苜蓿草捆太陽(yáng)能干燥特性研究范文

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摘要:

為研究苜蓿草捆在太陽(yáng)能干燥過(guò)程中干燥介質(zhì)狀態(tài)和草捆狀態(tài)與干燥速率及干燥特性間的關(guān)系，在已有的太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了單層和多層的草捆干燥試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)獲得了草捆的干燥特性曲線，分析了各因素對(duì)干燥特性的影響規(guī)律，建立了試驗(yàn)因子與含水率間的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明:草捆的干燥存在著明顯的水分梯度和溫度梯度;介質(zhì)溫度每增加10℃，草捆的干燥速度可提升10%～15%;草捆的密度小時(shí)，草捆與介質(zhì)溫差大，有利于干燥;采用太陽(yáng)能捆草干燥技術(shù)可以加快干燥速度，且減少營(yíng)養(yǎng)成分損失。

關(guān)鍵詞:

苜蓿草捆;太陽(yáng)能干燥;含水率;數(shù)學(xué)模型

0引言

紫花苜蓿具有極高的飼草品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)適應(yīng)性，采用科學(xué)的牧草干燥技術(shù)不僅可以保持牧草原有的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且還可以提高其利用價(jià)值。太陽(yáng)能干燥屬于低溫干燥，既能克服田間自然干燥造成的發(fā)霉、變質(zhì)及腐爛現(xiàn)象，又能解決高溫快速干燥過(guò)程中因蛋白質(zhì)發(fā)生變異引起的適口性差和消化率低等問(wèn)題，且節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染。內(nèi)蒙古地區(qū)干旱少雨、日照充足，畜牧業(yè)和草業(yè)是兩個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)飼草種植面積逐年擴(kuò)大，因此立足當(dāng)?shù)厍闆r利用太陽(yáng)能風(fēng)干牧草是非常必要的。干草捆是目前應(yīng)用最廣泛的草產(chǎn)品，具有加工成本低、工藝簡(jiǎn)便、貯藏時(shí)間長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)保存完好及飼喂時(shí)取用方便等優(yōu)點(diǎn)。在草捆的干燥過(guò)程中，苜蓿初始水分含量、打捆密度及干燥介質(zhì)狀態(tài)等因素影響著干草捆的質(zhì)量。本文通過(guò)紫花苜蓿捆草太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)，分析研究干燥過(guò)程中草捆內(nèi)苜蓿表面溫度和濕含量的變化情況，以及干燥介質(zhì)狀態(tài)及草捆自身狀態(tài)對(duì)干燥過(guò)程的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供可借鑒的理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

1．1材料與地點(diǎn)

試驗(yàn)選用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所沙爾沁基地種植的紫花苜蓿，一茬、花期(開(kāi)花30%左右)，收割時(shí)初始含水率為80．34%(濕基)。取莖葉比例基本相同的長(zhǎng)散草進(jìn)行打捆，打捆密度分別為100、150、200kg/m3，小方捆的外形尺寸為300mm×200mm×150mm(高×寬×長(zhǎng))。試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室院內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)間為2014年7月1日－7日。

1．2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計(jì)的苜蓿太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。干燥系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、離心式通風(fēng)機(jī)、干燥箱和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，如圖1所示。電子天平為賽多利斯儀器公司制造，型號(hào)SQP。風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后集熱器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，冷空氣進(jìn)入集熱器被加熱并進(jìn)入干燥箱，與干燥箱內(nèi)的苜蓿草捆進(jìn)行熱質(zhì)交換，干燥后的廢氣從干燥箱頂部排出;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并記錄環(huán)境、介質(zhì)、草捆所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1．3試驗(yàn)方案

利用試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同密度苜蓿草捆進(jìn)行實(shí)時(shí)天氣下的太陽(yáng)能干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)因素有干燥介質(zhì)溫度和相對(duì)濕度、草捆初始含水率和密度。試驗(yàn)指標(biāo)為草捆中苜宿表面溫度及其周圍氣流相對(duì)濕度、草捆的含水率。試驗(yàn)各指標(biāo)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10906—2008《太陽(yáng)能飼草干燥設(shè)備》規(guī)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)應(yīng)用Ori-gin和Spss軟件分析處理。干燥前，給各個(gè)草捆標(biāo)號(hào)、稱重并測(cè)其初始含水率。為獲取不同介質(zhì)、密度下的干燥數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行單層、多層(3層)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)方案在草捆內(nèi)部及各層草捆的介質(zhì)入口、出口布置溫濕度傳感器，如圖2所示。調(diào)節(jié)變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄數(shù)據(jù)，每層隨機(jī)取5個(gè)草捆樣本用電子天平測(cè)其質(zhì)量變化情況，取樣間隔50min，取樣時(shí)暫停送風(fēng)，試驗(yàn)時(shí)間為9:00－18:00。

2結(jié)果與分析

2．1草捆干燥的熱質(zhì)傳遞分析

干燥過(guò)程是傳熱與傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的，溫度梯度推動(dòng)傳熱，濕度梯度推動(dòng)傳質(zhì)，傳熱和傳質(zhì)的方向相反但密切相關(guān)。因此，通過(guò)測(cè)量苜蓿表面溫度和相對(duì)濕含量可以實(shí)時(shí)掌握草捆的干燥狀態(tài)，如圖3所示。試驗(yàn)中，將溫濕度傳感器分別放置于草捆的中部，所測(cè)數(shù)據(jù)為草捆內(nèi)苜蓿附近很小范圍內(nèi)的表面溫度和相對(duì)濕含量。試驗(yàn)中，草捆密度150kg/m3，初始含水率66．4%，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2800r/min，當(dāng)天環(huán)境平均溫度29．3℃，平均相對(duì)濕度19．84%。從圖3中可以看出:3層草捆苜蓿溫濕度變化曲線趨勢(shì)基本一致，但由于介質(zhì)變化較大，上兩層干燥速率明顯滯后。干燥開(kāi)始時(shí)，草捆內(nèi)部溫度較高，這是因?yàn)檐俎４蚶r(shí)含水率高、密度大，于是草捆內(nèi)部苜蓿自身的呼吸和新陳代謝加速，此生化過(guò)程使苜蓿表面溫度高、水分大;當(dāng)進(jìn)行通風(fēng)干燥時(shí)，溫度曲線開(kāi)始下降，苜蓿自身呼吸代謝逐漸消失，進(jìn)入降溫排濕階段，10:30左右溫度達(dá)到最低點(diǎn)。隨后，隨著介質(zhì)溫度的增高，介質(zhì)與苜蓿表面溫度差增大，從而加大了傳熱推動(dòng)力，使傳熱速率加快，牧草表面溫度升高，在14:30苜蓿表面溫度達(dá)到最高值;之后，由于介質(zhì)溫度降低草捆內(nèi)部溫度也呈現(xiàn)平穩(wěn)緩慢的下降。觀察草捆相對(duì)濕度曲線可以看出:開(kāi)始處相對(duì)濕度很大，達(dá)到76%，通風(fēng)干燥后濕度反而升高一度達(dá)到80%。這是由于此階段呼吸作用還沒(méi)有停止，外加草捆表層的水分向內(nèi)部擴(kuò)散，使內(nèi)部牧草濕含量增大。隨后，由于介質(zhì)溫度的增高，降低了相對(duì)濕度，增大了與物料的傳質(zhì)推動(dòng)力，加快了傳質(zhì)，因此相對(duì)濕度曲線迅速下降，草捆處于快速脫水階段，此階段的傳質(zhì)屬表面汽化控制。當(dāng)苜蓿表面的自由水蒸干時(shí)，傳質(zhì)屬苜蓿內(nèi)部遷移控制，干燥進(jìn)入平穩(wěn)緩慢階段，濕度曲線也平穩(wěn)下降。

2．2干燥介質(zhì)溫濕度對(duì)草捆含水率的影響

3層草捆的干燥過(guò)程是在3種干燥介質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)。圖4為草捆含水率在不同介質(zhì)溫度和相對(duì)濕度下隨時(shí)間變化曲線。由圖4可知:各層的介質(zhì)溫度與其相對(duì)應(yīng)的濕度呈負(fù)相關(guān)，草捆的含水率曲線呈下降趨勢(shì)，且隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，干燥速率逐漸平緩。第1層草捆干燥介質(zhì)溫度高、相對(duì)濕度低，溫度范圍為27．3～57．8℃，平均溫度51．2℃，平均相對(duì)濕度5．7%，熱空氣的干燥勢(shì)很強(qiáng)，經(jīng)過(guò)4h草捆的含水率降至25%左右，此階段草捆含水率下降幅度明顯增大有利于快速脫水;而后，由于草捆內(nèi)部水分?jǐn)U散速度不及表層蒸發(fā)速度，呈現(xiàn)出降速干燥。第2層草捆水分蒸發(fā)所需的能量一部分來(lái)自下層草捆的熱傳導(dǎo)，一方面來(lái)自物料間隙內(nèi)熱空氣的流動(dòng)，而干燥介質(zhì)溫度低且相對(duì)濕度大，水汽向空氣主體傳遞推動(dòng)力小，所以干燥過(guò)程平穩(wěn)緩慢。第3層草捆開(kāi)始階段干燥極其緩慢，這是因?yàn)闊峥諝獯┻^(guò)下層草捆時(shí)所吸收的水分已經(jīng)達(dá)到飽和(相對(duì)濕度超過(guò)50%)喪失了吸濕性，不具有干燥上層草捆的能力，而且還有可能將上層草捆加濕，延長(zhǎng)了上層草捆的干燥時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn):在草捆干燥過(guò)程中，干燥程度和速率不均勻。干燥介質(zhì)溫濕度對(duì)草捆含水率影響差異非常顯著，其他條件不變時(shí)，干燥溫度每增加10℃，草捆的干燥速度可提升10%～15%。為了提高干草捆質(zhì)量，節(jié)約成本，在實(shí)際干燥過(guò)程中應(yīng)從改善通風(fēng)工藝考慮解決此問(wèn)題。

2．3草捆密度對(duì)干燥特性的影響

表1為試驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)值，圖5為不同密度的草捆在介質(zhì)基本相同條件下的含水率與干燥速度曲線。從圖5可以看出:不同密度苜蓿草捆的濕含量、干燥速率具有明顯的不一致性，密度越大，含水率變化曲線的凹凸性越小，其含水率的變化趨勢(shì)也越趨于平緩，臨界干燥速度越慢。這是因?yàn)槊芏却髸r(shí)氣流所受阻力大，沿氣流方向溫度梯度變小，濕度梯度變大。此外，由圖5可以看出:草捆的干燥過(guò)程不同于薄層干燥，沒(méi)有穩(wěn)定的勻速干燥階段。這是因?yàn)檐俎２粌H與熱空氣有接觸，同時(shí)也與相鄰的苜蓿有接觸，所以在干燥早期干燥過(guò)程是對(duì)流換熱與傳導(dǎo)換熱并存的，隨著干燥過(guò)程的繼續(xù)，對(duì)流換熱就會(huì)占據(jù)主要地位;并且隨著水分的汽化，苜蓿間接觸點(diǎn)的受力也發(fā)生變化，隨之苜蓿間的接觸面積也要發(fā)生變化。

2．4草捆干燥數(shù)學(xué)模型

建立干燥模型對(duì)研究干制規(guī)律，預(yù)測(cè)不同介質(zhì)參數(shù)下的含水率具有重要的意義。草捆含水率的變化不僅與介質(zhì)狀態(tài)還和草捆狀態(tài)有關(guān)，許多薄層干燥模型已建立起來(lái)，然而卻很少有關(guān)捆草的干燥模型。為此，運(yùn)用理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法分別對(duì)幾種方程進(jìn)行擬合比較，獲得捆草干燥的數(shù)學(xué)模型為Mt=M0exp[－r×t]n+kr=exp(0．007+0．126T+0．049Φ－0．024ρ)n=－1．126+0．042T+0．005Φ－0．031ρk=－0．124t+0．021T+0．015Φ+1．031ρ其中，Mt為t時(shí)刻草捆干基含水率(kg/kg－1);M0為草捆初始干基含水率(kg/kg－1);ρ為草捆密度(kg/m3);T為干燥介質(zhì)溫度(℃);為干燥介質(zhì)相對(duì)濕度(%);t為干燥時(shí)間(h)。

3結(jié)論

1)苜蓿含水率從50%降到17%的過(guò)程中，田間干燥速度慢，營(yíng)養(yǎng)成分損失大。采用太陽(yáng)能捆草干燥技術(shù)可以加快這一階段的干燥速度，減少牧草的營(yíng)養(yǎng)成分損失，而后可以草捆成品進(jìn)行運(yùn)輸、深加工、貯存和飼喂，實(shí)現(xiàn)牧草的優(yōu)質(zhì)化處理。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:苜蓿草捆的干燥存在著明顯的水分梯度和溫度梯度，具有不均勻性;草捆內(nèi)部苜宿的表面溫濕度分布和含水率的變化與干燥介質(zhì)的分布有很大的關(guān)系，介質(zhì)溫度越高，相對(duì)濕度越低，越有利于草捆中水分的快速擴(kuò)散。

3)草捆密度對(duì)干燥過(guò)程的影響非常大，密度越大則其干燥速率越慢;同時(shí)，干燥過(guò)程中草捆的密度和接觸面積是在變化的，苜宿所能獲得的熱空氣流量不同，沒(méi)有穩(wěn)定的勻速干燥階段。

4)通過(guò)分析影響草捆含水率變化的參數(shù)，建立了苜蓿草捆的含水率多元回歸方程，為進(jìn)一步進(jìn)行牧草濕法打捆干燥的研究打下了基礎(chǔ)。

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作者:錢珊珠 楊哲 單位:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院