霜后棉桃及僵瓣棉的棉瓣热风干燥单因素实验

　　0 引言

　　僵瓣棉为棉铃在生长期易遭遇病虫害、冰雹、霜等天气而形成的纤维状僵结且非成熟的棉花.僵瓣棉一般含水量较高,不利于加工利用而大量废弃.霜后棉花为秋后未能在正常的条件下完成开花,形成含水率较高的棉桃,霜后棉花一般品质较低而没有进行加工利用.新疆棉区在每年秋后均产生大量的霜后棉桃和僵瓣棉,造成较大的经济损失[1].热风干燥是霜后棉桃、僵瓣棉回收利用最有效的手段,有助于棉花纤维的进一步成熟,提升秋后废弃棉桃的可利用率和品质.然而,目前对棉桃干燥的相关研究较少,对棉桃热风干燥受风速大小变化、风温变化的机理不明,不利于棉桃的进一步回收及加工利用.

　　目前,国内在物料干燥特性的研究上成果较多.Yi X. K. 、Wu W. F. 、Zhang Y. 等对红枣薄层干燥进行了风温与风速的单因素实验和干燥特性研究[2-3]; 胡建军、沈胜强、师新广等对棉花秸秆进行了等温干燥特性试验研究,对棉花秸秆干燥 3 个阶段进行了回归分析[4]; 中国农业大学的张绪坤以胡萝卜为研究对象,解决了单一热泵干燥时间过长的问题[5].本文针对新疆棉区秋后霜后棉桃和僵瓣棉的回收现状,对霜后棉桃及僵瓣棉进行了棉瓣热风干燥单因素实验,为棉花干燥技术提供了理论参考.

　　1 材料与方法

　　1. 1 试验与材料

　　试验采用新疆建设兵团第一师团场田间的僵瓣棉桃,湿基含水率在 55% ~ 63. 33% 之间.将棉桃进行挑选与分类,去除棉杆、棉叶等一些杂质,同时剥离棉桃壳,以达到棉瓣干燥试验的要求.试验前,先将去壳后的棉桃用密封袋包装,放入冰柜中进行低温冷藏( 冷藏温度 1 ~ 3℃) ; 试验时,分组将干燥棉瓣样品依次取出.

　　1. 2 试验的设备

　　1. 2. 1 热风干燥机设备

　　试验的干燥设备采用塔里木大学研发设计的立式物料循环热风干燥机,由干燥试验台、加热器装置、风机、干燥室、温度控制装置和风速调节装置等组成.

　　干燥时,加热装置上电,产生热能; 同时,风机启动,经加热器后形成热风,由干燥室入口进入干燥室,对物料进行干燥.温度控制装置由姚仪表公司提供的 XM-9007 型温控仪表和加热器主电路组成.工作时,可根据干燥室的入口温度和出口温度进行恒温控制,保证干燥室温度的稳定范围在±0. 8℃ 之间.风机的风速大小由风速调节装置进行调节.风速调节装置采用了 Siemens 公司生产的标量风机用变频控制器,可根据变频器频率的微量调节,实现干燥机设备不同风速的精确选择.

　　1. 2. 2 其它试验数据测量设备

　　根据试验的需要,试验购置了保存试验样品所用的冰柜,准备了"盒状型"物料盘( 18. 5mm×18. 5mm) 、先行者( CP 系列) 电子天平称、HT-8392 型风速仪.电子天平称用来测定每一个干燥时间段的棉花试验样品质量数据,风速仪用来测定实际干燥室入口与出口风速.

　　1. 3 试验方法

　　基于相同风速下的 3 种不同温度和相同温度下的不同风速,可制定风温单因素与风速单因素的试验方案.试验前,先选取外观大小一致、湿度相差不大的棉瓣作为实验样品.从冰柜中选取样品后,待样品升温至常温后放入物料盘,用天平称进行初始样品的称重.为计算方便,每组试验样品初始质量均控制在( 1 000±0. 2) g.其中,物料盘的质量为 378. 9g.同时,干燥室放入一定数量的棉桃,使干燥试验接近大物料的干燥过程.试验时,每隔 30min 对样品进行一次称量,记录棉瓣质量变化情况,直至棉瓣的干基含水率低于 8. 7% 时,停止本组试验.

　　风温单因素试验主要在相同的风速条件下进行不同温度的干燥试验.设定风速 1 为 3. 0m/s,对应设定 80、100、120℃的干燥温度条件; 设定风速 2 为 5. 0m / s,对应设定 80、100、120℃ 的干燥温度条件; 设定风速 3 为 7. 0m/s,对应设定 80、100、120℃ 的干燥温度条件.综合以上试验方法,根据 3 种风速与 3 种风温的选择,完成 9 组不同条件下的试验.

　　1. 4 试验参数

　　根据试验方法,棉瓣在干燥过程时的含水率变化情况采用干基含水率来表示.绘制棉花干燥曲线图时,纵坐标表示含水率的变化值,横坐标则表示干燥的时间值.那么,不同时间下的干基含水率为

　　其中,Gt为红枣在任意干燥 t 时刻的总质量,g; G0为初始质量,g; M0为初始湿基含水率,%.

　　1. 5 试验效果指标的评价

　　1) 应用理化指标进行干燥效果的评价,包括棉纤维的含水率测定与籽棉含水率的均匀程度测定.棉纤维的含水率要求不低于 10% ,过低与过高会对棉花的整体品质造成影响; 籽棉含水率的均匀程度体现了整体的干燥效果,影响着棉花后序生产加工的进行与皮棉的加工质量[6] .

　　2) 应用感观进行评价.感观评价是指人的感官的主观评价[7].干燥后的棉花由 10 人组成的评价小组根据干燥后的外观、外表特性来进行打分评价,再取评价的平均分.具体的评价标准如表 1 所示.

　　2 实验结果与分析

　　根据试验过程中的数据进行统计与分析,可得到风温和风速两种变化情况下的干燥曲线.

　　2. 1 同一风速下不同风温的影响效果干燥试验曲线如图 1( a) 、( b) 、( c) 所示.图 1( a) 为恒定风速( 3. 0m/s) 时 80、100、120℃ 的干燥温度变化曲线; 图 1( b) 对应风速( 5. 0m/s) 时各干燥风温的不同变化; 图 1( c) 对应风速( 7. 0m/s) 时各干燥风温的不同变化.

　　从图 1 可以看出: 不同温度对干燥时间的影响较大.当干燥温度为 80℃ 时,干燥所用的时间较长,需要 4. 5h 才能燥干至棉花终点含水率; 而当干燥温度保持为 100℃时,干燥至终点含水率的时间为 3. 5h;当干燥温度保持为 120℃ 时,干燥至终点含水率的时间为 3h.试验表明: 在一定的温度范围内,随着风温的增加,棉桃干燥至安全水分的时间将越短,风温与干燥时间成一定的线性关系.同时,由图 1 还可以看出,不同的风速对整体的干燥时间影响不大,但能影响到某段时间内风温的变化.

　　2. 2 同一风温下不同风速的影响效果

　　图2 中反映了3 种恒定温度下棉瓣在不同风速时随时间变化的干燥特性曲线.图 2( a) 所示曲线为恒定风温( 80℃) 时对应进行不同风速的干燥风速变化曲线; 图 2 ( b) 、图 2 ( c) 则分别为恒定风温 ( 100、120℃ ) 时不同风速条件下的干燥特性曲线.

　　由图 2 可以看出: 在风温一定时,不同的风速对干燥的时间有着明显的影响.一方面,风温较低时,风速对干燥的时间的影响较小; 另一方面,当风温为100℃ 和 120℃ 时,风速为 5. 0m / s 时干燥所用的时间最少.由此表明在合适的风速范围内,风速的大小变化直接影响着棉瓣干燥到安全水分的时间.

　　2. 3 合适的风温与风速对棉瓣干燥效果的影响由图 1、图 2 的试验结果可知,选择合适风速与风温可以在减少干燥时间的同时获得更好的干燥效果.

　　图 3 为两种不同风速、风温参数下的干燥效果对比图.图 3( a) 为风速 3. 0m/s、风温 120℃ 时的干燥效果; 图 3( b) 为风速 5. 0m/s、风温 120℃ 时的干燥效果; 图 3( c) 为风速 7. 0m/s、风温 100℃ 时的干燥效果.显然,图 3( c) 中棉瓣整体的干燥效果为最优.

　　图 3( a) 中选用了更小的风速与更大的风温,致使一部分棉瓣干燥不均匀,棉瓣变黑,影响了棉瓣质量.

　　图 3( c) 中选择了最合适的干燥风温、风速,在保证干燥时间较少的情况下,获得了最优的干燥效果.

　　3 结论

　　1) 在棉瓣干燥的合理温度范围内,随着风温的增加,棉桃干燥至安全水分的时间将越短,风温与干燥时间成一定的线性关系.

　　2) 风速在低温时对风温有一定的提升作用,但在风速较高时,风温也随之下降; 在合适的风速范围内,风速的大小变化直接影响着棉瓣干燥到安全水分的时间.

　　3) 合理地控制风温与风速参数,能在最少的干燥时间内得到最优的干燥效果.当风速为5. 0m/s、风温为 100℃时,干燥试验出现最优干燥效果.

　　参考文献:

　　[1] 王旭峰,王伟,马少辉,等. 新疆棉区秋后废弃棉桃资源现状调查及利用潜力分析[J]. 农机化研究,2011,33( 11) :245-252.

　　[2] 刘小丹,张淑娟,贺虎兰,等. 红枣微波-热风联合干燥特性及对其品质的影响[J]. 农业工程学院,2012,28( 24) :280-287.

　　[3] 弋晓康,吴文福,崔何磊,等. 红枣热风干燥特性的单因素试验研究[J]. 农机化研究,2012,34( 10) : 148-151.

　　[4] 胡建军,沈胜强,师新广,等. 棉花秸秆等温干燥特性试 验研究及回归分析[J]. 太阳能学报,2008,29( 1) : 100-104.

　　[5] 张绪坤. 热泵干燥热力学分析及典型物料干燥性能研究[D]. 北京: 中国农业大学,2005.

　　[6] 许颜亭,李宏志,谷国富,等. 棉花含水率在轧花工艺中的重要地位[J]. 中国棉花加工,2000( 1) : 48-51.

　　[7] 侯旭杰,李述刚. 新疆特色果品加工实用技术[M]. 乌鲁木齐: 新疆大学出版社,2012: 56-80.