第一章绪论
1.1课题的研究意义
我国是农产品生产，加工和消费大国，2011年我国粮食产量已达到5.7亿吨，水果产量超过1.3亿吨，蔬菜产量达到6.7亿吨（FAO，2014)。但是由于设施简陋、方法原始、工艺落后，我国农产品的产后损失规模惊人，据统计，我国粮食损失率超过8%，蔬菜损失率则超过20%，每年仅粮食的损失量高达500亿斤（李里特，2012)，因此科学有效的减损显得非常重要，而采用脱水千制是解决这一问题的重要途径之一。干燥后的产品能确保长时间储存，大大降低产后损失，延长货架期；丰富产品的种类和口感，挖掘拓展产业价值，改善产业发展瓶颈，为产品深加工提供基础；同时减少体积和重量，便于运输，因而具有非常重要的意义。农产品物料根据分类主要包括粮油类和果蔬类，其在干燥过程中脱水的难易程度也不尽相同。高糖物料由于含有高浓度糖分和可溶性物质使得果蔬表面容易硬化；表皮附有蜡质层的物料会因果皮蜡质结构不利于物料内部水分迁移，长时间干燥会导致褐变更加严重；淀粉含量较高的物料经干燥糊化会形成坚朝的凝胶防渗层，不利于干燥过程的进行。而上述三种类型则又广泛存在于农产物料中，极大的影响了后续的加工与发展。以马铃薯为例，作为高淀粉类物料的典型代表，其世界产量在2010年已达3亿吨，成为全球五大粮食作物之一（陆天健等，2011)，但鲜薯块莲体积大，含水率髙，运输和长期C藏有困难。而目前针对农产品千燥加工中应用最为广泛的技术主要包括热风干燥，太阳能千燥，真空冷冻干燥，红外千燥，热菜干燥及联合干燥技术等（Xiao等，2010)。传统热风干燥（Fang等，2009)虽然技术结构简单，温度易于控制，但针对该类高淀粉类物料往往由于物料内部淀粉糊化的作用导致极难干燥，且会因干燥时间过长造成千制品外观品质下降，营养成分损失，色泽劣变等问题。太阳能干燥（过利敏等，2011)利用太阳辖射的热能对空气加热，环保节能，安全卫生无污染，但对干燥设备有一定要求，需辅以额外热源补充阴雨天气和夜晚对太阳能的影响，同时由于干燥时间过长导致色泽劣变，糊化结壳，品质不佳。真空冷冻干燥（刘云宏等，2011)技术能有效减少营养成分和风味的损失，干后品质较高，但设备投资较大，干燥成本较高，限制了其应用。
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1.2国内外研究现状
气体射流冲击干燥技术最早被国外应用于需要快速冷却的零部件及相应的加工工艺和含表面水较高的物料干燥上，如尖端技术中的航空发动机祸轮叶片的冷却、计算机高热负荷电子元件的冷却、纸张和胶片干燥等工业生产中，后来逐渐发展到食品、农产品的烘培、赞漂和干燥等方面的应用（肖红伟，2010),并取得了不错的效果。Lujan-Acosta等（1997)、Moreira等（2001)、Braud等（2001)和Caixeta等（2002)分别将气体射流冲击技术应用于玉米片和马铃薯条的干燥，研究发现该技术能大幅提高干燥速率和品质。Rajala等(2004)，Merino等（2008)和Yamsaengsung等（2010)分别研究了纸张，香菜种子和螺旋藻的气体射流冲击干燥特性。在国内，气体射流冲击技术应用于农产品干燥领域主要集中在中国农业大学高振江课题组，目前已被应用于红薯和薯条的供倍熟化（高振江等，2002)、板栗的爆壳去红衣和干燥（魏秀青等，2003)、果蔬的资漂灭酶和干燥（杜志龙，2007)、海参脆皮和猪皮等的膨化加工（高振江和肖红伟，2007a和b)以及"北京烤鸭”的烤制加工（隋美丽等，2008)。高振江(2000)在气体射流冲击颗粒物料的干燥机理与参数试验研究过程中，对气体射流冲击技术的基本理论进行了较系统的整理分析，主要包括影响传热传质的基本结构因素，工艺因素以及各自相应的变化范围等。
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第二章基于温湿度过程控制的倾斜料盘式气流冲击干燥装置的设计
2.1引言
气体射流冲击干燥技术是借助喷嘴产生高速气流冲击物料表面从而使其快速脱水的一种新型干燥技术，具有气流速度快、流程短、气流与物料表面之间边界层非常薄、传热速率可控等特点，与传统的热风干燥相比具有较高的对流换热系数和干燥速度（高振江，2000)。近年来，气体射流冲击干燥技术已被应用于红薯墓条（Xiao等，2009)、肉灰蓉片（杜友等，2010)、杏子（肖红伟等，2010)、板栗（娄正等，2010)、葡萄（Xiao等，2010; Bai等，2013)、哈密瓜片（张茜等，2011；郑霞等，2014)、线辣椒（张茜等，2012)、西洋参片（Xiao等，2014)等多种物料的干燥加工，取得了一定的研究成果。但目前的垂直式气体射流冲击干燥装置存在以下几个突出问题，限制了该技术的大面积推广应用：1)干燥腔室内仅可平铺一层物料，单位面积喷嘴组冲刷物料面积有限，装载量小；2)喷嘴与物料的位置相对固定，料盘上不同位置的物料干燥不均勻；3)缺少加湿装置和湿度控制系统，物料易结壳。因此，研究设计新型气体射流冲击干燥设备以解决上述突出问题，促进该技术的推广应用势在必行。国内外学者研究发现，当气体射流冲击料盘上的物料时，随着气流喷射方向与料盘平面间角度的降低，传热系数在各点的分布对称性和滞止点的移动变化就会更加均匀(Vipat 等，2009)。温湿度过程控制干燥技术是近些年发展起来的一种新型干燥技术，利用干燥介质在相同温度下拾值随其湿含量的增加而不断增加的特性，基于物料的状态实时控制干燥过程中不同阶段的介质温度及湿含量，并调控介质湿含量在整体干燥过程中呈阶梯性降低的规律，保持以较大洽值和较高传热效率实现农产品物料的干燥，同时避免温度对物料品质的不利影响，获得较优干燥品质(赵思明等，2003)。而且，研究表明千燥介质保持一定的相对湿度能够减少物料干燥过程中的结壳、有利于物料干后的复水（Dai等，2014)。
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2.2整机结构与工作原理
基于温湿度过程控制的倾斜料盘式气体射流冲击干燥装置主要由控制系统、离心风机、气流分配室、料盘车、加热和加湿系统等组成（图2-1和图2-2)。其中，控制系统主要由温湿度传感器12，控制箱17和变频器19等组成；加热和加湿系统主要包括加热管1,喷头7，出水管道8和水栗10等。料架设计有自动称重系统，实现物料重量及含水率变化的实时监控，并通过内置于物料的温度探针掌握物料内部升温的规律曲线。自动称重系统工作时离心风机先暂停一段时间以确保干燥室内流态稳定，从而减少对称重传感器精度的干扰。因高速热气流与物料接触作用时间短，机架、干燥室外侧、离心风机及加热装置均包裹有保温材料，且干燥腔室经回风管路与风机进风口相连，确保余热回收利用，降低了能耗。湿度控制系统通过湿度传感探头实时监测干燥腔室内介质状态参数。当湿度传感器检测到气流湿度低于设定值下限时，控制系统启动高压隔膜栗经喷头雾化加湿，直至其达到设定参数时停止。而当气流湿度超过设定值上限时，位于正压区域的排湿电磁阀打开，高湿空气自动排至千燥室外，同时在大气压的作用下，等量体积的低湿新鲜空气由位于负压区的进气管吸入至加热装置，确保换气后即被加热，实现干燥装置的换气控湿，并为温湿度过程控制干燥技术提供基础。
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第三章马铃薯片倾斜料盘式气流冲击..........29
3.1引言..........29
3.2材料与方法..........30
3.2.1试验方法..........30
3.3结果与分析..........31
3.4本章小结 ..........55
第四章温湿度过程控制对马铃薯片气流冲击.....57
4.1引言..........57
4.2材料与方法..........57
4.3试验方法..........59
4.4本章小结..........73
第五章马铃薯片基于温湿度过程控制的气流冲击..........75
5.1引言..........75
5.2材料与方法..........75
5.3干燥模型的数学计算..........75
5.4结果与分析..........77
5.5本章小结..........79
第五章马铃薯片基于温湿度过程控制的倾斜料盘式气流冲击干燥模型的研究
5.1引言
干燥模型是对物料干燥过程的数学抽象，通过更高的层面来揭示物料干燥过程随干燥参数变化的规律。干燥模型的研究往往也是干燥研究的经典问题，该模型的建立能够为描述、预测、分析和控制物料的干燥过程以及干燥工艺的优化提供理论和技术依据。根据求解过程分类其主要包括理论模型、半理论模型和经验模型。目前，一些经验或半经验模型已被广泛应用于干燥过程的描述，如 Lewis，Page，Modified Page, Wang and Singh, Logarithmic, 二阶试验模型和二阶指数模型等。虽然这些模型能够很好的模拟干燥动力曲线，精度颇高，但对模型中各参数的指示意义尚不明确，模型参数与物料的干燥状态及干燥条件的相关关系还未理清，因此上述模型对于干燥过程的描述依然处于“黑箱”阶段（Corzo等，2008)，.无法与干燥方法、工艺、效率及传热传质等紧密结合，极大的限制了其使用价值与研究意义。Weibull模型因其良好的适用性和兼容性，目前已在生物灭菌，药物学，热力学及食品工程领域得到广泛应用。Boekel (2002)研究了使用Weibull模型描述微生物的细胞热失活特性；Gemma等（2009)使用Weibull分布函数来描述鲜切西瓜抗氧化动力学的变化情况；卢蓉蓉等(2010)利用Weibull模型建立了超高压杀菌条件下的芽孢致死曲线；靳志强等（2011)则通过Weibull模型模拟了霉变玉米微波灭酶过程中寄生曲霉的失活动力学。近年来，有研究学者将Weibull模型应用于农产品的干燥特性研究并取得了一些进展。Cunha等（2001)利用Weibull模型研究了渗透压脱水的干燥动力学；Corzo等（2008)研究了将Weibull模型用于拟合芒果片热风干燥的动力学曲线，Miranda等（2010)用Weibull函数来描述声荟的干燥动力学；白梭文等（2013)则使用Weibull分布函数描述了葡萄的干燥动力学特性。但总体来说，Weibull分布函数在干燥领域的研究时间尚短，针对马铃薯片基于温湿度过程控制的气流冲击干燥模型的研究尚未见相关报道。
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结论
针对目前气流冲击干燥装置存在装载量低、干燥速率快但易导致物料结壳等问题，本文设计开发出基于温湿度过程控制的倾斜料盘式气流冲击干燥装置，以马铃薯作为高淀粉类物料的典型代表，主要研究了结构参数包括不同料盘倾斜角度e (0。、10°、20°和30°)、料盘距喷嘴间距H(0、36、72、108和144mm)和喷嘴排列间距知和(36、54和72mm),以及工艺参数包括干燥温度（50、60、70 和 80°C)、风速（5、10、15 和 20 m/s)、资漂时间（0、30、45、60、75和90s)和切片厚度（5、10和15 mm)下马铃薯片的气流冲击干燥动力学，确保在较高传热效率及较优干燥均匀系数的前提下大幅提高设备的物料装载量，并在较优的结构与工艺参数（料盘倾斜10°,料盘距喷嘴间距72 mm,喷嘴排列间距36 mm； 10 mm厚马铃薯片90°C热水资漂60 s,干燥温度6°C,风速15 m/s)下进行温湿度过程控制干燥试验，探讨不同恒定湿度参数、不同前期控湿时间和温度、不同中期控湿时间下该干燥过程中物料内部温度、干燥特性随湿含量的变化规律，对比分析其色泽，收缩等品质指标，同时利用Weibull分布函数对其干燥动力学进行模拟，探究不同湿度参数对Weibull分布函数中各参数的影响。
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参考文献（略）