離子風(fēng)烘烤中煙葉烘烤效益分析及干燥動力學(xué)模型構(gòu)建

摘要：為摸清離子風(fēng)對煙葉烘烤過程中干燥特性的影響，尋求高壓電場在密集烤房內(nèi)聯(lián)合熱風(fēng)循環(huán)烘烤煙葉的模型，提升煙葉干燥效率，達(dá)到節(jié)能降本和提升烘烤效益的目的，以云煙87中、上部葉為對象，利用熱風(fēng)與高壓電場干燥技術(shù)相結(jié)合，分析烘烤過程中煙葉干燥特性，計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)，采用7種干燥模型進(jìn)行擬合，并對烘烤效益進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明：（1） 離子風(fēng)加持下烘烤能耗顯著降低，煙葉產(chǎn)量與產(chǎn)值得到提高，經(jīng)濟(jì)效益提高。（2） 高壓電場下，煙葉水分散失速率隨著針電極電壓的增加遞增，針電極電壓為3、6 kV的處理烘烤時(shí)長較對照分別縮短10、16 h。（3） 在試驗(yàn)條件下，[JP3]針電極電壓從0 kV升至6 kV時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)由262 μm2/s 增至377 μm2/s。（4） Wang amp; Singh和Binomial模型模擬常規(guī)烘烤水分比變化曲線、Binomial模型模擬離子風(fēng)烘烤水分比變化曲線的r2均高于0.99，RMSE均小于0.05；隨機(jī)選取試驗(yàn)條件進(jìn)行模型驗(yàn)證，其線性擬合r2值均在0.985以上。高壓電場下煙葉烘烤過程中以針電極電壓為6 kV時(shí)干燥速率最快，Deff最大，烘烤效益最高。Wang amp; Singh和Binomial模型可以很好地模擬煙葉水分比變化曲線，其中Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)條件下煙葉的干燥過程。

關(guān)鍵詞：烤煙；離子風(fēng)干燥；動力學(xué)模型；節(jié)能；烘烤效益

中圖分類號：TS44+1； O441.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）02-0220-09

離子風(fēng)是氣體在高電壓的作用下發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子在電場作用下加速，并與空氣分子碰撞引起的動量交換，在宏觀上表現(xiàn)出的流體運(yùn)動［1］。水分在處于高壓電場下時(shí)蒸發(fā)更加迅速，同時(shí)伴隨著較低的耗能，即“淺川效應(yīng)”［2］。這為離子風(fēng)干燥物料提供了原理支撐。Martynenko等使用高壓電場對蘋果片的干燥研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)風(fēng)速范圍內(nèi)離子風(fēng)對干燥速率的正向影響顯著，且隨著電壓增大而增大［3］。Yu等對馬鈴薯片在離子風(fēng)下的干燥特性研究發(fā)現(xiàn)，離子風(fēng)對馬鈴薯還原糖的含量影響較小，但淀粉損失較多［4］。丁昌江等使用離子風(fēng)干燥胡蘿卜片的研究發(fā)現(xiàn)，與烘箱干燥相比，離子風(fēng)干燥后的胡蘿卜素含量明顯較高［5］。Defraeye等認(rèn)為，離子風(fēng)干燥過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物臭氧可以消毒和殺死病原體，可以認(rèn)為是對食品工業(yè)有積極作用［6］。Bai等將高壓電場與真空冷凍干燥結(jié)合，發(fā)現(xiàn)其他單純的電流體動力學(xué)干燥的海參質(zhì)量得到了顯著提高，且縮短了干燥時(shí)間，比單純真空冷凍干燥更加節(jié)能［7］。王藝曼等在研究高壓電場聯(lián)合熱泵干燥香蕉片時(shí)發(fā)現(xiàn)，一定溫度下，熱對高壓電場起到強(qiáng)化作用［8］。以上研究表明，離子風(fēng)干燥相對傳統(tǒng)干燥方式不僅提高了干燥效率，而且對物料內(nèi)部化學(xué)成分和最終質(zhì)量有一定影響，或許能應(yīng)用到烤煙密集烘烤過程中。

然而，烤煙烘烤過程并非簡單的干燥過程，期間進(jìn)行著顏色、香氣物質(zhì)轉(zhuǎn)化等化學(xué)變化，這依賴于烘烤環(huán)境中的溫濕度控制，脫水干燥的過程與傳統(tǒng)農(nóng)作物產(chǎn)品干燥存在明顯的區(qū)別。關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品脫水干燥模型的建立，Li等使用高壓電場與熱風(fēng)組合干燥蘋果片時(shí)發(fā)現(xiàn)，電場可促進(jìn)蘋果片溫度的提升，且隨著電壓的升高而加快升溫速度，基于Logarithmic模型的水分比預(yù)測函數(shù)能更準(zhǔn)確地預(yù)測蘋果片高壓電場干燥過程中水分比的變化［9］。Polat等研究認(rèn)為，脫水大蒜片生產(chǎn)中，高壓電場與熱風(fēng)結(jié)合可替代單一的熱風(fēng)干燥技術(shù)，并認(rèn)為最適合的電流體動力學(xué)（EHD）干燥模型為Diffusion Approach、Newton和Verma，et al. 模型［10］。Defraeye等曾探討過高壓電場干燥物料走向工業(yè)化道路的前景，認(rèn)為適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)的干燥設(shè)備可以高效利用離子風(fēng)產(chǎn)生的氣流，但這要根據(jù)干燥物料的外觀條件針對性設(shè)計(jì)［6］。Ni等使用高壓電場聯(lián)合烘箱干燥枸杞的研究表明，EHD與烘箱干燥相結(jié)合，可以顯著提高干燥后期的干燥速度，從而縮短干燥時(shí)間，降低能耗，更好地保存營養(yǎng)成分，是一種頗具潛力的干燥技術(shù)［11］。Ciprian Foronda等認(rèn)為，EHD的用途相對傳統(tǒng)干燥方法要廣泛的多，其干燥模型基于連續(xù)條件下的傳統(tǒng)干燥方式迭代，添加了電場電壓等因素，考慮溫度、濕度、時(shí)間等過程參數(shù)，從而確定工藝特性［12］。曾憲立等曾探討過太陽能、遠(yuǎn)紅外等技術(shù)與熱風(fēng)循環(huán)聯(lián)合干燥模式在煙葉烘烤中的應(yīng)用前景，認(rèn)為聯(lián)合干燥模式可提高烤煙生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益［13］。鑒于此，本研究在傳統(tǒng)密集烘烤環(huán)境中加以針-板式高壓電場，[JP+1]組成離子風(fēng)與熱風(fēng)循環(huán)結(jié)合的干燥體系，與傳統(tǒng)密集烘烤干燥特性進(jìn)行對比分析，結(jié)合7種常用的薄層物料干燥動力學(xué)模型進(jìn)行擬合，并對烘烤成本與效益加以分析，以期對離子風(fēng)在煙草烘烤中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021—2022年在云南省臨滄市滄源縣團(tuán)結(jié)煙站進(jìn)行，供試烤煙品種為云煙87。選取地勢平坦、土壤肥力中等的試驗(yàn)田，大田生長期間按照優(yōu)質(zhì)煙葉栽培生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行管理，選取正常落黃、成熟度一致的中上部葉為試驗(yàn)材料。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用烘烤比較試驗(yàn)，設(shè)置3個(gè)處理，CK：按照當(dāng)?shù)睾婵竟に囘M(jìn)行烘烤，增加離子風(fēng)設(shè)備，放電針電壓0 kV；T1：增加離子風(fēng)設(shè)備，放電針電壓3 kV；T2：增加離子風(fēng)設(shè)備，放電針電壓6 kV。在38 ℃穩(wěn)溫結(jié)束時(shí)開啟離子風(fēng)機(jī)并計(jì)時(shí)，直至烘烤結(jié)束。濕球溫度根據(jù)當(dāng)?shù)睾婵竟に嚭蜔熑~在烤房中的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。從烘烤點(diǎn)火開始計(jì)時(shí)，每12 h為1個(gè)取樣節(jié)點(diǎn)，每次從中層中間的煙夾取6張葉片，使用麻布片填補(bǔ)取樣煙葉處的空隙。

1.2.1離子風(fēng)烤煙設(shè)備的設(shè)計(jì)以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的新型氣流上升式電烤箱（HNND-45型）作為試驗(yàn)用電烤房，本設(shè)備配備烤煙控制儀和變頻風(fēng)機(jī)，加熱室內(nèi)部尺寸0.50 m×1.35 m×1.40 m，使用6片碳晶電熱板作為熱源，發(fā)熱功率2 kW，熱效率95%。裝煙室內(nèi)部尺寸1.40 m×1.35 m×1.40 m，可裝煙12～14夾，裝鮮煙葉重150～200 kg，1 300～1 500張。配有烤煙控制儀，可根據(jù)預(yù)設(shè)烘烤工藝曲線自動調(diào)控干/濕球溫度。在此基礎(chǔ)上加裝離子風(fēng)發(fā)生裝置（圖1），電極由接地極板和針電極板組成，針電極外接高壓電源（0～7 kV可調(diào)）和控制單元，考慮到鮮煙葉和針電極長度，為避免接觸，兩極間距設(shè)為110 cm。針電極排列方式如圖2所示，相鄰針電極間距20 cm。兩極間電勢差等于針電極電壓，高電壓在煙葉頂部生成電場，電離潮濕的空氣分子，電暈區(qū)的空氣離子被電場施加的力加速，導(dǎo)致空氣作為一個(gè)整體運(yùn)動，產(chǎn)生離子風(fēng)，裝煙區(qū)與電暈區(qū)空氣存在的蒸汽壓力梯度差導(dǎo)致水分遷移［14］。

1.2.2離子風(fēng)設(shè)備在烘烤過程中的控制烘烤點(diǎn)火前對離子風(fēng)電源進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置好各處理所需電壓，確認(rèn)工作狀態(tài)正常后關(guān)閉離子風(fēng)電源。控制單元面板如圖3所示，在開關(guān)開啟狀態(tài)下，按“＋”或“-”調(diào)整電壓，當(dāng)前電壓等于指示燈亮個(gè)數(shù)×1 kV。烘烤階段38 ℃穩(wěn)溫結(jié)束后開啟離子風(fēng)電源，按照預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行烘烤，直至烘烤結(jié)束（圖4）。

1.3煙葉水分相關(guān)指標(biāo)的測定

濕基含水率（w）：使用DHG-9246A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、JA-2003N千分之一精密天平（精度為1 mg，上海佑科儀器儀表有限公司），參照YC/T 31—1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定烘箱法》進(jìn)行測定，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：m0為鮮煙葉重量，g；me為烘干后煙葉重量，g。

干基含水率（M）：干基含水率為煙葉內(nèi)部水分與絕干物料的比值，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：w為煙葉濕基含水率，%；M為干基含水率，g/g。

水分比（MR）：指烘烤期間t時(shí)間點(diǎn)煙葉的水分比，按照下式計(jì)算：

式中：M0為煙葉初始干基含水率，g/g；Me為烘烤結(jié)束后煙葉的干基含水率，g/g；Mt為取樣時(shí)間點(diǎn)t的干基含水率，g/g。

干燥速率（DR）：指煙葉水分在單位時(shí)間內(nèi)的散失量，計(jì)算公式如下：

式中：Mi+di為取樣時(shí)間i+di時(shí)的干基含水率，g/g；Mi為取樣時(shí)間i時(shí)的干基含水率，g/g；di表示相鄰取樣點(diǎn)間隔時(shí)間，h。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）：按照陳家鼎等的方法擬合出水分比與烘烤時(shí)長之間的線性關(guān)系式，通過斜率k0計(jì)算出有效水分?jǐn)U散系數(shù)［15］：

式中：L為烘烤過程中煙葉的平均厚度，m；t為烘烤時(shí)長，h。

1.4煙葉烘烤成本測定

統(tǒng)計(jì)各處理烘烤過程中不同階段的烘烤用時(shí)、耗電量，根據(jù)各處理烤后煙重量計(jì)算單位重量（kg）的干煙耗電量、干煙耗電成本和干煙能耗。

1.5烤后煙葉外觀質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性狀

烤后煙葉經(jīng)回潮后根據(jù)GB 2635—1992《烤煙》分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，并分別計(jì)算不同處理中各等級結(jié)構(gòu)煙葉比例和均價(jià)、烘烤收益、利潤率等。

1.6離子風(fēng)烘烤煙葉干燥動力學(xué)模型的構(gòu)建

1.6.1干燥動力學(xué)模型的選配煙葉烘烤過程中的干燥模型受多種因素影響，不同放電針電壓下進(jìn)行烘烤時(shí)，煙葉水分下降曲線走勢有所差異，為保證離子風(fēng)處理下煙葉失水狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型的擬合準(zhǔn)確度，在保持煙葉基本素質(zhì)和烘烤工藝統(tǒng)一的前提下，選取了7種干燥數(shù)學(xué)模型對不同處理烘烤過程中的煙葉干燥曲線進(jìn)行擬合［16］。模型數(shù)學(xué)表達(dá)式見表1。

1.6.2數(shù)學(xué)模型擬合度評價(jià)按照擬合出的模型參數(shù)計(jì)算水分比模擬值，并結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測值按照計(jì)算公式（7）、公式（8）計(jì)算決定系數(shù)（r2）和均方根誤差（RMSE），以二者的值評估數(shù)學(xué)模型擬合度，r2越接近于1，RMSE值越低，說明模型擬合度越高。

1.7數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019，IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；采用Microsoft Powerpoint 2019和Origin 2021進(jìn)行圖形繪制。

2結(jié)果與分析

2.1烘烤效益分析

2.1.1烘烤能耗分析從表2可以看出，各處理烘烤總時(shí)長表現(xiàn)為T2＜T1＜CK，其中T1、T2處理相較對照總烘烤時(shí)間分別縮短了10、16 h。在變黃階段，離子風(fēng)機(jī)尚未介入烘烤，三者耗時(shí)表現(xiàn)一致；進(jìn)入定色期后，T1、T2處理分別相較CK累計(jì)耗時(shí)縮短5、7 h，這與變黃期結(jié)束后，烤箱干球溫度開始由38 ℃向42 ℃升溫進(jìn)入定色期，烤箱中的離子風(fēng)機(jī)開啟，針極開始放電使烘烤環(huán)境中的空氣電離，增大了煙葉內(nèi)部水分子動能，從而加速了煙葉內(nèi)部水分向外遷移有關(guān)；定色后期至干筋初期（50～55 ℃）是煙葉香氣物質(zhì)合成的關(guān)鍵時(shí)期，此階段3個(gè)處理耗時(shí)控制在11～12 h；進(jìn)入干筋期后，CK耗時(shí)42 h使全爐煙葉干燥，相較T1、T2處理分別延長了6、10 h。此外，在T1、T2處理加裝了離子風(fēng)設(shè)備的前提下，由于離子風(fēng)機(jī)功率相對電烤箱較小，隨著烘烤時(shí)長的縮短，烘烤過程中的耗電量與烘烤時(shí)長仍呈正相關(guān)關(guān)系，T1、T2處理較CK總耗電量分別降低了6.75%、13.57%，1 kg干煙耗電量分別降低了18.70%、21.37%。以上結(jié)果表明，在烘烤過程中使用離子風(fēng)輔助干燥對烘烤時(shí)長具有一定的影響，并且隨著離子風(fēng)機(jī)針極電壓的增大烘烤時(shí)長呈縮短趨勢，這是由于高壓電場作用到烘烤環(huán)境中的水分子使其所受的電場力增加，運(yùn)動速率加快，促進(jìn)了氫鍵的斷開，進(jìn)而加速了干筋期主脈脫水，有效縮短了烘烤時(shí)長，降低了烘烤能耗。

2.1.2烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀對比由表3可知，不同處理間產(chǎn)量與產(chǎn)值由高到低依次為T2＞T1＞CK，其中T2處理相對CK產(chǎn)值提高了27.26%，產(chǎn)量提高了4.59%；T1處理較CK產(chǎn)值提高了10.29%，產(chǎn)量提高了2.76%。對于CK、T1、T2各處理，C1F、C2F和C3F等級總和占的比例分別為93.91%、91.99%、95.29%，B1F、B2F和B3F等級總和占的比例分別為84.42%、90.05%、96.77%，中上部煙葉均為T2處理獲得的高等級質(zhì)量煙葉比例最多，雜色煙葉最少。由此體現(xiàn)出適當(dāng)針極電壓的離子風(fēng)烘烤可以使煙葉獲得較好的等級質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.3烘烤效益綜合評價(jià)根據(jù)當(dāng)年烤煙收購價(jià)格（二價(jià)區(qū)，云煙87品種）和定級標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出本試驗(yàn)烘烤效益。從表4可以看出，除烘烤成本外所有指標(biāo)按照CK、T1、T2的順序均呈依次升高趨勢，烘烤成本則反之。其中，T1、T2處理上等煙比例分別較CK高出4.56、10.17百分點(diǎn)，中上等煙比例T2比CK高出5.21百分點(diǎn)，T1與CK中上等煙比例相差不大，這是當(dāng)?shù)厣喜咳~烘烤工藝在低電壓電場與熱風(fēng)循環(huán)的復(fù)合烘烤環(huán)境中不適配導(dǎo)致的。分別根據(jù)不同處理的產(chǎn)值與產(chǎn)量之商得出均價(jià)，采用離子風(fēng)烘烤的處理T1、T2較對照分別提升了2.16、6.39元/kg；離子風(fēng)2個(gè)處理烘烤收益較對照分別提升了3.44、7.85元/kg，利潤率較對照分別提高了5.63、8.20百分點(diǎn)。結(jié)合各處理烘烤時(shí)長與能耗可知，T1、T2處理烘烤成本較CK分別節(jié)約了1.28、1.46元/kg，二者差距不甚明顯，這是離子風(fēng)機(jī)高電壓運(yùn)作增加功耗導(dǎo)致的，但得益于烘烤時(shí)長的縮短，離子風(fēng)烘烤成本依然低于傳統(tǒng)熱風(fēng)烘烤。由此可見，有離子風(fēng)參與烘烤的高壓電場與熱風(fēng)復(fù)合干燥體系，可有效減工降本，對于烤后煙綜合收益具有顯著提升作用，這對于提高烤后煙葉的工業(yè)可用性，增加廣大煙農(nóng)收入具有重要意義。

2.2干燥特性分析與動力學(xué)模型構(gòu)建

2.2.1離子風(fēng)對煙葉干燥特性的影響由圖5-A和圖 5-B可知，煙葉的干基含水率和水分比在烘烤過程中逐步降低，干燥所需的總時(shí)間隨著放電針電壓的增加而減少，二者的變化趨勢一致。60 h之前3個(gè)處理水分比與干基含水率差異較小，這是由于前期煙葉變黃階段需要保濕低溫慢烤，離子風(fēng)機(jī)在38 ℃穩(wěn)溫結(jié)束時(shí)介入所致。60 h后對照與處理間干基含水率和水分比變化趨勢出現(xiàn)明顯區(qū)別，CK、T1、T2處理的煙葉干燥達(dá)到平衡的時(shí)間分別為168、156、144 h。這是由于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥體系在強(qiáng)電場的加持下，針電極尖端放電引起離子風(fēng)，隨著電壓的升高，產(chǎn)生的離子風(fēng)量也隨之增加，對煙葉內(nèi)部水分向外擴(kuò)散起到兩點(diǎn)作用，一是帶電粒子沉積在煙葉表面增大了煙葉的導(dǎo)熱速率，二是煙葉表面和內(nèi)部水分子吸收了空氣離子攜帶的能量導(dǎo)致動能增加，從而加速了煙葉水分散失，顯著提高干燥速度，縮短了烘烤時(shí)間［17］。

不同電壓下煙葉的干燥速率曲線如圖6所示，隨著放電針電壓的增大，相同干基含水率的煙葉干燥速率也隨之增大，3個(gè)處理在干基含水率4.8～5.1 g/g間達(dá)到峰值，這是初始階段煙葉攜帶的外界水分迅速蒸發(fā)，葉內(nèi)水蒸氣壓急需與外界達(dá)到平衡導(dǎo)致的。CK在干基含水率1.2～2.4 g/g階段呈現(xiàn)先升后降的趨勢，這是由于煙葉進(jìn)入定色期后加強(qiáng)了排濕功率，破壞了原本煙葉內(nèi)外水分平衡狀態(tài)，使干燥速率升高。T1、T2處理在干基含水率2.4～3.1 g/g 間干燥速率再次回升，而CK回升幅度明顯較低，這與煙葉變黃期結(jié)束后T1、T2處理烤箱中離子風(fēng)機(jī)開始工作，增大了煙葉導(dǎo)熱速率和內(nèi)部組織水分子動能有關(guān)。烘烤后期，干基含水率自1.5 g/g再下降階段， 同一干基含水率下2個(gè)處理的干燥速率與對照的差異逐漸縮小，這是由于烘烤前期煙葉內(nèi)部易散失水分大部分已散失，且總水分揮發(fā)逾半，煙葉內(nèi)外的水分梯度減小，水分遷移速率降低。

2.2.2離子風(fēng)對煙葉有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響有效水分?jǐn)U散系數(shù)指水分在介質(zhì)中的擴(kuò)散速度，應(yīng)用于煙葉烘烤時(shí)，可用于量化煙葉內(nèi)水分?jǐn)U散情況［15］。通過繪制CK、T1、T2等3個(gè)處理烘烤過程中的ln（MR）-t散點(diǎn)圖，再經(jīng)線性擬合后可得出3個(gè)處理煙葉ln（MR）與烘烤時(shí)間t的線性回歸方程。根據(jù)公式（5）、公式（6） 計(jì)算得到煙葉的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，從表5可以看出，烘烤過程中離子風(fēng)機(jī)放電針電壓為6 kV時(shí)的煙葉有效水分?jǐn)U散系數(shù)是常規(guī)烘烤的1.4倍左右，這表明適當(dāng)針電極電壓產(chǎn)生的離子風(fēng)可以有效促進(jìn)煙葉水分脫出。這是由于針極端產(chǎn)生高壓，使針極周圍空氣電離，產(chǎn)生的帶電空氣離子向板極端運(yùn)動，產(chǎn)生離子風(fēng)，從而加速了煙葉內(nèi)水分向外擴(kuò)散，隨著電壓的增大，針極尖端放電加強(qiáng)，空氣的離子數(shù)量增多，形成的離子風(fēng)加強(qiáng)，加快了煙葉表面水分的蒸發(fā)和內(nèi)部水分的向外擴(kuò)散，導(dǎo)致有效水分?jǐn)U散系數(shù)增大。

2.2.3不同電壓下煙葉干燥的動力學(xué)模型7種薄層物料干燥數(shù)學(xué)模型對CK、T1、T2煙葉水分比變化的擬合曲線分別見圖7-A、 圖7-B、圖7-C，其擬合結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，所有模型的r2均在0.900以上水平，部分模型的r2值達(dá)到0.990以上水平，說明離子風(fēng)加持下烘烤過程中的煙葉適用于多種干燥動力學(xué)模型。其中CK以Wang amp; Singh模型和Binomial模型的擬合程度最好，r2均為0.993，RMSE均為0.026；其次是Diffusion Approach模型，r2為0.991，RMSE為0.028。T1處理以Binomial模型的r2最大，為0.997，RMSE最小，為0.035，擬合程度最好，其余模型的r2均在0.990水平以下。與T1處理類似，T2處理也是以Binomial模型擬合程度最好，r2為0.994，RMSE為0.040，其余模型r2均在0.990水平以下，RMSE在0.040以上。綜合不同頻率下的干燥模型擬合結(jié)果來看，Binomial模型是離子風(fēng)介入密集烘烤后預(yù)測煙葉水分變化的最佳選擇。

2.3數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所得數(shù)學(xué)模型公式的準(zhǔn)確性，從建模數(shù)據(jù)之外的相同試驗(yàn)條件下水分比數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選1組，以MR實(shí)測值為橫軸，MR的Binomial模擬值為縱軸，對其實(shí)測值與模型模擬值進(jìn)行比較。擬合曲線如圖8所示，其中圖8-a為常規(guī)烘烤過程中Wang amp; Singh模型的擬合結(jié)果，圖8-b為常規(guī)烘烤過程中Binomial模型的擬合結(jié)果，圖8-c為3 kV放電針電壓下烘烤過程中Binomial模型的擬合結(jié)果，圖8-d為6 kV放電針電壓下烘烤過程中Binomial模型的擬合結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以試驗(yàn)中各處理水分比實(shí)測值為橫坐標(biāo)， 以分別篩選出的模型模擬值為縱坐標(biāo)的點(diǎn)基本分布于y=x直線，實(shí)測值與模擬曲線幾乎完全重合，線性擬合系數(shù)均接近于1，說明Wang amp; Singh模型可較好地模擬常規(guī)烘烤過程中中上部葉的干燥狀況，Binomial模型可較好地模擬不同放電針電壓下離子風(fēng)烘烤過程中云煙87中上部葉的干燥狀況。

3討論

本研究發(fā)現(xiàn)，高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)復(fù)合干燥體系可顯著縮短烘烤時(shí)間，降低烘烤能耗，提升烘烤效益，其主要因素在于烘烤時(shí)長的縮短，短烘烤時(shí)長避免了美拉德反應(yīng)過度導(dǎo)致煙葉顏色暗淡［18］。且離子風(fēng)烘烤煙葉排濕較為均勻，細(xì)胞破損程度較輕，葉片不易出現(xiàn)褐變，從而減小了出現(xiàn)掛灰雜色的概率。也可能是空氣中的帶電粒子和電離副產(chǎn)物如臭氧與煙葉內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響了烘烤質(zhì)量。本試驗(yàn)判斷EHD干燥物料的質(zhì)量好壞主要參考物理指標(biāo)，如顏色、煙葉等級等［19］，EHD對煙葉功能成分如總糖、煙堿或香氣物質(zhì)的影響，以及對微生物群落豐度和多樣性的額外影響，仍有待深入研究。其次，受試驗(yàn)條件限制，本研究中針電極電壓梯度為0、3、6 kV等3個(gè)，繼續(xù)升高電壓或可得出平衡能耗與烘烤質(zhì)量的最適宜電壓參數(shù)范圍。此外，本研究中所用烤箱能耗指標(biāo)以耗電量為主，只能作為煙葉烘烤過程總耗能的參考，故離子風(fēng)在燃料供熱型密集烤房應(yīng)用中的節(jié)能表現(xiàn)還需要具體的試驗(yàn)去驗(yàn)證。

關(guān)于離子風(fēng)的干燥機(jī)制有3種較為合理的解釋，即離子風(fēng)的外部吹動作用、能量沉積與電荷交換效應(yīng)作用、介電泳力作用［20-23］。本研究中使用了高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)復(fù)合干燥體系，由于在煙草烘烤領(lǐng)域?yàn)槌醮翁剿鳎梳槝O電壓、極距方面指標(biāo)設(shè)計(jì)較為保守，產(chǎn)生的離子風(fēng)力微弱，空氣對流加快煙葉蒸發(fā)失水方面主要依靠熱風(fēng)循環(huán)，因此干燥速率增加的原因更傾向于后2項(xiàng)。本研究發(fā)現(xiàn)，高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)復(fù)合干燥體系下，隨著針電極電壓的升高，煙葉干基含水率和水分比下降速度加快，有效水分?jǐn)U散系數(shù)增大，這與多種物料在高壓電場聯(lián)合干燥下的研究結(jié)果［11，24-26］類似。但與Paul等的研究中循環(huán)氣流會阻滯水分蒸發(fā)的結(jié)果［27］有所出入，這或許是氣流方向與離子風(fēng)方向不一致造成的，也可能與本研究中的循環(huán)氣流經(jīng)過加熱有關(guān)。有研究認(rèn)為針電極密度和排列方式與電荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)相關(guān)，不同放電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離子風(fēng)與外部氣流可產(chǎn)生疊加效應(yīng)增強(qiáng)傳熱，也會相互抵消產(chǎn)生反作用，在一定離子風(fēng)流下存在最佳的外部氣流速度值，可獲得最大的干燥性能［28-31］。因此在應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)之前，離子風(fēng)設(shè)備的針極排列方式與極間距、針極電壓以及與循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的最佳匹配組合等還需要針對性開發(fā)和進(jìn)一步試驗(yàn)。

煙葉烘烤是一個(gè)復(fù)雜的生理生化變化過程，干燥速率受烘烤工藝、熱源、煙葉自身素質(zhì)等多方面因素的影響，難以構(gòu)建高度吻合的干燥模型。Cao等成功用Logarithmic模型預(yù)測了高壓電場干燥過程中超聲波預(yù)處理馬鈴薯切片的含水率［26］；丁昌江等發(fā)現(xiàn)Weibull分布函數(shù)能夠很好地模擬薄層牛肉的電流體動力學(xué)干燥過程［32］；王云龍發(fā)現(xiàn)Midilli amp; Kucuk模型是最適合花椒高壓電場干燥的模型［33］。上述研究表明，物料不同，其高壓電場干燥模型也不同。本研究使用7種常見的薄層物料干燥模型對高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)條件下煙葉的干燥過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)Wang amp; Singh和Binomial模型最適合模擬常規(guī)烘烤條件下煙葉水分比變化曲線，Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)條件下煙葉的干燥過程。Taghian Dinani等使用3個(gè)參數(shù)的新方程（MR=a exp{-［（t-b）/c］2}）可以很好地?cái)M合蘑菇切片在熱空氣與電場聯(lián)合干燥下的水分變化［34］；Kudra等認(rèn)為，干燥模型的進(jìn)一步理論發(fā)展包括電場強(qiáng)度和水分子極化2個(gè)因素［35］。這為探索本研究中模型參數(shù)具體與烘烤過程中哪些因素相關(guān)提供了思路，或可使用新的模型方程來擬合煙葉在電場與熱風(fēng)聯(lián)合烘烤過程中的水分變化，并賦予參數(shù)實(shí)際意義。

4結(jié)論

常規(guī)密集烘烤環(huán)境中裝配針-板式高壓電場可以有效省工節(jié)能，增進(jìn)烤后煙葉質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)收益。隨著針電極電壓的升高，明顯提高了煙葉烘烤過程中的干燥速率，增大了煙葉有效水分?jǐn)U散系數(shù)，以針電極電壓為6 kV時(shí)干燥速率最快，Deff最大。Wang amp; Singh和Binomial模型可以很好地模擬煙葉水分比變化曲線，其中Binomial模型最適合模擬高壓電場與熱風(fēng)循環(huán)條件下煙葉的干燥過程。

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