稻谷干燥緩蘇特性與裂紋產生規律研究

吳中華 劉 兵 王丹丹 康 寧 趙麗娟

(1.天津科技大學機械工程學院， 天津 300222； 2.低碳綠色過程裝備國際聯合研究中心， 天津 300222)

0 引言

熱風干燥是稻谷機械化干燥的重要方式，但不合理的干燥工藝會使稻谷干燥后裂紋率過高，影響產品品質[1-5]。在干燥過程中由于稻谷籽粒內部溫度和水分分布的不均勻，使稻谷籽粒各部分變形不協調，從而產生干燥應力，當干燥應力超過籽粒本身強度極限時，會產生裂紋。其中，水分梯度引起的濕應力是導致籽粒裂紋的主要因素[6-10]。由于稻谷籽粒體積較小，形狀不規則，難以測定其內部的應力和強度極限，也就難以確定在干燥(或緩蘇)過程中裂紋產生(有的是微裂紋，肉眼看不到)的時間。

聲發射技術自20世紀80年代即應用于木材干燥過程中應力和裂紋產生的在線監測研究[11-12]，研究過程中將木材切割成厘米或毫米級小木片(或圓柱)。由于木材中含有大量的自由水分，在干燥過程中自由水分蒸發會產生類似木質素空穴化過程的超聲信號，必須將其與木材因干燥應力導致開裂產生的信號區分開[13-14]。從理論上講，將聲發射技術用于稻谷干燥過程中應力和裂紋產生過程的監測也是可行的，由于稻谷籽粒內沒有自由水分，只有結合水(稻谷只有降速干燥段)，故而監測到的聲發射信號只代表應力和裂紋的產生。

在稻谷熱風干燥過程中加入緩蘇過程可以促使籽粒內部的水分重新均布，降低水分梯度從而減少濕應力，降低稻谷裂紋率[15-19]。眾多研究表明：緩蘇溫度越高，干燥后稻谷籽粒的裂紋率越低；提高緩蘇溫度可縮短緩蘇時間[20-22]。結合玻璃化轉變理論，劉木華等[23]、SIEBENMORGEN等[24-25]提出稻谷籽粒在對應的橡膠態溫度下緩蘇更有利于減少裂紋。由于稻谷的玻璃化轉變溫度與籽粒的含水率有關，而干燥過程使籽粒的含水率處于不斷變化過程，故實驗和生產中難以確定緩蘇溫度。干燥緩蘇工藝主要參數包括：干燥段工藝參數(熱空氣溫度、濕度、流速、干燥時間)、緩蘇段溫度與時間，以及它們之間的匹配。但大多數研究者都只對單純緩蘇過程的溫度、時間進行研究，并未分析緩蘇條件與干燥段之間的關系，包括干燥段產生裂紋的時間。針對這些問題，本文采用聲發射系統監測稻谷籽粒在干燥過程中的聲發射信號，得到籽粒宏觀裂紋產生的過程；研究與干燥條件相關的等溫度干燥- 緩蘇工藝、低溫干燥- 高溫緩蘇工藝對稻谷干燥特性與裂紋率的影響，并討論緩蘇溫度對干燥溫度差、緩蘇比(干燥段時間與緩蘇段時間的比值)和每段干燥時間的影響。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗材料

稻谷品種：天優3301，秈型感溫三系雜交水稻，產自海南省三亞地區，2016年7月15日收獲。收獲后的稻谷密閉包裝后在2～4℃的條件下進行空運和儲藏，30 d內實驗完畢。稻谷初始含水率為23%左右(對應的干基含水率29.8%)，原始裂紋率為5%左右。

1.2 實驗儀器及設備

(1)干燥與緩蘇設備

電熱鼓風干燥箱，北京普照機電技術開發有限公司，最高工作溫度300℃，溫度波動±1℃，用于干燥實驗；DL- 101型電熱恒溫鼓風干燥箱，天津市中環實驗有限公司，規格50 cm×60 cm×75 cm，最高溫度300℃，溫度波動±1℃，用于緩蘇實驗。

(2)聲發射實驗設備

FO310C型馬弗爐，重慶雅馬拓科技有限公司；Micro- II型數字聲發射系統，包括聲發射儀、聲發射傳感儀、前置放大器、信號采集系統等。

(3)電子天平

E150Y- C型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠，測量范圍0.1～150 g，精度等級0.005 g。

(4)其它

稱量瓶，直徑50 mm，高度30 mm。

1.3 實驗方法

1.3.1聲發射實驗

圖1為聲發射干燥實驗裝置示意圖。取新鮮稻谷100粒左右進行手工剝殼。從中取1粒顆粒飽滿、無裂紋去殼籽粒，用軟膠帶將其粘在聲發射傳感器的探頭上，置于馬弗爐中連續干燥4 h，干燥溫度60℃，同時開啟聲發射系統，采集籽粒干燥過程的聲發射脈沖信號。實驗重復5次。實驗結束后發現3粒稻谷有明顯裂紋，2粒無肉眼觀察到的裂紋。

圖1 聲發射干燥實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic emission drying test device1.聲發射儀 2.前置放大器 3.馬弗爐 4.稻谷 5.探頭 6.傳感器

1.3.2干燥緩蘇實驗

分別取25 g新鮮帶殼稻谷籽粒，單層鋪開在尺寸15 cm×15 cm的金屬絲網上，放置在干燥箱和緩蘇箱中，進行連續恒溫干燥、等溫度干燥- 緩蘇、低溫干燥- 高溫緩蘇實驗，使稻谷含水率降至國家標準要求的安全含水率13%左右。干燥實驗過程中，干燥箱內空氣流速0.65 m3/s，空氣絕對濕度0.015～0.025 g/kg；緩蘇實驗時取部分物料放置在稱量瓶內(填充量為稱量瓶的2/3左右)，蓋好瓶蓋，放置在緩蘇箱內，關閉設備風機，僅開啟溫度控制裝置。實驗條件如下：

干燥溫度40、45、50、60℃；緩蘇溫度分別比干燥溫度高0、5、10、15℃；每段干燥時間取10、20、30 min;緩蘇比(干燥段時間與緩蘇段時間的比值)分別為1∶1、1∶2、1∶3。

將干燥后的稻谷顆粒密封于塑料袋中，在25℃儲存48 h后[26]，對稻谷進行手工脫殼，放置在玻璃板上通過日光燈透射檢測其裂紋。

取400粒干燥前稻谷籽粒樣品手工脫殼后置于日光燈下觀察，檢測稻谷裂紋情況，計算得出初始裂紋率。橫向單裂、橫向雙裂、縱向裂紋和龜裂情況的稻谷籽粒均視為裂紋籽粒。裂紋籽粒個數與稻谷樣品籽粒個數之比即為裂紋率。檢測干燥后稻谷籽粒裂紋情況，計算得出干燥后稻谷裂紋率。定義干燥后稻谷裂紋率與初始裂紋率之差為裂紋率增值。

2 結果分析與討論

2.1 聲發射現象與裂紋產生因素

干燥過程中，由于籽粒內部溫度場、濕度場分布的不均勻，會使籽粒內各部分變形不一致，從而產生干燥應力。當干燥應力超過籽粒的強度極限使其產生斷裂和不可逆塑性變形時，籽粒內部會產生瞬態彈性波(應變能)，通過聲發射系統將其轉化為聲能。圖2為稻谷籽粒在60℃干燥時的聲發射信號圖(干燥后未裂稻谷)。

圖2 稻谷籽粒在60℃干燥過程中聲發射信號Fig.2 Acoustic emission signals of rice grains at 60℃

如圖2所示，聲發射信號幾乎存在于整個干燥過程中，其中最密集處出現在干燥20～100 min之間。這說明干燥過程中籽粒內部因干燥應力作用一直有裂紋產生(或已產生微裂紋的擴展)，但因裂紋過小肉眼看不見。在干燥20～100 min時籽粒內部應力變化最劇烈，變化頻率高，微裂紋產生(或擴展)較多。可以推斷：在干燥過程中，干燥應力存在一直使籽粒內部不斷產生和擴展微裂紋，隨干燥時間延長，裂紋越來越大，至肉眼觀察到時，才認定籽粒有裂紋。

研究發現：在稻谷干燥的最初幾分鐘內，籽粒內部同時存在溫度梯度和水分梯度，由此產生的熱濕應力是稻谷出現裂紋的主要因素；幾分鐘以后，籽粒內部溫度達到均勻，與干燥介質溫度相等，由水分梯度產生的濕應力是引起裂紋的主要因素。如果在干燥過程中加入緩蘇過程，則可以降低籽粒內部的水分梯度，降低(或消除)籽粒內部的濕應力，以減少微小裂紋的形成和發展，使干燥后稻谷的裂紋率降低。

2.2 恒溫干燥

在熱風干燥箱中對稻谷進行40、45、50、60℃熱風恒溫干燥實驗，檢測干燥后產品的裂紋率。

圖3為不同干燥溫度下稻谷的干燥曲線。物料干燥至安全含水率(圖中橫線所示，濕基13%，干基14.9%，下同)所需的干燥時間隨著干燥溫度的升高而縮短。干燥溫度為40℃時所需的干燥時間最長，為133 min；干燥溫度為60℃時所需的干燥時間最短，為46 min；當干燥溫度為45℃時，干燥時間與40℃時干燥時間差別不大，為123 min，而當溫度升高到50℃時，干燥時間比40℃和45℃時大幅縮短，為83 min。不同干燥溫度時，在干燥過程最初的10 min內干燥速率最快，隨后干燥速率逐漸下降。整個干燥過程表現為降速干燥，這說明籽粒內部的濕分傳遞是影響干燥速率快慢的主要因素。

圖3 稻谷熱風恒溫干燥曲線Fig.3 Drying curves of rice at constant air temperature

稻谷裂紋率是衡量稻谷干燥品質的一項重要指標。按GB 1350—2009要求，干燥后裂紋率增值不大于3%的稻谷產品為合格產品。表1給出了稻谷熱風恒溫干燥至安全含水率時的干燥時間與稻谷籽粒裂紋率增值。

表1 干燥時間和裂紋率增值Tab.1 Drying time and fissuring rate increment

從表1得出，干燥溫度越高，產品裂紋率增值越大。40、45℃恒溫干燥可以得到合格產品，50、60℃干燥溫度下，稻谷裂紋率增值大于3%，產品不合格。

2.3 等溫度干燥緩蘇

在40、50℃時對稻谷進行等溫度干燥緩蘇，干燥段時間分別為10、20、30 min，緩蘇比為1∶1。

對比圖3和圖4、5，可以看出緩蘇的加入縮短了凈干燥時間。由圖4可以得出，40℃干燥緩蘇時，干燥段時間越短，稻谷干燥至安全含水率時所需的凈干燥時間越短，緩蘇作用越明顯。出現這種現象的主要原因是：干燥過程中籽粒內部水分擴散至表面后，由于熱空氣的對流傳熱傳質作用使表面水分很快蒸發，使籽粒由內向外含水率依次減小。干燥時間段越短，水分梯度形成區越靠近籽粒邊緣，緩蘇過程中水分傳遞的路徑越短，靠近籽粒中心的區域其水分基本維持在一個均勻數值。在緩蘇過程水分還是由籽粒內部向外部擴散，但由于水分到達籽粒外部后，缺少了空氣的對流傳熱和傳質，水分并不(或極少量)蒸發，這就導致籽粒內部的水分梯度越來越小，緩蘇過程中的傳質速率越來越慢。總體上來說，緩蘇過程的傳質速率小于干燥過程的傳質速率。在1∶1的緩蘇比時，干燥時間越長，籽粒內部的水分梯度以及其存在的區域越大，緩蘇過程中水分擴散的路徑越長，緩蘇結束后籽粒內部的水分分布不均勻度越大，對后一段干燥的貢獻越小。故而干燥段時間越長，凈干燥時間越長。

圖4 40℃干燥- 40℃緩蘇曲線Fig.4 40℃ drying- 40℃ tempering curves

圖6為干燥段時間10 min、50℃恒溫干燥緩蘇條件下不同緩蘇比時的干燥特性曲線。由圖中可以得出：緩蘇比越小，即緩蘇段時間越長，稻谷干燥至安全含水率所需的凈干燥時間越短。這主要是因為緩蘇段時間越長，籽粒內部的水分分布越均勻，對后一段干燥的貢獻越大。

表2為不同干燥條件下裂紋率增值。由表中可知，緩蘇過程的加入降低了稻谷的裂紋率，干燥緩蘇溫度越低，裂紋率增值越小。恒溫干燥- 緩蘇時，當干燥溫度在40、45、50℃時，裂紋率增值均在3%以下。而60℃干燥緩蘇的稻谷裂紋率增值雖然比恒溫連續干燥的裂紋率增值低，但仍高達14.3%，不符合國標要求。緩蘇過程的加入可以將干燥溫度提高至50℃，相應凈干燥時間也會縮短。40、45℃干燥緩蘇條件下，裂紋率增值基本不受緩蘇比影響；50、60℃干燥緩蘇條件下，緩蘇比越小，緩蘇時間越長，裂紋率增值越小。這主要因為干燥溫度越高，前一干燥段內蒸發的水分量越大，籽粒內部形成的水分梯度越大，使緩蘇過程中負荷越大，緩蘇需要的時間越長。

圖5 50℃干燥- 50℃緩蘇曲線Fig.5 50℃ drying- 50℃ tempering curves

圖6 50℃干燥- 50℃緩蘇不同緩蘇比下的干燥曲線Fig.6 50℃ drying- 50℃ tempering curves at different tempering ratios

干燥緩蘇溫度/℃恒溫連續干燥恒溫干燥-緩蘇,干燥段時間10min緩蘇比1∶1緩蘇比1∶2緩蘇比1∶3401.30.70.70.7451.90.70.80.7506.62.92.01.96029.414.310.910.1

2.4 低溫干燥- 高溫緩蘇

因為稻谷干燥過程的干燥應力(主要是濕應力)是造成籽粒產生裂紋的主要因素，所以干燥段內去除的水分量不宜過大，干燥溫度不宜過高。緩蘇過程主要是降低籽粒內部的水分梯度，減小干燥過程導致的濕應力，從理論上講緩蘇過程的溫度可以高一些。依據上述分析，在本組實驗中，選取40、45、50℃的干燥溫度，緩蘇溫度分別比干燥溫度高5、10、15℃，探究低溫干燥高溫緩蘇對稻谷干燥特性和裂紋率的影響。

圖7～9分別為40、45、50℃干燥高溫緩蘇干燥曲線，緩蘇比為1∶1，干燥段時間為10 min。以45℃干燥- 高溫緩蘇為例：從總的干燥時間上來看，只有當緩蘇溫度為60℃時，即緩蘇溫度高于干燥溫度15℃的情況下，干燥時間才有所縮短，為57 min，其他情況下均為72 min。40℃干燥- 高溫緩蘇時，當緩蘇溫度為55℃時，干燥時間才有所縮短；50℃干燥- 高溫緩蘇時，緩蘇溫度越高，干燥時間越短。這說明高溫緩蘇有助于稻谷籽粒內部水分分布均勻，以利于下一階段的干燥。

圖7 40℃干燥- 高溫緩蘇的干燥曲線Fig.7 Drying curves at 40℃ drying- high temperature tempering

圖8 45℃干燥- 高溫緩蘇干燥曲線Fig.8 Drying curves at 45℃ drying- high temperature tempering

圖9 50℃干燥- 高溫緩蘇曲線Fig.9 Drying curves at 50℃ drying- high temperature tempering

表3為緩蘇比為1∶1時低溫干燥- 高溫緩蘇干燥至安全含水率后稻谷的裂紋率增值。從表中可以看出：低溫干燥- 高溫緩蘇干燥工藝下的稻谷裂紋率增值基本上均在3%以下，滿足國標要求。由于干燥與緩蘇時間均較短，兩個過程中的溫度相互影響比較大，故而從表中看不出裂紋率增值與緩蘇溫度之間的關系，但總趨勢是：干燥段時間為10 min，緩蘇比為1∶1時，緩蘇溫度越高，裂紋率增值越低。

表3 低溫干燥- 高溫緩蘇裂紋率增值Tab.3 Increment of fissuring rate of low temperaturedrying- high temperature tempering %

綜合考慮干燥時間與裂紋率，當緩蘇溫度比干燥溫度高15℃時，干燥時間最短，產品裂紋率增值不超過3%。

圖10、11為干燥段時間10 min不同緩蘇比時低溫干燥- 高溫緩蘇的干燥曲線，從圖中可以得出：緩蘇比越小，即緩蘇時間越長，稻谷干燥至安全含水率所需的凈干燥時間越短。其原因與恒溫干燥- 緩蘇的原因一致，這也反映了緩蘇過程中稻谷籽粒內部水分的擴散速率遠低于干燥過程的水分擴散速率，即使在高溫緩蘇時也是如此。以圖11為例，當緩蘇比為1∶1、1∶2、1∶3時，稻谷干燥至安全含水率所需的時間分別為50、43、42 min。當緩蘇比由1∶1降到1∶2時，稻谷干燥至安全含水率所需的時間明顯縮短，但當緩蘇比由1∶2降到1∶3時，干燥時間縮短并不明顯，這說明緩蘇時間由20 min延長到30 min這一時間段內籽粒內部水分梯度變化并不明顯，也可以說緩蘇至20 min時籽粒內部的水分分布已足夠均勻，進一步延長緩蘇時間已無意義。與圖6中的恒溫緩蘇相對比，進一步說明緩蘇溫度越高，所需的緩蘇時間越短。

圖10 45℃干燥- 60℃緩蘇干燥曲線Fig.10 Drying curves at 45℃ drying- 60℃ tempering

圖11 50℃干燥- 65℃緩蘇干燥曲線Fig.11 Drying curves at 50℃ drying- 65℃ tempering drying curve

表4是50℃干燥高溫緩蘇稻谷籽粒裂紋率增值，由表中可以看出：當緩蘇比為1∶1、1∶2時，緩蘇溫度越高，裂紋率增值總體呈減小的趨勢；但當緩蘇比為1∶3時，裂紋率增值無明顯變化。這說明高溫緩蘇會加速干燥后籽粒內部水分擴散，在較短的時間內消除水分梯度，使其在籽粒內部分布均勻，過長的緩蘇時間(如緩蘇比1∶3)反而無效。當緩蘇溫度在50～60℃時，同一緩蘇溫度下，緩蘇比越小，緩蘇時間越長，裂紋率增值呈越小的趨勢，而緩蘇溫度在65℃時裂紋率增值基本上變化不大，這也從另一方面說明了緩蘇溫度越高，所需的緩時間越短。

表4 50℃干燥- 高溫緩蘇裂紋率增值Tab.4 Increment of fissuring rate of 50℃ drying- hightempering process %

3 結論

(1)聲發射系統監測到稻谷在干燥過程中一直有裂紋產生(或已產生微裂紋的擴展)，60℃干燥條件下，在干燥20～100 min之間時裂紋的產生和擴展最頻繁。

(2)緩蘇工藝有助于提高稻谷干燥速率，縮短凈干燥時間，降低稻谷籽粒內部的水分梯度，減小干燥應力，有效抑制了裂紋產生。

(3)在本實驗條件下，恒溫連續干燥時稻谷的干燥溫度以40、45℃為宜；恒溫干燥- 緩蘇條件下，干燥溫度可提高到50℃，裂紋率增值合格。

(4)相對于恒溫干燥緩蘇，低溫干燥- 高溫緩蘇在滿足產品質量的同時，可有效縮短緩蘇時間,緩蘇溫度比干燥溫度高15℃為宜。

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