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

1、菜籽油是我國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)境下特別容易生長霉菌，導(dǎo)致高水分油菜籽霉變，需盡可能在短時間內(nèi)將其干燥至安全儲藏水分的范圍內(nèi)。流化床干燥（熱空氣）可滿足油菜籽安全儲藏的要求，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)合大量的實驗和理論分析，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力學(xué)模型，優(yōu)化干燥工藝條件。并在此基礎(chǔ)上，通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬，優(yōu)化設(shè)計布風(fēng)板的開孔率、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)備的開發(fā)，以及現(xiàn)有設(shè)備性能的改進提供理論依據(jù)。主要的研究內(nèi)容如下:
　　(1)通過實驗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個影響因素對油菜籽流化床干燥過程的

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、對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)以及水分有效擴散系數(shù)越大;3個影響因素對干燥速率和平均對流傳熱傳質(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;對水分有效擴散系數(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)采用目標函數(shù)法對油菜籽流化床干燥速率進行優(yōu)化，利用MATLAB7.0軟件的非線性規(guī)劃求解

4、進行優(yōu)化計算，優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個影響因素的最優(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4種常見薄層干燥動力學(xué)模型對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，比較相關(guān)系數(shù)R2、卡方值x2和均方根誤差RMSE3個評價指標，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，通過試驗數(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、的二次多項回歸方程，從而進一步建立了油菜籽流化床干燥動力學(xué)模型，該模型能夠較好地預(yù)測油菜籽流化床干燥過程的失水規(guī)律，其試驗值與模型預(yù)測值的符合程度高，最大相對誤差僅為3.2％。
　　(4)通過Design-Expert8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行響應(yīng)面分析，分別建立了平均對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴散系數(shù)的標準回歸模型，通過試驗驗證，采用直接誤差分析和成對雙樣本均值分析的t-檢驗分析試驗值與模型預(yù)測值的差異性，結(jié)果表明:平均對流傳

6、熱傳質(zhì)系數(shù)以及水分有效擴散系數(shù)的試驗值與模型預(yù)測值的最大直接相對誤差僅為4.4％、3.3％和2.8％，且無差異概率分別為0.9238、0.8633和0.9126，都大于給定顯著水平0.05，表明這3個模型的預(yù)測值與試驗值沒有顯著性差異，即平均對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴散系數(shù)的標準回歸模型擬合較好，可靠性較高。
　　(5)通過響應(yīng)曲面分析方法，對任何2個因素的交互效應(yīng)對平均對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)和水分有效擴散系數(shù)的敏感性進行分析與評價，

7、結(jié)果表明:初始含水率與熱空氣流速的交互作用對平均對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響最大，對水分有效擴散系數(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平均對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響最小，對水分有效擴散系數(shù)的影響最大;其中與平均對流傳質(zhì)系數(shù)的影響相比，各影響因素的交互作用對平均對流傳熱系數(shù)的影響稍小。
　　(6)根據(jù)菲克第二定律，對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合計算水分有效擴散系數(shù)和平均活化能，結(jié)果表明

8、:水分有效擴散系數(shù)數(shù)量級為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)所對應(yīng)的水分有效擴散系數(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)所對應(yīng)的水分有效擴散系數(shù)為7.296×10-10～9.525×10-10 m2/s;熱空氣溫度在45～65℃范圍內(nèi)所對應(yīng)的水分有效擴散系數(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)針對開孔率和布孔方式2個方面，優(yōu)化設(shè)計了5種布風(fēng)板（12.27％開孔率正三角形布孔、14.10％開孔率正三角形布孔、15.84％開孔率正三角形布孔和15.84％開孔率正三角形不均勻布孔），通過試驗結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明:與其他4種布風(fēng)板相比，15.84％開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，其不僅增強了熱空氣的流通性，減少了局部區(qū)域的熱空氣聚集，實現(xiàn)了氣固兩相流動的正常流態(tài)化，達到了流化床內(nèi)油菜籽顆粒均勻分布，無溝流和死區(qū)的目的。同時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間，減小了所需的單位能耗。
　

11、　(8)針對最佳布風(fēng)板（15.84％開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準k-ε湍流模型，采用計算流體力學(xué)(CFD)分析軟件Ansys Fluent15.0進行數(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:在整個熱空氣流化床干燥油菜籽顆粒的過程中，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、度顯著地增大并達到最大，遠離布風(fēng)板后都急速下降，最后趨于穩(wěn)定，而表壓強則沿著流化床高度的增加而急劇下降最后趨于零。在整個流化床層內(nèi)氣-固熱量傳遞的主要推動力是氣-固流速差、溫度差和油菜籽顆粒體積分數(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，在遠離近布風(fēng)板位置，油菜籽顆粒體積分數(shù)和氣-固流速差是主要的影響因素;氣-固質(zhì)量傳遞的主要推動力是油菜籽顆粒體積分數(shù)、氣-固流速差和壓強差，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