烤烟回潮特性及其动力学模型
材料和方法
1.1 试验材料
试验于2015—2016年在贵州毕节威宁云贵基地进行,供试烤房为气流上升式热泵烟夹烤房,供试品种为云烟87,试验所用回潮机由郑州格润加湿器配件销售有限公司生产,试验所用干燥箱由上海精宏公司生产,试验所用天平为上海卓精千分之一BSM电子分析天平。
1.2 试验设计
试验设置4个处理: T1,停火后干球温度降至65 ℃时开始进行回潮;T2,干球温度降至55 ℃时开始回潮;T3,干球温度降至45 ℃时开始回潮;T4,干球温度降至35 ℃时开始回潮。
1.3 水分测定
1.4 回潮温度的控制
回潮温度通过热泵进行稳定控制,回潮风机转速为960 r·min-1。
1.5 干燥模型
干燥模型采用Page模型与Henderson and Pabis模型。
1.6 数据处理
数据处理采用Mathematica 10.0进行。
2 结果与分析
2.1 不同处理烤烟的回潮特性
由图1(a)可知,回潮前期烟叶含水率随回潮时间增加上升较快,回潮后期上升较慢,回潮时间最短的为45 ℃与55 ℃,最长的为65 ℃,但不同处理回潮过程水分的吸收均呈对数规律上升。图1(b)为烟叶回潮的水分比曲线,从图中可以看出,前期烟叶回潮的MR降低较快,后期较慢。不同处理差异较大的时间出现在回潮的1.5~2.5 h之间,35 ℃回潮的烟叶前期MR值較大,后期较小,65 ℃的烟叶回潮的MR值表现为前期较小后期较大,但整个回潮过程烟叶的水分比呈指数规律下降。图1(c)为烟叶的回潮速率,由图可知,35 ℃的烟叶回潮吸湿速率在整个回潮过程中最小,65 ℃烟叶的回潮吸湿速率降低幅度较大,可能是由于回潮温度过高所致。烟叶的回潮速率分为两个快速阶段与慢速阶段,在回潮初期烟叶的含水量较低,当烤房内空气湿度增加时,烟叶与空气的水分梯度较大,吸湿速率急速上升;随着回潮的推移,烟叶的水分含量不断增加,二者的水分梯度降低,烟叶的吸湿的动能减少,回潮速率减小。
2.2 烤烟的回潮动力学模型
2.2.1 回潮模型的选取 烟叶作为一种多孔介质,薄层材料,其干燥吸湿过程符合热动力学规律。因此,本文选用Fick第二定律中普适性较好的Page模型与Henderson and Pabis模型。
2.2.2 回潮模型的验证 随机选取50 ℃烤房回潮过程中烟叶的水分参数的试验值与理论值进行验证。由图3可知,Page模型的理论值与实际值的拟合度很高,R2达到0.957 3,即当回潮温度可知时,可以预测回潮过程中任意时刻的烟叶含水量比,若已知烟叶的平衡含水率与初始含水率就可以计算烟叶的含水率。
3 结论与讨论
烤烟的回潮特性试验表明,各处理均能达到较好的回潮效果。不同处理回潮过程烟叶的含水率变化呈对数规律上升,而烟叶的含水量比呈指数减少趋势,尤其是在45 ℃与55 ℃进行回潮时,烟叶达到平衡含水率的时间较短,效率较高,这与谢已书等[14]的研究结果基本一致。就回潮效率而言,65 ℃烟叶回潮效率较低,主要是65 ℃烤房的温度较高使得烟叶水分的蒸发效率相对较高,使得烟叶净吸水量较少,回潮速率较低[9]。而35 ℃时烟叶的回潮效率相对较低,尤其是烟叶的吸湿速率在前期很低,则可能是由于温度较低,烤房空气内的绝对含湿量相对较低,烟叶与烤房空气的水分梯度较小,吸收的动能较弱[9],使得烟叶从空气中吸收的水分相对较少,烟叶的回潮效率较低[9]。
本试验效果较好缩短了烟叶回潮的时间,回潮后的烟叶表现为叶片回潮效果较好,但主脉的回潮基本不明显,烟叶出房时会有一定程度的造碎,因此,对主脉的回潮还需进一步的研究。再者,强制回潮与自然回潮对烟叶质量有哪些影响未曾涉及,还需在后续研究中给与一定的关注。
通過运用干燥模型对烤烟回潮进行模拟可知,Page干燥模型表达时参数少拟合度高,能够准确地反映烤烟回潮的水分动态,而这也是回潮设备设计、参数优化的重要依据。在实际生产中可以利用此模型预测并控制烤烟的回潮效果,从而优化烤烟回潮方式与方法,减少用电用水能耗,提高生产效率,降低劳动成本。
随着大数据时代的到来[19],烟叶生产将会向着高效化、智能化发展[8]。回潮作为烟叶生产的重要环节,随着对烟叶回潮的研究不断深入,优化算法日益完善,将来会成为对烟叶回潮的重要研究对策,回潮模型的构建更可以在一定程度上加速对烟叶回潮研究的进程。
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