全 文 ： 万方数据
2006年8月 闻陶等：马铃薯吸附干燥特性及模型拟合 ．57．
式低温干燥特性，并对其实验数据进行模型拟合，为
吸附式低温干燥技术的推广应用提供基础研究。
1实验装置与方法
1．1实验装置
马铃薯吸附干燥特性参数在搭建的吸附式低温
干燥模拟实验装置上进行。实验装置如图1所示。
l一气体压缩机；2一缓冲罐；3，4，5一转子流量计；6一饱和
瓶；7一吸附器；8，9一阀门；10一混合器；1l，13，15一温、湿度
巡测仪；12一电加热器；14一干燥容器
图l吸附式低温干燥模拟实验装置
ng．1Lowten邺【uread唧b∞dryiI】geqIlipment
气体压缩机将空气压入缓冲罐，从缓冲罐出来
分为两路，一路气体进入吸附器，通过自制吸附剂脱
出空气中水分，成为绝干空气通入混合器；另一路气
体经过水饱和器增湿成为饱和空气，然后也通入混
合器，与绝干空气混合，然后调节两支路上气体的流
量比例来控制进入干燥器的气流获得想要的湿度。
高温时用电加热器加热至相应温度，温、湿度巡测仪
器用来测量进出于燥器以及加热以后的空气的温、
湿度。达到相应的温度和湿度的空气再通入干燥容
器干燥马铃薯颗粒。
1．2实验方法
将马铃薯试样切成5舢×5啪×5mm的立方
体颗粒，用100℃的热水漂烫20～30s，防止褐变，
然后将粒子放入干燥容器中，进行干燥，每隔20fnin
称重一次，直至衡重。将试样放入真空干燥箱，在
70℃、(9．75±O．25)×102Pa绝压条件下，干燥
4．5h，称得质量作为绝干质量。
2干燥条件对马铃薯干燥过程的影响
2．1温度对马铃薯干燥过程的影响
实验测得马铃薯在干燥介质相对湿度为5．2％、
流速为0．256甜s、干燥温度分别为7．5，12．7，17．0。
18．5，23．8℃时的干燥曲线如图2所示。由图2可以
看出，温度对干燥过程的影响很大，温度越高干燥越
快。图3是马铃薯的干燥速率曲线，反映了干燥过程
中干燥速率的变化，分为3个阶段，含水率从76．88％
变化到65．44％，这段为调整阶段；从65．44％变化到
47．34％，这段为恒速阶段，主要是去除非结合水，干
燥速率保持恒定，基本不随物料含水率变化；从
47．34％降到”．7％为降速阶段，主要脱除非结合水
及部分结合水，干燥速度下降。
长
斟
*
钿
0 50 100150200250300
f／min
—一叫．5℃；一●一12．7℃；～▲一17．0℃；
一T—18。5℃：一◆一23．8℃
图2马铃薯不同温度干燥曲线
Fi卫．2 POtatom ismreconIeIltveI售u86me
m妇erdi任eremtemDeralures
0．45
0．40
0．35
O．30
O．25
020
0l 5
010
0．05
0
含水率，％
_|-7．5℃；_一12．7℃；-▲一17．O℃；
一，一18．5℃：一◆—23．8℃
图3马铃薯不同温度干燥速率曲线
Fig．3Pbtat0蛳ngrateVer吼峙moishJrec删
岫derdi珏brentIefrlpemtures
2．2相对湿度对马铃薯干燥过程的影响
图4是采用不同相对湿度干燥介质的马铃薯吸
附干燥曲线。干燥条件为：干燥介质温度20．0℃、
一a一^_蓑)／斛卿蝼j=
万方数据
·58· 生物加工过程 第4卷第3期
流速0．768f11／s、相对湿度分别为1．6％，5．2％，
8．0％，11．0％，14．0％，17．0％；图5是马铃薯的干燥
速率曲线图。由图5可以看出，虽然初始含水率相
差较大，但基本趋势是相对湿度1．6％的干燥速率
最高，其次是5．2％，再次是8．o％，最后是11．o％，
14．0％，17．0％，这3个湿度相差不大。可以看出，
干燥介质相对湿度对干燥速率有一定影响，随着湿
度增大，干燥速率呈减小趋势。
蔷
蓑
f／min
一●～1．6％；一●一5．2％；一‘～8．O％；
一V—11．O％；一一14．0％；一·一17．0％
图4马铃薯不同相对湿度干燥曲线
ng．4Pbtat0蜥ngcurvesllIlderi：06erentla【ivehuIIlidity
鲁
蓁
蒸
删
蝼
m
含水率／％
一_～I．6％；一一5．2％；一一8．0％；
一，一11．0％：-◆一14．0％；一·一17．0％
图5马铃薯不同相对瀑度干燥速率曲线
Fig．5PoIal0dryingRaIecur陀surlderdi能rentrelativehufnidity
2．3流速对马铃薯干燥速率的影响
图6是在干燥介质的温度20。0℃、相对湿度
5．2％、流速分别为0．341，0．512，0．682，0．768，
0．853，1．023州s时，马铃薯的干燥速率随含水率变
化的曲线。
由图6可见，增大干燥介质流速对干燥过程有
利。0．853Ill／s曲线和1．023nI／s随线的干燥速率是
最快的。但在工程设计中，还要兼顾合理运行的经
济指标，在实验条件下，o．853HI／s的气体流速要比
1．。23m／s较经济合理。
营
蓁
嚣
删
蝼
H一
20 30 40 50 60 70 80 90
含水率舭
一_—O．256rIl，s；一-—0．512耐s；一‘—O．682耐s；
一T—O．768“s；一◆—O．853Ill，s；一·一1．023“s
图6马铃薯不同流速千燥速率曲线
Fig．6Pbt砒odryirlgcunresunderdi伍eremairvelocity
2．4马铃薯颗粒大小对干燥速率的影响
图7为在干燥介质温度20．0℃、相对湿度
5．2％、流速O．768IIl，s、粒子边长为2，3，4，5，6，7mm
时，马铃薯干燥速率曲线。
兮
姜
薄
煅
蝼
H_
含水军／％
一_一2mm×2姗×2mm；一●一3mm×3mm×3咖；
——▲叫啪×4n瑚×4nⅡn；——T——5哪×5lTHn×5J舯；
——◆“fnm×6mm×6n吼
图7马铃薯不同粒度干燥速率曲线
Fig．7P()切ltodryirlgmteve璐usmoisturec伽崦ntunderdiⅡlererlt
由图7可见，马铃薯颗粒大小对干燥过程有显著
影响。干燥速率随着颗粒边长增大而减小，因为颗粒
边长越小，比表面积越大，越有利于水分蒸发。在本
实验条件下，颗粒边长为2mm时干燥速率最快。
马铃薯颗粒的形状对于燥过程也有明显影响。
其它条件相同时，对比4姗×4I姗x4l砌，5脚×
5
4
3
2
，
O
O
O
O
O
O
O
8
7
6
5
4
3
2，O
O
O
O
O
O
O
O
O
万方数据
2006年8月 闻陶等：马铃薯吸附干燥特性及模型拟合 ·59·
5mmx3mm和5mmx5mm×5mm3种粒度对马铃
薯干燥速率的影响，如图8所示：5唧×5mm×3
ⅡllIl的粒子干燥速率相比于5mm×5mm×5mm有
很大幅度的提高，这是由于粒子有一维明显较小，与
同体积的立方型物料相比，比表面积更大。因此
5mm×5I砌×3舢的粒子的干燥速率较5Inm×5
mm×5栅粒子和4mm×4mm×4mm粒子的速率
都大。可见，马铃薯颗粒的粒度是影响干燥速率的
一个重要参数，它不能简单地用体积来表示，在粒子
形状相似时可用比表面积来表示。如果粒子呈片
状，即三维有一维明显小于其它两维，将大大提高干
燥速率，马铃薯颗粒越薄，越有利于干燥的进行，越
快达到干燥平衡。
暑
委
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《
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含水率／％
一_一4I肿×4Im×4Ⅱ瑚：一●一5Im×5哪×3咖；
一▲一5咖×5唧×5mm：
图8马铃薯不同粒度干燥速率曲线
Fig．8Potat0蚓ngrateversusH10istuIe
contentfbrdi任jIem黟amdarity
3马铃薯干燥模型
由于马铃薯试样颗粒均匀密布于干燥网面上，
干燥介质从上往下垂直吹过试样，可以将其近似看
作薄层干燥。对于薄层干燥，水分比与干燥时间成
指数关系。选择以下3种通用的干燥数学模型¨M¨
进行分析。
指数模型艘=exp(一后。￡) (1)
单项扩散模型懈=Aexp(一南‘￡) (2)
P哪模型艘=eXp(一后·z“) (3)
式中：肘一试样含水量(于基)M=(鸠一％)／％；
％一绝干试样质量，干燥时间￡时试样质量；
懈一水分比：表示一定干燥条件下，试样还有
多少水分未被干燥煅=老{瓮
讹—平衡含水率：在一定干燥条件下，将试样
干燥至恒重时的含水率(干基)；
坻一初始含水率(干基)；
M一干燥过程中某个时刻的含水率(干基)；
A、南、Ⅳ一干燥系数，与干燥条件有关；
f一干燥时间。
将上面3种模型转化为线性形式，如下：
指数模型ln舰=一I|}·f (4)
单项扩散模型ln^织=一lnA一南·￡ (5)
Page模型1n(一lndzR)=ln矗+ⅣInt(6)
(4)式是(5)式的特殊形式，因此主要比较(5)、
(6)两式。
3．1模型参数回归
用上述模型对实验值进行模型参数回归，得到
一系列回归参数。马铃薯粒(5唧×5肿×5啪)
在于燥介质温度20．O℃，相对湿度5．2％，流速
0．768IIl，s条件下的实验数据回归结果如表1所示。
可见，3种模型中Pa辨模型的相关系数最大，也
就是说该模型更适合描述马铃薯吸附式干燥过程特
性。Pa冀e模型的形式表示ln(．1n^侬)一Int线性关系，
用其模型关联实验数据结果如图9～图12所示。
衷1多元线性回归结果
rI’出le1 Re“tsofmllltiv耐明tlinearregression
回归模型 回归结果 相关系数
指数模型 舰=exp(一O．01108￡) R=0．98969
单项扩散模型胍R：1．04l50唧(一0．Oll53t) R=0．99096
P孵墼～．塑三巫二竺：堂墅!竺竺2 墨三旦：塑丝
鼍
量
3．O 3．5 4．0 4．5 5．0 5．5 6．O
lnf
～●一12．7℃：一●一18．5℃；一▲一23．8℃
图9不同温度下In(一In胍R}与In￡的关系
隧9 Relatiomhipbe眦enln(一ln肘R)
8rldln￡f出difI-el-enttemDemt啪
O
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万方数据
·60· 生物加工过程 第4卷第3期
2-O
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3O 3．5 4．0 4．5 5．0 5．5 60
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一_～5．2％；—-一11．0％；一‘一17．0％
图lO不同相对湿度下ln《一1n膨品)与Int的关系
Fig．10Rel撕oIlsllipben佗enl (一ln朋R)and
1nford曦remrel撕vehuIIli盐y
由图2可以看出，干燥介质相对湿度、流速和试
样(粒度)边长不变时，直线斜率发生变化，说明斜率
与温度有关。由图10可得，在干燥介质温度、流速、
粒子边长不变，相对湿度改变时，直线基本平行，只
是截距发生变化，故可认为截距与相对湿度有关。
同理，可以从图11得出斜率与流速有关，从图12得
出截距与粒子边长有关。由此可见，于燥介质温度、
相对湿度、流速和试样粒度对马铃薯吸附式干燥过
程特性均有较大影响。
～■—O．682耐s；—●—0．853耐s；一‘一1．【)23耐s
图11不同流速下h(一lIl枷)与lrI￡的关系
Fig．1lReIati帆shipof n《一in懈jand
lnfuIlderdi雎remairvelocity
3．2比较计算值与实测值
为验证模型的准确性，在实验范围内选择￡=
17．3℃。础=16．1％，s=0．512IIl，s，o=5I啪条件
进行了验证实验。对比结果如图13所示；计算值与
实测值对比结果如图13所示。
鼍
量
lnf
一-一2啪×2mm×2mm；一●一3mm×3mm×3mm；
一，一5rnrn×5n1Hl×5mm：一◆一7啪×7mm×7I砌
图12不同粒度时ln(一ln彻)与lnz的关系
隐12Re‰o璐螂ofln(岫舰)and
Int岫derd虢remgrainsize
由图13可见，Page模型姗=exp(一眈Ⅳ)可以
较好地描述实验结果，尤其是当干燥时间小于100
111in时，计算值与实测值几乎一致；随着干燥时间的
延长，计算值偏离实测值，最大相对偏差[(计算值一
实验值)／实验值×100％]为8．36％。
筮
求
*
一·一实验值；⋯·⋯模拟值
图13马铃薯实验值与模拟值的比较
ng．13Comparebetweent}lexperimemaldatearldmodeldate
Pa舻模型能够较好地描述马铃薯吸附式干燥过
程特性。干燥介质温度、相对湿度、流速和试样粒度
对马铃薯吸附式干燥过程特性均有较大影响。
4结论
马铃薯的吸附式低温干燥的过程分为调整、恒
速和降速3个阶段。含水率从76．88％变化到
65．44％这段为调整阶段；从65．44％变化到47．34％
一鼍【．)u一
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