（农业机械化工程专业论文）远红外与热风联合干燥高湿物料的机理与试验研究.pdf

摘要 远红外辐射是近几十年发展起来的新型干燥技术，具有高效、节能的效果，尤其 是对于农产品干燥，可以较好地提高制品质量，保证营养成份不被破坏。将远红外干 燥与热风干燥结合起来可充分利用二者的优点。 本文以高湿物料蘑菇为代表，对远红外辐射与热风对流联合干燥的机理进行 了分析与试验研究，主要工作如下： 1 、对干燥特性进行了试验研究 在自制的远红外辐射与热风对流联合干燥试验台上，通过试验研究了高湿物料在 联合干燥过程中的干燥特性，结果表明，在远红外与热风联合干燥过程中，高湿物料 的干燥过程明显分为加速、恒速和降速期三个干燥阶段；联合干燥方式对高湿物料的 干燥速率明显优于单独远红外辐射干燥；物料的表面温度呈现上升、稳定、再上升三 个趋势；在干燥的起始阶段，物料的表面温度高于其内部温度，随着干燥过程的进行， 物料的内部温度逐渐接近并超过其表面温度，物料内部温度与其表面温度的差值最大 值约为69 c ：物料中心处( 距表面约1 5 r a m ) 的温度则始终低于物料的表面温度，远红 外辐射干燥并不适用于远红外线穿透性较差的物料以及较厚物料；在本试验研究范围 内，联合干燥初期，热风对流干燥对物料脱水起主要作用，在中后期，则以辐射换热 脱水为主导。 2 、对干燥均匀性问题进行了试验与分析 通过单独远红外、远红铃与热风联合干燥的对比试验，研究了联合干燥方式对干 燥均匀性的影响。试验结果分析认为，与单独远红外干燥方式相比，联合干燥方式可 以使同层间物料的干燥均匀性有所改善，但同时加重了不同层物料之间的干燥不均匀 程度：随后，通过分析并经试验验证，提出了改善物料干燥均匀性的方案。 3 、进行了联合干燥动力学试验，研究了远红外辐射功率、热风温度、对流风速 以及物料切片厚度对试验指标( 脱水速率及干后制品质量) 的影响，确定了联合干燥方 式中影响试验指标的主要因素。 4 、以远红外辐射功率、热风温度以及对流风速为试验因素，采用统计分析的方 法建立了以脱水速率和复水比为指标的数学回归方程，可以较好的用来预测干燥过 程。 5 、对联合干燥高湿物料进行了变工艺干燥的试验研究，研究了前期干燥方式、 后期干燥方式以及转换水分对试验指标( 物料脱水速率、复水比、干燥质量和单位能 耗) 的影响，通过对综合指标的分析以及试验验证，得到了较优的工艺组合。 关键词：远红外辐射、热风、联合干燥、高湿物料、试验研究 a b s t r a c t f a ri n f r a r e dr a d i a t i o ni sau e w - s t y l ed r y i n gt e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p i n gf o r s e v e r a ld e c a d e s ；i to w n st h ea d v a n t a g e so fh i g h - e f f i c i e n c ya n de n e r g y s a v i n g e s p e c i a l l y f o rt h ed r y i n go ff a m ap r o d u c e s i ti su s e f u lt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fd r y i n gm a t e r i a l sa n d c a na v o i dd e s t r o y i n gt h en u t r i t i o n 。i ff a ri n f r a r e dr a d i a t i o ni sc o m b i n e dw i t hh o ta i r f l o w , t h ea d v a n t a g e so ft h e s et w od r y i n ge a r lb eu t i l i z e d 如l l v t h i sp a d e rs t u d i e st h ec o r r e l a t i v ed r y i n gm e c h a n i s ma n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o f w a s h ym a t e r i a l 。t h er e p r e s e n t a t i v em a t e f i a li sm u s h r o o m t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea s f o l l o w s ： 1 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c ： t h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i co fw a s h ym a t e d a ld u r i n gu n i t e dd r y i n gp r o c e s si ss t u d i e d u s i n gt h eh o m e m a d ef a ri n f r a r e du n i t e dw i t hh o ta i r f l o wd r y i n gt e s t e r ，a n dt h er e s u l t ss h o w t l l a t ：t h ed r y i n gp r o c e s sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ( t h ea c c e l e r a t i v e s t e a d ya n d d e c r e a s i n 曲：t h ed r y i n gr a t eo fu n i t e dd r y i n gi sh i g h e rt h a nt h a to ff a ri n f r a r e dd r y i n ga l o n e m a r k e d l y ；t h ee x t e r i o rt e m p e r a t u r eo fm a t e r i a ls h o w sat r e n do fa s e e n d i n g ，s t e a d ya n d a s c e n d i n ga g a i n ；t h ee x t e r i o rt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a tt h ei n t e r i o rd u r i n gt h ei n i t i a ld r y i n g s t a g e a l o n gw i t h 山ep r o c e s so fd r y i n g t h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r ea p p r o a c h e sa n de x c e e d s t h ee x t e r i o r ，a n dt h em a x i m a lm a r g i ni sa b o u t6 ：y e tt h et e m p e r a t u r eo fc e n t e ro fm a t e r i a l ( a b o u t15m n lo f ft l l es i l l f a c e ) i sa l w a y sl o w e rt h a nt h ee x t e r i o r , t h i sm e a n st h ef a ri n f r a r e d r a d i a t i o nd o e s n ta d a p tt ot h ed r y i n go fm a t e d a l sw h i c hh a v ep o o rp e n e t r a b i l i t yo rt h i c k m a t e r i a l s ；t h eh o ta i r f l o wd r y i n ga c t sa sal e a d i n gr o l ed u r i n gt h ei n i t i a ld r y i n gs t a g e ，t h e r a d i a t i o nd r y i n gd o e si td u r i n gt h em e d i u ma n dl a t e rs t a g e 2 t h ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so fd r y i n ge q u a l i t y ： t h e r ea r et w od r y i n gt e c h n i q u e o n ei si n f r a r e dr a d i a t i o nd r y i n ga l o n e t h eo t h e ri s i n f r a r e du n i t e dw i t hh o ta i r f l o wd r y i n g t h ei n f l u e n c et ot h ed r y i n ge q u a l i t yo ft h e s et w o d r y i n gt e c h n i q u ea r es t u d i e db yc o n t r a s t i n ge x p e r i m e n t s ；t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eu n i t e dd r y i n gt e c h n i q u ec a l li m p r o v et h ed r y i n ge q u a l i t yo ft h es a m el a y e rm a t e r i a l al i t t l e y e tt h ea s y m m e t r i ce x t e n ta m o n gd i f i e r e n tl a y e r si n c r e a s e t h e nt h ei m p r o v i n gp l a n s a r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n 3 t h ee x p e r i m e n t so f d r y i n gd y n a m i c s ： t h ei n f l u e n c ee x t e n t so fe x p e r i m e n t a lf a c t o r s ( f a ri n f r a r e dp o w e r , w i n dt e m p e r a t u r e w i n ds p e e da n dm a t e r i a lc h i pt h i c k n e s s ) t ot h ee x p e r i m e n t a li n d e x e s ( d r y i n gr a t ea n d m a t e r i a lq u a l i t ya f t e rd r y i n g ) a r ea n a l y s e d ，a n dt h el e a d i n gf a c t o r sa r ec o n f i r m e d 4 t h em a t h e m a t i cr e g r e s s i o ne q u a t i o n so fd r y i n gr a t ea n dw a t e ra b s o r b e n c y c a p a b i l i t ya r eb u i l tu s i n gs t a t i s t i ca n da n a l y t i cm e t h o d ；t h ee x p e r i m e r t t a lf a c t o r sa r ef a r i n 丘a r e dp o w e r , w i n dt e m p e r a t u r ea n dw i n ds p e e d t h ee q u a t i o n sc a nb eu s e dt of o r e c a s tt h e d r y i n gp r o c e s sq u i t eg o o d 5 t h er e s e a r c ho fd i f f e r e n td r y i n gt e c h n o l o g yi nu n i t e dd r y i n gi ss t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lf a c t o r sa r ee a r l yd r y i n gm o d e ，l a t e rd r y i n gm o d ea n dt h es w i t c h i n gm o i s t u r e ， t h ee x p e r i m e n t a li n d e x e sa r ed r y i n gr a t e ，w a t e ra b s o r b e n c yc a p a b i l i t y , q u a l i t ya f t e rd r y i n g a n dt h ee n e i 。g yc o n s u m e d ，t h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g ye o m b i n a t i o r xi sa c h i e v e d 【h i o n 叠ht h e a n a l y s i sa n dt e s t i n gt ot h ei n t e g r a t i v ei n d e x k e yw o r d s ：f a ri n f r a r e dr a d i a t i o n ，h o ta i r f l o w , u n i t e dd r y i n g ，w a s h ym a t e r i a l ， e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：羲完j 之- 签字日期：游多月7 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件或电子文档。本人授权学校可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文，允许论文被查阅和借阅。( 保密的学位论文在解密后适用本授 权书) 。 学位论文作者签名：美乞之， 击 导师签字：臣攻固 签字日期：对年6 月9 日签字日期：王时年6 月c i 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址： 电话 邮编 莱h 1 农学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 干燥是将物料去除水分或其它挥发成分的操作，涉及面很广，从农业、食品、化 工、陶瓷、医药、矿产品加工到制浆造纸、木材加工，几乎所有产业都有干燥。 干燥是一种高能耗操作，在各种工业部门总能耗中，干燥耗能从4 ( 化学工业) 到3 5 ( 造纸工业) ，发达国家如美国、法国、英国、瑞典等，高达1 2 的工业能耗 用于干燥方面，发展中国家目前的干燥耗能较低，但今后势必迅猛增长【1 1 。 国际干燥协会( i d s ) 创始人a r u ns m u j u m d a r 预测，干燥技术未来发展的趋势 将沿着实现有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境污染、操作安全、易于控 制和一机多用等方向发展口j 。 改革开放以来，我国农村产品的商品率大幅度提高，特别是水果和蔬菜正在成为 我国农村商品经济的支柱之一，也是出口创汇农业的主要方向，这也使得果蔬的干制 加工具有重要意义。 近几十年来，我国的脱水蔬菜迅速发展，并形成三大市场：食品工业原料和配 料市场：调味品市场；作为蔬菜替代品的特殊市场。为了发展果蔬生产的商品经 济，人们对水果和蔬菜的存储加工方法进行了广泛的研究，果蔬干制品具有干物质含 量高、成品重量轻、体积小、运输和储存费用低、食用方便等特点，满足了现代社会 快节奏、高营养、保健性的需要，对这些特色水果蔬菜进行干制或与其它工艺相结合 生产的各类方便食品、保健食品，必然受到人们的喜爱。另外，国内外方便面及西式 配餐等方便食品对天然脱水果蔬的需求量明显增加e 3 , 4 】。因此，对干制方法以及干燥 规律的研究具有极其重要的现实意义。 传统干燥方法( 如热风干燥) 具有设备简单、投资低、易操作等特点，但干燥介质 的温度和湿度不易控制，物料易发生过热现象而降低品质：干制品营养素流失多，复 水性和加工性差，且干燥过程较为缓慢，热效率不高i 5 1 。 最近几年出现了微波干燥、真空干燥、真空冷冻干燥等等，用这些方法生产的干 制品质量大为提高，口感好，营养流失少；但其集中缺点是设备投资和动力消耗较大。 随着工业和科学技术的发展，能源的需求矛盾日益加深。在目前世界能源短缺的 第一章绪论 情况下，发展高效节能的干燥技术，对国民经济的发展具有十分重要的意义。远红外 辐射干燥就是近2 0 年发展起来的一门高效、节能同时又符合环保要求的新型无污染 干燥技术1 6 1 。 红外加热干燥是利用许多物质易于吸收红外线的特点，通过红外辐射材料将热能 转变为红外辐射能量，直接辐射到被加热物体上，引起分子共振，迅速升温，从而达 到快速加热与干燥的目的【7 j 。 在电磁光谱中，红外线波长范围在o 7 2 1 0 0 0 聊之间，目前尚没有统一定义， 但一般称波长位于3 - 1 0 0 0 弘m 的电磁波称为远红外线。 远红外线具有光和波的性质，以光速在空间直线传播，它辐射到物体表面上能被 反射、透射和吸收，无介质热损失，突出表现为它的穿透能力和热效应。 水和含水物质的分子或基团的固有运动( 振动或转动) 频率换成波长表示大致是 在2 5 1 0 0 0 , u m 波带，与远红外线频率相匹配。远红外线能穿入物料内部粒子间微小 间隙，在激起分子内能级变化的同时，吸收能量，产生共振，迫使分子运动加剧而内 部发热，温度迅速升高，同时物料内部的液态水分在温度梯度的作用下，从内向外移 动到表面( 内扩散) ，由系统的辐射和对流作用获得蒸发热而蒸发( 外扩散) ，形成表 面温度相对降低，此时温度梯度的作用方向由内向外，和湿度梯度作用方向一致，使 物料内部水分的热扩散与湿扩散以及表面水汽的蒸发都处在正向的最佳状态，从而大 大加速了干燥过程，缩短了干燥时间；同时湿物料中含有的细菌体接受了远红外线辐 射后，变化凝固，代谢障碍，活性消失以致杀死。上述作用的综合迭加，实现了高效、 节能、灭菌的干燥过程【引。 由于远红外干燥具有加热迅速，吸收均一，加热效率高，化学分解作用小，原料 不易变性等优点，因此对于热敏性物质的干燥表现出独特的优点，目前己用于农产品 干燥。例如。经远红外干燥的菠菜，其维生素c 的残存量为传统干燥方法的2 倍； 另外对青葱、马铃薯和胡萝b 进行的远红外干燥试验表明j 产品的营养成分保存率比 传统的干燥方法有显著的提高，且干制品表面具有多孔特性，复水性好1 9 】。 目前，对远红外干燥技术的研究方兴未艾，远红外干燥农产品及天然植物的研究 越来越得到重视，如干燥茶叶、咖啡豆、中药材、木材等常见报道1 1 0 - 1 3 】。其干燥过程 中传热速度快，电热利用率高，易于实现自动控制。但由于有些农产品和天然植物的 2 莱阳农学院硕士学位论文 含水量很高，远红外干燥室中物料蒸发的水汽较多，常常未能及时排出；相反，热 风干燥时由于有一定速度气流穿过物料，所蒸发的水汽能及时带走。因此，远红外与 热风联合干燥系集二者优点为一起的干燥方式。 在果蔬脱水干燥中，要求远红外辐射元件的表面温度低，并且单位面积的辐射功 率不能太大，以保证果蔬的营养成份不被破坏。但我国此项应用还比较薄弱，其中， 解决低温和高效率之间的问题是农产品干燥的关键问题。 蘑菇是可供人类食用的大型食用菌，也是目前世界上唯一进行全球性人工栽培最 多、各国人民最欢迎的食用菌，它的产量以每年2 0 的速度增长【1 6 1 。 蘑菇主要用于菜蔬食用，它是美味可口、营养丰富的食品。蘑菇中含有多量的蛋 白质和氨基酸，与般果蔬相比，蘑菇的蛋白质含量是相当高的。鲜蘑菇中的蛋白质 含量为3 5 左右，而自萝卜中蛋白质的含量只有o 6 ，只及蘑菇的1 6 ；大白菜中 只有1 1 ，仅及蘑菇的1 3 。所以蘑菇在国际上公认为“十分好的蛋白质来源”，并有 “素中之荤”的美称。 由于蘑菇中含有丰富的蛋白质、氨基酸、维生素以及必要元素等营养成分，因此， 把它称作为“天然食品”和健康食品，也成为现代宇宙航行员的食品。 山东省是蘑菇的主要产区，栽培的蘑菇销往全国各地，是出口创汇的主要农产品 之一。但蘑菇属于高湿农产物料，其干基含水率可高达1 0 0 0 ( d b ) 上，易变质，不 耐贮藏：且菇体细腻，在加工和运输过程中，易发生折断、破损、挤碎现象，严重影 响蘑菇的品质和销售。因此，对蘑菇进行干制处理，延长蘑菇的贮存寿命，对于丰富 人民生活，繁荣市场经济，提高广大蘑菇种植业户的生产积极性，提高农产品市场竞 争力，具有巨大的社会和经济效益。 本文以蘑菇为例，研究高湿物料在远红外与热风联合干燥过程中的干燥机理，确 定各参数对干燥速率和品质的影响，选择建立联合干燥模型，这对于指导干燥生产系 统的管理运行。改进和开发新设备均具有积极意义。 1 2 国内外研究概况 1 8 0 0 年，赫塞尔( h e r s c h e l ) 在对太阳光线的光谱研究中，在红光谱线以外发现了 一种对温度计敏感的辐射线，当时因为温度计的温度上升在红外线部分比在可见光部 分强烈，所以他认为这是一种热线，属于和可见光线本质不同的一种辐射线。到后来， 便由麦克斯威尔( m a x w e l l ) 等人创建了可见光线和红外线都是和电波相同的电磁波这 第章绪论 样一个理论体系。 1 8 9 2 年，丘里鸟斯( t u l i u s ) 发现电磁波遇到含有甲基的有机物质在红外线波段中 特定波长的能量会被吸收，从而揭示了分子的化学结构与红外线吸收量具有密切的关 系。之后，便建立了有关分子构造的红外吸收光谱分析的基础，在高温计、显微镜、 照相机、火箭制导等方面得到广泛应用，而用于加热和干燥则是较晚的新事物【l ”。 十九世纪下半叶，西欧的钢铁、化工等重工业有了很大的发展，很多高温辐射现 象引起了实验物理与理论物理界的注意，出现了比较精密的测量热辐射与高温的仪 器，这为热辐射的实验研究提供了有力的武器，同时，经典物理学中的热力学、光谱 学、电磁学有了足够的进展，这些都为热辐射的理论与实验研究作了很好的准备。热 辐射的几个基本定律都是在这个时期提出来的。如：普朗克黑体辐射定律、维恩位移 定律以及斯蒂芬一玻尔兹曼定律。 虽然在十九世纪初就发现了红外辐射，但真正将红外线技术广泛应用于工业、农 业、军事以及各种科学研究领域是在第二次世界大战期间。2 0 世纪3 0 年代，美国福 特汽车公司首先把红外辐射技术应用于汽车涂漆的烘干工艺上，当时使用红外灯泡作 为辐射源，由于受玻璃灯罩的限制，只利用了其中的近红外能量。直到日本研制成功 氧化镁管和碳化硅板，并宣传了远红外加热技术的优点后，这一技术才重新引起了大 家的注意。对许多化合物，应用远红外比用近红外线，其加热效果要好得多i l 。 长期以来，在加热器表面涂覆高发射率辐射涂层被认为是提高加热器辐射性能的 一个重要手段。制造红外辐射加热器，辐射材料是关键，尤其是高发射率的涂层材料， 早期使用的红外线灯泡主要发射近红外辐射，采用的辐射材料是金属钨丝。 2 0 世纪6 0 年代使用的金属电热管的表面一般涂覆低发射率铝粉漆，至于陶瓷加 热器，由于粘土成分复杂，以致影响到它的辐射性能。到了2 0 世纪7 0 年代中期，红 外辐射材料才开始得到系统的研究和发展，并取得突破1 1 。 1 9 8 7 年，潘儒宗等人探讨了以莫来石为基质，添加适当的过渡元素氧化物外加 剂，研制优质红外辐射材料，著对红外辐射特性及添加剂提高红外辐射率的机理进行 了分析【2 0 】。到了2 0 世纪9 0 年代中期，远红外定向强辐射器研制成功，加热方式由密 闭保温型发展到了开放型，电能辐射转换效率由4 0 提高到7 8 以上【2 l 】。 到了2 0 0 0 年，欧阳德刚等研究了以过渡金属氧化物系烧结辐射粉体基料为不同 组分含量和不同添加成分，又研究了其微观结构与辐刺性能间的相互关系，并探讨了 柴冈农学院硕十学位论文 红外辐射的机制2 2 - 2 3 1 。 当前，远红外辐射元件不断改进，波长范围不断加宽，远红外辐射技术只趋成熟， 使其对被干燥物料有着更广泛的适应性。红外辐射的应用已从过去的加热、干燥延伸 到现在的医疗保健、催化活化等方面，即由高温的应用向中低温应用延伸【2 ”。 在远红外辐射技术中，远红外的匹配辐射对物料的脱水干燥具有重要意义。 所谓匹配辐射，就是指当照射到物体上的远红外线的频率与组成该物体的物质分 子的振动频率相同时，分子就会对远红外辐射能量产生共振吸收，同时通过分子间能 量的传递，使分子内能( 振动能和转动能) 增加，也就是分子平均动能增加，表现为 物体温度升高，以达到干燥脱水的目的。 为解决光谱的匹配问题，1 9 8 2 年到1 9 8 8 年，臼本学者高岛广夫等人研究了 m n f e c o c u 氧化物系辐射材料，这类材料从短波到长波都有极高的光谱发射率，其 红外辐射特性接近黑体口5 1 。1 9 8 8 年，英国h a r b e r tb e v e n 公司推出了种以s i c 为基 料添加防老化剂的涂料【2 6 1 。 在国内，至2 0 世纪8 0 年代中期，远红外科技工作者根据匹配辐射理论，研制出 s h q 乳白石英管、镀金石英管、微晶玻璃灯等新型的远红外元件，这些元件的电能 辐射转换效率达到了6 0 6 5 州。 目前，远红外干燥技术主要应用在以下领域： 农产品干燥 2 7 】、果蔬加工【2 8 】、油漆烘干1 2 9 】、木材千划3 们、纺织行业口1 1 、塑料工 业【3 2 1 、谷物干燥1 3 3 1 、铸型砂芯加热烘干、金属焊接t 3 4 1 、生物学、医学和光通讯领 域 3 5 3 6 】。 在农产品干燥应用方面，如谷物干燥时，如果干燥速度过快，谷物内部水分来不 及向外部扩散，就容易产生爆腰，从而降低粮食品质。如果采用红外辐射技术来干燥 谷物的话，不仅干燥质量好，而且干燥效率高。a f z a l t m ，a b e t 研究了大麦及糙米 的红外干燥，取得了满意的效果 3 7 1 。焦士龙等针对水稻在干燥过程中由于外壳阻碍传 热传质而产生温度差应力与水分差应力，致使米粒中间部位产生裂纹的问题，在双循 环的红外辐射与热风联合振动流化床上，采用逐渐升温，且外循环升温内循环降温的 方法对水稻进行干燥处理，较好地解决了稻谷的“爆腰”难题3 8 l 。在谷物热加工方面， 莫斯科国立食品工业大学与一些企业联合开发了高温红外热加工工艺，强化了加热过 程，缩短了加热时间 3 9 1 。 第一章绪论 在果蔬、食品干燥加工中，利用远红外干燥技术可以使果蔬组织内的水分子处于 激活状态，从而引起其振动、脱附，达到提高脱水效率的目的。肖旭霖等【4 0 j 分析了远 红外干燥洋葱时温度等因素对干燥时间、成品品质的影响，得出最佳温度范围，建立 了以复水比、脱水速率和维生素c 的含量为指标的数学模型。唐晓峰 4z l 采用红外辐 射干燥技术，根据匹配原则，合理选择辐射涂料配方，成功地解决了传统干制方法中 “黑心”、“黑角”的生产难题，使魔芋干制加工取得良好的效果。a f z a l t , m ，a b e t i 4 2 j 采用远红外干燥技术对马铃薯的干燥进行研究，干燥效率明显提高，并建立了湿度与 辐射强度的数学模型；m o n g p r a n e e t s ，a b e t t s u r u s a k i t 【4 3 1 对洋葱远红外快速干燥进 行了研究，也得到了满意的效果。 目前，在果蔬干燥方面，大多数研究重点都集中在各种不同干燥方式，如热风、 远红外、微波等干燥特点的比较方面。 1 9 9 3 年，有文献 4 4 - 4 5 1 对香菇在热风、远红外等干燥方式下的干燥特点进行了实 验对比，结果表明，热风和远红外干燥过程中，由于远红外线有一定穿透性，所以物 料进入干燥恒速期的含水量比热风的略高，其最大干燥速率为热风干燥速率的1 5 倍； 在定温度干燥时，干燥前期远红外干燥下物料的干燥速率小于热风干燥，中后期则逐 渐超过热风干燥：远红外干燥要优于热风干燥，其干燥总时间约为热风干燥的6 0 。 热风干燥和远红外干燥在物料的干燥过程中各有其优点和特点。目前，在果蔬干 燥方面，远红外辐射与热风对流联合干燥方式的研究较少。文献 4 6 1 研究结果表明，利 用配以排湿气流的远红外干燥，不论是物料的干燥速率还是干制品质量，都要明显优 于单纯远红外干燥或热风干燥。 远红外干燥过程中的质热传递是个复杂的过程【4 7 郴1 。王俊【5 0 】通过对远红外干 燥香菇所做的试验，结合远红外辐射与热风混合干燥香菇的质热模型，分析了干燥中 辐射强度系数，对流传质汽化系数，总换热系数和辐射换热系数等的变化规律，讨论 了热风对流和远红外辐射在物料干燥过程中不同阶段对物料脱水的影响。 干燥中物料内形成的水分梯度和温度梯度直接影响整个失水过程1 5 1 - 5 2 1 。1 9 9 7 年， 文献f 4 5 】采用热风、远红外、减压和微波等四种方式对香菇和蘑菇进行了干燥试验，比 较和讨论了四种干燥方式下物料水分迁移能力的区别。王俊等【5 3 1 以苹果为例，采用有 限差分法建立了干燥过程中各向同性农业物料内部各层的温度、水分计算表达式，探 讨了有关质热特性参数关系式并进行了理论计算。文献【5 4 1 根据果蔬多孔质的特点，以 莱刖农学院硕士学位论文 千燥黄桃为铡，建立了热风、远红外和微波干燥过程中考虑热湿作用的水分扩散模型 和物料温度模型，分析了模型与实测产生偏差的原因。 1 3 存在的主要问题 目前关于远红外干燥果蔬等农产品的研究，主要存在以下几个方面的问题。 1 、对远红外干燥机理及与其它干燥方式的对比研究的比较深入，但实际应用不 多。大多数研究者指出了物料在远红外干燥与热风干燥等其它干燥方式的不同干燥特 性，以及不同干燥方法干后制品在质量方面的差异，但在试验时，物料通常为一层， 没有进行深层干燥试验。这样，所得到的试验数据通常不能用于实际中去，与实际生 产在很大差距； 2 、对联合干燥规律研究不深入。热风干燥等其它干燥方式各有其缺点和优点， 如何利用远红外辐射的特点，并结合其它干燥方式的优点，对物料进行联合干燥，目 前的研究并不能令人满意； 3 、对远红外与热风联合干燥工艺组合及参数研究得不够，缺乏对联合干燥工艺 组合的研究。 1 4 研究的主要内容和方法 本文利用自制的远红外辐射和热风对流联合干燥试验台，主要进行以下几个方面 的研究； 1 、设计可以进行远红外干燥和远红外与热风联合干燥的试验台，该试验台能进 行二者不同配比的试验研究： 2 、研究高湿物料在联合干燥过程中的干燥特性： 研究高湿物料在单独远红外干燥、远红外与热风联合干燥两种干燥方法下的的干 燥特性，通过对比试验，确定联合干燥与单独远红外干燥在于燥速率等方面的差异； 指出远红外辐射和热风对流在物料于燥各阶段中的不同作用为联合干燥工艺的优化 提供依据；此外，研究高湿物料在联合干燥过程中的温度变化特性，为确定干燥介质 的适宜温度提供依据。 2 、针对固定床干燥均匀性问题，进行联合干燥均匀性试验研究： 通过单独远红外干燥和联合干燥的对比试验，观察、分析联合干燥对干燥均匀性 问题的影响，针对试验及分析结果提出改善干燥均匀性问题的方案并加以试验验证。 第一章绪论 3 、进行单因素试验，确定联合干燥过程中，试验相关参数对高湿物料干燥速率 和品质的影响： 对影响联合干燥的各试验因素迸行单因素试验，结合试验结果和分析，确定影响 高湿物料干燥速率和干制品品质的主要因素并进行正交试验，以确定影响因素的主 次。 4 、采用统计分析的方法建立有关试验指标与影响因素之间的回归数学模型，以 期对高湿物料的联合干燥过程进行描述和预测。 5 、在联合干燥过程中，进行变工艺试验研究： 通过对联合干燥机理的研究分析，在探讨远红外辐射和热风对流在联合干燥过程 中的不同作用的基础上，充分利用远红外辐射和热风干燥的优点，探求较佳的优质、 高效、节能工艺，针对物料的干燥特性和干燥过程的特点，提出变工艺联合干燥的观 点并进行试验研究，以期得到较优的联合干燥工艺组合。 1 5 小结 本章提出了研究的目的及意义，通过国内外研究应用状况的回顾和概括，指出了 目前研究工作的不足，提出了本文研究的主要内容和方法。 莱日l 农学院硕士学位论文 第二章远红外与热风联合干燥机理与质热传递分析 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除其中的大部分水分而获得一定水分含量 固体产品的过程。 物料中的水分以松散的化学结合形式或以液态溶液存在于固体中，或积集在固体 的毛细微结构中，这种液体的蒸汽压低于纯液体的蒸汽压，称之为结合水分；而游离 在表面的水分则称为非结合水分。 湿物料在干燥过程中相继发生以下两种过程： ( 1 ) 能量( 大多数是热量) 从周围环境传递至物料表面使表面水分蒸发； ( 2 1 内部水分传递到物料表面，随之由于上述过程而蒸发。 干燥速率由上述两种过程中较慢的一个速率控制，从周围环境将热能传递到湿物 料的方式有对流、传导或辐射。在大多数情况下，热量先传到湿物料的表面，然后传 入物料内部，但是介电、射频或微波干燥时供应的能量在物料内部产生热量，然后传 至物料外表面 5 6 1 。 物料中的非结合水分是以蒸汽形式从物料表面排除的，此过程中，影响干燥速率 的基本变量为温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态以及在干燥操作时干 燥器的持料方法等外部干燥条件。此过程称为外部条件控制过程，也称为恒速干燥过 程； 物料中的结合水分( 物料内部水分) 的迁移是指水分从物料内部向表面迁移，这种 过程的机理因物料结构特征而异，在临界水分含量出现至物料干燥到很低的最终水分 含量时，内部水分迁移成为控制因素。此过程称为内部条件控制过程，也称为降速干 燥过程。 2 1 红外线辐射的基本规律 普朗克黑体辐射定律：该定律揭示了黑体辐射能按着波长的分布规律，即给出了 黑体单色辐射力e 。与波长和温度的关系。 = 毒( w m 3 ) ) 第二章远红外与热风联合干燥机理与质热传递分析 式中，a 为波长，a n ；t 为黑体绝对温度，k ；p 为自然对数的底；c ，为第一 辐射常数，其值为3 7 4 3 1 0 - 1 6 w - m2 ；c 2 为第二辐射常数，其值为1 4 3 7 8 x 1 0 m - k 。 式( 2 1 ) 给出了任意温度的黑体在任意波长下的辐射功率，是对黑体辐射的的描 述。从普朗克公式可以求出某一波长范围内的黑体辐射功率。例如， - 丑：波长范 围内的黑体辐射功率为： t = 肛。烈= c i e 方若幽 ( 2 - 2 ) 维恩位移定律：由( 2 1 ) 式知，当兄r 的乘积比常数c ：小很多时，则可忽略该式中 的“1 ”，该式可变为： e b a 丽c l 旯- 5 ( 2 - 3 ) 将该函数对波长求导，并令其等于零，则得下列超越方程 p i c 2 + 熹一1 ：o ( 2 4 ) 5 以丁 、 解此方程可得c 八2 l 。j - 4 9 6 5 ，由此得出 五。t = 2 8 9 7 8 1 0 2 9 1 0 - 3 ( m 足) 式( 2 5 ) 表示：最大辐射力的波长九与绝对温度r 的乘积为常数。 ( 2 - 5 ) 显然，五。和r 成反比关系，即峰值辐射波长丸随着温度t 的上升而缩短，即峰 值位置向短波方向移动；反之，温度下降，峰值位置向长波方面移动。 斯蒂芬玻尔兹曼定律：该定律确定了黑体半球总辐射力与温度的关系。将普朗 克定律的e 。的表达式对全波长积分即得到该定律( 俗称四次方定律) ： e 。= f i j 昙j 钡= 口。丁4 ( w l r n 2 )( 2 6 ) 它说明黑体辐射力正比于绝对温度的四次方。式中，盯。为黑体辐射常数，其值 莱阳农学院硕七学位论文 为5 6 7 x1 0 。w ( m2 k4 ) 。为方便起见，通常把( 2 6 ) 式改写成下式： e b = c 。( 而t ) 4 ( w m 2)(2-7) 式中，c 。称为黑体辐射系数，其值为5 6 7 w ( m 2 k 4 ) 。 2 2 红外辐射干燥机理 2 2 1 物体与辐射的关系 辐射是一切物体的固有属性。凡物体温度高于绝对零度( o k ) 时，都会向它的 周围辐射各种波长的电磁波。 当辐射功率投射到某物体表面时， 其中一部分被物体吸收；另一部分被物 体表面反射；还有一部分透过物体，如 图2 - 1 所示。 设投射的总辐射功率为q 0 ，反射的 辐射功率为绋，透射的辐射功率为9 ， 则物体的反射系数可以定义为： r ：盟 q o 反射出 投射q ： 1 。i i l l 一 、吸收q h 透射q f 图2 - 1 物体对投射辐射的反应 f i g u r e2 - 1r e s p o n s e so f o b j e c ta g a i n s tr a d i a t i o n ( 2 8 ) 显然，进入物体内部的辐射功率为( 1 一r ) q 。，这其中包括被物体吸收的辐射和透 过物体的辐射，即：o 。+ q = ( 1 - r ) o o 。 辐射进入物体内部后，一部分被物体吸收转化为其它能量，因此辐射在沿物体内 部向前传播的途中将逐渐衰减。假设物体性质是均匀的，若辐射在物体内某处爿向 前传播d x 时，功率下降了d q ，则： 玄a q ：一爿研( 2 - 9 ) 0 解此微分方程可得：q = o o ( 1 一r ) e 一“( 2 1 0 ) 式中，4 为比例常数，称为该物体的吸收系数，它反映了辐射在物体中前进单位 第二章远红外与热风联合干燥机理与质热传递分析 长度时的损失率，其量纲为m 。 2 2 2 红外辐射换热 ( 1 ) 黑体表面间的辐射换热 如图2 2 为两黑体表面之间的辐射换 热。设两表面分别为曩和f 2 ，温度为五和 疋且恒温。 把表面l 发出的辐射能落到表面2 上 的百分数称为表面1 对表面2 的角系数， 记为x 。，同理，表面2 对表面1 的角系数 为x ：。单位时间从表面1 发出而落到表面 m ? 图2 - 2 任意放置的两个黑体表面之间的辐射换热 f i g u r e2 - 2e x t e r i o rc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r b e t w e e nt w ob l a c k b o d i e sp l a c e da r b i t r a r i l y 2 的辐射能为e ，e ，2 ，而单位时间从表面2 落到表面1 的辐射能为e b 2 最x ：，。因两 表面为黑体，所以落到表面上的能量分别全被吸收，于是两者之间的净换热量为： q 1 2 = e 6 l 墨x 1 2 一e 6 2 五x 2 l( 2 - 1 1 ) 当热平衡时，正= 瓦，净换热量q l ：= 0 ，而e b 。= e h ：，由式( 2 - 1 1 ) 口7 得： 曩x 1 2 = f 2 x 2 l( 2 - 1 2 ) 此式即为两个表面在辐射换热时角系数的相对性。因而两黑体表面间的辐射换热为： 0 1 2 = e z l 2 ( e m e 6 ：) = e z ：，( e 一瓦2 )( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可知，在具体问题的计算中只要能求出角系数，则黑体的辐射换热即 可算出。 ( 2 ) 灰体表面之间的辐射换热 黑体是理想化的物体，在工程上计算辐射换热时，常常假设参与辐射换热的表面 是灰体，即占= a ，实际辐射体的表面更接近灰体表面。 如图2 3 所示，设外来的投射辐射g ；( w m2 ) 一部分被灰体吸收a i g ，。一部分被 莱m 农学院硕士学位论文 反射r 1 g 。，灰体表面和自身辐射热流密度为e ( w m2 ) ，因而灰体表面实际辐射总热 流密度将包括e 与r 。g 。，设有效辐射力为j ，则有 j l = e + r i g l = s l e 一( 1 一a 1 ) g i( 降7 m 2 ) 式中， 灰体表面的吸收率 足灰体表面的反射率 为 晶灰体表面的发射率。 则灰体表面单位面积的辐射换热量 4 ，g ( 2 1 4 ) 、 j i j t 图2 - 3 有效辐射概念图 f i g u r e2 - 3s c h e m eo f e f f e c t i v er a d i a t i o n 粤：小g ，( i - i s ) ，1 从式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 中消去g 。，并注意到漫反