面向干燥箱尺度的枸杞热风干燥数值模拟技术开发及应用

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近些年来,枸杞作为营养价值丰富的药材和食品越来越受到人们的欢迎,但其水分含量较大,极易腐败变质。热风干燥技术是实际中预防枸杞变质的主要手段,相较于其他干燥方式,热风干燥能耗较低,效率较高,可将枸杞中的水分通过热风排放到周围环境中,达到对大批量枸杞保质保鲜的目的。随着计算机性能和仿真软件功能的提高,数值模拟越来越被广泛应用于干燥箱尺度的枸杞热风干燥研究。目前干燥箱尺度枸杞热风干燥数值模拟技术中尚未考虑枸杞的实际水分蒸发过程,难以计算得到干燥箱内真实的干燥过程。针对这一问题,本文拟构建可真实反映枸杞水分蒸发过程的干燥箱尺度枸杞热风干燥数值模拟技术。为了实现该模拟技术的构建及应用,本文的研究思路是:(1)进行物料层面枸杞热风试验研究;(2)选取枸杞热风干燥最优干燥动力学模型;(3)构建枸杞热风干燥动力学导数模型;(4)开发面向干燥箱尺度的枸杞热风干燥数值模拟技术;(5)应用该数值模拟技术研究干燥箱内的实际干燥过程。围绕以上研究思路,本文的具体研究内容和成果如下:(1)在物料层面上对枸杞热风干燥开展试验研究,根据正交试验的理论和实际的枸杞干燥工况,考虑了热风温度(30~70℃)、热风相对湿度(30%~60%)和热风速度(1.2~3.6 m/s)三种因素,共进行十组正交试验。建立了十组工况下的干燥动力学曲线和干燥速率曲线,确定了枸杞的热风干燥特性。(2)基于物料层面枸杞热风干燥试验获得的干燥动力学曲线,利用自主开发的干燥动力学模型选取软件,确定了枸杞热风干燥动力学模型为Abbasi模型,同时,将模型系数用热风温度、热风相对湿度和热风速度等三种常用工况参数表示。然后基于Abbasi模型,构建了枸杞热风干燥动力学导数模型,该模型可用于计算枸杞的水分蒸发速率。(3)基于导数模型计算得出的枸杞水分蒸发速率,开发了可真实反映枸杞水分蒸发过程的干燥箱尺度枸杞热风干燥数值模拟技术。该技术的开发过程为:首先建立了实际干燥箱的物理模型;接着建立了考虑干燥箱内传热过程、传质过程、流动过程、收缩过程的干燥数学模型,该模型耦合了导数模型计算得出的枸杞水分蒸发速率;最后,基于商业软件FLUENT对上述数学模型进行求解,得到干燥箱内温度、湿度和水分比分布随时间的演化过程。(4)应用干燥箱尺度枸杞热风干燥数值模拟技术对实际的枸杞干燥过程进行了模拟计算研究。首先将数值模拟技术与试验计算得到的水分比进行对比,相对误差为1.8%,验证了该数值模拟技术的准确性;然后模拟了热风温度50℃、热风相对湿度50%和热风速度2.4m/s的工况,结果表明干燥最快列和干燥最慢列所需时间相差3.4 h;保持热风相对湿度和热风速度不变,仅将热风温度提高到60℃,结果表明干燥所需时间相差2.4 h,水分比不均匀性减少了29.4%,提高热风温度将减少水分比不均匀性;最后保持热风相对湿度和热风温度不变,仅将热风速度降低到1.2 m/s,结果表明干燥所需时间相差5.3h,水分比不均匀性增加了55.9%,降低热风速度将增大水分比不均匀性。上述研究工作为干燥箱尺度枸杞热风干燥研究提供了有力支撑,对于实际的工程有一定借鉴意义。
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