李善莲，王宏生，袁行思
（中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市高新技术开发区枫杨街2号 450001）
摘 要：采用下进风方式的热风对流干燥方法，对烤烟和白肋烟在不同热风温湿度下的干燥过程进行了实验研究。深入地研究了干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度随时间的变化规律。绘制出了实验烟叶的干燥特性曲线；找出了干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度随时间变化的数学方程。实验结果表明：①实验烟叶的干燥特性曲线可以大致地分为三个干燥阶段，干燥较快的第一干燥阶段，干燥非常慢的第三干燥阶段，以及由干燥较快向非常慢过渡的第二干燥阶段。②实验烟叶在实验条件下的平均含水率随时间的变化规律可用 （X烟叶平均含水率，Xe平衡含水率，t干燥时间，A、K实验常数）来描述，并且烟叶平均含水率的变化随着热风温度的提高或热风湿度的减小而加快。③烟叶表面温度随时间的变化规律可用 (T烟叶表面温度，Ta热风温度，t干燥时间，A1、A2、K、K1实验常数)来描述，并且烟叶表面温度的上升随着热风温度的提高或热风湿度的增大而加快。实验结果将有助于优化、改进烟叶复烤的工艺参数和提高白肋烟的处理质量，有助于烟叶精细化加工的深入研究。
关键词：烟叶；干燥；特性；含水率；温度
　 Experimental studies on the properties of tobacco under convective drying
LI SHAN-LIAN， WANG HONG-SHENG， and YUAN XING-SI
（Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC， Zhengzhou 450001 China）
Abstract: Under convective drying with upward hot air， experimental studies were conducted on flue cured and burley tobacco in a batch processing equipment. The mean moisture content and surface temperature of tobacco during drying were measured. As a result， drying characteristic curves for tobacco samples were plotted， and mathematical equations for mean moisture content and surface temperature of tobacco during drying were developed. Experimental results indicated that ①drying characteristic curves for tobacco samples could be divided into three main drying phases. The first drying phase features rapid variation of mean moisture content and surface temperature of tobacco samples; the third drying phase features very slow drying rate and surface temperature increase; And the second drying phase is virtually a transition phase from the rapid variation to the very slow variation. ②The variation of mean moisture content of tobacco during drying is accelerated by increasing the temperature or decreasing the humidity of hot air， and can be depicted by the follow equation: （Where，X is the mean moisture content of tobacco during drying，Xe is the equilibrium moisture content of tobacco，t is drying time，A and K are constant）. ③The increasing of surface temperature of tobacco during drying is accelerated by increasing the temperature or humidity of hot air，and can be depicted by the follow equation： (Where，T is the surface temperature of tobacco during drying， Ta is the temperature of hot air，t is drying time，A1，A2，K and K1 are constant).
Keywords: tobacco；drying；characteristic；moisture content；temperature
热风对流干燥是烟叶干燥中应用较为普遍的干燥方法[1]。烟叶热风对流干燥过程中，干燥介质——空气的温度和湿度是影响烟叶干燥特性的两个重要的外界因素，在一定的温、湿度条件下，通过对流换热，气流中的热焓传递给烟叶，使烟叶的含水率和温度发生变化，并伴随复杂的化学变化，其中烟叶含水率和温度的变化特性对烟叶干燥质量和工艺控制是非常重要的。根据文献调研发现[2~5]，以前较多的是研究干燥过程中烟叶含水率的变化，而对干燥过程中烟叶温度的变化研究较少。本文采用下进风方式的热风对流干燥方法，对烤烟和白肋烟在不同热风温、湿度条件下烟叶平均含水率和表面温度随时间的变化规律进行了深入的研究。
1 实验
1.1 实验烟叶
实验样品见表1。首先对采购的把烟进行抽梗、剪片。然后用烘箱法[6]测定烟片含水率，再根据所测烟片的含水率进行定量加水，把白肋烟烟片含水率调至54%（干基）左右，烤烟烟片含水率调至28%（干基）左右，平衡8h～16h，使烟片含水率分布均匀。
　　　　　　　　　　　　
1.2 实验装置简介
干燥实验机如图1所示，主要由风机、电加热器、温度控制器、干燥室、蒸汽发生器等组成。⑴风机：为离心式风机配三相异步电动机，电动机功率为2.2kW。⑵电加热器：由电阻丝绕制而成，总功率为11kW。⑶温度控制器：采用铂电阻测量干燥室中的热风温度，并配有HONEYWELL温度控制器。⑷干燥室中料筐尺寸为44.1cm（长）×37.8cm（宽）×9.8cm(高)。⑸蒸汽发生器：主要由两个功率为3kW的电阻丝构成。干燥室内热风平均风速为0.7m/s（常温下空载时的测定值），热风为下进风方式，温度：0～180℃，可控。
　　　　　　　
1.3 实验步骤
⑴ 用烘箱法测定平衡后的烟片初始含水率（同一批次测五个不同位置的含水率，取其平均值）；
⑵ 取一定量（550g）的烟片，用于干燥实验；
⑶ 调节干燥工艺条件，当干燥机内的气流达到所需条件并稳定后，将称量的烟片装入料筐并放入干燥室中进行干燥实验，同时测定烟叶初始温度（测五次取其平均值），并开始记时；
⑷ 一定干燥时间后立即取出，测量烟片表面温度(测五次取其平均值)和质量；并根据烟叶重量损失推算烟片的平均含水率。
2 结果与讨论
2.1 干燥模型分析
对流干燥过程中热风既是载热体也是载湿体，可以用图2所示来简单描述烟叶在实验干燥机内的干燥过程。
于是可以根据传热、传质方程和质量、能量守恒方程来分析烟叶干燥过程中的平均含水率和表面温度的数学模型．
　　　　
2.1.1 干燥过程中平均含水率的数学模型
假设烟叶层与烟叶内部水分的运动主要是由扩散作用来进行的，而且烟叶水分的传递沿一个方向进行。
　传质方程：

2.1.2干燥过程中烟叶表面温度的数学模型
根据烟叶在干燥过程中，烟叶与热空气之间的热交换主要是对流传热，而且热风对流传递的热量主要用于烟叶升温和烟叶脱水干燥，可得如下的能量守恒方程：

根据式（9）和（14），对实验数据采用非线性最小二乘法进行拟合，如图3、图4，方程中各参数拟合值见表2。
由表2可以看出：两方程拟合的相关系数R2大部分在98%以上，这说明对干燥过程中烟叶平均含水率和表面温度的变化规律用式（9）和（14）来描述是较为合适的。




2.2干燥特性曲线
将实验数据整理为以下两种曲线来反映烟叶干燥特性：
⑴干燥曲线：干燥曲线反映的是烟叶平均干基含水率随时间变化的曲线。该曲线直观地显示出烟叶的干基含水率与干燥时间的对应关系，是人们分析干燥过程时最常用的曲线。另外，该曲线的斜率还反映了烟叶的干燥速率。
⑵干燥温度曲线：干燥温度曲线反映的是烟叶表面温度随干燥时间变化的曲线。
干燥过程中烟叶上方热风排潮湿含量随时间变化的曲线如图5所示，对应的排潮热风干球温度和湿球温度随时间的变化曲线如图6所示，在该热风条件下实验烟叶C3F的干燥特性曲线如图7所示。其它实验条件下的烟叶干燥特性曲线也具有相同的变化趋势。
由图5、图6和图7可以看出，实验烟叶的干燥过程大致分为三个阶段：①第一干燥阶段表现为，烟叶平均含水率和表面温度变化较快，同时体现在热风排潮湿度迅速增大，而且此时的排潮热风干球温度较低；这一阶段干燥时间较短，大约在1分钟左右。②第二干燥阶段是从第一干燥阶段转变到第三干燥阶段的一个过渡阶段。此阶段表现为烟叶平均含水率和表面温度变化由变化较快逐步过渡到非常平缓。③第三干燥阶段表现为，烟叶平均含水率变化非常慢，接近于此热风条件下烟叶的平衡含水率；而且此时烟叶的表面温

度变化也很慢，接近于热风进口的干球温度。同时热风排潮的干球温度变化也很小，也接近于热风进口的干球温度。而且，由图7可以看到，干燥过程中烟叶平均含水率随时间变化的曲线以X=Xe为渐近线，烟叶表面温度随时间的变化曲线以T=Ta为渐近线。这也可以由式（9）和式（14）得到。
2.3分析与讨论
2.3.1热风温度的影响
热风温度是影响烟叶干燥特性的一个重要因素。
⑴随着热风温度的升高，烟叶的平均含水率的变化速率加快，体现在含水率方程中的K值随着热风温度的升高而增大，A值则随着热风温度的升高而增大。热风温度还影响烟叶的平衡含水率，随着热风温度的升高，烟叶的平衡含水率Xe值随着热风温度的升高而减小。
⑵随着热风温度的升高，烟叶的升温速率加快，体现在方程(14)中的K1值随着热风温度的升高而减小。同时由于热风温度的升高，也即Ta增大，因此干燥后烟叶所能达到的表面温度随着热风温度的增大而增大是明显的。
2.3.2热风湿度的影响
由于试验条件的限制，热风湿度的试验范围有限，但从中也可以看出，热风湿度也是影响烟叶干燥特性的一个重要因素。
随着热风湿度的升高，烟叶平均含水率的变化速率变慢，体现在含水率方程中的K值随着热风湿度的升高而减小，A值随着热风湿度的升高而减小。而且，热风湿度还影响烟叶的平衡含水率，随着热风湿度的升高烟叶平衡含水率Xe值随着热风湿度的升高而增大。
随着热风湿度的升高，烟叶的升温速率加快，体现在方程（14）中的K1值随着热风湿度的升高而减小。当热风温度相同提高热风湿度时，由于Ta值是不变的，因此干燥后烟叶所能达到的表面温度极限均为该条件下热风进口的干球温度。
2.3.3烟叶类型和等级的影响
⑴白肋烟和烤烟的比较
实验烟叶有烤烟(B2F、C3F)和白肋烟（上二、中四），虽然没有进行相同条件的干燥实验，而且其初始含水率也不同，但还是可以看出它们之间的区别。
白肋烟的平均含水率较烤烟的平均含水率变化慢，烤烟的平衡含水率较白肋烟的平衡含水率高，白肋烟的表面温度变化较烤烟的表面温度变化快。主要体现在含水率方程中烤烟的K值较白肋烟的K值大，方程（14）中烤烟的K1值较白肋烟的K1值大，以及烤烟的Xe值较白肋烟的Xe值大。
⑵烟叶等级的比较
从烟叶平均含水率的变化来看，白肋烟上二平均含水率的变化较白肋烟中四慢，烤烟B2F平均含水率的变化较烤烟C3F慢。体现在方程（9）中的K值不同，白肋烟上二的K值较白肋烟中四的K值小，烤烟B2F的K值较烤烟C3F的K值小。
从烟叶的平衡含水率来看，白肋烟上二的平衡含水率较白肋烟中四的平衡含水率稍高，烤烟B2F的平衡含水率较烤烟C3F的平衡含水率高。
从烟叶表面温度的变化来看，白肋烟上二升温较白肋烟中四快些，烤烟B2F升温较烤烟C3F快。
3 结论
通过对烟叶干燥特性的实验研究，由前述的实验结果和讨论，得出如下几点结论：
⑴ 实验烟叶的干燥特性曲线可以大致地分为三个干燥阶段，干燥较快的第一干燥阶段，干燥非常慢的第三干燥阶段，以及由干燥较快向非常慢过渡的第二干燥阶段。
⑵ 实验烟叶在实验条件下的平均含水率随时间的变化规律可用式（9）来描述，并且烟叶平均含水率的变化随着热风温度的提高或热风湿度的减小而加快。
⑶ 烟叶表面温度随时间的变化规律可用式（14）来描述，并且烟叶表面温度的上升随着热风温度的提高或热风湿度的增大而加快。

参考文献
[1] 《卷烟工艺》编写组. 卷烟工艺[M]. 北京：北京出版社，1993.
[2] 刘 峘. 烟叶叶片复烤机技术报告[J]. 烟草科技，1987，（4）：2~6
[3] Yoshihido，S.，Chiba，S.，Ashihapa，T.，et al. Study on the redrying Ⅰ: the drying characteristics of bright yellow and burley strips by the through-circulation model[J].Japanese Monopoly Corporation Central Research Institute Scientific Paper，1966，(108):51-59.
[4] Chiba，S.，Chuma，T.，Kohusho，M. Study of redrying Ⅴ: Characteristics of the drying and moistening rate in a small size batch flow dryer[J].Japanese Monopoly Corporation Central Research Institute Scientific Paper，1966，(108):89-96.
[5] 堵劲松，王宏生，罗登山，等. 白肋烟加工技术研究报告[R]. 郑州烟草研究院，2000.
[6] 中华人民共和国行业标准，YC/T32-2000，烟草及烟草制品 含水率的测定——烘箱法.