太阳能牧草干燥成套设备干燥工艺参数优化

钱 旺 杨世昆 刘贵林 贺 刚 王振华 杜建强

(中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

苜蓿草是高产优质的蛋白质饲料之一，面对国内蛋白质饲料短缺的情况，如何高效获得优质苜蓿草是行业内亟待解决的重要问题[1-2]。太阳能低温干燥能够最大限度地减少苜蓿草营养成分的损失[3]。

利用太阳能干燥牧草最早起源于欧洲，但目前在欧洲仍主要采用燃油高温快速干燥设备干燥牧草。国内、外学者主要开展高温快速干燥、强制对流干燥和热风干燥的研究，在苜蓿草太阳能低温干燥方面的研究很少。FARHANG等[4]研究了利用微波原理对苜蓿草进行干燥，通过微波炉试验找到不同功率对干燥速率的影响规律；HRISTOV[5]研究了不同干燥方式对紫花苜蓿青贮料干物质和蛋白质降解性能的影响，发现苜蓿草干燥速度对蛋白质溶解度有影响；SILES等[6]研究了苜蓿草的干燥动力学，并进行了湿度和温度对干燥速度影响的模拟；车刚等[7]研究了紫花苜蓿热风干燥特性，发现在热风温度为190～200℃时，其干燥速率较高；吕黄珍等[8]以轻柴油为燃料，导热油为载体，研究了对几种牧草种子干燥的效果；王全喜等[9]研究了牧草种子热泵辅助型太阳能储热干燥设备设计与试验，发现4种供热干燥模式的耗电量之比为0.9∶1.0∶1.2∶1.5；杜建强等[10]利用太阳能低温干燥试验台进行了苜蓿草含水率和表面温度对干燥时间影响的研究；而太阳能低温干燥参数(进口温度、风速)对干燥工艺和干燥后苜蓿草营养品质的影响因素方面的研究很少。

本文根据自行设计的9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备的运行情况及生产能力，提出影响牧草干燥的基本因素，利用干燥试验台对苜蓿草干燥特性进行理论研究和分析，找出苜蓿草干燥过程中不同进口温度、进口风速组合下，干燥速率和干基含水率随干燥时间的变化规律，并对苜蓿草干燥模型进行拟合回归，对干燥后的苜蓿草营养成分变化情况进行初步研究，最终提出太阳能干燥成套设备的最优干燥工艺及参数方案，以期为太阳能干燥设备相关工艺参数的设计和编制提供优化的依据。

1 材料与方法

1.1 设备总体结构

9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备总体结构包括太阳能空气集热器、调频风机、风送系统、牧草干燥仓、计算机自动控制柜和自动抓草斗具等[11]，如图1、2所示。

图1 太阳能干燥设备图 Fig.1 Drawing of solar drying equipment

图2 太阳能干燥设备原理图 Fig.2 Diagram of solar drying equipment 1.太阳能集热系统 2.风送系统 3.自动抓草斗具 4.牧草干燥仓

该设备的工作原理：抓草斗具实现苜蓿草的自动进料和出料，厂房顶部太阳能空气集热器对热空气进行收集，调频电动机将热空气通过风送系统送入干燥仓，调频电动机和温控系统通过计算机对进口风速、进口温度进行控制。

1.2 苜蓿草的干燥工艺流程及工艺参数

9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备可对苜蓿草、黑麦草、苏丹草、披碱草、羊草等牧草进行干燥生产。由于早期太阳能集热器集热效率所限，9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备设定了统一的干燥工艺流程和参数，干燥工艺参数设定为进口风速1.5 m/s、进口温度45℃(图3)。课题组发现在苜蓿草干燥生产中干燥工艺不合理，参数不理想。设定不同的进口温度和进口风速，最终干燥苜蓿草的用时不同，营养品质也不同。为了细化9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备的干燥工艺，优化干燥工艺参数，通过试验台进行干燥机理研究，对苜蓿草干燥模型进行拟合回归，优化苜蓿草的干燥工艺。

图3 太阳能干燥设备工艺流程图 Fig.3 Process flow chart of solar drying equipment

1.3 试验装置

如图4、5所示，由中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院自行设计的太阳能牧草干燥试验台，主要由透射聚光型太阳能空气集热器和牧草干燥试验台两部分组成，透射聚光型太阳能空气集热器安装于实验室屋顶之上，收集的太阳能是热风的主要能源。牧草干燥试验台放置于实验室屋内地面上，两者之间通过风管连接。干燥试验台具体包括电子称量仪、入风室、温度探头、湿度探头、干燥箱、温控柜、数据记录仪、计算机等部分。

图4 干燥试验台结构示意图 Fig.4 Schematic drawing of solar drying test-bed 1.电子称量仪 2.入风室 3.温度探头 4.湿度探头 5.干燥箱 6.温控柜 7.数据记录仪 8.计算机

图5 干燥试验台实物图 Fig.5 Drawing of solar drying test-bed

1.3.1参数的测量方案

试验仪器如图6所示，干燥箱下端均匀布置3个0.05级精度的BK-5型电子称量传感器，量程为300 kg，可测量试验台上苜蓿草质量。进风口布置有精度为0.2 m/s的FTS64-2011-10M型风速传感器和准确度±0.5℃、±2%的JWSK-6W1WDB型温、湿度传感器，量程分别为0～30 m/s和-40～120℃、0～100%，控制单元通过传感器精准控制进口温度和进口风速。温、湿度传感器可对干燥箱内不同高度的温、湿度进行实时监测。计算机控制系统可以在线显示时间、温度、风速、苜蓿草质量等参数并进行存储。另外，本试验还用到DGQ型电热干燥箱、N962E型风速仪、电子天平、DH516-A型红外在线水分测定仪等仪器。

图6 干燥试验仪器 Fig.6 Instruments of drying test

1.3.2测量的控制方案

在测试系统实施中，通过变频器、可编程控制器PLC和上位计算机对风机转速进行控制，将透射聚光型太阳能空气集热器内产生的热空气由风管引入到实验室内牧草干燥特性试验台中。温度控制器PID可实现计算机对辅助热源电加热空气的控制，进行干燥空气的温度调节。风道内和干燥箱入口处布置了匀风装置，实现了干燥空气的均匀分布。物料相关的参数测量数据全部由上位计算机进行存储与分析，见图7。

图7 干燥试验台测控系统 Fig.7 Measurement and control system of solar drying test-bed

1.4 试验材料

苜蓿草原料采自内蒙古呼和浩特市托克托县种植场的金皇后初花期紫花苜蓿。

1.5 试验方案

根据生产实践和已有的苜蓿草干燥试验基础数据提出了6组参数组合方案，见表 1。经试验研究得出6组干燥时间和苜蓿草质量的数据。计算得出干基含水率、水分比和干燥速率，绘制干基含水率、干燥速率随时间变化的曲线，并对其进行定量分析。每次测试的鲜苜蓿草质量均为5 000 g。

表1 不同风速、温度试验 Tab.1 Different wind speeds and temperatures test

苜蓿草干燥试验在温度为(27±2)℃、相对湿度为(30±5)%、风速为0 m/s的实验室环境中进行。

试验干燥流程：鲜苜蓿草→自然堆放→热风干燥→冷却→品质指标测定。干燥后的苜蓿草湿基含水率控制在 15%～17%(安全含水率)。

1.6 测量指标

1.6.1苜蓿草原始湿基含水率

苜蓿草刈割后，随机取5个样本，做切碎处理，使其长度为15 mm。每个样品质量为50 g，装入铝盒内，立即称量。按照草样制作要求迅速进行干燥处理。该试验采集草样的含水率采用DGQ型电热干燥箱进行干燥。在105℃下恒温干燥24 h，然后取出干燥后的苜蓿草放入干燥皿中冷却至常温(23℃左右)，再称其质量[12]。苜蓿草的原始湿基含水率计算公式为

(1)

式中m0——样品干燥前质量，g

me——样品干燥后质量，g

测定数据如表2所示。经计算，物料原始湿基含水率为77.4%。

表2 苜蓿草原始湿基含水率测定结果 Tab.2 Measurement of raw materials moisture content

1.6.2干基含水率

试验过程中苜蓿草质量的测定由试验台架上的电子称量传感器完成。干基含水率Mt、水分比MR[13]计算公式为

(2)

(3)

式中Mt——t时刻物料干基含水率，g/g

MR——水分比

mt——t时刻物料质量，g

md——物料中干物质质量，g

M0——物料初始干基含水率，g/g

1.6.3干燥速率

干燥速率定义为湿物料在单位时间内单位面积(物料和干燥介质的接触面积)汽化的水分质量[14]。若物料与干燥介质的接触面积不易确定，可用干燥强度来表示干燥速率。干燥强度定义为物料干基含水率随时间的变化率，通常用Vd表示[15]。计算公式为

(4)

式中Vd——干燥速率，g/(g·min)

Md，j+1、Md，j——tj+1、tj时刻干基含水率，g/g

t——干燥时间，min

在试验过程中湿物料的质量因失去水分而逐渐减少，用牧草湿基含水率不能直接描述干燥所除去的水分。而绝对干料的质量在干燥过程中是不变的，故用干基含水率来衡量干燥速度更合理，试验操作起来更方便[16-17]。

1.7 数据的采集

试验开始前先称取准备好的鲜苜蓿草，试验中每隔20 min读取干燥试验台电子称量传感器读数，将每一次测量数据填入记录表内，如表3所示。由式(2)～(4)分别计算可得干基含水率、水分比和干燥速率。

表3 物料质量mt试验数据 Tab.3 Material quality mt of test data g

1.8 数学模型和计算

为了寻找合适的苜蓿草干燥模型，根据国内、外学者在干燥模型方面的研究成果，结合课题研究的物料物理特性，选择了目前干燥研究领域比较常见的3种物料干燥动力学的半经验和经验模型，如表4所示。3种模型中，Newton方程就是Page方程中n=1的修正方程[18]，因此，只要研究Page方程和Logarithmic方程是否与苜蓿草干燥特性试验曲线吻合即可。

表4 物料干燥模型 Tab.4 Drying model of alfalfa

注：a、b为干燥模型中的经验系数；k为干燥常数；n为待定系数[22-23]。

对两种物料干燥模型进行非线性拟合处理，并对其进行线性回归分析。

Logarithmic方程线性化后表示为

-lnMR=kt-lna

(5)

Page方程线性化后表示为

ln(-lnMR)=lnk+nlnt

(6)

由线性化后的函数可得-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt的关系图。

1.9 苜蓿草品质检验

对各组干燥后的苜蓿草草样进行营养成分品质化验[24]。课题组委托相关实验室对苜蓿干草重要指标进行了营养成分品质化验，品质化验参考方法如下：按GB/T 6432—1994测定粗蛋白含量；按GB/T 6433—2006测定粗脂肪含量；按GB/T 6434—2006测定粗纤维含量；胡萝卜素的测定参照《粮油籽粒品质及其分析技术》[3-4]。通过化验结果对比苜蓿草干燥后营养成分的保有量情况。

2 试验结果与讨论

2.1 不同试验参数下苜蓿草干基含水率

图8为干基含水率随干燥时间变化曲线，图9为水分比MR随干燥时间变化曲线。水分比MR的变化趋势与干基含水率变化趋势一致。由图8、9分析可知，有4组试验达到苜蓿草的安全含水率所用的时间较少，即 第2、3、5、6 组；第1组所需干燥时间较长；从试验条件可以看出第2组与第5组进口温度相同，进口风速不同，在干燥第1阶段(65 min内)2条曲线干基含水率基本接近，在第2、3阶段(65 min后)第5组干基含水率明显低于第2组，因此，在干燥第2、3阶段进口风速对干燥特性影响大于进口温度对其的影响；由第4组试验数据分析可得，进口风速过低将会使湿空气无法完全散出，不能达到预期干燥的效果。比较第2组、第4组和第5组干燥速率曲线，在第2、3阶段表现为进口温度相同时，进口风速越大干燥速率越快。由此可知在干燥过程的3个阶段合理选择进口温度和进口风速很重要。

由苜蓿草干燥特性曲线及数据分析可知，苜蓿草干燥工艺应采用多参数分段式干燥。苜蓿草干燥处于第1阶段时，结合节能角度考虑选择进口温度为50℃，进口风速为1.5 m/s 。苜蓿草干燥处于第2、3阶段时，为了达到快速干燥的效果，选择进口温度为50℃，进口风速为2.5 m/s 。通过试验数据分析，采用分段式干燥工艺及干燥参数，3个阶段干燥速率会明显增大。

图8 干基含水率曲线 Fig.8 Curves of moisture content of drying base

图9 水分比曲线 Fig.9 Curves of moisture ratio

2.2 不同试验参数下苜蓿草干燥速率

由试验数据绘制苜蓿草干燥速率曲线如图10所示，不同进口温度和进口风速条件下的干燥速率变化曲线的总体趋势相同。通过苜蓿草干燥试验，发现干燥特性曲线的干燥速率分为3个阶段。第1阶段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游离水分蒸发为主，此类水分与物料的结合力较弱，在干燥过程中易于除去。第2阶段干燥速率由最大值开始降低，此时苜蓿草的水分散失主要以物化结合水分为主，此类水分与物料的结合比较稳定，在干燥过程中较难除去。第3阶段干燥速率趋于一个恒定值，主要是苜蓿草化学结合水分的蒸发，此类水分是按照一定的数量和比例与化合物结合而生成带结晶水的化合物中的水分，不易干燥。第1阶段与第2、3阶段干燥速率由快转慢存在一个转折点，由图10可得干燥速率最大值点，根据试验数据计算该点苜蓿草湿基含水率为48%。为了实际生产中便于操作，确定湿基含水率(48±2)%为苜蓿草干燥特性3阶段的分段点。从图10可知，最先达到干燥分段点的是第6组，干燥速率达到峰值所用的时间是52 min。苜蓿草干燥速率由进口温度、进口风速决定，进口温度越高，进口风速越大，苜蓿草干燥速度越快；之后达到干燥分段点的是第2、3、5组，分别用时 66、63、65 min，比较第6组和第5组试验数据可知第1阶段进口温度对干燥速率有很大影响。第2组和第5组的干燥速率几乎在相同时间达到峰值，干燥第1阶段进口温度对干燥特性影响大于进口风速的影响。

图10 苜蓿草干燥速率曲线 Fig.10 Drying rate curves of alfalfa

2.3 数学模型分析

2种模型效果可由-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt关系得出。拟合曲线如图11、12所示。

图11 Logarithmic方程拟合曲线 Fig.11 Fitting curves of Logarithmic equation

图12 Page方程拟合曲线 Fig.12 Fitting curves of Page equation

根据图11、12，比较2组线性回归曲线可以看出两种模型拟合效果各不相同，干燥温度不同，适合的干燥模型也不同。

为证明Logarithmic方程和Page方程在苜蓿草干燥方面的适用性，对试验数据进行回归分析，得到干燥模型的各决定系数R2。拟合结果如表5、 6所示。

表5 Logarithmic 方程拟合结果 Tab.5 Fitting results of Logarithmic equation

表6 Page方程拟合结果 Tab.6 Fitting results of Page equation

干燥模型拟合程度由R2决定，一般情况下R2在 0.9～1 之间，模型拟合效果比较理想， Page方程拟合的R2均大于 0.9，故可以认为其可靠性较好，Logarithmic方程拟合效果R2不理想。所以认为Page方程作为苜蓿草干燥模型比较理想，利用该模型能够准确预测苜蓿草干燥特性。

由Page模型可确定水分比MR和时间t的关系，分段点MR值由式(2)、(3)计算可得。分段干燥时间由第2组的Page方程(6)确定，即进口温度50℃、进口风速1.5 m/s时，将分段点MR值、k=0.003 9、n=1.232 3代入Page方程可得分段干燥工艺的第1阶段干燥时间T1。T1作为分段式干燥工艺流程理论分界点，可编入程序由计算机控制。

3 干燥工艺参数优化与干燥生产验证

3.1 试验方案

通过6组试验数据的对比分析，给出最优参数方案：干燥第1阶段，出于节能考虑选择进口温度为50℃，进口风速为1.5 m/s 。干燥第2、3阶段，为了达到快速干燥的效果，选择进口温度为50℃，进口风速为2.5 m/s。为了验证参数优化方案的效果，将参数优化方案和上文的6组参数方案，共计7组参数方案分别在9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备上进行试验验证。

3.2 试验条件

苜蓿草原料为内蒙古呼和浩特市托克托县种植场的金皇后紫花苜蓿，原始湿基含水率为76.2%。试验环境为空气温度26℃，空气湿度18%，风速2 m/s。试验时间为2017年8月28日11：00。试验地点为内蒙古呼和浩特市托克托县种植场。

3.3 试验设备

9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备，中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司研制。

对9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备进行了干燥生产验证。生产验证使用的仪器设备有DH516-A型红外在线水分测定仪、DGQ型电热干燥箱、N962E型风速仪、电子天平等。

3.4 验证方案

3.4.1干燥模型验证

通过在线水分测定仪对苜蓿草试验生产过程的监测记录，验证Page干燥模型的合理性，为不同含水率苜蓿草干燥工艺流程提供依据(Page方程代入表6的参数和最终水分比，可得干燥时间)。

3.4.2干草营养品质化验

对7组参数方案干燥后的苜蓿草进行营养成分品质化验[25]。化验结果见表7。

3.5 验证结果

(1)根据表7可以看出，苜蓿草实际干燥时间与Page方程理论推导苜蓿草干燥时间相对误差在5%以内，吻合程度很高，说明Page方程可以作为该设备干燥不同含水率苜蓿草干燥工艺流程的模型。从7组数据可以看出优化后的参数(第7组)相比设备原参数(第1组)在干燥苜蓿草效率上提高了34.4%。

(2)通过7组数据的营养成分化验结果可以看出，第5组和第7组的苜蓿草各项营养成分保有量最高，尤其是粗蛋白和胡萝卜素，而粗蛋白和粗纤维指标决定苜蓿干草的品质分级。通过品质检测结果分析和相关研究成果总结，发现牧草在干燥温度升高时会伴随着芳香性氨基酸挥发和蛋白质变性[24]。故选择温度参数为50℃作为干燥苜蓿草的温度是合理的(第3、6组不适合低温干燥)。苜蓿市场普遍采用干草检测报告和干草外观物理描述两种方法对干草进行分级标识。根据美国农业部对进口苜蓿草等级划分依据，粗蛋白质量分数为18%～20%和20%～22%的苜蓿草分别为三级和二级苜蓿草，而第5组和第7组相比第1组蛋白质质量分数高出近2个百分点。因此，采用优化后的工艺参数(第7组)相比设备原参数(第1组)，粗蛋白和胡萝卜素等营养成分保有量提高，苜蓿草销售价格也会提高。

表7 苜蓿草干燥时间与营养成分 Tab.7 Dry time and nutrient compositions of drying alfalfa

(3)考虑到第5组和第7组都是比较理想的参数方案，第7组在干燥第1阶段进口风速为1.5 m/s，干燥第2、3阶段为2.5 m/s ，第5组进口风速为2.5 m/s，从能耗方面考虑，通过理论计算干燥第1阶段(67 min内)第7组和第5组的能耗差异，节省能耗约为15%。因此，在干燥效果相近的情况下，选择第7组的参数方案为最优工艺参数方案。新工艺流程图相比设备原工艺图，将干燥过程划分为2个阶段分别进行干燥，由计算机控制工艺流程程序、传感器监测干燥生产过程，可实现自动干燥生产。图13是设备干燥苜蓿草的工艺流程图和工艺参数，图14是第7组试验后苜蓿干燥的外观质量。

图13 太阳能干燥设备新工艺流程图 Fig.13 New process flow chart of solar drying equipment

图14 苜蓿草干燥效果 Fig.14 Drying effect of alfalfa

4 结论

(1)通过试验数据分析可得苜蓿草干燥特性分为3个阶段。第1阶段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游离水分蒸发为主。第2阶段干燥速率由最大值开始降低，此时苜蓿草的水分散失主要以物化结合水分为主。第3阶段干燥速率趋于一个恒定值，主要是苜蓿草化学结合水分的蒸发。

(2)针对苜蓿草干燥特性，制定分段式干燥工艺及工艺参数。干燥第1阶段，进口温度对干燥特性影响大于进口风速的影响，同时考虑节能，选择进口温度为50℃，进口风速为1.5 m/s 。干燥第2、3阶段，进口风速对干燥特性影响大于进口温度的影响，为了提高干燥速率，选择进口温度为50℃，进口风速为2.5 m/s。分段式干燥工艺分界点的湿基含水率为48%，为了实际生产中便于操作，确定湿基含水率范围为(48±2)%，作为干燥工艺分段点参考范围。

(3)通过干燥模型线性回归分析得出， Page模型最适合描述苜蓿草太阳能干燥曲线的变化规律。Page模型为苜蓿草太阳能干燥工艺的制定和干燥设备生产实践提供优化依据。

(4)通过9TGK-1.5型太阳能牧草干燥成套设备对分段式干燥工艺及工艺参数的试验验证，结合干草品质化验结果，采用优化后的工艺参数方案，干燥苜蓿草效率提高了34.4%，进口温度为50℃时有效控制了芳香性氨基酸挥发和蛋白质变性，苜蓿干草的粗蛋白和胡萝卜素等营养成分保有量高。