澳洲堅(jiān)果中紅外干燥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王教領(lǐng) 宋衛(wèi)東 丁天航 王明友 吳今姬 周德歡 周 帆

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

澳洲堅(jiān)果原產(chǎn)于澳大利亞，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，中國(guó)的種植面積已超6 000 hm2，預(yù)測(cè)未來(lái)15年內(nèi)，中國(guó)將成為全球最大生產(chǎn)國(guó)[1]。澳洲堅(jiān)果仁營(yíng)養(yǎng)豐富[2-5]，被譽(yù)為堅(jiān)果之王，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6]。干制是澳洲堅(jiān)果生產(chǎn)加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于其油脂含量高、對(duì)溫度敏感且果殼堅(jiān)硬，同時(shí)干燥要求將水分降到濕基含水率為1.5%的安全水分，導(dǎo)致目前普遍采用的傳統(tǒng)烘房干燥需3周左右，普通熱泵干燥也需要3～4 d，耗費(fèi)大量能耗與人力[7-9]。普通的對(duì)流干燥因?yàn)闇囟扰c水分傳遞梯度方向相反，加上澳洲堅(jiān)果生理特性導(dǎo)致干燥效率低，而輻射傳熱干燥一般促進(jìn)溫度與水分的同向傳遞，加速干燥過(guò)程。王云陽(yáng)[10]針對(duì)上述問題開展了射頻干燥技術(shù)研究，表明熱風(fēng)輔助射頻干燥可以較好地解決干燥速率低、干燥不均勻問題。而紅外干燥作為一種常見的輻射傳熱干燥，是通過(guò)電磁波的形式向外傳遞能量，其波長(zhǎng)介于可見光和微波之間，按其波長(zhǎng)的不同通常劃分為近紅外、中紅外與遠(yuǎn)紅外，其中中紅外線輻射距離較深，適用于較厚的物料干燥，目前還未見有關(guān)澳洲堅(jiān)果的紅外干燥研究。

針對(duì)澳洲堅(jiān)果果殼厚、水分不易擴(kuò)散等問題，擬運(yùn)用中紅外輻射干燥技術(shù)，輔以熱風(fēng)干燥及風(fēng)機(jī)抽濕進(jìn)行調(diào)質(zhì)降溫，通過(guò)計(jì)算干燥曲線、水分?jǐn)U散系數(shù)與活化能等探明澳洲堅(jiān)果的紅外干燥特性，創(chuàng)制中紅外干燥機(jī)，以期為澳洲堅(jiān)果的快速、節(jié)能干燥提供參考。

1 中紅外干燥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成 試驗(yàn)用中紅外干燥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由進(jìn)料口、加熱單元、散熱腔、傳輸系統(tǒng)和出料口組成，加熱單元由中紅外加熱管、隔熱板和加熱腔組成，其中中紅外加熱管位于隔熱板下方，共6個(gè)加熱單位，每個(gè)加熱單元設(shè)有6根中紅外加熱管，每根中紅外管發(fā)射功率在0～1 kW內(nèi)線性可調(diào)。加熱腔中設(shè)有溫度探頭，散熱腔中設(shè)置有冷卻風(fēng)機(jī)，環(huán)境空氣從隧道兩端進(jìn)入，加熱后被冷卻風(fēng)機(jī)抽到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)降溫排濕，在保證加熱溫度的同時(shí)解決因加熱失控造成的局部溫度過(guò)高的問題[11-12]。

1.1.2 工作原理 加熱開始時(shí)將澳洲堅(jiān)果鋪放于傳輸帶的進(jìn)料口處，打開電源，設(shè)定好加熱溫度、加熱功率及電機(jī)轉(zhuǎn)速，待溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速電機(jī)，開始加熱，并同時(shí)開啟抽濕電機(jī)不斷將隧道內(nèi)的濕氣抽出并起到降低積溫的作用。當(dāng)達(dá)到加熱溫度時(shí)燈管滅，當(dāng)?shù)陀诩訜釡囟葧r(shí)燈管再次打開，保證澳洲堅(jiān)果的干燥溫度，每次出料后根據(jù)含水率決定是否需要再次加熱，如此循環(huán)直至達(dá)到干燥要求。

1.2 關(guān)鍵部件參數(shù)確定與選型

1.2.1 輻射器種類選型 紅外輻射加熱器的選型要綜合考慮脫層脫落、耐高溫、轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性等問題。基于上述因素本試驗(yàn)選擇功率為1 kW的非涂層式碳纖維紅外線石英管作為輻射體，該石英管具有熱量損失小，吸收性強(qiáng)和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1. 輸送帶 2. 進(jìn)料口 3. 加熱腔 4. 加熱板 5. 中紅外加熱管 6. 散熱腔 7. 出風(fēng)孔 8. 張緊輪 9. 出料口 10. 支撐輪

圖1 中紅外干燥機(jī)結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 Structure of the infrared dryer

1.2.2 加熱功率 根據(jù)輻射加熱密度法，紅外加熱功率可按(1)式計(jì)算[13]：

W=E×F，

(1)

式中：

W——加熱功率，kW；

E——輻射功率密度(一般取3～8，大面積薄壁工件取小值，小面積厚壁取大值)，kW/m2；

F——單位時(shí)間加熱面積，m2。

根據(jù)設(shè)備的整機(jī)尺寸，加熱隧道的有效面積約為9 m2，由于是大面積薄壁E取4，則W為36 kW。

1.2.3 輻射距離 設(shè)備紅外加熱功率為36 kW，單根紅外管功率選擇 1 kW，共需安裝36根，每個(gè)加熱單元6根，共設(shè)計(jì)6個(gè)加熱單元。發(fā)射管相鄰距離設(shè)計(jì)為250 mm，加熱器表面與傳送帶距離根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值(一般為兩相鄰輻射器中心距的1.2倍)確定為300 mm。

1.2.4 主要調(diào)節(jié)因素及其控制方法 系統(tǒng)控制因素主要有加熱腔溫度、紅外加熱管功率與傳送帶轉(zhuǎn)速。其中加熱腔溫度主要通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)不斷將隧道內(nèi)濕熱空氣抽出以實(shí)現(xiàn)降溫，同時(shí)也促進(jìn)了排濕。紅外加熱管功率通過(guò)電流調(diào)節(jié)器控制，傳送帶轉(zhuǎn)速由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和加熱功率的控制。

2 材料與方法

2.1 儀器與設(shè)備

中紅外干燥機(jī)：實(shí)驗(yàn)室自制；

電子天平：BSA224S型，廣州市深華生物技術(shù)有限公司；

水分快速測(cè)定儀：MB27型，合肥祺景電子科技有限公司。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地在江蘇宜興，新鮮的澳洲堅(jiān)果購(gòu)自廣西崇左縣，脫皮后郵寄到試驗(yàn)點(diǎn)后含水率約為25%。中紅外干燥機(jī)的加熱腔溫度根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]不超過(guò)60 ℃，同時(shí)根據(jù)設(shè)備特性，設(shè)置加熱腔溫度為60 ℃，中紅外發(fā)射管功率0.8 kW，設(shè)置好干燥溫度和功率后將澳洲堅(jiān)果放在托盤上，由進(jìn)料口進(jìn)入加熱腔體后均勻輸送到出料口，然后將托盤再次放入到進(jìn)料口后進(jìn)行加熱，重復(fù)這一過(guò)程經(jīng)過(guò)6次循環(huán)干燥濕基含水率降到1.5%以下。干燥過(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)的時(shí)間點(diǎn)，隨機(jī)取出若干顆澳洲堅(jiān)果當(dāng)其冷卻后測(cè)量水分含量，繪制干燥曲線，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算水分?jǐn)U散系數(shù)與活化能。

2.2.1 干燥曲線的測(cè)定

(1) 干基含水率：

(2)

式中：

M——干基含水率，%；

mw——樣品水分質(zhì)量，g；

md——絕干樣品質(zhì)量，g。

(2) 水分比：

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——t時(shí)刻的含水率，g/g；

Me——平衡含水率(在一定的干燥條件下，將澳洲堅(jiān)果干燥至恒重時(shí)的含水率)，g/g；

M0——初始含水率，g/g。

綜上所述,MRCP在膽道結(jié)石中的診斷準(zhǔn)確性、特異度、敏感度均較CT高,尤其是對(duì)于直徑<0.8cm膽道結(jié)石的診斷較CT檢查有明顯優(yōu)勢(shì),可在臨床推廣。

(3) 干燥速率：

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt+dt——t+dt時(shí)刻的含水率，g/g；

Mt——t時(shí)刻的含水率，g/g；

t——時(shí)間，min。

從進(jìn)干燥開始為起始0點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定傳送帶轉(zhuǎn)速物料每1 h剛好通過(guò)整個(gè)隧道，每隔1 h測(cè)量澳洲堅(jiān)果干基含水量，分別繪制澳洲堅(jiān)果干燥曲線與干燥速率曲線。

2.2.2 干燥數(shù)學(xué)模型 物料干燥伴隨著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)，為了描述這一過(guò)程，探明物料所含水分隨干燥時(shí)間的變化機(jī)制，學(xué)者[16-19]通過(guò)大量的試驗(yàn)與理論分析，建立了多個(gè)經(jīng)驗(yàn)與理論模型。試驗(yàn)選擇了11個(gè)常用的薄層干燥模型(表1)進(jìn)行澳洲堅(jiān)果中紅外干燥動(dòng)力學(xué)研究并利用1Stopt軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，R2越接近于1，RMSE和χ2越小，表明模型可靠性越高[20-21]。

2.2.3 有效擴(kuò)散系數(shù) 表征水分傳遞的重要參數(shù)，表明物料的脫水能力，可運(yùn)用Fick擴(kuò)散第二定律來(lái)求解[22-25]，物料表層與外部環(huán)境之間的水分傳遞達(dá)到瞬態(tài)平衡時(shí)，不考慮干燥樣品的體積變化及外部阻力，通過(guò)化簡(jiǎn)后得出有效擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式：

(5)

式中：

MR——水分比，%；

Deff——有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

t——干燥時(shí)間，s；

L——物料厚度的1/2，m。

在式(5)中將t作為自變量，lnMR作為對(duì)應(yīng)變量繪制函數(shù)曲線并進(jìn)行一維線性擬合得到的直線斜率k如式(6) 所示。

(6)

2.2.4 干燥活化能 干燥活化能表征了物料干燥的難易程度。利用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)可以建立有效水分?jǐn)U散系數(shù)、干燥溫度與活化能之間的關(guān)系[26]，如式(7)所示。

(7)

式中：

Deff——有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s；

D0——擴(kuò)散基數(shù)，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

T——干燥溫度，℃。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Oringin 8.0繪圖，利用1Stopt 15進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥特性分析

3.1.1 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥曲線 由圖2可知，澳洲堅(jiān)果初始水分比為1(23.19%)，經(jīng)過(guò)6 h水分降至0.05(1.36%)的安全水分。從圖3可以看出，整個(gè)干燥過(guò)程主要呈現(xiàn)降速干燥，在初始階段干燥速率較大，隨后逐漸降低?？赡苁浅跏几稍镫A段物料水分含量高，吸收的中紅外能量高，同時(shí)利用冷卻風(fēng)機(jī)形成空氣對(duì)流，實(shí)現(xiàn)澳洲堅(jiān)果的熱質(zhì)同向傳遞，提升了干燥驅(qū)動(dòng)力，形成較高的干燥速率。而隨著干燥的進(jìn)行，澳洲堅(jiān)果水分含量與耦合能力均逐漸降低，同時(shí)澳洲堅(jiān)果中親水性固體表面與干燥剩余水分之間的結(jié)合力變大，進(jìn)而造成蒸發(fā)焓逐步升高，導(dǎo)致水分去除能耗也相應(yīng)增大[27]。因此，干燥速率將會(huì)持續(xù)降低直到干燥結(jié)束。

圖2 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥曲線Figure 2 Mid infrared drying curve of macadamia

圖3 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥速率曲線Figure 3 Mid infrared drying rate curve of macadamia

3.1.2 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥質(zhì)傳遞與能耗 利用式(5)計(jì)算澳洲堅(jiān)果干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)，結(jié)果如圖4所示，各階段的干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)在2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥區(qū)間。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，結(jié)合式(7)可知，lnDeff與1 000/T+273.15呈線性關(guān)系，利用1Stopt軟件進(jìn)行擬合，計(jì)算出澳洲堅(jiān)果的活化能為159.5 kJ/mol，與相關(guān)報(bào)道[27]的數(shù)值接近，相比蘋果[28]、油茶籽[29]、燕麥馬鈴薯復(fù)合面條[30]活化能較大，因此較難干燥。

圖4 不同時(shí)間點(diǎn)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Figure 4 Effective moisture diffusivity at different time points

3.1.3 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥裂紋分析 從外觀上看澳洲堅(jiān)果干燥過(guò)程中有微裂紋產(chǎn)生，主要是初始含水率較高，瞬態(tài)溫度過(guò)高，導(dǎo)致局部干燥不均勻而形成的。目前紅外干燥過(guò)程中難以避免細(xì)微裂紋的產(chǎn)生，即使采用熱風(fēng)低溫干燥也可能產(chǎn)生，但細(xì)微裂紋對(duì)貯藏影響有限或許還有利于后續(xù)的開口及脫殼。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高控制精度、及時(shí)散熱處理等措施可進(jìn)一步降低裂紋產(chǎn)生、減小裂紋大小。

3.2 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥動(dòng)力學(xué)模型研究

由表1可看出，Midilli-Kucuk模型的R2值最大，RMSE與χ2平均值最小，因此Midilli-Kucuk可以有效地描述澳洲堅(jiān)果中紅外干燥過(guò)程，方程可以表示為：

MR=0.999 3exp(-0.030 1t0.7643)-5.414 5E-005t。

(8)

表1 各模型與統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析Table 1 Name and statistical analysis of each model

3.3 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)Midilli-Kucuk模型利用同一批次澳洲堅(jiān)果進(jìn)行中紅外干燥，測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)的水分進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖5 所示，擬合效果好，說(shuō)明Midilli-Kucuk模型可以有效地預(yù)測(cè)澳洲堅(jiān)果中紅外干燥過(guò)程中的水分變化情況。

4 結(jié)論

(1) 研制了中紅外干燥機(jī)，確定了輻射器種類、加熱功率、輻射距離等主要參數(shù)，并制定了調(diào)質(zhì)降溫的控制方法，促進(jìn)水分熱質(zhì)同向傳遞，提升干燥驅(qū)動(dòng)力，干燥時(shí)間顯著縮短，較好地解決了均勻干燥問題。

圖5 Midilli-Kucuk模型下預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比

Figure 5 Comparison between predicted value and experimental value under Midilli-Kucuk model

(2) 澳洲堅(jiān)果通過(guò)中紅外干燥，經(jīng)過(guò)6 h由23.19%的初始含水率降到1.36%的安全水分，整個(gè)過(guò)程主要為降速干燥，無(wú)明顯恒速干燥階段；Midilli-Kucuk方程可以較好地預(yù)測(cè)澳洲堅(jiān)果中紅外干燥過(guò)程水分的變化機(jī)制。

(3) 澳洲堅(jiān)果中紅外干燥各時(shí)段有效水分?jǐn)U散系數(shù)位于2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥區(qū)間；澳洲堅(jiān)果的活化能為159.5 kJ/mol，高于一般果蔬，進(jìn)一步從理論上說(shuō)明了其干燥困難的原因。

(4) 澳洲堅(jiān)果干燥過(guò)程中有微裂紋產(chǎn)生，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提升澳洲堅(jiān)果干燥的均勻性，減少微裂紋產(chǎn)生或使其大小滿足生產(chǎn)要求。