全 文 ：第 27 卷 第 1 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.1
2011 年 1 月 Transactions of the CSAE Jan. 2011 365

瓠瓜薄层热风干燥动力学研究
诸爱士，夏 凯
（浙江科技学院生物与化学工程学院，杭州 310023）

摘 要：为掌握瓠瓜薄层热风干燥特性，研究了一定条件下风温与风速对瓠瓜薄层热风干燥过程的影响，拟合了干燥曲
线方程，计算了对流传热系数 α与传质系数 kH等动力学参数。结果表明：风温、风速均对干燥速度影响较大，以 75℃、
1.04 m/s 为宜；干燥方程符合 Page 模型；随风速增大 α与 kH 均增大，但风温对两者影响不大。结果可以为瓠瓜干制工业
化生产和控制提供理论依据。
关键词：农产品，热风干燥，模型，瓠瓜，动力学，参数
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.01.059
中图分类号：TQ028.6+72 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-01-0365-05
诸爱士，夏 凯. 瓠瓜薄层热风干燥动力学研究[J]. 农业工程学报，2011，27(1)：365－369.
Zhu Aishi, Xia Kai. Dynanics of thin layer hot-air drying of lagenaria leucantha rusby [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(1):
365－369. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
瓠瓜在夏季上市，采后若不及时食用、加工，则容
易变质。因此瓠瓜的储存和保鲜是必要的，脱水是一种
方法。目前，农产品干燥脱水的主要方法是热风干燥[1—5]、
另外还有真空干燥、热泵干燥、微波干燥、辐照干燥等[6
—9]。对许多农产品的干燥工艺和干燥方程研究已见文献
报道，关于瓠瓜干燥的研究未见报道，干燥条件（如风
温、风速）对干燥过程的热量和质量传递的影响鲜有报
道。对流传热系数 α 及传质系数 kH表征了干燥过程的传
热和传质强弱，其值可作为生产工艺条件选择和干燥设
备设计的依据。试验采用热风对片状瓠瓜进行薄层干燥[1
—2]，探讨了风温、风速对干燥的影响[3—4]，着重研究了干
燥动力学，拟合了干燥方程，拟合了风温、风速的对流
传热系数 α 及传质系数 kH的关系，得到相应结果。
1 材料与方法
1.1 材料
鲜瓠瓜：市售。实体粗细均匀、新鲜，鲜样平均含
水率为 95%（湿基），在保鲜袋保湿冷藏于冰箱备用。
试验原料的预处理：鲜瓠瓜→挑选→剔除两头→清
洗→刨皮→切片（1～2 mm）→装盘。
1.2 试验主要仪器设备
DG100D 数字型洞道干燥装置（浙江中控科教仪器设
备有限公司）；DHG-9123A 型电热恒温鼓风干燥箱（上
海精宏实验设备有限公司）；BS124S 型精密分析天平（北
京赛多利斯仪器系统有限公司）；T500Y 型电子天平（常
熟双杰测试仪器厂）。

收稿日期：2010-08-02 修订日期：2010-12-29
基金项目：浙江省科技计划项目（编号 2007C21063）
作者简介：诸爱士（1966－），男，浙江湖州人，主要从事农产品干燥研究。
杭州 浙江科技学院生物与化学工程学院，310023 Email：zhuai86@163.com
1.3 干燥试验
将干燥装置设置好需要的温度和风速，待其稳定后，
将切好的瓠瓜片称质量，在干燥盘上平铺一层，盖满整
个干燥面积，放入干燥装置中进行干燥，记录干燥时间
和质量，直至质量不变，停止试验。得到的干制品除平
衡含水率不一样外，不同条件下的外观颜色一样。再将
干燥盘从干燥装置中取出放入烘箱，在 105℃下恒质量，
得出瓠瓜绝干质量，进行数据处理。
1.4 结果计算
干基含水率及干燥速率的计算分别如式（1）、式（2）
所示。
Xi=(mi-mg)/mg （1）
式中，Xi为干基含水率，g/g；mg为绝干时物料质量，g；
mi为物料 ti 时刻对应的质量，g；
1 1
1 1( )
i i
i
i i
m m
U
A t t
− +
+ −
−= − （2）
式中，A 为干燥接触面积，m2；mi-1，mi+1分别为 ti-1，ti+1
时刻物料质量，g；Ui为 ti时刻干燥速率，g/(m2·s)。
2 结果与分析
2.1 干燥条件的考察
2.1.1 不同风温对干燥过程影响
片状瓠瓜，在风速为 0.95 m/s、装载量为 1.84 kg/m2
的条件下分别考察了干燥风温为 55℃、65℃、70℃、75℃、
85℃对干燥过程的影响，得到的干燥曲线见图 1、速率曲
线见图 2。
图 1 显示，风温越高，经相同时间干燥物料的含水
率就越低，干燥速率也越大。这是由于风温越高，使得
传热推动力—温度差越大；空气相对湿度越低，空气与
物料之间的传质推动力—湿度差就越大，干燥速率也就
越大，要达到一定的含水率所需时间就越短。因此提高
干燥风温对过程有利。图 2 显示，干燥过程可分为 3 个
农业工程学报 2011 年

366

图 1 不同风温下的干燥曲线
Fig.1 Drying curves under different temperatures

图 2 不同风温下的干燥速率曲线
Fig.2 Drying rate curves under different temperatures

阶段：加速、恒速及降速干燥阶段，基本符合传统的干
燥速率曲线变化规律；加速阶段极短，风温越高，干燥
越快进入恒速阶段，恒速阶段也越短，临界含水率（恒
速阶段转入降速阶段的转折点所对应的含水率）越高，
平衡含水率（干燥到质量不变时物料最终所具有的含水
率）越低。恒速阶段干燥速率受风温影响较显著，随风
温增大而增大，但其增幅逐渐减小。干燥风温高，使废
气带走的热量多，能耗多，热效率低；物料具热敏性，
温度过高，物料要被烤熟、营养成分被破坏得越多；同
时从图 2 的干燥速度看，干燥风温从 75℃升至 85℃，其
增幅已经明显减小；因此干燥风温以 75℃为宜。
2.1.2 不同风速对干燥过程影响
片状的瓠瓜，在风温 75℃（湿球温度 60.5℃）、装
载量为 1.82 kg/m2的条件下考察了风速分别为 0.60、0.85、
0.95、1.04、1.20 m/s 对干燥过程的影响，得到干燥曲线
见图 3、速率曲线见图 4。
如图 3 所示，风速越大，经相同时间干燥物料的含
水率越低，其原因是风速越大，使得空气中湿度增加越
少，空气与物料间的湿度差就越大，同时传热与传质边
界层减薄，传热系数、传质系数均增大，干燥速率也就
越大。因此提高风速对干燥过程有利，但风速越大能量
损耗也越大。如图 4 所示，干燥仍分为 3 个阶段，风速
越大，加速阶段越短，恒速阶段越短，临界含水率越高，
平衡含水率越低。恒速阶段干燥速率受速度影响较大，
随速度增大而增大，但其增辐逐渐减小。风速大，风量
大，输送、加热所需功率大，废气带走热量多，能耗多，
热效率低；同时风速从 1.04m/s 升至 1.20m/s，干燥速度
增幅已明显减小；因此干燥时风速以 1.04m/s 为宜。

图 3 不同干燥风速下的干燥曲线
Fig.3 Drying curves under different wind speeds

图 4 不同干燥风速下的干燥速率曲线
Fig.4 Drying rate curves under different wind speeds

2.2 干燥动力学模型和系数
2.2.1 干燥方程
许多文献证明，蔬菜水果干燥适用薄层 Page 模型[5-7,9-10]，
采用该模型对试验数据进行拟合。方程为：
(X－X*)/(X0－X*)=exp(－Ktn) （3）
对式（3）线性化后得出：
ln[－ln(X－X*)/(X0－X*)]=nlnt+lnK （4）
式中，t 为干燥时间，s；X 为 t 时刻物料含水率（干基），
g/g；X*为平衡含水率（干基），g/g；X0为初始含水率（干
基），g/g；K、n 为待定干燥方程系数。
将试验数据分别在 ln[－ln（X－X*）/(X0－X*)]与 lnt
坐标上画图，见图 5，可得到方程的斜率即为 n，截距为
lnK。
由图 5 可见，在恒速段与降速段的开始阶段（图中
横坐标下方），干燥曲线与 Page 模型符合相当好，而在
第 1 期 诸爱士等：瓠瓜薄层热风干燥动力学研究

367
干燥最后阶段可能由于干燥后物料质量变小测定时受风
吹的影响而导致读数误差增大等原因使得部分方程的线
性不是很理想，这与文献[6]报道相似。干燥曲线方程系
数 K、n 见表 1、2。

图 5 不同干燥风速、风温下的 ln[－ln(X－X*)/(X0－X*)]与 lnt 的关系
Fig.5 Relationship between ln[-ln(X－X*)/(X0－X*)] and lnt at different wind speeds、different temperatures

表 1 风速 1.04 m/s 时不同风温干燥方程系数
Table 1 Drying equations coefficient of different temperatures
at 1.04m/s
温度 T/℃ n K×105
55 1.384 3.94
65 1.418 4.43
70 1.392 6.46
75 1.414 6.44
85 1.484 4.94

表 2 75℃时不同风速干燥方程系数
Table 2 Drying equations coefficient of different wind speeds
at 75℃
风速 u/（m·s-1） n K×105
0.60 1.390 4.10
0.85 1.476 3.22
0.95 1.450 4.49
1.04 1.415 6.15
1.20 1.381 8.25

令
K=a+bT+cu
n=d+eT+fu
式中，T 为风温，℃；u 为风速，m/s；a、b、c、d、e、f
为待定模型系数。
经二元线性回归得到瓠瓜薄层热风干燥方程：
(X－X*)/(X0－X*)=exp[－(－0.21543+2.973×10－3T－
5.935×10－5u)t1.234+0.002696T－0.009678u]
利用方差分析对回归关系进行显著性检验，F=6.35，
F0.05(2,7)=4.76，回归模型呈显著相关水平。
2.2.2 恒速阶段对流传热系数 α计算与关联
根据 α(T－Tw)=Nwrw[11]得：α=Nwrw/(T－Tw)，计算不
同风速 u、不同风温 T 下的 α 值见表 3、4。
式中，Nw 为速度曲线中恒速阶段的干燥速率 Ui；α 为对
流传热系数，表示传热阻力，W/(m2·K)；T 为干球温度，
℃；Tw 为湿球温度，℃；rw 为湿球温度对应的水汽化潜
热，kJ/kg。
表 3 不同风速的对流传热系数 α
Table 3 Convective heat-transfer coefficient α of different wind
speeds
风速 u/
(m·s-1)
T/
℃
Tw/
℃
Nw/
(g·(m2·s)-1)
rw/
（kJ·kg-1）
α/
(W·(m2·K)-1)
0.60
0.85
0.95
1.04
1.20
75.0
75.0
75.0
75.0
75.0
60.2
60.2
60.3
60.1
60.6
0.978
1.284
1.418
1.493
1.590
2355
2355
2355
2355
2355
155.6
204.3
227.2
236.0
260.0
表 4 不同风温的对流传热系数 α
Table 4 Convective heat-transfer coefficient α of different
temperatures
风温 T/
℃
Tw/
℃
Nw/
(g·(m2.s)-1)
rw/
(kJ·kg-1)
α/
(W·(m2·K)-1)
55.0
65.0
70.0
75.0
85.0
46.2
53.2
56.2
60.4
68.1
1.048
1.348
1.529
1.670
1.910
2387
2370
2364
2355
2336
284.8
271.1
262.1
269.4
264.0

表 3 数据表明随风速增大，对流传热系数 α也增大；
表 4 数据表明风温对 α的影响很小，这与传热原理相符合。
令 α=gu h
式中 g、h 为待定系数。
由表 3 相应的数据拟合，得出 α 与 u 的关联式：
α=230.17u0.7488，R2=0.9938.
2.2.3 恒速阶段传质系数 kH计算与关联
根据 Nw=kH(Hw－H)[11]得到：kH=Nw/(Hw－H)，计算不
同风速、不同风温下的 kH值分别见表 5、6。
农业工程学报 2011 年

368
式中，kH为传质系数，表示传质阻力，g/(m2 s·ΔH)；Hw、
H 为空气饱和湿度、实际湿度，kg/kg。
表 5 不同风速的传质系数 kH
Table 5 The mass transfer coefficient kH of different wind speed
风速 u/
(m·s-1)
Hw/
(kg·kg-1)
H/
(kg·kg-1)
Nw/
(g·(m2·s)-1)
kH/
(g·(m2·s·ΔH)-1)
0.60
0.85
0.95
1.04
1.20
0.163
0.163
0.163
0.163
0.163
0.154
0.154
0.154
0.154
0.154
0.978
1.284
1.418
1.493
1.590
108.7
142.7
157.6
165.9
176.7

表 6 不同风温的传质系数 kH
Table 6 The mass transfer coefficient kH of different
temperature
温度 T/
℃
Hw/
(kg·kg-1)
H/
(kg·kg-1)
Nw/
(g·(m2·s)-1)
kH/
(g·(m2·s·ΔH)-1)
55.0
65.0
70.0
75.0
85.0
0.069
0.108
0.130
0.162
0.225
0.065
0.103
0.124
0.156
0.218
1.048
1.348
1.529
1.670
1.910
262.5
270.0
255.0
278.3
272.9

表 5 数据表明随风速增大，传质系数 kH也增大，表
6 数据表明风温对 kH影响不大，这与传质原理相符合。
令 kH=iu j
式中 i、j 为待定系数。
由表 5 相应的数据拟合，得出 kH 与 u 的关联式：
kH=159.4 u0.7227，R2=0.9872。
3 结 论
试验与数据分析表明：
1）不同条件下的干燥均可分为加速、恒速及降速干
燥 3 个阶段；风温愈高、风速愈大，干燥曲线愈陡、速
率曲线愈高、恒速阶段愈短。
2）各条件下的干燥曲线方程均符合 Page 模型，二元
线性回归得到的干燥方程：
(X－X*)/(X0－X*)=exp[－(－0.21543+2.973×10－3T－
5.935×10－5u)t1.234+0.002696T－0.009678u]
3）对流传热系数 α 与传质系数 kH受风速影响明显，
均随风速增大而增大，α与 u 的关联式：α=230.17u0.7488，
kH与 u 的关联式：kH=159.4 u0.7227；干燥时风温对两者影
响较小。
以上结果可以为瓠瓜薄层热风干燥生产的工艺条件
选择和干燥设备的设计提供依据。
[参 考 文 献]
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第 1 期 诸爱士等：瓠瓜薄层热风干燥动力学研究

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Dynamics of thin layer hot-air drying of lagenaria leucantha rusby

Zhu Aishi, Xia Kai
(School of Biological and Chemical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract: In order to master the thin layer hot-air drying character of lagenaria leucantha rusby, the influences of the
wind temperature and speed on the drying process of thin layer hot-air drying of the lagenaria leucantha rusby under
certain condition were studied. The equations of drying curve were fitted, and the dynamics parameters such as
convective heat-transfer coefficient α, and quality transmission coefficient kH, were calculated. The results showed that
the wind temperature and speed had greater influence on the dehydrating rate, and 75℃、1.04 m/s were suitable
parameters. The drying procedure could accurately be described by the Page model. With the wind speed rising, α and kH
increased, but the wind temperature had a little effect on the two coefficients. The results can provide a theoretical basis
for industrialization production and control of drying lagenaria leucantha rusby.
Key words: agricultural products, heated-air drying, models, lagenaria leucantha rusby, dynamics, coefficient