋒等[11]、張宗盛等[12]、周學(xué)政等[13]對制絲加工過程中煙葉回潮特性以及煙葉質(zhì)量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明回潮溫度對煙葉吸濕速率以及煙葉質(zhì)量有較大影響。謝已書等[14]針對烤后煙回潮難的問題利用研制的回潮機(jī)對烤后煙葉進(jìn)行回潮，結(jié)果表明密集烤房烤后煙葉加濕回潮的適宜溫度為50～55 ℃。但對于烤煙回潮時回潮特性的研究鮮見報道。水分動力學(xué)是研究農(nóng)作物回潮干燥特性的重要手段，國內(nèi)外學(xué)者通過一些水分動力學(xué)干燥模型對農(nóng)作物干燥過程中的水分含量變化進(jìn)行了試驗研究[15-19]，并取得了重要成果?；诖?，筆者采用水分干燥動力學(xué)模型對煙葉會回潮過程中水分的變化進(jìn)行擬合研究分析，以期為烤煙回潮的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2015—2016年在貴州畢節(jié)威寧云貴基地進(jìn)行，供試烤房為氣流上升式熱泵煙夾烤房，供試品種為云煙87，試驗所用回潮機(jī)由鄭州格潤加濕器配件銷售有限公司生產(chǎn)，試驗所用干燥箱由上海精宏公司生產(chǎn)，試驗所用天平為上海卓精千分之一BSM電子分析天平。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理： T1，?；鸷蟾汕驕囟冉抵?5 ℃時開始進(jìn)行回潮；T2，干球溫度降至55 ℃時開始回潮；T3，干球溫度降至45 ℃時開始回潮；T4，干球溫度降至35 ℃時開始回潮。

1.3 水分測定

1.4 回潮溫度的控制

回潮溫度通過熱泵進(jìn)行穩(wěn)定控制，回潮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為960 r·min-1。

1.5 干燥模型

干燥模型采用Page模型與Henderson and Pabis模型。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Mathematica 10.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理烤煙的回潮特性

由圖1（a）可知，回潮前期煙葉含水率隨回潮時間增加上升較快，回潮后期上升較慢，回潮時間最短的為45 ℃與55 ℃，最長的為65 ℃，但不同處理回潮過程水分的吸收均呈對數(shù)規(guī)律上升。圖1（b）為煙葉回潮的水分比曲線，從圖中可以看出，前期煙葉回潮的MR降低較快，后期較慢。不同處理差異較大的時間出現(xiàn)在回潮的1.5～2.5 h之間，35 ℃回潮的煙葉前期MR值較大，后期較小，65 ℃的煙葉回潮的MR值表現(xiàn)為前期較小后期較大，但整個回潮過程煙葉的水分比呈指數(shù)規(guī)律下降。圖1（c）為煙葉的回潮速率，由圖可知，35 ℃的煙葉回潮吸濕速率在整個回潮過程中最小，65 ℃煙葉的回潮吸濕速率降低幅度較大，可能是由于回潮溫度過高所致。煙葉的回潮速率分為兩個快速階段與慢速階段，在回潮初期煙葉的含水量較低，當(dāng)烤房內(nèi)空氣濕度增加時，煙葉與空氣的水分梯度較大，吸濕速率急速上升；隨著回潮的推移，煙葉的水分含量不斷增加，二者的水分梯度降低，煙葉的吸濕的動能減少，回潮速率減小。

2.2 烤煙的回潮動力學(xué)模型

2.2.1 回潮模型的選取 煙葉作為一種多孔介質(zhì)，薄層材料，其干燥吸濕過程符合熱動力學(xué)規(guī)律。因此，本文選用Fick第二定律中普適性較好的Page模型與Henderson and Pabis模型。

2.2.2 回潮模型的驗證 隨機(jī)選取50 ℃烤房回潮過程中煙葉的水分參數(shù)的試驗值與理論值進(jìn)行驗證。由圖3可知，Page模型的理論值與實際值的擬合度很高，R2達(dá)到0.957 3，即當(dāng)回潮溫度可知時，可以預(yù)測回潮過程中任意時刻的煙葉含水量比，若已知煙葉的平衡含水率與初始含水率就可以計算煙葉的含水率。

3 結(jié)論與討論

烤煙的回潮特性試驗表明，各處理均能達(dá)到較好的回潮效果。不同處理回潮過程煙葉的含水率變化呈對數(shù)規(guī)律上升，而煙葉的含水量比呈指數(shù)減少趨勢，尤其是在45 ℃與55 ℃進(jìn)行回潮時，煙葉達(dá)到平衡含水率的時間較短，效率較高，這與謝已書等[14]的研究結(jié)果基本一致。就回潮效率而言，65 ℃煙葉回潮效率較低，主要是65 ℃烤房的溫度較高使得煙葉水分的蒸發(fā)效率相對較高，使得煙葉凈吸水量較少，回潮速率較低[9]。而35 ℃時煙葉的回潮效率相對較低，尤其是煙葉的吸濕速率在前期很低，則可能是由于溫度較低，烤房空氣內(nèi)的絕對含濕量相對較低，煙葉與烤房空氣的水分梯度較小，吸收的動能較弱[9]，使得煙葉從空氣中吸收的水分相對較少，煙葉的回潮效率較低[9]。

本試驗效果較好縮短了煙葉回潮的時間，回潮后的煙葉表現(xiàn)為葉片回潮效果較好，但主脈的回潮基本不明顯，煙葉出房時會有一定程度的造碎，因此，對主脈的回潮還需進(jìn)一步的研究。再者，強(qiáng)制回潮與自然回潮對煙葉質(zhì)量有哪些影響未曾涉及，還需在后續(xù)研究中給與一定的關(guān)注。

通過運(yùn)用干燥模型對烤煙回潮進(jìn)行模擬可知，Page干燥模型表達(dá)時參數(shù)少擬合度高，能夠準(zhǔn)確地反映烤煙回潮的水分動態(tài)，而這也是回潮設(shè)備設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化的重要依據(jù)。在實際生產(chǎn)中可以利用此模型預(yù)測并控制烤煙的回潮效果，從而優(yōu)化烤煙回潮方式與方法，減少用電用水能耗，提高生產(chǎn)效率，降低勞動成本。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來[19]，煙葉生產(chǎn)將會向著高效化、智能化發(fā)展[8]?；爻弊鳛闊熑~生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，隨著對煙葉回潮的研究不斷深入，優(yōu)化算法日益完善，將來會成為對煙葉回潮的重要研究對策，回潮模型的構(gòu)建更可以在一定程度上加速對煙葉回潮研究的進(jìn)程。

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