稻谷的滾筒式氣體射流沖擊干燥實(shí)驗(yàn)研究

魏事宇，鄭 霞，黃 勇，郭 云，張湘南，曹玉雪，朱榮光，姚雪東

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國(guó)是世界水稻生產(chǎn)第一大國(guó)，2016年水稻年產(chǎn)量約20 707.5萬(wàn)t，占世界稻谷產(chǎn)量的28%[1]。正常年份,水稻采收后平均水分一般在19%左右,南方稻谷含水率相對(duì)較高，大多在 22%～28%，甚至更高[2-3]。稻谷收獲期集中，含水率較高，各種酶活性較強(qiáng)，極易發(fā)熱變質(zhì)，快速脫水是稻谷儲(chǔ)藏的關(guān)鍵操作之一。稻谷淀粉含量較高，為多層結(jié)構(gòu)熱敏性物料，對(duì)干燥過(guò)程比較敏感，其干燥特性不同于其它糧食,干燥速度或工藝不當(dāng)都會(huì)對(duì)稻谷產(chǎn)生重要影響。在高溫?zé)崃ψ饔孟拢竟茸蚜ｓw外層結(jié)構(gòu)收縮，制約其內(nèi)部米胚水分向外擴(kuò)散，造成米胚表面水分蒸發(fā)聚積，從而使籽粒易裂變爆腰、色澤變差，直接影響稻谷籽粒烘干后的品質(zhì)[4-6]。

馬培勇、張靜[7]等采用自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了稻谷真空干燥動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干燥溫度對(duì)稻谷干燥過(guò)程有顯著影響，相對(duì)壓力影響不明顯。謝婷婷[8]研究了早秈稻谷的太陽(yáng)能輔助熱泵聯(lián)合干燥，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能輔助熱泵聯(lián)合干燥早秈稻谷可以明顯地縮短干燥時(shí)間，且干燥效果良好。劉宜鋒、林建全[9]等進(jìn)行了稻谷熱風(fēng)干燥關(guān)鍵技術(shù)工藝優(yōu)化的研究，并給出了稻谷熱風(fēng)干燥較佳工藝條件。吳中華、劉兵[10]等利用聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)稻谷籽粒熱風(fēng)干燥過(guò)程中微裂紋的形成和發(fā)展，發(fā)現(xiàn)恒溫干燥溫度以40℃～45℃為宜，等溫度干燥-緩蘇條件下干燥溫度可提高到50℃。

在氣流沖擊式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的相關(guān)研究上,日本學(xué)者Yamato[11]研制出了一種名為YAMATO TACA ROTARY DRYER(TACO=THROUGH AIR COMBINATION)的氣流沖擊式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)，在廢棄物的干燥試驗(yàn)上取得了較好的研究成果。巴西學(xué)者M(jìn).A.S.Barrozo[12]等人以化肥為干燥物料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了氣流沖擊式滾筒干燥機(jī)與常規(guī)式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的干燥性能，得知?dú)饬鳑_擊式轉(zhuǎn)筒干燥的傳熱系數(shù)比常規(guī)干燥方式高出約50%。姚雪東[13]設(shè)計(jì)了一種氣流沖擊式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)，工作時(shí)可根據(jù)不同物料的特性和產(chǎn)品要求調(diào)整其工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以牧草種子為例對(duì)干燥機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，干燥后的牧草種子可達(dá)到國(guó)家Ⅰ級(jí)種子標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)稻谷干燥過(guò)程的影響較為顯著。鑒于現(xiàn)存稻谷干燥時(shí)間長(zhǎng)、干燥效果不均勻及稻谷爆腰率高等缺點(diǎn)，本研究擬將氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于稻谷干燥，研究稻谷干燥規(guī)律，以期快速、優(yōu)質(zhì)地降低稻谷含水量，提高稻谷儲(chǔ)藏性能，為氣體射流沖擊干燥技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

稻谷種子：糧香5號(hào)，新疆石河子145團(tuán)水稻研究所提供。稻谷種子的初始濕基含水率約12.1%，為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求需進(jìn)行復(fù)水處理至濕基含水率約20.0%。復(fù)水處理后的稻谷種子置于溫度和相對(duì)濕度分別為(4±1)℃和(96±2)%的冰柜內(nèi)貯藏24h，使加濕后的稻谷種子濕度趨于一致，為實(shí)驗(yàn)做好原料準(zhǔn)備。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

滾筒式氣體射流沖擊干燥機(jī)：新疆石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院干燥技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室研發(fā)(發(fā)明專(zhuān)利號(hào)：ZL2015 I 0325849.0)，如圖1所示。

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9140A型)，上海一恒科技有限公司；電容式谷物水分測(cè)量?jī)x(PM-8188)；電子天平(YP30002)，上海越平科學(xué)儀器有限公司；GXZ-300A智能型光照培養(yǎng)箱，寧波江南儀器廠；秒表。

1. 進(jìn)/出料口 2.滾筒 3.加熱系統(tǒng) 4.送風(fēng)管 5.風(fēng)機(jī) 6.電機(jī) 7.機(jī)架 8.噴嘴模塊

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 稻谷干燥單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究分別對(duì)稻谷干燥過(guò)程中熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且對(duì)其應(yīng)力裂紋率(爆腰率)、發(fā)芽率做了對(duì)比分析，從而選擇較優(yōu)的干燥工藝參數(shù)，具體單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

續(xù)表1

打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)定干燥工藝參數(shù)，進(jìn)行預(yù)熱至溫度恒定；取實(shí)驗(yàn)稻谷2 500g，測(cè)其初始含水率之后進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)；每隔10min取50g樣品測(cè)其含水率、發(fā)芽率和爆腰率，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至稻谷濕基含水率在14%以下，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。為降低實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2 稻谷發(fā)芽實(shí)驗(yàn)

稻谷種子發(fā)芽率測(cè)定方法：GB/T 3543.4—1995 農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程-發(fā)芽試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)溫對(duì)稻谷干燥效果的影響

由不同風(fēng)溫下稻谷的干燥曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)可以看出：稻谷整個(gè)干燥過(guò)程屬于降速干燥，隨著風(fēng)溫提高，干燥時(shí)間相應(yīng)縮短；當(dāng)溫度高于60℃時(shí)，干燥時(shí)間明顯縮短。

由不同風(fēng)溫下稻谷的發(fā)芽率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)可以看出：干燥溫度為60℃稻谷的發(fā)芽率最好，溫度過(guò)低或者過(guò)高發(fā)芽率都會(huì)下降；溫度為80℃時(shí)，發(fā)芽率才達(dá)到60%。由稻谷的發(fā)芽數(shù)據(jù)分析得出：干燥溫度過(guò)高會(huì)破壞稻谷的活性，溫度過(guò)低干燥時(shí)間隨之延長(zhǎng)也會(huì)影響稻谷的生物活性。

由不同溫度下稻谷的爆腰率條形(見(jiàn)圖4)可以看出：稻谷在未干燥之前種子本身就有輕度爆腰的情況占50%左右；隨著溫度的增高，稻谷種子的爆腰程度增加，溫度分別為60℃和65℃時(shí)稻谷種子的爆腰情況有所減輕，中度爆腰率小于55℃時(shí)的中度爆腰率；當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，中度爆腰率增高，且出現(xiàn)重度爆腰情況，重度爆腰率隨溫度的增加而升高。

圖2 不同風(fēng)溫下稻谷的干燥曲線(xiàn)

圖3 不同風(fēng)溫下稻谷的發(fā)芽率

圖4 不同風(fēng)溫下稻谷的爆腰率

方差分析結(jié)果顯示(見(jiàn)表2)：風(fēng)溫對(duì)稻谷干燥過(guò)程的影響顯著。

在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，風(fēng)溫越高干燥時(shí)間越快，但風(fēng)溫過(guò)高，稻谷的發(fā)芽率降低，爆腰嚴(yán)重；溫度過(guò)低，干燥時(shí)間隨之過(guò)長(zhǎng)會(huì)破壞稻谷胚胎，影響發(fā)芽。綜合干燥速率和稻谷的發(fā)芽率和爆腰率，確定最佳干燥溫度為60℃。

表2 不同風(fēng)溫下稻谷含水率方差分析表

F值顯著水平在α=0.05。

2.2 風(fēng)速對(duì)稻谷干燥效果的影響

根據(jù)2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定風(fēng)溫為60℃進(jìn)行不同風(fēng)速下的稻谷干燥實(shí)驗(yàn)。

由不同風(fēng)速下稻谷干燥曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)可以看出：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，稻谷干燥速率隨著風(fēng)速的提高，干燥時(shí)間相應(yīng)縮短。

由不同風(fēng)速下稻谷發(fā)芽率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6)可以看出：在一定風(fēng)速范圍內(nèi)隨風(fēng)速的提高稻谷發(fā)芽率先增高后降低，當(dāng)風(fēng)速為23m/s時(shí)稻谷的發(fā)芽率最高。

由不同風(fēng)速下稻谷的爆腰率條形(見(jiàn)圖7)可以看出：風(fēng)速對(duì)稻谷種子的爆腰率影響不明顯，且整個(gè)干燥過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重爆腰情況。

圖5 不同風(fēng)速下稻谷干燥曲線(xiàn)Fig.5 Drying curves of rice at different wind speeds

圖6 不同風(fēng)速下稻谷的發(fā)芽率

圖7 不同風(fēng)速下稻谷的爆腰率

由方差分析結(jié)果可知：風(fēng)速對(duì)稻谷的干燥過(guò)程影響不顯著，如表3所示。

表3 不同風(fēng)速下稻谷含水率方差分析表

F值顯著水平在α=0.05。

滾筒式氣體射流沖擊干燥實(shí)驗(yàn)裝置是用電加熱器加熱空氣，再由離心風(fēng)機(jī)將熱空氣以一定的速度通過(guò)噴嘴送入干燥室內(nèi)沖擊物料。當(dāng)風(fēng)速過(guò)低時(shí)，加熱器不能及時(shí)、均勻地將加熱器周?chē)臒峥諝夂碗x心機(jī)送入的冷空氣混勻，導(dǎo)致噴入干燥室內(nèi)的熱風(fēng)溫度波動(dòng)大，溫濕度傳感器給出的控制信號(hào)頻繁，容易引起溫度控制超出調(diào)范圍，溫度穩(wěn)定性差。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)影響稻谷的發(fā)芽率，綜合各因素選取最佳干燥風(fēng)速為23m/s。

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)稻谷干燥效果的影響

根據(jù)2.1、2.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定風(fēng)溫為60℃，風(fēng)速為23m/s，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的稻谷干燥實(shí)驗(yàn)。

由不同轉(zhuǎn)速下稻谷干燥曲線(xiàn)圖8可知：當(dāng)風(fēng)溫、風(fēng)速恒定，滾筒轉(zhuǎn)速分別為1.5、2.5、3.5r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間都是45min。這說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，稻谷干燥時(shí)間不變，轉(zhuǎn)速對(duì)干燥速率的影響不大。

由不同轉(zhuǎn)速下稻谷的發(fā)芽率圖曲線(xiàn)(見(jiàn)圖9)可以看出：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)風(fēng)溫、風(fēng)速恒定時(shí)，不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下干燥后稻谷發(fā)芽率基本無(wú)明顯差異。這說(shuō)明，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)干燥后稻谷發(fā)芽率影響不顯著。

由不同轉(zhuǎn)速下稻谷的爆腰率條形(見(jiàn)圖10)可以看出：當(dāng)風(fēng)溫、風(fēng)速恒定，滾筒轉(zhuǎn)速不同時(shí)，稻谷爆腰率無(wú)明顯差異，并且整個(gè)干燥過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重爆腰現(xiàn)象。

由方差分析結(jié)果顯示，不同轉(zhuǎn)速對(duì)稻谷干燥過(guò)程的影響不顯著，如表4所示。

當(dāng)風(fēng)溫、風(fēng)速恒定，不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下稻谷干燥所需時(shí)間基本不變，但轉(zhuǎn)速為3.5r/min時(shí)稻谷的發(fā)芽率有所降低，中度爆腰率有所提高。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，綜合考慮干燥速率、發(fā)芽率和爆腰率，確定最佳干燥轉(zhuǎn)速為2.5r/min。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下稻谷干燥曲線(xiàn)

圖9 不同轉(zhuǎn)速下稻谷的發(fā)芽率

圖10 不同轉(zhuǎn)速下稻谷的爆腰率

表4 不同轉(zhuǎn)速下稻谷含水率方差分析表

F值顯著水平在α=0.05。

3 結(jié)論

1)風(fēng)溫在40～80℃范圍內(nèi)變化時(shí)，干燥速率隨著風(fēng)溫的升高而提高。方差分析表明：風(fēng)溫變化對(duì)干燥速率的影響顯著；風(fēng)溫為60℃時(shí)，稻谷的發(fā)芽率較高，且爆腰率相對(duì)較低。

2)風(fēng)速在17～29m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，干燥速率隨著風(fēng)速的升高有所提高。方差分析表明：風(fēng)速變化對(duì)干燥速率的影響不顯著；風(fēng)速為23m/s時(shí)，稻谷的發(fā)芽率較好，爆腰率也較低。

3)轉(zhuǎn)速在1.5～3.5r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，干燥速率、發(fā)芽率和爆腰率隨轉(zhuǎn)速提高基本不變。方差分析表明：轉(zhuǎn)速變化對(duì)干燥速率的影響不顯著，對(duì)稻谷發(fā)芽率和爆腰率的影響不明顯。