油茶籽高效节能干燥工艺的优化研究

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茶油是我国食用植物油之一,不饱和脂肪酸在整个茶油中占比90%以上,还含有多种有益健康的成分,被誉为“东方橄榄油”。近年来,随着我国国民生活水平不断提高,食用油市场供需关系日渐紧张,与茶油相关的产业受到了政府各级部门大力扶持,不少农户和企业迅速扩大油茶种植规模,油茶果产量逐年上升,因此油茶籽的加工环节也越来越受到重视。本文以新鲜油茶籽部分进行热风干燥研究,研究了热风干燥处于不同条件下(温度、风速和堆积厚度)的干燥效果,同时分析了在不同条件下对系统的干燥时间和干燥能耗的影响程度,对比分析了热风干燥和热泵干燥两种方式的单位质量油茶籽的干燥效果,旨在为油茶籽多因素热风干燥提供一种高效节能的干燥工艺和为热风干燥设备的研制提供理论参考。本论文主要研究内容和结果如下:(1)通过对油茶籽热风干燥特性展开研究,研究在不同温度、风速和堆积厚度的条件下,纪录每种参数的干燥特性以及干燥过程中的干燥时间和干燥能耗,通过绘制干燥特性曲线和数据分析的方法得出参考工艺。油茶籽热风干燥特性的研究表明,干燥速率先高后低,影响干燥速率的主要因素有油茶籽自身物性的影响以及外部干燥环境(干燥温度、干燥风速和干燥堆积厚度)的影响,温度越高,使得同一时刻的油茶籽湿度越低,加快了油茶籽的传质传热,从而缩短了油茶籽的干燥时间。油茶籽热风干燥优化试验表明,以安全水分(9.48%)为干燥终点,以多因素方差和多重比较检验为分析方法,以实验过程中选取的具体干燥参数为自变量去分析。当以干燥时间为评价指标时最优工艺参数为:干燥温度80℃、干燥风速2m/s、干燥堆积厚度2cm,当以干燥能耗为评价指标时最优工艺参数为:干燥温度80℃、干燥风速0.5m/s、干燥堆积厚度2cm。(2)研究不同温度、风速和厚度条件下油茶籽的热风干燥特性。记录了含水率和水分比(MR)与时间的关系,并且绘制了相关的干燥特性曲线,从而分析油茶籽热风干燥时的含水率变化规律以及采用热风干燥的数学模型和BP神经网络对油茶籽含水率变化规律进行数据处理、拟合并且验证模型的合理性、精确性。本文采用常用的干燥数学模型和BP神经网络模型对油茶籽热风干燥过程进行拟合,结果表明:常用的Page数学模型对干燥过程的拟合程度高,每一种干燥情况的拟合情况达到0.97以上;而BP神经网络模型在训练、校验、测试过程中,模型拟合度均达0.98以上,说明BP神经网络模型训练得出的参数能更准确的预测油茶籽热风干燥过程中水分含量的变化规律。通过热泵干燥和热风干燥的含水率与时间的关系可以得出当干燥条件不变时二者的热风干燥特性变化规律相同,可以用相同的模型拟合、预测含水率特性曲线。(3)油茶籽物料层的风速和堆积厚度的实验表明,通过间接法得到油茶籽物料层孔隙率后,对油茶籽压力差与厚度和风速之间的关系进行仿真求解,对压力差与因变量之间的数学关系采用多种数学方程进行拟合、验证,得到最适合实际情况的函数关系。在低风速和低物料层厚度下油茶籽的压力损失没有显著差别,在高风速和高物料层厚度下油茶籽的压力差有较大变化。在油茶籽厚度不变时,风速与压力差的关系符合二次函数,得出各自风速下的具体函数表达式,且R2值均在0.99以上,同时在不同的厚度下的函数表达式的系数有所不同,可以得出二次函数系数与厚度之间的表达式。(4)通过得到热泵干燥能耗的数学模型与物料层压降的数学模型后,通过风速和风机功率之间关系可以得到热泵机组的能耗,通过对热泵干燥能耗与干燥条件的影响研究可知,干燥到安全水分(9.48%)时,以干燥能耗为评价指标,最优工艺参数为:风速为0.5m/s,热风温度为50℃,料层厚度为2cm。同时由物料层压降的仿真可知,油茶籽堆积厚度越厚,其物料层两侧的压差越大,致使系统内的整体压力下降,从而使得风机功率增大,能耗升高。通过计算热泵实际的能耗和送风风机的能耗从而得到单位质量下的油茶籽干燥能耗,进而确定出了一种高效节能的干燥工艺,其最优干燥工艺为:热风温度80℃、风速0.5m/s、堆积厚度10cm。
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