杜 寬 雷 波

膨化魚飼料熱泵穿流干燥特性實驗研究

杜 寬 雷 波

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

為研究膨化魚飼料熱空氣穿流干燥特性，采用自制的干燥實驗裝置，在60℃與73℃的干燥條件下，對常用的6cm和8cm飼料層厚度進行了干燥實驗。實驗結(jié)果表明：飼料層的水分比隨時間的變化特性可以用Page模型表達。

膨化魚飼料；熱泵干燥；實驗研究；數(shù)學(xué)模型

0 引言

飼料產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的一個重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，截止2019年，中國飼料的產(chǎn)量已連續(xù)8年位居世界首位[1]。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在20世紀(jì)80年代開始引入膨化飼料，2012年水產(chǎn)飼料的膨化工藝開始迅速發(fā)展，膨化飼料以其水中懸浮性好、飼料利用率高、對水質(zhì)污染小、易于飼養(yǎng)管理等特點，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用廣泛[2]。

熱泵干燥作為一種新型節(jié)能的干燥形式，具有干燥溫和，節(jié)能環(huán)保等特點，被廣泛地應(yīng)用于糧食、醫(yī)藥、果蔬、谷物干燥等領(lǐng)域，并取得較好的經(jīng)濟效益與節(jié)能效果。Newbert利用燃氣驅(qū)動的熱泵干燥裝置對麥芽糖進行干燥，干燥能耗與傳統(tǒng)燃氣干燥相比降低40%[3]，Brice Le Lostect對移動木片干燥過程進行分析，得出當(dāng)溫度為60℃時單級吸收式熱泵的干燥效果最佳，同時采用熱回收裝置能夠降低能耗25%[4]。左希桐針對蚊香干燥提出混流式熱泵干燥系統(tǒng)，并根據(jù)實際生產(chǎn)要求確定了干燥室的尺寸參數(shù)，得出熱泵干燥方式比傳統(tǒng)燃煤干燥節(jié)能36.21%，比燃氣干燥節(jié)能47.47%[5]。

傳統(tǒng)的飼料一般采用鍋爐產(chǎn)生熱量加熱空氣進行干燥，干燥過程熱量傳遞復(fù)雜，能量利用率低，同時高達110℃的干燥溫度會使飼料所含的蛋白成分失活，導(dǎo)致飼料營養(yǎng)成分損失較多。因此，可以將熱泵應(yīng)用到膨化飼料的干燥工藝中，采用低溫干燥的方式實現(xiàn)較好的節(jié)能效益與干燥效果。

有關(guān)膨化飼料干燥特性方面的研究不多，王超針對膨化狗飼料，通過干燥實驗得出Page模型能夠較好反應(yīng)干燥過程中水分比的變化[6]；王振華通過膨化顆粒飼料穿流干燥實驗，確定了通風(fēng)方式、溫度及床層厚度對干燥均勻性的影響[7]。目前膨化魚飼料干燥均采用高溫蒸汽加熱空氣到110℃的方式進行干燥，沒有在較低溫度條件下的干燥實驗數(shù)據(jù)，也未見有關(guān)于膨化魚飼料干燥特性和數(shù)學(xué)模型的相關(guān)研究。

因此本文研究在較低溫度的條件下膨化魚飼料的穿流干燥特性，以期能夠得到適用于膨化魚飼料穿流干燥的數(shù)學(xué)模型，為膨化魚飼料干燥工藝設(shè)計提供參考。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗采用自制的膨化魚飼料穿流干燥裝置，如圖1所示，包括風(fēng)機、PTC加熱器、控制箱、均流板等；測量儀器及參數(shù)如表1所示。裝置總長為2m，總高為1.3m，箱體段高0.6m，距出風(fēng)口0.4m處均勻布置三個直徑為10mm測量孔，出風(fēng)口尺寸為0.3m×0.3m。

表1 測量儀器參數(shù)

圖1 穿流干燥實驗裝置

1.2 實驗方法

實驗時通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度改變風(fēng)量大小，并在出風(fēng)口用風(fēng)量罩測量出風(fēng)量，根據(jù)風(fēng)量和飼料層的面積得出通過飼料層的面風(fēng)速。機電控制箱控制加熱器的功率大小及加濕裝置的開啟狀態(tài)，利用熱敏風(fēng)速儀與溫濕度測量儀測定通過均流板空氣的溫度和風(fēng)速，在不同位置多次測量求均值，以減少測量誤差，根據(jù)不同的工況確定相應(yīng)的時間間隔，用電子秤進行稱重，記錄飼料質(zhì)量的逐時變化情況。

實驗中發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速逐漸增大的過程中，隨著干燥的進行，飼料所含的水分被熱空氣帶走，重量逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時，氣體對飼料顆粒的作用力與顆粒的重力相平衡，飼料層呈現(xiàn)流態(tài)化，此時的氣流速度為最小流化速度。當(dāng)氣流速度超過最小流化速度時，在流態(tài)狀的飼料層中會出現(xiàn)貫穿整個飼料層的氣流通道，大量的氣流從通道中涌出，造成熱空氣的利用率降低，不同干燥程度的飼料出現(xiàn)相互混雜現(xiàn)象。為避免這些不利影響，以不同飼料層厚度下的最小流化速度作為實驗風(fēng)速大小。

1.3 實驗工況

實驗采用的膨化魚飼料顆粒為圓柱狀，直徑為3mm，高為2.5mm。按照熱泵低溫干燥合適的溫度范圍，確定實驗干燥溫度為60℃和73℃；根據(jù)實際生產(chǎn)的情況，飼料層厚度分別取6cm和8cm。實驗得到6cm和8cm厚度飼料層干燥的最小流化速度分別為0.64m/s和0.77m/s。

1.4 干燥模型

物料的干燥過程是涉及傳熱與傳質(zhì)的復(fù)雜熱質(zhì)交換過程，會受到物料自身物理特性的影響，目前的研究多以干燥實驗為依據(jù)，用薄層干燥模型來表述物料干燥過程中水分比隨時間的變化規(guī)律。

物料的干基含水率指時刻物料失水量與物料干基質(zhì)量的比值，計算公式如式（2）所示：

物料干燥模型是通過不同物料的干燥實驗，通過數(shù)據(jù)擬合總結(jié)得出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，用于描述干燥過程中物料水分比隨時間變化規(guī)律。常見的干燥模型有Newton模型、Page模型、New Page模型、Henderson and Pabis模型以及Midilli模型[8]。本文擬采用以上五種模型對實驗數(shù)據(jù)進行分析，確定適合于膨化魚飼料穿流干燥的數(shù)學(xué)模型。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 膨化魚飼料水分比變化曲線

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算不同時刻物料干基含水率的大小，得到膨化魚飼料水分比隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 水分比變化曲線

由圖可知干燥溫度越高，物料層的厚度越小，水分比變化的速率越大；當(dāng)飼料層厚度相同時，73℃時的干燥時間比60℃時的干燥時間少30.6%，當(dāng)溫度相同時，6cm時的干燥時間比8cm時的干燥時間少20.7%，可得出溫度對膨化魚飼料干燥時間的影響大于飼料層厚度的影響；在干燥的前4min，不同工況水分比曲線變化相差較小，說明在干燥初期，飼料減少的水分以飼料表層的自由水為主，空氣中水蒸氣分壓力與飼料表層水蒸氣分壓力相差較大，水分蒸發(fā)速率較快；隨著干燥的進行，不同工況下飼料的干燥速率變化逐漸增大，是因為干燥中后期飼料表層水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差值變小，飼料顆粒表面出現(xiàn)一定程度的皺縮變硬現(xiàn)象，干濕分界面逐漸向內(nèi)部移動，飼料顆粒與空氣間的傳質(zhì)系數(shù)變小，內(nèi)部水分向外遷移的阻力變大，導(dǎo)致飼料水分比的變化速率逐漸降低。

2.2 膨化魚飼料穿流干燥數(shù)學(xué)模型

通過對不同工況下計算所得的水分比隨時間變化的數(shù)據(jù)進行分析，分別采用前述五種干燥模型進行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明Page干燥模型與實驗值的吻合程度較好，擬合關(guān)系的決定系數(shù)R2均在0.99以上，能夠較為準(zhǔn)確地反映膨化魚飼料穿流干燥特性。Page模型表達式如式（3）所示：

Page模型的實驗擬合參數(shù)值如表2所示。

表2 不同工況下Page模型的擬合參數(shù)

干燥模型中的參數(shù)可以用干燥溫度與飼料層厚度的函數(shù)關(guān)系表示，由參數(shù)擬合結(jié)果，得到膨化魚飼料穿流干燥的數(shù)學(xué)模型函數(shù)表達式如式（4）所示：

式中：為干燥溫度，℃；為飼料層厚度，cm；為干燥時間，min。

2.3 膨化魚飼料干燥模型驗證

為驗證干燥模型的準(zhǔn)確性，選取溫度為60℃，厚度為6cm的工況進行驗證，結(jié)果如圖3所示。擬合值與實測值的對比，最大誤差為8.7%，平均誤差為1.6%。

圖3 Page模型預(yù)測值與實測值

3 結(jié)論

（1）飼料層厚度為6cm和8cm的膨化魚飼料穿流干燥最小流化速度分別為0.64 m/s和0.77 m/s。

（2）在最小流化速度實驗條件下得到的膨化魚飼料穿流干燥過程中水分比隨時間的變化特性，可以用Page模型來表示。

[1] 唐明娟,熊敏芬.我國飼料行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J].廣西畜牧獸醫(yī),2020,36(4):157-159.

[2] 李靜紅,雷光音,李麗雪,等.水產(chǎn)膨化飼料的發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].飼料營養(yǎng),2012,(8):43-46.

[3] Newbert G J. Energy efficient drying, evaporation and similar processes[J]. Journal of Heat Recovery Systems, 1985,5(6):551-559.

[4] Lostec B L, Galanis N, Baribeault J, et al. Wood chip drying with an absorption heat pump[J]. Energy, 2008,33(3):500-512.

[5] 左希桐,雷波.混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)及工程應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2019,33(1):69-73,79.

[6] 王超.膨化飼料特性及帶式穿流干燥機氣流場數(shù)值模擬研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[7] 王振華,楊德勇.膨化顆粒飼料穿流干燥試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(24):293-30.

[8] 楊韋杰,唐道邦,徐玉娟,等.荔枝熱泵干燥特性及干燥數(shù)學(xué)模型[J].食品科學(xué),2013,34(11):104-108.

Experimental Study on Drying Characteristics of Expanded Fish Feed Through Heat pump

Du kuan Lei Bo

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

In order to study the hot air crossflow drying characteristics of the expanded fish feed, a self-made drying experiment device was used to conduct drying experiments on the commonly used 6cm and 8cm feed layer thickness under the drying conditions of 60℃ and 73℃. The experimental results show that the Page model can represent the change characteristics of the moisture ratio of the feed layer over time.

expanded fish feed; heat pump drying; experimental Study; mathematical mode

1671-6612（2021）03-338-04

TU83

A

杜 寬（1995.04-），男，在讀碩士研究生，E-mail：dukuan1995@163.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2020-12-10