谷物干燥試驗技術(shù)和測量方法

陳武東

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

農(nóng)產(chǎn)品直接關(guān)系國家糧食安全與民生大計，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積與糧食產(chǎn)量的逐漸提升，勢必導(dǎo)致糧食烘干與收儲難題，尤其是玉米和水稻等高水分糧食的烘干與儲存。相關(guān)研究統(tǒng)計表明，我國每年糧食產(chǎn)量約5億t[1]，近50%的糧食需要進行烘干儲存。谷物干燥可以防止谷物在儲藏過程中由于水分過多發(fā)生霉?fàn)€或者變質(zhì)等問題，有利于谷物運輸和進一步加工作業(yè)等，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工序之一，是實現(xiàn)糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)全程機械化發(fā)展的重要技術(shù)措施之一[2]。

在谷物干燥過程中需要計算多項工藝參數(shù)，如物料干燥特性、動力學(xué)特性和傳遞系數(shù)等，直接影響谷物干燥效率與品質(zhì)。本研究針對谷物干燥過程中常見的物料濕度測定、物料吸附平衡測定、濕分擴散率和熱導(dǎo)率的測定，研究結(jié)果對于保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國家糧食安全具有重要意義。

1 物料濕含量和氣體濕度的測定

1.1 物料濕含量的測定

物料干燥過程中的濕含量是影響谷物干燥的重要技術(shù)參數(shù)之一，濕含量過高會導(dǎo)致谷物霉變、細菌繁殖，而過度干燥會造成谷物品質(zhì)降低和能源消耗等。測定物料濕含量的方法主要分為直接測量法和間接測量法。直接測量法需要將水分從物料中排除后，測量物料的重量或體積，間接測量法主要以某種參數(shù)值隨濕含量的變化而顯著變化的規(guī)律測定物料濕含量。

1.1.1 直接測量法

直接測量法主要包括以下4種方法[3]。

1)物料加熱法。將已知重量的物料放在稱量皿中，然后送入烘箱進行恒溫加熱，直到物料重量恒定不變，即可計算出原濕物料的濕含量。

2)化學(xué)干燥法。常見的濕分吸附化學(xué)劑主要包括五氧化二磷、氧化鋇和過氯酸鎂等。將物料與適量的化學(xué)吸附劑放在干燥器中，待物料試樣達到恒重即可計算出原濕物料的濕含量。適用于含有易氧化組分的物料，如茶葉等。

3)共沸蒸餾法。在物料試樣中添加與水形成共沸的溶劑，在共沸蒸餾后的收集物中，溶劑與水分有明顯的分層，即可計算出原濕物料的濕含量。該方法適用于燃料濕分的測定。

4)化學(xué)滴定法。常用滴定劑為碘，碘與物料中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如式(1)所示

(1)

試劑為溶解在甲醇中的二氧化硫、吡啶和碘的混合物。當(dāng)游離碘出現(xiàn)棕色時，表示達到滴定點，由式(1)計算出水的含量。

1.1.2 間接測量法

1)導(dǎo)電率。物料的電阻是物料濕含量的函數(shù)，假定物料填充密度、顆粒大小、溫度及電極和散裝物料間的接觸電阻技術(shù)參數(shù)保持不變，電阻會以非線性方式隨著濕含量的增加而逐漸降低。但是該方法測定準(zhǔn)確度較低。

2)電容。水的介電常數(shù)比大多數(shù)物料高，一般為80。據(jù)此可以測量電容變化來測定物料的濕含量。

3)微波。微波是頻率介于電波和紅外線之間的電磁輻射波。當(dāng)微波定向穿透物料時，其衰減程度可以定量計算物料的濕含量。但是測量結(jié)果一般會受到物料溫度的影響，未來減少這種影響，應(yīng)該適當(dāng)提高物料的傳導(dǎo)率。

4)遠紅外吸收。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中常采用遠紅外吸收技術(shù)進行物料濕含量的測定，具有不需要與物料直接接觸便可以快速測定的應(yīng)用優(yōu)勢。主要分為反射式和透射式。目前，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于砂子、織物、谷物和食品的濕含量測定。

1.2 氣體濕度的測定

在谷物干燥過程中，監(jiān)測氣體濕度是很重要的，以確保谷物被均勻干燥，并防止霉菌生長。保持適當(dāng)?shù)臐穸人揭部梢蕴岣吣茉葱剩瑴p少火災(zāi)風(fēng)險。氣體濕度的測量方法較多，在選擇不同測量方法時應(yīng)該充分考慮濕度范圍、精度、傳感器類型等因素。測定谷物干燥過程中的氣體濕度，可以采用多種技術(shù)，主要包括濕度計、露點法和濕度分析儀。

1)濕度計。谷物干燥濕度計是一種用于測量谷物濕度的儀器。它通常使用電子技術(shù)來測量谷物中的水分含量，并將其轉(zhuǎn)換為濕度百分比，是一種直接測量相對濕度的設(shè)備。濕度計可以是手持式的，也可以安裝在谷物干燥系統(tǒng)中，對相對濕度進行連續(xù)監(jiān)測。使用谷物干燥濕度計通常非常簡單，只需要將儀器插入谷物中，然后讀取顯示器上的數(shù)值。一些模型可能還需要校準(zhǔn)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)露點法。露點是指空氣中的最低溫度，在這個溫度下，空氣中的水蒸氣會凝結(jié)成液態(tài)水滴。因此，露點溫度可以反映空氣濕度的高低。露點法通常使用一個露點儀，該儀器可以通過吸收空氣中的水蒸氣并凝結(jié)成水滴，從而測量露點溫度。根據(jù)露點溫度和空氣溫度，可以通過一定的計算公式計算出空氣的相對濕度，氨廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，可以幫助操作者對谷物干燥過程中的空氣濕度進行監(jiān)測和評估，進而更好地了解谷物干燥空氣質(zhì)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

3)濕度分析儀。濕度分析儀是一種專門的設(shè)備，可以測量材料的含水量，如谷物。水分分析儀可以通過提供谷物水分含量的實時信息來監(jiān)測干燥過程。

2 物料吸附平衡特性的測定

2.1 物料的平衡濕含量

濕物料在干燥過程中或者其他環(huán)境條件下(一定的溫度和一定的氣相相對濕度)可達到的最小濕含量稱為平衡濕含量。物料平衡濕含量是干燥模型的重要技術(shù)參數(shù)。物料平衡濕含量和一定溫度下相應(yīng)的水分活度間關(guān)系稱為吸附等溫線。

2.2 吸附等溫線的測量方法

吸附等溫線的測定方法主要包括測定重量和測定濕度兩種方法。

2.2.1 重量測定法

重量測定法又被稱為“蒸汽壓測量法”，該方法在測量時主要是將少量物料試樣置于一定的蒸汽分壓環(huán)境中。在該環(huán)境中，氣相的溫度和水分活度保持恒定，直到試樣的濕含量達到相應(yīng)的平衡值。

2.2.2 平衡蒸汽壓測量法

平衡蒸汽壓測量法主要是將大量的濕物料置于較小的空間中，直到濕物料與周圍空氣達到恒定的平衡值。此時空氣水分活度可以通過濕度計或者壓力計進行測定。

3 濕分擴散率的測定

在谷物干燥過程中，物料中的水分擴散是一個復(fù)雜的非線性變化過程，在水分擴散過程中主要包括分子擴散、毛細管流和表層水分擴散等過程。將所有物理變化結(jié)合起來，可以通過非穩(wěn)態(tài)Fick第二定律定義為濕物料的水分有效擴散率，計算公式如式(2)所示

(2)

式中，D為有效擴散率，m2·s-1；x為物料的干基濕含量，kg·kg-1；t為時間，s。

公式(2)表示谷物干燥過程中濕物料水分隨著干燥時間的變化規(guī)律，可以對水分在谷物內(nèi)部遷移進行定量描述。

3.1 試驗測量方法

谷物干燥濕分擴散率的測定方法主要包括吸附動力學(xué)法、滲透法和濃度-距離曲線法。

1)吸附動力學(xué)法。將物料置于控制環(huán)境內(nèi)，在谷物干燥濕分擴散趨于吸附平衡的過程中，連續(xù)稱量試樣重量。

2)滲透法。滲透法適用于膜材料的干燥，在一定表面濃度下，測定通過膜的擴散劑的滲透速率，最后通過Fick定律分析其擴散率。

3)濃度-距離曲線法。該方法可以測定谷物干燥過程中水分擴散隨時間的變化，用半無限體、圓柱體等物料測定水分擴散速率，最后通過Fick定律分析。

3.2 影響擴散率的因素

在相關(guān)研究中，已經(jīng)測定了相關(guān)物料的濕分擴散率，如表1所示，可以直接進行參考[5]。

表1 相關(guān)物料的有效濕分擴散率

4 熱導(dǎo)率

谷物干燥內(nèi)部條件主要是由物料內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程速率決定。物料的熱導(dǎo)率是谷物干燥過程中的重要技術(shù)參數(shù)，對于均質(zhì)物料，熱導(dǎo)率主要由傅里葉函數(shù)進行定義，計算公式如式(3)所示

(3)

谷物干燥過程中的熱導(dǎo)率的測量方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。

1)穩(wěn)態(tài)法。將物料試樣置于熱源與散熱片之間，在穩(wěn)定狀態(tài)下測量試樣物料中的溫度分布，在測量過程中，對物料形狀沒有要求。

2)瞬態(tài)法。瞬態(tài)法又被稱為“非穩(wěn)態(tài)法”，主要是采用線狀熱源，將穩(wěn)態(tài)熱源加在試樣物料外，在物料受熱過程中，隨機測量物料中幾個點的溫度，最后用傅里葉公式計算瞬態(tài)解，估算物料的熱導(dǎo)率。瞬態(tài)法可以在較短時間內(nèi)完成測量，一般在10 s內(nèi)即可完成，保證物料內(nèi)部水分遷移和變化較小，因此，測定準(zhǔn)確度較高。

5 結(jié)論

如何提高谷物干燥水平是保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題，系統(tǒng)掌握谷物干燥過程中關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的測量方法對于提高谷物干燥效率，保證谷物干燥品質(zhì)具有重要意義。本研究系統(tǒng)論述了谷物干燥過程中常見的物濕度測定、物料吸附平衡測定、濕分擴散率和熱導(dǎo)率的測定與方法，研究結(jié)果旨在為形成完善的谷物干燥理論提供參考，對于全面提升我國谷物干燥技術(shù)具有重要意義。