紫花苜蓿茎秆在常压热风干燥中的传质模拟研究

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1、第23卷第5期农业工程学报Vol.23No.52007年5月TransactionsoftheCSAEMay200727紫花苜蓿茎秆在常压热风干燥中的传质模拟研究1211车刚,李成华,汪春,万霖(1.黑龙江八一农垦大学工程学院,大庆163319;2.沈阳理工大学,沈阳110168)摘要:根据斐克定律和质量守恒原理,建立了可以预测干燥过程中苜蓿茎秆内部水分分布的常压热风干燥的传质数学模型。通过对扩散模型边界条件的处理,结合紫花苜蓿茎秆内部水分扩散的干燥试验结果,采用数值模拟方法确定了干燥2苜蓿茎秆的传质系数。结果表明,干燥苜蓿样本的含水率与模拟分析含水率的决定系数为R=

2、0.927,模拟分析具有较高的准确度。在此基础上进行的苜蓿茎秆内部水分分布的模拟计算保证了与苜蓿非稳态干燥过程的一致性。关键词:常压热风干燥;苜蓿茎秆;传质模型;数值模拟中图分类号:TS205.1文献标识码:A文章编号:100226819(2007)520027205车刚,李成华,汪春,等.紫花苜蓿茎秆在常压热风干燥中的传质模拟研究[J].农业工程学报,2007,23(5):27-31.CheGang,LiChenghua,WangChun,etal.Moisturemasstransfersimulationofalfalfastemconvectiveairflo

3、wdrying[J].TransactionsoftheCSAE,2007,23(5):27-31.(inChinesewithEnglishabstract)模型应用较为普遍。但质热参数都作为确定值给出,与0引言[2]实际干燥过程具有一定差距。为获得苜蓿常压干燥过苜蓿(MedicagoSativa,L)是栽培历史悠久、种植程实用的水分传递方程,本文根据试验测得的干燥特性面积较大的一种多年生豆科牧草,它以产量高、营养丰值,确定了苜蓿干燥中的传质系数,模拟研究苜蓿茎秆富、适口性好而享有“牧草之王”的美誉。苜蓿植株分为干燥的传质过程,为进一步研究紫花苜蓿的干燥工艺奠粗茎秆

4、、叶片和优质茎秆,优质茎秆是主茎上的二级分定理论基础。枝。粗茎秆、叶片和优质茎秆的平均质量分别约为1紫花苜蓿茎秆传质数学模型47.7%、35.8%、16.5%,茎秆约占植株总质量的65%。茎秆近似一个圆柱体,粗茎秆的平均直径是3.52mm,1.1苜蓿茎秆模型简化优质茎秆的平均直径为2.30mm,汁液含量丰富,其外简化紫花苜蓿茎秆为圆柱体,如图1所示。苜蓿茎表面的角质层是防止水分蒸发的天然屏障,但是却给苜秆按照一维柱体非稳态质扩散过程处理,收缩量忽略不蓿的干燥增加了难度,茎叶的干燥速率相差2～3倍[1],计,即体积不发生变化。根据蒸发前沿面理论,蒸发前沿因此,紫花苜蓿干

5、燥的关键是茎秆部分。苜蓿茎秆干燥面距表面为s,蒸发前沿面为水分在某条件下(界面边是一个复杂的传热传质过程,目前常用的指数干燥模界条件)完全蒸发的面。R-s≤r≤R区域定义为干型、Page干燥模型均属经验模型,只能描述干燥过程中区,0≤r≤R-s的区域定义为湿区,r为茎秆截面区域苜蓿茎秆平均含水率变化,无法表现茎秆内部水分的扩内任意半径,R为茎秆模型最大半径值。散过程。分析苜蓿茎秆内部的水分扩散机理对于深入研究苜蓿的干燥特性及劣变发生的机理具有重要的意[2]义。干燥过程中,苜蓿的物理性质、化学性质和营养成分都要发生变化,其中大多数变化都与温度、水分和时间有关。如果能够准

6、确地预测干燥过程中苜蓿茎秆内部水分的分布和温度的分布随时间的变化,就可以优化干燥参数和干燥工艺,以防止苜蓿干燥品质的下降。在现有描述物料干燥过程内部传热传质的数学模型中,扩散图1苜蓿茎秆简化传质模型简图Fig.1Schematicdiagramofmoisturetransferofalfalfastem收稿日期:2006207215修订日期:2006210210基金项目:黑龙江省教育厅重点攻关项目(105112007;10551228)1.2苜蓿茎秆传质模型的建立作者简介:车刚(1972-),山东平度人,博士,副教授,主要从事干燥过程理论与设备研究。大庆黑龙江八一农

7、垦大学工程学院,常压热风干燥苜蓿是一个典型的非稳态过程,结合163319。Email:chegang180@yahoo.com.cn苜蓿茎秆的形状及组成特点,按一维柱体非稳态质扩散28农业工程学报2007年过程进行分析。根据斐克定律及质量守恒原理,组成描草薄层干燥试验台。干燥试验台结构如图2所示。述苜蓿草段干燥过程中完整的扩散微分方程组如式(1)所示。5x(r,S)155x(r,S)=D(x,S)õrõ5Sr5r5r(00)x(r,S)ûS=0=M0(0≤r≤R,S=0,M0=78.6%)5x(r,S)=0(r=0,S>0)5rr=05