南疆地区霜后棉桃热风干燥试验及其数学模型研究

南疆地区霜后棉桃热风干燥试验及其数学模型研究王伟1,2胡灿1,2陈晓川1，3弋晓康1廖结安1(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300；3.东华大学机械工程学院，上海，201620)摘要：针对南疆地区霜后棉桃、僵瓣棉的回收利用现状，采用热风干燥方式，对棉桃物料进行不同温度下的热风干燥试验，结果表明，棉桃的干燥过程主要为降速干燥过程，但在干燥的预热初期，出现了瞬时的加速干燥段，未出现明显的恒速干燥段，干燥速率随干燥温度的提升快速升高。利用试验数据，与7种多孔介质物料的干燥数学模型进行拟合发现，page模型拟合精度最高，并且模型参数简单，适合于干燥生产的实际应用；通过对模型中待定常数的求解，得到了棉桃热风干燥的数学模型，通过验证，该模型能很好地预测棉桃热风干燥时风温为800C~1000C条件下的棉桃水分变化规律。关键字：僵瓣棉；热风干燥；多孔介质；数学模型中图分类号：TS113+.2;S-3文献标识码：AThehotairdryingexperimentandmathematicalmodelresearchoffrostcottonbollsintheregionofsouthernXinjiangWangWei1,2HuCan1,2ChenXiaochuan1,3YiXiaokang1LiaoJiean1(1SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,TarimUniversity,AlarXinjiang843300;2TheKeyLaboratoryofColleges&UniversitiesundertheDepartmentofEducationofXinjiangUygurAutonomousRegion,AlarXinjiang843300;3.TheMechanicalEngineeringCollege,DonghuaUniversity,Shanghai,201620China)Abstract:Inviewoftherecyclingandutilizingcurrentsituationoffrostedbolls,deadlockedcottoninthesouthernXinjiangregionofChina,thecottonbollsunderdifferenttemperatureofhot-airdryingexperimentwascarriedout,theresultsshowthatthedryingprocessmainlyforthefallingratedryingprocess,butintheearlydrypreheating,theaccelerationoftheinstantaneousdryingperiod,doesnotappearobviousconstantratedryingperiod,thedryingrateconcomitanttheascendingrapidriseinthetemperatureofdrying.Usingthetestdata,and7kindsofporousmediumdryingmathematicalmodelfittingfoundthatpagemodelhighfittingprecision,andmodelparametersissimpleandsuitableforthepracticalapplicationofdryproduction;Bysolvingtheundeterminedconstantsinthemodel,getthebollsofhotairdryingmathematicalmodel.Itiscanwellpredictthatcottonbollsofmoisturechangeruleundertheconditionofhot-airdryingtemperaturefrom800Cto1000C.Keywords:deadlockedcotton;hot-airdrying;PorousMedia;mathematicalmodel0引言在南疆地区棉花成熟季节，秋后棉花因自然气候、生长期等多种原因造成了棉桃的发期过晚，出现僵瓣棉等现象，影响了棉花的整体质量和采摘[1]。针对霜后棉桃、僵瓣棉的回收利用现状，将未成熟的棉桃采摘下来，通过热风干燥方式进行催熟干燥处理，能促进棉纤维的进一步生，提升棉花的整体性能；为了试验这种新技术，需要对棉桃的热风干燥进行试验研究。由于霜后棉桃、僵瓣棉的特殊性，对棉桃进行干燥试验的研究较少，但棉桃与棉花均属于多孔介质，其干燥性能与多孔介质干燥特性相近。在多孔介质的干燥收稿日期：基金项目：国家质检总局项目（201310107）；新疆生产建设兵团支疆项目（2012AB008）作者简介：王伟（1974-），男，辽宁沈阳人，副教授，硕士生导师，主要从事机械设计与研究,E-mail:[e-mail]。通讯作者：弋晓康（1976-），男，陕西华县人，副教授硕士生导师（E-mail:）[e-mail]。通讯作者：研究上，国内外学者进行了大量的试验研究。YiX.K.，WuW.F.，ZhangY.等研究了红枣在不同风速与不同风温条件下的干燥速率变化情况，并对试验数据进行了参数拟合，得出了红枣在风速与风温条件影响下的干燥数学模型[2-3]；中国农业大学的袁越锦研究了一种二维分孔道的数学模型，并利用试验方法，揭示了自然对流多孔介质的热风干燥特性[4]；鲁洁研究了阜平红枣热风干燥特性，对试验数据进行了模型的拟合，得出了最优拟合效果的page模型[5]。根据多孔介质的干燥特性与研究成果，利用热风干燥方法，对霜后棉桃、僵瓣棉采摘后进行热风干燥试验，研究棉桃热风干燥的影响规律，并对试验数据与经典多孔介质干燥数学模型进行拟合，以建立不同温度影响下的棉桃干燥数学模型。1材料与方法1.1试验材料试验采用南疆地区新疆建设兵团第一师十团实验田间的待熟棉桃，将棉桃采摘后放置试验室房内晾置处理24小时，使棉桃湿基含水率保持在55%-65%之间。（1）热风干燥机设备试验的干燥机设备采用立式物料循环热风干燥机，包括干燥试验台、加热器装置、鼓风机（3kw）、干燥室、温度控制装置、风速调节装置等组成。干燥时，加热器装置上电，产生热能，同时鼓风机启动，产生风力，经加热器装置后形成热风，经干燥室入口进入，经物料后进行循环干燥。其中，温度控制装置由姚仪表公司提供的XM-9007型温控仪表和加热器主电路组成。工作时，可根据干燥室的入口温度和出口温度进行恒温控制，保证干燥室温度的稳定范围在±0.80C之间。（2）其它试验数据测量设备根据试验的需要，制作了“盒状型”物料盘（18.5mm×18.5mm）、购置了先行者（CP系列）电子天平称。电子天平称用来测定每一个干燥时间段的棉桃试验样品质量数据。1.2试验的方法试验根据相同风速下的三种不同温度制定棉桃风温单因素的试验方案。试验前，将桃棉进行挑选与分类，去除棉杆、棉叶等一些杂质，以达到干燥试验的要求。试验前，精选大小一致的棉桃按不同温度进行分组选样，做好样品编号，用天平称进行初始样品的称重。为计算方便，每组试验样品初始质量均控制在1000g（±0.2g），其中物料盘的重量为378.9g，同时，干燥室放入一定数量的棉桃，使干燥试验接近大物料的干燥过程。试验时，每隔30分钟对样品进行一次称量，记录棉桃质量变化情况，直至棉桃的干基含水率低于8.6%时，停止本组试验。风温单因素试验主要在相同的风速条件下，进行不同温度的干燥试验；设定风速为3.0m/s,对应设定800C、900C、1000C的干燥温度条件。综合以上试验方法，根据三种风温的选择，完成3组不同风温条件下的干燥试验，另外，为了更好地减少干燥试验的误差，对3组试验进行重复试验，共完成6组不同风温条件下的干燥试验。1.3试验参数根据试验方法，棉桃在干燥过程时的含水率变化情况采用干基含水率来表示。不同时间下的干基含水率可按公式（1）计算。)1()1(0000MGMGGMtt（1）公式（1）中，Gt—为棉桃试验样品任意时刻t时的总质量（g）；M0—为试验样品初始时的湿基含水率（%）；G0—为试验样品初始的总质量（g）。棉桃物料水分比MR为：0tMMRM（2）公式（2）中，MR为无量纲比棉桃干燥时的水分比，M0为棉桃干燥时的初始干基含水率。同样，根据不同时刻时的干基含水率，可计算一段时间区间内的干燥速率：1212ttMMDRtt（3）公式（3）中，DR—为干燥时t1至t2时间区间内的干燥速率（%/h）；Mt1,Mt2—分别为t1、t2时间时的干基含水率（%）。1.4棉桃干燥数学模型国内外对各种物料进行了大量的薄层干燥试验，总结出了诸多物料干燥的数学模型。棉桃的干燥可参照多孔介质干燥特性进行模型的选择，试验结合棉桃物料的特性，选择7种多孔介质物料的薄层干燥数学模型，通过采用非线性回归法对不同温度条件下的棉桃干燥特性曲线进行参数拟合，从而建立棉桃热风干燥数学模型。所选7种经典多孔介质干燥的数学模型如表1所示。表1中，t为棉桃干燥时间，a、k、b、c、k0与k1为数学模型中的待定系数。表1经典多孔介质干燥的数学模型模型序号模型名称数学表达式1NewtonMR=exp(-kt)2pageMR=exp(-ktn)3HendersonandPabisMR=aexp(-kt)4ApproximationofdiusionMR=aexp(-kt)+(1-a)exp(-kat)5Two-termmodelMR=aexp(-k0t)+bexp(-k1t)6WangandSinghMR=1+at+bt27LogarithmicMR=aexp(-kt)+c表1所示的数学模型中，用拟合系数R2、卡方值X2、均方根误差RMSE来评价模型与干燥试验数据的拟合效果。拟合系数R2的取值越接近1，卡方值X2与均方根误差RMSE取值越小，表明模型的拟合度越高。2结果与分析2.1不同温度下的棉桃干燥MR值变化0123450.00.20.40.60.81.0MR时间/h80℃100℃120℃图1不同干燥温度下的MR变化曲线通过不同温度条件下的棉桃干燥试验，得到干燥温度800C、900C、1000C时的棉桃干燥曲线，如图1所示。由图1可看出，棉桃干燥时间比一般物料要短，温度越高，干燥所用时间越短；当干燥温度为800C时，干燥所用时间为5小时，MR最终值为0.047；当干燥温度为900C时，干燥所用时间为4小时，MR最终值为0.043；当干燥温度为1000C时，干燥所用时间为3.5小时，MR最终值为0.039。棉桃水分比MR随着干燥时间的变化不断下降，最终稳定在0.04左右。棉桃干燥前2小时，MR下降速度较快，但在干燥后期，MR变化趋于平稳，表明在干燥前期，棉桃内部的自由水蒸发较快，在干燥后期，随着自由水的不断排出，蒸发的主要成份由自由水转变为结合水，而干燥物料的节合水排出一般较为困难，这是影响MR变缓的主要原因。2.2不同温度下的棉桃干燥速率变化棉桃干燥速率的变化曲线如图2所示，干燥温度越高时，棉桃的干燥速率变化越大。当干燥温度为800C时，最大干燥速率DR值为0.854（g/（g.h））；当干燥温度为900C时，最大干燥速率DR值为1.18（g/（g.h））；当干燥温度为1000C时，最大干燥速率DR值为1.512（g/（g.h）），是干燥温度为800C时的1.77倍。棉桃的干燥主要为降速干燥过程，但在干燥的预热初期，出现了瞬时的加速干燥段，没有出现明显的恒速干燥段。加速干燥段出现的时间较短，主要体现在干燥初期预热阶段；棉桃的干燥过程主要集中在降速干燥段，随着干燥时间的增加，自由水不断排出，棉桃深层水分排出的阻力增大，使干燥速率不断地下降，最终在干速率处于0.01