巨菌草高溫快速干燥設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫慶運(yùn) 王光輝 王德成 李巖芳 葉炳南

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

巨菌草系禾本科狼尾草屬多年生草本植物，原產(chǎn)自非洲，福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究所于2005年自南非引種成功[1]。巨菌草作為一種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的刈割型牧草，一年可以刈割多次，平均產(chǎn)量可以達(dá)到150 t/hm2，營養(yǎng)價(jià)值豐富[2-3]。另外，巨菌草還可以作為食用菌與藥用菌的培養(yǎng)料，以及用于生產(chǎn)乙醇、秸稈生物質(zhì)燃料等[4]。

巨菌草收獲后的含水率在70%～85%之間，物料較高的水活度會引起物料變質(zhì)[5]，不利于巨菌草的貯藏和加工，因此需要降低其內(nèi)部含水率。通過干燥降低物料中的水分，從而限制微生物生長，阻止化學(xué)反應(yīng)和酶解反應(yīng)，減少營養(yǎng)成分的損失，延長貯藏時(shí)間。

人工干燥主要分為強(qiáng)制通風(fēng)干燥、高溫快速干燥、刈割壓扁以及化學(xué)添加劑干燥[6]等，其中高溫快速干燥方法應(yīng)用最為廣泛[7]。為了實(shí)現(xiàn)苜蓿的快速干燥，王光輝等[8]研制了一種牧草組合干燥裝備，由氣流干燥和轉(zhuǎn)筒干燥組合而成，提高了苜蓿干燥的效率。王建英[9]提出了一種四重滾筒牧草干燥機(jī)，并以苜蓿品質(zhì)作為指標(biāo)，進(jìn)行了干燥工藝參數(shù)優(yōu)化。GU等[10]則通過分析柔性顆粒在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)的干燥過程，建立了相應(yīng)的傳熱傳質(zhì)模型，分析干燥過程中水分的傳遞和熱量的交換。關(guān)于牧草干燥方面的研究還有太陽能干燥[11-13]、自然晾曬[14]等。但是目前國內(nèi)外尚未見關(guān)于巨菌草干燥方面的研究，缺乏針對巨菌草以及高稈禾草高溫快速干燥的成套設(shè)備以及干燥工藝方法。

本文結(jié)合高稈禾草的物理特性，以高溫干燥工藝方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套適合巨菌草以及高稈禾草干燥的高溫快速干燥設(shè)備，以解決現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)率低、堵料、集料不充分的問題。利用該套設(shè)備進(jìn)行巨菌草干燥生產(chǎn)試驗(yàn)，并與新鮮物料、自然晾曬物料進(jìn)行對比，分析干燥后巨菌草表觀質(zhì)量和品質(zhì)的變化。

1 干燥設(shè)備總體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

為滿足巨菌草干燥的需求，以初始含水率65%、最終含水率17%、生產(chǎn)率3～4 t/h為設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了以高溫空氣為熱源的三回程轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備。該套設(shè)備的總長度30 m，高度為9.5 m，包括進(jìn)料段、干燥段、集料段、除塵段以及控制單元。其中進(jìn)料段包括關(guān)風(fēng)器、上料機(jī)、進(jìn)風(fēng)管路、進(jìn)料前后溫度傳感器以及壓力傳感器；干燥段包括三回程轉(zhuǎn)筒、鏈傳動(dòng)部分、托輪以及擋輪；集料段則包括集料器、出料關(guān)風(fēng)器1、溫濕度傳感器和壓力傳感器；除塵段由旋風(fēng)除塵器、出料關(guān)風(fēng)器2以及風(fēng)機(jī)組成，其中風(fēng)機(jī)作為物料輸送的主要?jiǎng)恿?。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖如圖1a所示，圖1b為設(shè)備的實(shí)物圖。

圖1 干燥設(shè)備Fig.1 Schematic diagram and physical drawing of drying equipment1.生物質(zhì)鍋爐 2.進(jìn)風(fēng)管路 3.溫度傳感器 4.進(jìn)料關(guān)風(fēng)器 5.溫度傳感器 6.壓力傳感器 7.三回程轉(zhuǎn)筒 8.托輪 9.擋輪 10.驅(qū)動(dòng)鏈輪 11.出料關(guān)風(fēng)器1 12.集料器 13.出料關(guān)風(fēng)器2 14.旋風(fēng)除塵器 15.風(fēng)機(jī) 16.溫濕度傳感器和壓力傳感器

1.2 工作原理

設(shè)備的熱源為673 K以上的高溫空氣，牧草經(jīng)進(jìn)料關(guān)風(fēng)器進(jìn)入進(jìn)風(fēng)管路中，迅速與高溫空氣混合，發(fā)生劇烈的傳熱傳質(zhì)過程，牧草的溫度迅速上升，表面水分快速蒸發(fā)，牧草表面和內(nèi)部形成較大的水分差，在水勢的作用下，內(nèi)部水分迅速遷移到牧草表面，同時(shí)高溫空氣溫度降低。高速的高溫空氣起到輸送的作用，牧草依次通過三回程轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的3個(gè)筒體，在抄板的作用下牧草與高溫空氣迅速混合，將牧草內(nèi)部水分充分蒸發(fā)，使牧草內(nèi)部的含水率降到安全含水率以下。干燥后的整草和碎草由集料器進(jìn)行收集，物料中的粉塵由氣流帶走，經(jīng)旋風(fēng)除塵器將灰塵排出。該干燥設(shè)備通過控制單元控制各部分電動(dòng)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速以及風(fēng)機(jī)風(fēng)量等，實(shí)現(xiàn)最佳的干燥效果。

2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1.1熱量

依據(jù)設(shè)備的生產(chǎn)率以及初始含水率等參數(shù)，對干燥系統(tǒng)所需熱量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，物料干燥所需要的熱量Q可分為3部分，包括物料中水分蒸發(fā)所需要的熱量Q1、干料升溫所需的熱量Q2以及產(chǎn)品中殘余水分升溫所需的熱量Q3(假設(shè)出口物料的溫度等同于出口處氣體的溫度)。

Q1=W[γ0+cw1(t2-273)-(tm1-273)cw]

(1)

式中γ0——水273 K時(shí)的氣化潛熱，取2 504 kJ/kg

W——水分蒸發(fā)量，kg/h

cw1——水蒸氣比熱容，取1.926 kJ/(kg·K)[16]

t2——干燥設(shè)備出口熱空氣溫度，取373～393 K

tm1——巨菌草入口溫度，K

cw——水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·K)

Q2=Gcm(t2-tm1)

(2)

式中G——巨菌草產(chǎn)量，kg/h

cm——巨菌草比熱容，參考苜蓿草比熱容取1.368 kJ/(kg·K)

Q3=Gcww2(t2-tm1)

(3)

式中w2——巨菌草出口含水率，取17%

換熱損失取25%，物料干燥所需的熱量為

Qw=1.25(Q1+Q2+Q3)

(4)

需熱量計(jì)算公式為

(5)

式中t1——干燥設(shè)備入口處熱空氣溫度，K

t0——環(huán)境的空氣溫度，K

經(jīng)計(jì)算,每小時(shí)所需熱量為1.91×107kJ。

2.1.2氣體體積流量

空氣消耗量的計(jì)算公式為

(6)

式中A——單位時(shí)間空氣消耗量，kg/h

cg——空氣的比熱容，取1.05 kJ/(kg·K)

空氣和水蒸氣密度隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為

(7)

(8)

式中ρg——空氣密度，kg/m3

ρw——水蒸氣密度，kg/m3

t——溫度，K

空氣的體積流量Vg的計(jì)算公式為

(9)

水蒸氣的體積流量Vw的計(jì)算公式為

(10)

該設(shè)備氣體總體積流量V為

V=Vg+Vw

(11)

基于以上公式計(jì)算得出氣體總體積流量為75 000 m3/h。

2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1入料段

入料段的作用主要是連接生物質(zhì)鍋爐與三回程轉(zhuǎn)筒筒體，并與筒體入口形成密閉環(huán)封，由于二者中心線之間存在高度差，因此進(jìn)風(fēng)管路存在折彎，如圖2a所示。三回程轉(zhuǎn)筒入口風(fēng)速設(shè)計(jì)為30～40 m/s，管路半徑公式為

V=3 600πR2v

(12)

式中R——入料段管路半徑，m

v——入口風(fēng)速，m/s

圖2 入料段結(jié)構(gòu)圖和氣流場仿真圖Fig.2 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of feeding section1.管路 2.入料口 3.環(huán)封

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，入料段管路直徑為0.8 m。

為了提高物料進(jìn)入后的輸送能力，避免堵料，通過FLUENT流體仿真軟件對入料段內(nèi)部氣流場的變化進(jìn)行模擬，如圖2b所示，來分析入料的最佳位置。從圖2b可以看出，在入料段底部折彎處會出現(xiàn)低速區(qū)，如果物料從斜段進(jìn)入將會在底部折彎處出現(xiàn)堆料現(xiàn)象，與高溫空氣混合會出現(xiàn)燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。因此加長了入料段的直段長度，將關(guān)風(fēng)器置于風(fēng)速均勻的直段上，解決了干燥設(shè)備的進(jìn)料問題，保證高溫空氣與巨菌草充分混合。

304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)α為1.87×10-5K-1，入料段的總長度為6.80 m，正常工作最高溫度為773 K。熱膨脹長度計(jì)算公式為

δ=αl(T-T1)

(13)

式中δ——熱膨脹長度，mm

l——不銹鋼段長度，mm

T——管路內(nèi)氣體溫度，K

T1——環(huán)境溫度，K

入料段不銹鋼管路的膨脹長度為63.58 mm，考慮到筒體的材料為Q235A，熱膨脹系數(shù)為1.06×10-5K-1，入料段的總長度為10.4 m，外筒工作溫度以473 K計(jì)算，因此筒體的熱膨脹長度為22.05 mm，總膨脹長度為85.63 mm。根據(jù)總熱膨脹長度確定環(huán)封的長度為100 mm。

2.2.2筒體以及內(nèi)部抄板

圖3為筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，抄板均勻分布于內(nèi)筒、中筒、外筒，抄板高度一般為兩筒之間間隙的1/2。抄板的數(shù)量由經(jīng)驗(yàn)公式獲得，即

N=(5～8)D

(14)

式中N——筒體內(nèi)抄板數(shù)量

D——筒體直徑，m

圖3 筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Inner structure diagram of rotary drum1.外筒 2.抄板 3.中筒 4.內(nèi)筒 5.虛支撐

當(dāng)筒體直徑較小時(shí)，系數(shù)選7～8，筒體直徑較大時(shí)，系數(shù)選5～7即可。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，內(nèi)筒、中筒以及外筒氣流的風(fēng)速依次是17、13、9 m/s，并由總體積流量近似計(jì)算筒體直徑。

2.2.3筒體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的筒體傳動(dòng)方式采用的是托輪與滾圈摩擦傳動(dòng)，托輪與滾圈摩擦傳動(dòng)的破壞點(diǎn)為托輪軸，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計(jì)算，筒體轉(zhuǎn)矩較大，增大了托輪軸直徑，且托輪與滾圈的磨損嚴(yán)重，從而降低了設(shè)備的使用壽命。另外當(dāng)筒體內(nèi)部的物料量較大時(shí)，托輪與滾圈之間的摩擦力所提供的轉(zhuǎn)矩不足以帶動(dòng)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。本套設(shè)備采用了外鏈嚙合傳動(dòng)的方式，不僅解決了摩擦傳動(dòng)所出現(xiàn)的問題，還避免了齒輪齒圈外嚙合傳動(dòng)中齒圈破壞更換困難的問題。

由于三回程轉(zhuǎn)筒的質(zhì)心在中軸線上，因此轉(zhuǎn)動(dòng)過程中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)僅需要克服牧草所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩即可。轉(zhuǎn)矩的近似計(jì)算公式為

(15)

其中

式中TN——轉(zhuǎn)矩，N·m

F——濕草單位生產(chǎn)率，kg/h

ti——滾筒內(nèi)牧草的停留時(shí)間，min

R1——外筒直徑，m

R2——中筒直徑，m

R3——內(nèi)筒直徑，m

M0——初始濕基含水率，%

Mt——中間濕基含水率， %

Mf——最終濕基含水率，%

(16)

式中P——電動(dòng)機(jī)功率，kW

n——轉(zhuǎn)速，r/min

經(jīng)過計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)功率為16.87 kW，因此選擇22 kW驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

由于托輪軸所承受的扭矩由軸承摩擦力產(chǎn)生，扭矩很小，可以忽略，所以僅考慮筒體的壓力所產(chǎn)生的彎矩即可。因此托輪軸的校核公式為

(17)

式中M——彎矩，N·mm

Wt——危險(xiǎn)截面抗彎截面模量，mm3

[σ]——許用應(yīng)力，MPa

2.2.4集料器

集料器的主要功能是收集干燥后的牧草，并將粉塵由高速的氣體帶走。集料器的結(jié)構(gòu)形式多樣，有研究人員曾采用物料撞擊壁面的方式收集物料，但存在集料不充分的問題[17]。

為了保證物料完全落下，并且粉塵被帶走，最終確定入口風(fēng)速為10 m/s，筒體入口直徑為1.6 m。本套干燥設(shè)備中的集料器采用切入式的進(jìn)料方式，物料進(jìn)入集料器內(nèi)以螺旋的形式運(yùn)動(dòng)，物料沿著筒壁螺旋向下，在錐段低速區(qū)依靠重力落下，物料經(jīng)關(guān)風(fēng)器排出，提高了集料器的效率。通過多次仿真分析發(fā)現(xiàn)，降低入口的高度Ld，以及加大直筒高度L2與錐段高度L1比值，有利于提高集料器生產(chǎn)效率。最終確定L2/L1=2為最佳參數(shù)。集料器筒體直徑DJ的計(jì)算公式為

DJ=1.5DR

(18)

式中DR——筒體入口直徑，m

圖4b和圖4c為優(yōu)化后集料器內(nèi)流場的流速分布圖和矢量圖。從圖中看出，入口中心線以下處于低速區(qū)，氣流沿壁面向下，質(zhì)量較大的整料在重力和氣流的作用下運(yùn)動(dòng)到底部由出料關(guān)風(fēng)器排出，粉塵則隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)除塵器。

從工作現(xiàn)場可以看出，集料器出料均勻，物料均從出料關(guān)風(fēng)器排出，旋風(fēng)除塵器下方無整料和碎料排出，集料效果滿足要求。

圖4 集料器結(jié)構(gòu)示意圖和氣流場仿真圖Fig.4 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of a collector

圖5 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)示意圖和氣流場仿真圖Fig.5 Schematic diagram and simulation chart of airflow field of a cyclone separator

2.2.5旋風(fēng)除塵器

圖5a為該除塵器的結(jié)構(gòu)示意圖，進(jìn)口形式將直段切入改為圓弧切入，使氣流平滑地進(jìn)入，避免了除塵器內(nèi)部渦流的產(chǎn)生，并提高了除塵效果。旋風(fēng)除塵器入口最佳風(fēng)速為18～23 m/s，取18 m/s。入口長寬比為2∶1，因此長和寬分別為1.5、0.75 m。另外減小了直筒高度L4與錐筒的高度L3比值，確定最佳高度比為1∶2，通過增加錐筒的高度L3，提升了除塵效果。直筒長度L4與直筒筒徑DZ為

L4=(1.3～1.4)LC

(19)

DZ=2LC

(20)

式中LC——入口長度，m

內(nèi)筒長度LN與內(nèi)筒直徑DN為

LN=(1.2～1.3)LC

(21)

DN=2LC/3

(22)

圖5b和圖5c為優(yōu)化后旋風(fēng)除塵器內(nèi)部的氣流場，從圖中可以看出內(nèi)部氣流沿著錐段螺旋向下，在底部形成零速區(qū)，粉塵落下經(jīng)關(guān)風(fēng)器排出，氣流由旋風(fēng)除塵器上部出口排出。從工作現(xiàn)場來看，排放到空氣中的氣體為清潔空氣，未出現(xiàn)粉塵，改善了工作環(huán)境。

2.3 控制單元

控制單元用于控制整個(gè)干燥設(shè)備的運(yùn)行，包括輸送機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、關(guān)風(fēng)器、引風(fēng)機(jī)、溫度傳感器等?？刂茊卧x用信捷XC-3型PLC、信捷TG765-NT型觸摸屏、緯創(chuàng)AC70-T3型變頻器。該控制單元分為自動(dòng)選擇和手動(dòng)選擇兩種，其中自動(dòng)選擇根據(jù)需求依次打開出料輸送帶、除塵器關(guān)風(fēng)器、集料器關(guān)風(fēng)器、引風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)筒、喂料關(guān)風(fēng)器、上料機(jī)，引風(fēng)機(jī)風(fēng)量由變頻器控制，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速由電磁調(diào)速電機(jī)調(diào)速機(jī)控制。溫度傳感器采用PT100型熱電偶，測量入口溫度和出口尾風(fēng)溫度。

3 巨菌草干燥特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)原料取自廣東省雷州市，所選巨菌草的株高在2 m左右，收割后巨菌草長度為2～5 cm，并實(shí)現(xiàn)破節(jié)處理。物料含水率(濕基)的測定參照文獻(xiàn)[18]，在378 K溫度環(huán)境下，干燥24 h。巨菌草的初始含水率為(76±2)%，水活度0.978 2。

設(shè)備有高溫快速干燥設(shè)備(中國農(nóng)業(yè)大學(xué))、DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(中儀國科(北京)科技有限公司)、ES1000型電子天平(天津市德安特傳感技術(shù)有限公司)、LabScan XE型色度儀(美國HunterLab)、KDY-9830型凱氏定氮儀(KETUO)、纖維儀(ANKOM)、Aqualab 4TEV型水活度儀(美國)、JFSD-100-Ⅱ型錘片式粉碎機(jī)(上海嘉定糧油儀器有限公司)。

3.2 試驗(yàn)方案

設(shè)備調(diào)試過程中參數(shù)的選擇，確定干燥工藝參數(shù)為入口溫度723 K，出口溫度383 K，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速4.5 r/min。收割后的巨菌草，直接經(jīng)上料機(jī)輸送至入料段，經(jīng)干燥設(shè)備進(jìn)行干燥，干燥后的巨菌草放入密封袋中保存，并測量其最終含水率以及其他品質(zhì)指標(biāo)。并分別與自然晾曬物料和新鮮物料進(jìn)行對比分析。

3.3 主要指標(biāo)參數(shù)的確定

3.3.1濕基含水率

濕基含水率計(jì)算公式為

(23)

式中Mw——濕基含水率，%

mt——t時(shí)刻的物料質(zhì)量

m0——初始物料質(zhì)量

3.3.2色澤度

將新鮮物料在313 K恒溫干燥箱中，干燥48 h作為對照組。由高溫快速干燥設(shè)備干燥后的物料以及自然晾曬的物料，同樣在313 K恒溫干燥箱中，干燥48 h。然后將干燥后的物料由錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過1 mm篩，然后經(jīng)色度儀測量物料的色澤。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值?？偵钪档挠?jì)算公式為[19]

(24)

式中 ΔE——干燥前與干燥后巨菌草總色差值

L——干燥后巨菌草的亮度值

a——干燥后巨菌草的紅綠值

b——干燥后巨菌草的藍(lán)黃值

L0——對照組的亮度值

a0——對照組的紅綠值

b0——對照組的藍(lán)黃值

3.3.3水活度

將干燥后的巨菌草粉碎，并利用水活度儀測量干燥后各組的水活度，當(dāng)水活度小于0.6時(shí)，巨菌草滿足貯藏要求。

3.3.4粗蛋白含量

粗蛋白含量的測定參照GB/T 6432—1994。將粉碎后的物料(富含有機(jī)物)準(zhǔn)確稱量0.5 g，在催化劑作用下，使用98%的濃硫酸消化，將物料中的氮化合物轉(zhuǎn)化為硫酸銨；消化液在濃堿作用下蒸餾，釋放出氨；冷凝后用硼酸吸收，結(jié)合生成硼酸銨；以甲基紅-溴甲酚綠作為指示劑，最終用鹽酸進(jìn)行標(biāo)定[20]。得出氮的含量，根據(jù)不同的物料再乘以一定的系數(shù)C(通常情況下C=6.25)，即為粗蛋白含量。

3.3.5纖維含量

纖維含量由范式纖維測定法進(jìn)行測定，首先物料經(jīng)中性洗滌劑煮沸處理，不溶解的殘?jiān)鼮橹行韵礈炖w維，其中包括半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和硅酸鹽。然后經(jīng)酸性洗滌劑處理，剩余的殘?jiān)鼮樗嵝韵礈炖w維，其中包括纖維素、木質(zhì)素和硅酸鹽。經(jīng)過換算得到酸洗和中洗纖維含量。

3.3.6生產(chǎn)率

由于生產(chǎn)條件的限制，在設(shè)備正常運(yùn)行過程中，選取3個(gè)不同時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段接取1 min物料，稱量后求平均值，從而確定最終的單位時(shí)間生產(chǎn)量。

3.3.7數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)由SPSS 20和Excel 2010軟件處理后進(jìn)行分析。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.4.1巨菌草的最終含水率以及水活度

高溫快速干燥的參數(shù)為：入口溫度723 K，出口溫度383 K，筒體轉(zhuǎn)速4 r/min，干燥后巨菌草的濕基含水率為(16±1.82)%，水活度為0.564 8。這個(gè)結(jié)果與蘋果片干基含水率和水活度之間的數(shù)值關(guān)系接近[21]。干燥后巨菌草的含水率達(dá)到了安全含水率(17%)，水活度低于0.6，干燥后的巨菌草滿足貯藏要求。另外由于巨菌草特有的物理結(jié)構(gòu)，外部有堅(jiān)硬的表皮，破碎不完全將會造成內(nèi)部水分無法散失，因此干燥前需要進(jìn)一步提高巨菌草收獲的破碎程度，實(shí)現(xiàn)巨菌草破節(jié)處理；另一方面干燥設(shè)備參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高巨菌草在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的停留時(shí)間，增加水分的蒸發(fā)。

3.4.2干燥后巨菌草色澤度的變化

表1為不同處理后巨菌草色澤的變化，結(jié)果表明，高溫快速干燥與自然晾曬相比總色差較小，與未處理物料的色澤更接近，表觀質(zhì)量更好。高溫快速干燥與新鮮物料的L值和b值相比均無顯著性變化，亮度值L略有增加，這與萵筍切片的色澤變化相似[22]，與蘋果片[23]、甜瓜[24]的試驗(yàn)結(jié)果相反，這是由于蘋果片和甜瓜干燥處理過程中會發(fā)生褐變，從而亮度值下降，而對于巨菌草可能是干燥過程對色澤造成了一定的損失，顏色變淺從而亮度增加。另外高溫快速干燥后巨菌草a值增加了1.43，說明與未處理物料相比，綠度有所下降，這可能是由于干燥過程中高溫造成巨菌草內(nèi)部葉綠素等成分變性失活，而造成綠度下降。與新鮮物料相比，自然晾曬后菌草的a值與b值無顯著性變化，但亮度值L有較

表1 干燥前后巨菌草色澤度的變化Tab.1 Change of color of hybrid pennisetum before and after drying

注:同一列相同字母表示無顯著差異(P>0.05)，不同字母表示有顯著差異(P<0.05)，下同。

大的上升，增加了6.22?？傮w上看，高溫快速干燥對巨菌草的色澤影響較少。圖6a～6c分別為新鮮物料、高溫快速干燥后物料、自然晾曬后物料實(shí)物圖。

圖6 不同處理下巨菌草實(shí)物圖Fig.6 Physical drawings of hybrid pennisetum under different treatments

3.4.3菌草品質(zhì)的變化

從表2中可以看出，高溫快速干燥后的巨菌草與未處理的新鮮巨菌草相比，成分含量均沒有顯著性差異。高溫快速干燥后的巨菌草粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了0.6個(gè)百分點(diǎn)，酸性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升了3.17個(gè)百分點(diǎn)，中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較小；與自然干燥相比，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了0.63個(gè)百分點(diǎn)。而自然晾曬后的巨菌草較新鮮巨菌草粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了1.23個(gè)百分點(diǎn)，中性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降。與紫花苜蓿的干燥結(jié)果類似[14]。數(shù)據(jù)表明高溫快速干燥對物料的品質(zhì)的損失較少，可以較大限度地保留巨菌草內(nèi)部的營養(yǎng)成分。

3.4.4生產(chǎn)率的測算

3次物料接取的質(zhì)量為45.24、43.26、47.76 kg，進(jìn)而計(jì)算得出巨菌草生產(chǎn)率為2.73 t/h。從結(jié)果上來看未達(dá)到3 t/h的生產(chǎn)率。這主要是由于牧草的初始含水率高于設(shè)計(jì)含水率(65%)，因此由于初始含水率較高而出現(xiàn)生產(chǎn)率未達(dá)到的問題；另一方面牧草收割時(shí)粉碎的不充分，需要較高的尾風(fēng)溫度使物料達(dá)到安全含水率。

表2 干燥前后巨菌草的品質(zhì)變化Tab.2 Change of quality of hybrid pennisetum before and after drying %

4 結(jié)論

(1)基于巨菌草快速干燥的需求，設(shè)計(jì)了一套大型巨菌草高溫快速干燥設(shè)備。通過關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，得到干燥設(shè)備每小時(shí)耗熱量為1.91×107kJ，氣體總體積流量為75 000 m3/h。并對關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過FLUENT流體仿真進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)通過干燥試驗(yàn)得出，在入口溫度723 K、出口溫度383 K、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速4 r/min的干燥條件下，干燥后巨菌草的含水率為(16±1.82)%，水活度為0.564 8，生產(chǎn)率為2.73 t/h，滿足了巨菌草的貯藏需求。

(3)巨菌草高溫快速干燥后亮度值L和藍(lán)黃值b與新鮮物料相比均無顯著性差異，紅綠值a有所增加，a值增加了1.43。與自然晾曬相比，高溫快速干燥的菌草色澤變化較小，具有較好的表觀質(zhì)量。

(4)高溫快速干燥后巨菌草成分含量與新鮮物料相比均無顯著性差異，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0.6個(gè)百分點(diǎn)，酸性洗滌纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升了3.17個(gè)百分點(diǎn)，與自然晾曬相比，粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了0.63個(gè)百分點(diǎn)。