油菜籽流化床干燥傳熱傳質(zhì)特性與布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、菜籽油是我國(guó)主要的食用植物油之一,是世界上第三大食用植物油,僅次于大豆油和棕櫚油,并在全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展上具有非常重要的作用和地位,從而受到全世界各國(guó)的普遍重視。然而油菜籽在高溫高濕環(huán)境下特別容易生長(zhǎng)霉菌,導(dǎo)致高水分油菜籽霉變,需盡可能在短時(shí)間內(nèi)將其干燥至安全儲(chǔ)藏水分的范圍內(nèi)。流化床干燥(熱空氣)可滿(mǎn)足油菜籽安全儲(chǔ)藏的要求,也能提高干燥效率和干燥品質(zhì),是油菜籽較理想的一種干燥技術(shù)。因此,本文結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析,深入系統(tǒng)地研究流化床干燥

2、特性和氣-固兩相傳熱傳質(zhì)規(guī)律,確定適合于油菜籽流化床干燥的干燥動(dòng)力學(xué)模型,優(yōu)化干燥工藝條件。并在此基礎(chǔ)上,通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,優(yōu)化設(shè)計(jì)布風(fēng)板的開(kāi)孔率、布孔方式和結(jié)構(gòu)尺寸,以確定最佳布風(fēng)板的具體結(jié)構(gòu),進(jìn)而揭示最佳布風(fēng)板的氣-固傳熱傳質(zhì)規(guī)律,為新干燥設(shè)備的開(kāi)發(fā),以及現(xiàn)有設(shè)備性能的改進(jìn)提供理論依據(jù)。主要的研究?jī)?nèi)容如下:
  (1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)深入研究了油菜籽初始含水率、熱空氣溫度和熱空氣流速3個(gè)影響因素對(duì)油菜籽流化床干燥過(guò)程的

3、影響,研究結(jié)果表明:油菜籽初始含水率越大、熱空氣溫度越高和熱空氣流速越大,油菜籽流化床干燥速率、干燥熱效率、對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)以及水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大;3個(gè)影響因素對(duì)干燥速率和平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的敏感性順序依次為:油菜籽初始水率>熱空氣溫度>熱空氣流速;對(duì)水分有效擴(kuò)散系數(shù)的敏感性順序依次為;熱空氣溫度>熱空氣流速>油菜籽初始含水率。
  (2)采用目標(biāo)函數(shù)法對(duì)油菜籽流化床干燥速率進(jìn)行優(yōu)化,利用MATLAB7.0軟件的非線(xiàn)性規(guī)劃求解

4、進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)影響因素的最優(yōu)水平組合為:最佳優(yōu)化工藝條件是油菜籽初始含水率為23.44%、熱空氣流速為2.25m/s和熱空氣溫度為65℃。
  (3)通過(guò)4種常見(jiàn)薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合,比較相關(guān)系數(shù)R2、卡方值x2和均方根誤差RMSE3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)Page模型是描述油菜籽流化床干燥失水規(guī)律的最優(yōu)模型(R2=0.9993)。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合和響應(yīng)曲面分析,分別建立了模型參數(shù)n和k

5、的二次多項(xiàng)回歸方程,從而進(jìn)一步建立了油菜籽流化床干燥動(dòng)力學(xué)模型,該模型能夠較好地預(yù)測(cè)油菜籽流化床干燥過(guò)程的失水規(guī)律,其試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的符合程度高,最大相對(duì)誤差僅為3.2%。
  (4)通過(guò)Design-Expert8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析,分別建立了平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴(kuò)散系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)回歸模型,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,采用直接誤差分析和成對(duì)雙樣本均值分析的t-檢驗(yàn)分析試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的差異性,結(jié)果表明:平均對(duì)流傳

6、熱傳質(zhì)系數(shù)以及水分有效擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的最大直接相對(duì)誤差僅為4.4%、3.3%和2.8%,且無(wú)差異概率分別為0.9238、0.8633和0.9126,都大于給定顯著水平0.05,表明這3個(gè)模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值沒(méi)有顯著性差異,即平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴(kuò)散系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)回歸模型擬合較好,可靠性較高。
  (5)通過(guò)響應(yīng)曲面分析方法,對(duì)任何2個(gè)因素的交互效應(yīng)對(duì)平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴(kuò)散系數(shù)的敏感性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),

7、結(jié)果表明:初始含水率與熱空氣流速的交互作用對(duì)平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響最大,對(duì)水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響最小;油菜籽初始含水率與熱空氣溫度的交互作用的影響次之;熱空氣流速與熱空氣溫度的交互作用對(duì)平均對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響最小,對(duì)水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響最大;其中與平均對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的影響相比,各影響因素的交互作用對(duì)平均對(duì)流傳熱系數(shù)的影響稍小。
  (6)根據(jù)菲克第二定律,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù)和平均活化能,結(jié)果表明

8、:水分有效擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-10~10-9 m2/s,分布在脫水食品的正常范圍內(nèi)(10-12~10-8m2/s)。油菜籽初始含水率在14.41%~29.72%范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為6.485×10-10~10.133×10-10m2/s;熱空氣流速在1.75~2.25m/s范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為7.296×10-10~9.525×10-10 m2/s;熱空氣溫度在45~65℃范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為5.2

9、69×10-10~8.917×10-10 m2/s。油菜籽流化床干燥的平均活化能為22.84kJ/mol。
  (7)針對(duì)開(kāi)孔率和布孔方式2個(gè)方面,優(yōu)化設(shè)計(jì)了5種布風(fēng)板(12.27%開(kāi)孔率正三角形布孔、14.10%開(kāi)孔率正三角形布孔、15.84%開(kāi)孔率正三角形布孔和15.84%開(kāi)孔率正三角形不均勻布孔),通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:與其他4種布風(fēng)板相比,15.84%開(kāi)孔率圓形不均勻布孔的布風(fēng)板是油菜籽流化床

10、干燥最佳的布風(fēng)板,其不僅增強(qiáng)了熱空氣的流通性,減少了局部區(qū)域的熱空氣聚集,實(shí)現(xiàn)了氣固兩相流動(dòng)的正常流態(tài)化,達(dá)到了流化床內(nèi)油菜籽顆粒均勻分布,無(wú)溝流和死區(qū)的目的。同時(shí)也提高了流化床層內(nèi)熱空氣溫度沿軸向和徑向分布的均勻性,擴(kuò)大了徑向高溫區(qū)域的范圍,增加了熱空氣與油菜籽顆粒以及油菜籽顆粒間的傳熱傳質(zhì)效率,增大了恒速干燥對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù),從而提高了油菜籽流化床的干燥速率和干燥熱效率,縮短了油菜籽流化床的干燥時(shí)間,減小了所需的單位能耗。
 

11、 (8)針對(duì)最佳布風(fēng)板(15.84%開(kāi)孔率正三角形不均勻布孔),根據(jù)歐拉(Euler)方法的雙流體模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析軟件Ansys Fluent15.0進(jìn)行數(shù)值模擬分析了流化床層氣-固傳熱傳質(zhì)規(guī)律,結(jié)果表明:在整個(gè)熱空氣流化床干燥油菜籽顆粒的過(guò)程中,熱空氣溫度發(fā)生了明顯的變化,其先緩慢地下降,而后迅速地降低,最后在整個(gè)流化床上部的熱空氣溫度趨于穩(wěn)定。在布風(fēng)板區(qū)域附近,熱空氣溫度、熱空氣速度和油菜籽溫

12、度顯著地增大并達(dá)到最大,遠(yuǎn)離布風(fēng)板后都急速下降,最后趨于穩(wěn)定,而表壓強(qiáng)則沿著流化床高度的增加而急劇下降最后趨于零。在整個(gè)流化床層內(nèi)氣-固熱量傳遞的主要推動(dòng)力是氣-固流速差、溫度差和油菜籽顆粒體積分?jǐn)?shù),其中在布風(fēng)板附近起主要控制作用的影響因素是氣-固溫度差,在遠(yuǎn)離近布風(fēng)板位置,油菜籽顆粒體積分?jǐn)?shù)和氣-固流速差是主要的影響因素;氣-固質(zhì)量傳遞的主要推動(dòng)力是油菜籽顆粒體積分?jǐn)?shù)、氣-固流速差和壓強(qiáng)差,其中在布風(fēng)板區(qū)域內(nèi)起主要控制作用的影響因素是

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