澳洲堅果中紅外干燥機設計與試驗

王教領 宋衛東 丁天航 王明友 吳今姬 周德歡 周 帆

(農業農村部南京農業機械化研究所，江蘇 南京 210014)

澳洲堅果原產于澳大利亞，經過30多年的發展，中國的種植面積已超6 000 hm2，預測未來15年內，中國將成為全球最大生產國[1]。澳洲堅果仁營養豐富[2-5]，被譽為堅果之王，有較高的經濟價值[6]。干制是澳洲堅果生產加工的關鍵環節，但由于其油脂含量高、對溫度敏感且果殼堅硬，同時干燥要求將水分降到濕基含水率為1.5%的安全水分，導致目前普遍采用的傳統烘房干燥需3周左右，普通熱泵干燥也需要3～4 d，耗費大量能耗與人力[7-9]。普通的對流干燥因為溫度與水分傳遞梯度方向相反，加上澳洲堅果生理特性導致干燥效率低，而輻射傳熱干燥一般促進溫度與水分的同向傳遞，加速干燥過程。王云陽[10]針對上述問題開展了射頻干燥技術研究，表明熱風輔助射頻干燥可以較好地解決干燥速率低、干燥不均勻問題。而紅外干燥作為一種常見的輻射傳熱干燥，是通過電磁波的形式向外傳遞能量，其波長介于可見光和微波之間，按其波長的不同通常劃分為近紅外、中紅外與遠紅外，其中中紅外線輻射距離較深，適用于較厚的物料干燥，目前還未見有關澳洲堅果的紅外干燥研究。

針對澳洲堅果果殼厚、水分不易擴散等問題，擬運用中紅外輻射干燥技術，輔以熱風干燥及風機抽濕進行調質降溫，通過計算干燥曲線、水分擴散系數與活化能等探明澳洲堅果的紅外干燥特性，創制中紅外干燥機，以期為澳洲堅果的快速、節能干燥提供參考。

1 中紅外干燥機整機結構與主要參數

1.1 結構組成與工作原理

1.1.1 結構組成 試驗用中紅外干燥機結構如圖1所示，由進料口、加熱單元、散熱腔、傳輸系統和出料口組成，加熱單元由中紅外加熱管、隔熱板和加熱腔組成，其中中紅外加熱管位于隔熱板下方，共6個加熱單位，每個加熱單元設有6根中紅外加熱管，每根中紅外管發射功率在0～1 kW內線性可調。加熱腔中設有溫度探頭，散熱腔中設置有冷卻風機，環境空氣從隧道兩端進入，加熱后被冷卻風機抽到外界環境中，實現降溫排濕，在保證加熱溫度的同時解決因加熱失控造成的局部溫度過高的問題[11-12]。

1.1.2 工作原理 加熱開始時將澳洲堅果鋪放于傳輸帶的進料口處，打開電源，設定好加熱溫度、加熱功率及電機轉速，待溫度達到設計要求時啟動轉速電機，開始加熱，并同時開啟抽濕電機不斷將隧道內的濕氣抽出并起到降低積溫的作用。當達到加熱溫度時燈管滅，當低于加熱溫度時燈管再次打開，保證澳洲堅果的干燥溫度，每次出料后根據含水率決定是否需要再次加熱，如此循環直至達到干燥要求。

1.2 關鍵部件參數確定與選型

1.2.1 輻射器種類選型 紅外輻射加熱器的選型要綜合考慮脫層脫落、耐高溫、轉換效率和穩定性等問題。基于上述因素本試驗選擇功率為1 kW的非涂層式碳纖維紅外線石英管作為輻射體，該石英管具有熱量損失小，吸收性強和轉化效率高等優點。

1. 輸送帶 2. 進料口 3. 加熱腔 4. 加熱板 5. 中紅外加熱管 6. 散熱腔 7. 出風孔 8. 張緊輪 9. 出料口 10. 支撐輪

圖1 中紅外干燥機結構圖

Figure 1 Structure of the infrared dryer

1.2.2 加熱功率 根據輻射加熱密度法，紅外加熱功率可按(1)式計算[13]：

W=E×F，

(1)

式中：

W——加熱功率，kW；

E——輻射功率密度(一般取3～8，大面積薄壁工件取小值，小面積厚壁取大值)，kW/m2；

F——單位時間加熱面積，m2。

根據設備的整機尺寸，加熱隧道的有效面積約為9 m2，由于是大面積薄壁E取4，則W為36 kW。

1.2.3 輻射距離 設備紅外加熱功率為36 kW，單根紅外管功率選擇 1 kW，共需安裝36根，每個加熱單元6根，共設計6個加熱單元。發射管相鄰距離設計為250 mm，加熱器表面與傳送帶距離根據經驗值(一般為兩相鄰輻射器中心距的1.2倍)確定為300 mm。

1.2.4 主要調節因素及其控制方法 系統控制因素主要有加熱腔溫度、紅外加熱管功率與傳送帶轉速。其中加熱腔溫度主要通過冷卻風機不斷將隧道內濕熱空氣抽出以實現降溫，同時也促進了排濕。紅外加熱管功率通過電流調節器控制，傳送帶轉速由變頻電機驅動，可實現無極調速。控制系統利用PLC實現對溫度和加熱功率的控制。

2 材料與方法

2.1 儀器與設備

中紅外干燥機：實驗室自制；

電子天平：BSA224S型，廣州市深華生物技術有限公司；

水分快速測定儀：MB27型，合肥祺景電子科技有限公司。

2.2 試驗方法

試驗地在江蘇宜興，新鮮的澳洲堅果購自廣西崇左縣，脫皮后郵寄到試驗點后含水率約為25%。中紅外干燥機的加熱腔溫度根據相關文獻[14-15]不超過60 ℃，同時根據設備特性，設置加熱腔溫度為60 ℃，中紅外發射管功率0.8 kW，設置好干燥溫度和功率后將澳洲堅果放在托盤上，由進料口進入加熱腔體后均勻輸送到出料口，然后將托盤再次放入到進料口后進行加熱，重復這一過程經過6次循環干燥濕基含水率降到1.5%以下。干燥過程中根據設計的時間點，隨機取出若干顆澳洲堅果當其冷卻后測量水分含量，繪制干燥曲線，建立數學模型，計算水分擴散系數與活化能。

2.2.1 干燥曲線的測定

(1) 干基含水率：

(2)

式中：

M——干基含水率，%；

mw——樣品水分質量，g；

md——絕干樣品質量，g。

(2) 水分比：

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——t時刻的含水率，g/g；

Me——平衡含水率(在一定的干燥條件下，將澳洲堅果干燥至恒重時的含水率)，g/g；

M0——初始含水率，g/g。

綜上所述,MRCP在膽道結石中的診斷準確性、特異度、敏感度均較CT高,尤其是對于直徑<0.8cm膽道結石的診斷較CT檢查有明顯優勢,可在臨床推廣。

(3) 干燥速率：

(4)

式中：

DR——干燥速率，g/(g·min)；

Mt+dt——t+dt時刻的含水率，g/g；

Mt——t時刻的含水率，g/g；

t——時間，min。

從進干燥開始為起始0點，通過設定傳送帶轉速物料每1 h剛好通過整個隧道，每隔1 h測量澳洲堅果干基含水量，分別繪制澳洲堅果干燥曲線與干燥速率曲線。

2.2.2 干燥數學模型 物料干燥伴隨著復雜的傳熱傳質，為了描述這一過程，探明物料所含水分隨干燥時間的變化機制，學者[16-19]通過大量的試驗與理論分析，建立了多個經驗與理論模型。試驗選擇了11個常用的薄層干燥模型(表1)進行澳洲堅果中紅外干燥動力學研究并利用1Stopt軟件進行數據擬合，R2越接近于1，RMSE和χ2越小，表明模型可靠性越高[20-21]。

2.2.3 有效擴散系數 表征水分傳遞的重要參數，表明物料的脫水能力，可運用Fick擴散第二定律來求解[22-25]，物料表層與外部環境之間的水分傳遞達到瞬態平衡時，不考慮干燥樣品的體積變化及外部阻力，通過化簡后得出有效擴散系數的表達式：

(5)

式中：

MR——水分比，%；

Deff——有效擴散系數，m2/s；

t——干燥時間，s；

L——物料厚度的1/2，m。

在式(5)中將t作為自變量，lnMR作為對應變量繪制函數曲線并進行一維線性擬合得到的直線斜率k如式(6) 所示。

(6)

2.2.4 干燥活化能 干燥活化能表征了物料干燥的難易程度。利用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)可以建立有效水分擴散系數、干燥溫度與活化能之間的關系[26]，如式(7)所示。

(7)

式中：

Deff——有效擴散系數,m2/s；

D0——擴散基數，m2/s；

Ea——活化能，kJ/mol；

T——干燥溫度，℃。

2.2.5 數據處理 試驗數據使用Oringin 8.0繪圖，利用1Stopt 15進行統計分析與數據擬合。

3 結果與分析

3.1 澳洲堅果中紅外干燥特性分析

3.1.1 澳洲堅果中紅外干燥曲線 由圖2可知，澳洲堅果初始水分比為1(23.19%)，經過6 h水分降至0.05(1.36%)的安全水分。從圖3可以看出，整個干燥過程主要呈現降速干燥，在初始階段干燥速率較大，隨后逐漸降低。可能是初始干燥階段物料水分含量高，吸收的中紅外能量高，同時利用冷卻風機形成空氣對流，實現澳洲堅果的熱質同向傳遞，提升了干燥驅動力，形成較高的干燥速率。而隨著干燥的進行，澳洲堅果水分含量與耦合能力均逐漸降低，同時澳洲堅果中親水性固體表面與干燥剩余水分之間的結合力變大，進而造成蒸發焓逐步升高，導致水分去除能耗也相應增大[27]。因此，干燥速率將會持續降低直到干燥結束。

圖2 澳洲堅果中紅外干燥曲線Figure 2 Mid infrared drying curve of macadamia

圖3 澳洲堅果中紅外干燥速率曲線Figure 3 Mid infrared drying rate curve of macadamia

3.1.2 澳洲堅果中紅外干燥質傳遞與能耗 利用式(5)計算澳洲堅果干燥有效水分擴散系數，結果如圖4所示，各階段的干燥有效水分擴散系數在2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農產品干燥區間。根據阿倫尼烏斯方程，結合式(7)可知，lnDeff與1 000/T+273.15呈線性關系，利用1Stopt軟件進行擬合，計算出澳洲堅果的活化能為159.5 kJ/mol，與相關報道[27]的數值接近，相比蘋果[28]、油茶籽[29]、燕麥馬鈴薯復合面條[30]活化能較大，因此較難干燥。

圖4 不同時間點干燥有效水分擴散系數Figure 4 Effective moisture diffusivity at different time points

3.1.3 澳洲堅果中紅外干燥裂紋分析 從外觀上看澳洲堅果干燥過程中有微裂紋產生，主要是初始含水率較高，瞬態溫度過高，導致局部干燥不均勻而形成的。目前紅外干燥過程中難以避免細微裂紋的產生，即使采用熱風低溫干燥也可能產生，但細微裂紋對貯藏影響有限或許還有利于后續的開口及脫殼。經試驗發現，提高控制精度、及時散熱處理等措施可進一步降低裂紋產生、減小裂紋大小。

3.2 澳洲堅果中紅外干燥動力學模型研究

由表1可看出，Midilli-Kucuk模型的R2值最大，RMSE與χ2平均值最小，因此Midilli-Kucuk可以有效地描述澳洲堅果中紅外干燥過程，方程可以表示為：

MR=0.999 3exp(-0.030 1t0.7643)-5.414 5E-005t。

(8)

表1 各模型與統計結果分析Table 1 Name and statistical analysis of each model

3.3 澳洲堅果中紅外干燥試驗驗證

針對Midilli-Kucuk模型利用同一批次澳洲堅果進行中紅外干燥，測量不同時間點的水分進行驗證，結果如圖5 所示，擬合效果好，說明Midilli-Kucuk模型可以有效地預測澳洲堅果中紅外干燥過程中的水分變化情況。

4 結論

(1) 研制了中紅外干燥機，確定了輻射器種類、加熱功率、輻射距離等主要參數，并制定了調質降溫的控制方法，促進水分熱質同向傳遞，提升干燥驅動力，干燥時間顯著縮短，較好地解決了均勻干燥問題。

圖5 Midilli-Kucuk模型下預測值與試驗值對比

Figure 5 Comparison between predicted value and experimental value under Midilli-Kucuk model

(2) 澳洲堅果通過中紅外干燥，經過6 h由23.19%的初始含水率降到1.36%的安全水分，整個過程主要為降速干燥，無明顯恒速干燥階段；Midilli-Kucuk方程可以較好地預測澳洲堅果中紅外干燥過程水分的變化機制。

(3) 澳洲堅果中紅外干燥各時段有效水分擴散系數位于2.03×10-7～2.31×10-7m2/s，分布較均勻，符合農產品干燥區間；澳洲堅果的活化能為159.5 kJ/mol，高于一般果蔬，進一步從理論上說明了其干燥困難的原因。

(4) 澳洲堅果干燥過程中有微裂紋產生，應繼續優化設備的溫度控制系統，進一步提升澳洲堅果干燥的均勻性，減少微裂紋產生或使其大小滿足生產要求。