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苜蓿草捆太阳能干燥特性研究

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摘要:

为研究苜蓿草捆在太阳能干燥过程中干燥介质状态和草捆状态与干燥速率及干燥特性间的关系,在已有的太阳能干燥试验台上进行了单层和多层的草捆干燥试验。通过试验获得了草捆的干燥特性曲线,分析了各因素对干燥特性的影响规律,建立了试验因子与含水率间的数学模型。结果表明:草捆的干燥存在着明显的水分梯度和温度梯度;介质温度每增加10℃,草捆的干燥速度可提升10%~15%;草捆的密度小时,草捆与介质温差大,有利于干燥;采用太阳能捆草干燥技术可以加快干燥速度,且减少营养成分损失。

关键词:

苜蓿草捆;太阳能干燥;含水率;数学模型

0引言

紫花苜蓿具有极高的饲草品质、经济价值和生态适应性,采用科学的牧草干燥技术不仅可以保持牧草原有的营养价值,而且还可以提高其利用价值。太阳能干燥属于低温干燥,既能克服田间自然干燥造成的发霉、变质及腐烂现象,又能解决高温快速干燥过程中因蛋白质发生变异引起的适口性差和消化率低等问题,且节约常规能源、减少环境污染。内蒙古地区干旱少雨、日照充足,畜牧业和草业是两个重要的产业,近年来饲草种植面积逐年扩大,因此立足当地情况利用太阳能风干牧草是非常必要的。干草捆是目前应用最广泛的草产品,具有加工成本低、工艺简便、贮藏时间长、营养保存完好及饲喂时取用方便等优点。在草捆的干燥过程中,苜蓿初始水分含量、打捆密度及干燥介质状态等因素影响着干草捆的质量。本文通过紫花苜蓿捆草太阳能干燥试验,分析研究干燥过程中草捆内苜蓿表面温度和湿含量的变化情况,以及干燥介质状态及草捆自身状态对干燥过程的影响,为生产实践提供可借鉴的理论依据。

1试验材料与方法

1.1材料与地点

试验选用中国农业科学院草原研究所沙尔沁基地种植的紫花苜蓿,一茬、花期(开花30%左右),收割时初始含水率为80.34%(湿基)。取茎叶比例基本相同的长散草进行打捆,打捆密度分别为100、150、200kg/m3,小方捆的外形尺寸为300mm×200mm×150mm(高×宽×长)。试验地点为内蒙古农业大学机电学院农机实验室院内,试验时间为2014年7月1日-7日。

1.2试验设备

试验在内蒙古农业大学自行设计的苜蓿太阳能干燥试验系统上进行。干燥系统由太阳能集热器、离心式通风机、干燥箱和监测系统组成,如图1所示。电子天平为赛多利斯仪器公司制造,型号SQP。风机开启后集热器内部产生负压,冷空气进入集热器被加热并进入干燥箱,与干燥箱内的苜蓿草捆进行热质交换,干燥后的废气从干燥箱顶部排出;监测系统实时显示并记录环境、介质、草捆所需试验数据。

1.3试验方案

利用试验系统对不同密度苜蓿草捆进行实时天气下的太阳能干燥试验。试验因素有干燥介质温度和相对湿度、草捆初始含水率和密度。试验指标为草捆中苜宿表面温度及其周围气流相对湿度、草捆的含水率。试验各指标依据行业标准JB/T10906—2008《太阳能饲草干燥设备》规定进行监测,数据应用Ori-gin和Spss软件分析处理。干燥前,给各个草捆标号、称重并测其初始含水率。为获取不同介质、密度下的干燥数据,分别进行单层、多层(3层)试验。根据试验方案在草捆内部及各层草捆的介质入口、出口布置温湿度传感器,如图2所示。调节变频器控制风机转速,启动数据采集系统,记录数据,每层随机取5个草捆样本用电子天平测其质量变化情况,取样间隔50min,取样时暂停送风,试验时间为9:00-18:00。

2结果与分析

2.1草捆干燥的热质传递分析

干燥过程是传热与传质同时发生的,温度梯度推动传热,湿度梯度推动传质,传热和传质的方向相反但密切相关。因此,通过测量苜蓿表面温度和相对湿含量可以实时掌握草捆的干燥状态,如图3所示。试验中,将温湿度传感器分别放置于草捆的中部,所测数据为草捆内苜蓿附近很小范围内的表面温度和相对湿含量。试验中,草捆密度150kg/m3,初始含水率66.4%,风机转速2800r/min,当天环境平均温度29.3℃,平均相对湿度19.84%。从图3中可以看出:3层草捆苜蓿温湿度变化曲线趋势基本一致,但由于介质变化较大,上两层干燥速率明显滞后。干燥开始时,草捆内部温度较高,这是因为苜蓿打捆时含水率高、密度大,于是草捆内部苜蓿自身的呼吸和新陈代谢加速,此生化过程使苜蓿表面温度高、水分大;当进行通风干燥时,温度曲线开始下降,苜蓿自身呼吸代谢逐渐消失,进入降温排湿阶段,10:30左右温度达到最低点。随后,随着介质温度的增高,介质与苜蓿表面温度差增大,从而加大了传热推动力,使传热速率加快,牧草表面温度升高,在14:30苜蓿表面温度达到最高值;之后,由于介质温度降低草捆内部温度也呈现平稳缓慢的下降。观察草捆相对湿度曲线可以看出:开始处相对湿度很大,达到76%,通风干燥后湿度反而升高一度达到80%。这是由于此阶段呼吸作用还没有停止,外加草捆表层的水分向内部扩散,使内部牧草湿含量增大。随后,由于介质温度的增高,降低了相对湿度,增大了与物料的传质推动力,加快了传质,因此相对湿度曲线迅速下降,草捆处于快速脱水阶段,此阶段的传质属表面汽化控制。当苜蓿表面的自由水蒸干时,传质属苜蓿内部迁移控制,干燥进入平稳缓慢阶段,湿度曲线也平稳下降。

2.2干燥介质温湿度对草捆含水率的影响

3层草捆的干燥过程是在3种干燥介质状态下进行的试验。图4为草捆含水率在不同介质温度和相对湿度下随时间变化曲线。由图4可知:各层的介质温度与其相对应的湿度呈负相关,草捆的含水率曲线呈下降趋势,且随着干燥时间的延长,干燥速率逐渐平缓。第1层草捆干燥介质温度高、相对湿度低,温度范围为27.3~57.8℃,平均温度51.2℃,平均相对湿度5.7%,热空气的干燥势很强,经过4h草捆的含水率降至25%左右,此阶段草捆含水率下降幅度明显增大有利于快速脱水;而后,由于草捆内部水分扩散速度不及表层蒸发速度,呈现出降速干燥。第2层草捆水分蒸发所需的能量一部分来自下层草捆的热传导,一方面来自物料间隙内热空气的流动,而干燥介质温度低且相对湿度大,水汽向空气主体传递推动力小,所以干燥过程平稳缓慢。第3层草捆开始阶段干燥极其缓慢,这是因为热空气穿过下层草捆时所吸收的水分已经达到饱和(相对湿度超过50%)丧失了吸湿性,不具有干燥上层草捆的能力,而且还有可能将上层草捆加湿,延长了上层草捆的干燥时间。研究发现:在草捆干燥过程中,干燥程度和速率不均匀。干燥介质温湿度对草捆含水率影响差异非常显著,其他条件不变时,干燥温度每增加10℃,草捆的干燥速度可提升10%~15%。为了提高干草捆质量,节约成本,在实际干燥过程中应从改善通风工艺考虑解决此问题。

2.3草捆密度对干燥特性的影响

表1为试验环境与参数值,图5为不同密度的草捆在介质基本相同条件下的含水率与干燥速度曲线。从图5可以看出:不同密度苜蓿草捆的湿含量、干燥速率具有明显的不一致性,密度越大,含水率变化曲线的凹凸性越小,其含水率的变化趋势也越趋于平缓,临界干燥速度越慢。这是因为密度大时气流所受阻力大,沿气流方向温度梯度变小,湿度梯度变大。此外,由图5可以看出:草捆的干燥过程不同于薄层干燥,没有稳定的匀速干燥阶段。这是因为苜蓿不仅与热空气有接触,同时也与相邻的苜蓿有接触,所以在干燥早期干燥过程是对流换热与传导换热并存的,随着干燥过程的继续,对流换热就会占据主要地位;并且随着水分的汽化,苜蓿间接触点的受力也发生变化,随之苜蓿间的接触面积也要发生变化。

2.4草捆干燥数学模型

建立干燥模型对研究干制规律,预测不同介质参数下的含水率具有重要的意义。草捆含水率的变化不仅与介质状态还和草捆状态有关,许多薄层干燥模型已建立起来,然而却很少有关捆草的干燥模型。为此,运用理论分析和试验数据相结合的方法分别对几种方程进行拟合比较,获得捆草干燥的数学模型为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为t时刻草捆干基含水率(kg/kg-1);M0为草捆初始干基含水率(kg/kg-1);ρ为草捆密度(kg/m3);T为干燥介质温度(℃);为干燥介质相对湿度(%);t为干燥时间(h)。

3结论

1)苜蓿含水率从50%降到17%的过程中,田间干燥速度慢,营养成分损失大。采用太阳能捆草干燥技术可以加快这一阶段的干燥速度,减少牧草的营养成分损失,而后可以草捆成品进行运输、深加工、贮存和饲喂,实现牧草的优质化处理。

2)试验结果表明:苜蓿草捆的干燥存在着明显的水分梯度和温度梯度,具有不均匀性;草捆内部苜宿的表面温湿度分布和含水率的变化与干燥介质的分布有很大的关系,介质温度越高,相对湿度越低,越有利于草捆中水分的快速扩散。

3)草捆密度对干燥过程的影响非常大,密度越大则其干燥速率越慢;同时,干燥过程中草捆的密度和接触面积是在变化的,苜宿所能获得的热空气流量不同,没有稳定的匀速干燥阶段。

4)通过分析影响草捆含水率变化的参数,建立了苜蓿草捆的含水率多元回归方程,为进一步进行牧草湿法打捆干燥的研究打下了基础。

参考文献:

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[4]郑先哲,蒋亦元.苜蓿干燥特性试验研究[J].农业工程学报,2005(1):159-162.

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[9]钱旺,杨世昆.苜蓿草干燥试验与收获工艺优化[J].农业机械学报,2012(10):231-234.

[10]赵艳忠,王忠江,陈立.苜蓿薄层干燥特性试验研究[J].东北农业大学学报,2009(2):114-117.

作者:钱珊珠 杨哲 单位:内蒙古农业大学 机电工程学院

Applied MathematicsA Journalof Chinese Universiti责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次