一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法

摘要

本发明公开了一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法，包括以下步骤；A、采用能量守恒方程描述烟丝干燥的能量传递过程；B、采用Newton模型描述烟丝干燥过程中含水率比随时间的变化规律；C、采用含水率比表征烟丝干基含水率，简化能量守恒方程；D、假设烟丝干燥的初始条件，计算烟丝表面温度随含水率比变化模型；E、采用烟丝干燥特征温度表征烟丝在对流干燥过程中的受热程度。本发明准确的描述了对流干燥过程中烟丝的受热情况，为进一步研究烟丝受热程度对烟丝质量影响规律提供了依据。

说明书

技术领域

本发明涉及烟草加工技术领域，尤其涉及一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法。

背景技术

烟丝加工过程是一个伴随着湿热处理的过程，过程中存在较为复杂的传热、传质现象，这一过程对卷烟的理化品质及感官品质均有重要的影响。烟丝作为热敏性物料，过度的热处理势必造成烟丝香味成分损失，最终影响卷烟的品质，因此，研究烟丝受热程度对烟丝质量影响规律十分重要。目前，用于表征烟丝受热程度的方法很少，一般多用出口温度的高低表征干燥过程中烟丝的受热程度。然而烟丝干燥是一个变化的受热过程，单点出口温度高低并不能准确代表整个干燥过程中烟丝的受热情况。因此，研究能够准确测定烟丝干燥过程中的受热程度的方法，对提高烘后烟丝的品质有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法，能够准确的表征烟丝在对流干燥过程中的受热程度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法，包括以下步骤：

A、假设烟丝干燥过程中对流换热系数、烟丝与干燥介质接触的有效面积和烟丝的比热容均为常数，采用能量守恒方程描述烟丝干燥的能量传递过程：

式中h—对流换热系数[W/(m².℃)]；A—对流换热中烟丝与热风接触的有效面积(m²)；T_a—干燥介质干球温度(℃)；T—烟丝表面温度(℃)；M_t—烟丝质量(kg)；C_t—烟丝的比热容[J/(kg.℃)]；R_w—水的汽化潜热(J/kg)；X—烟丝干基含水率(％)；

B、采用Newton模型描述烟丝干燥过程中含水率比随时间的变化规律：

M_R＝Exp(-kt)>

式中M_R为含水率比，即X、X₀、X_e分别为t时刻、初始时刻和平衡时刻的烟丝干基含水率(％)，k代表模型参数；烟丝终点的平衡含水率与初始时刻的含水率比较，平衡含水率较小，省略X_e，则M_R＝X/X₀；

C、采用含水率比M_R表征烟丝干基含水率X，将公式(2)代入公式(1)得：

令hA＝m，M_tC_t＝n，M_tR_wk＝p，则公式(3)简化为：

D、假设烟丝干燥的初始条件为t＝0，T＝T₀，T₀为烟丝表面初始温度，对公式(4)求解得到：

式中m、n、p、k均为常数，令则将公式(2)代入公式(5)得到烟丝表面温度随含水率比变化模型：

E、采用烟丝干燥特征温度T'表征烟丝在对流干燥过程中的受热程度：

式中T'—烟丝干燥特征温度(℃)；t—将烟丝干燥至干基含水率14.29％时所用的时间；T—任意时刻烟丝表面温度(℃)；x—含水率比的变化率，即M_R0—初始时刻烟丝的含水率比；M_R—任意时刻烟丝的含水率比。

本发明通过建立烟丝表面温度随含水率比变化模型，较好地反应了对流干燥过程中烟丝表面温度随含水率比的变化规律；本发明提出烟丝干燥特征温度的概念，采用烟丝表面温度与烟丝含水率比的变化率的乘积代表烟丝瞬时受热程度，并用烟丝瞬时受热程度在干燥时间内的积分代表烟丝干燥特征温度，较好的描述了对流干燥过程中烟丝的受热情况，为进一步研究烟丝受热程度对烟丝质量影响规律提供了依据。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所述的实施例中不同干燥条件下烟丝表面温度随含水率比变化的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种测定对流干燥中烟丝受热程度的方法，包括以下步骤：

A、假设烟丝干燥过程中对流换热系数、烟丝与干燥介质接触的有效面积和烟丝的比热容均为常数，采用能量守恒方程描述烟丝干燥的能量传递过程：

式中h—对流换热系数[W/(m².℃)]；A—对流换热中烟丝与热风接触的有效面积(m²)；T_a—干燥介质干球温度(℃)；T—烟丝表面温度(℃)；M_t—烟丝质量(kg)；C_t—烟丝的比热容[J/(kg.℃)]；R_w—水的汽化潜热(J/kg)；X—烟丝干基含水率(％)。

烟丝在对流干燥过程中，干燥介质以对流传热的方式将热量传给烟丝，烟丝吸收能量后一部分用于提高烟丝表面温度，另一部分用于蒸发烟丝内部的水分。

B、采用Newton模型描述烟丝干燥过程中含水率比随时间的变化规律：

M_R＝Exp(-kt)>

式中M_R为含水率比，即X、X₀、X_e分别为t时刻、初始时刻和平衡时刻的烟丝干基含水率(％)，k代表模型参数；烟丝终点的平衡含水率与初始时刻的含水率比较，平衡含水率较小，可省略X_e，或者认为X_e为0，则M_R＝X/X₀。

C、采用含水率比M_R表征烟丝干基含水率X，将公式(2)代入公式(1)得：

令hA＝m，M_tC_t＝n，M_tR_wk＝p，则公式(3)简化为：

D、假设烟丝干燥的初始条件为t＝0，T＝T₀，T₀为烟丝表面初始温度，对公式(4)求解得到：

式中m、n、p、k均为常数，令则将公式(2)

代入公式(5)得到烟丝表面温度随含水率比变化模型：

即在一定含水率比范围内烟丝表面温度与含水率比的关系为次多项式关系。

E、采用烟丝干燥特征温度T'表征烟丝在对流干燥过程中的受热程度：

式中T'—烟丝干燥特征温度(℃)；t—将烟丝干燥至干基含水率14.29％时所用的时间；T—任意时刻烟丝表面温度(℃)；x—含水率比的变化率，即M_R0—初始时刻烟丝的含水率比；M_R—任意时刻烟丝的含水率比。

由于烟丝的受热程度与瞬时烟丝表面温度T以及烟丝含水率比的变化率x均成正比，因此可以用烟丝表面温度与烟丝含水率比的变化率的乘积代表烟丝瞬时受热程度。然而，在整个干燥过程中干燥时间的长短与也烟丝受热程度呈正比，因此本发明使用烟丝瞬时受热程度在干燥时间内的积分代表烟丝干燥特征温度，更好的表征烟丝在对流干燥过程中的受热程度。

下面结合具体实施例对本发明所述的测定对流干燥中烟丝受热程度的方法进行详细说明。

利用烟丝气流干燥装置，分别设定热风干燥温度为70℃、80℃、90℃、100℃、110℃和120℃，设定热风风速为0.3m/s，待气流干燥装置参数稳定后，将10g干基含水率为42.86％的烟丝以薄层(1～3层)的形式均匀铺散到气流干燥装置的盛料器中，同时开始计时，进行干燥。

预先设定取样时间分别为5，10，15，20，30，45，60，90，120，180s，到达取样时间后，分别用红外线测温仪测定取样烟丝表面温度，结束干燥试验，迅速将样品从盛料器中取出，密封保存。

用烘箱法测定烟丝含水率，记录70～120℃热风干燥温度下烟丝含水率与表面温度的变化，分别进行3次平行试验，使用平均含水率与表面温度进行数据处理。

根据测得的烟丝平均含水率以及初始时刻的干基含水率，利用公式M_R＝X/X₀计算烟丝含水率比，并将不同对流干燥条件下测得的烟丝表面温度随烟丝含水率比变化的数据用上述烟丝表面温度随含水率比变化模型进行拟合，拟合结果见图1和表1：

表1不同干燥条件下模型拟合参数

采用相关系数R²值作为标准来评价拟合结果，由图1和表1可以看出，上述烟丝表面温度随含水率比变化模型能够很好的描述烟丝干燥过程中表面温度随含水率比变化的规律。

将表1中的数据代入公式可得不同对流干燥条件下烟丝表面温度随含水率比变化的表达式，结合公式以及M_R＝Exp(-kt)，一起代入公式可以得到不同对流干燥条件下烟丝干燥特征温度，如表2所示：

表2不同干燥条件下烟丝干燥特征温度

由表2可以看出，随着干燥介质温度的提升，烟丝干燥特征温度逐渐增大，烟丝的受热程度越高，这与实际情况相符。本发明通过建立烟丝表面温度随含水率比变化的模型，根据模型提出烟丝干燥特征温度的概念，能够较好的表征烟丝对流干燥过程中的受热程度，为进一步研究烟丝受热程度对烟丝质量影响规律提供了依据。