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干燥温度对水稻颗粒爆腰率的影响


干燥温度对水稻颗粒爆腰率的影响 !
孟宪玲, 治德,杨俊红
(天津大学电气自动化与能源工程学院,天津 !"""#$) 摘 要: 研究了在相同的干燥周期、 不同的供热方式 (高温供热与低温供热) , 稻谷在双循环红

外辐射与热风联合的振动流化床上的脱水量及爆腰增加率 % 实验结果表明: 高温供热 (最高温 度

&’ % () ) 比低温供热干燥 (最高温度 !( % !) ) 时效果好, 即前者脱水量为后者的 $ % ( $ $ % (! * + % 倍; 后者爆腰增加率为前者的 ( 倍 % 因此, 研究合理的干燥工艺过程, 对保证稻谷 +() ( $ % ( * " % () 的品质和活性是极为重要的 % 关键词: 稻谷; 爆腰率; 干燥 中图分类号: ,-+$& 文献标识码: . 文章编号: ($""$) "&/!0$+!# "&0"&&!0"&

中国是世界上最大的水稻生产国, 年产量占世界
!"" 总产量的 !# , 水稻技术的发展和干燥能力的提高, 对 [+] 保证水稻品质和长期安全储藏至关重要 " 由于水稻

导流板进入内筒振动床继续干燥, 内筒层和外筒层的 螺旋流化床作同步振动, 稻谷在内、 外筒干燥一个周期 后, 经出料盘出料 " 稻谷在外筒干燥主要是辐射为主, 由于振动盘的最上层、 最下层与筒内壁是蜜封的, 所以 在内、 外筒之间构成一个恒温、 恒压箱 " 内筒干燥主要 是以对流为主, 用鼓风机将热风先送入内筒, 根据稻谷 的含水率来确定进风温度, 从而进行温度调节 " 本机特 点: 热风经内螺旋到外螺旋掠过稻谷表面, 稻谷从外螺 旋至内螺旋是经过内、 外振动流化床两次运行, 所以该
[$, !] 机又称为双循环红外辐射振动干燥机 "

的结构不同于其它粮食作物, 稻谷籽粒是由坚硬外壳 和米组成, 外壳对稻米起着保护作用, 同时干燥时外壳 也起着阻碍籽粒内部水分向外表面转移的作用, 稻谷 就成为较难干的粮食, 在干燥过程中容易产生裂纹 (爆 腰) , 出现裂纹的水稻在碾米加工过程中会破碎, 影响 水稻的干燥过程是一个复杂的传 出米率和售价 " 所以, 热传质过程, 它不仅受物料特性的影响, 而且还与干燥 工艺有关, 干燥中不仅要除去水分, 而且要保留它的营 稻谷干燥后爆腰率的增值 养成份 " 我国干燥标准规定:
!""" 如何在保证稻谷干燥后爆腰率小的前题下, 不超过 !

获得优化的传热传质, 提高干燥质量和速率, 是国内外 干燥业一直探讨, 急待解决的问题 "

!

实验系统
红外辐射与热风联合的振动干燥机系统见图 + "

该机内部配有内、 外水平圆螺旋振动盘各 / 层, 使物料 的行程大大增加; 机体底部有两个振动电机,振动体 根据物料温度进行能量 周围配有 ’ 块碳化硅加热器, 调节; 机体外配有一台风机为机体提供热风, 用 !"(!. 数据采集系统在线测量机体内所有温度值, 其工作原 理图见图 $ " 稻谷通过外螺旋糟面运行到顶部后, 经过
$""+0+"0$’ % ! 收稿日期: 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ((/#!’+!") 2 作者简介: 孟宪玲, (+/(1— ) , 女, 工程师 + # 排气孔; $ # 出料口; ! # 振动电机; & # 循环风机; ( # 电源箱; ’ # 干燥机; # # 数据采集系统; 1 # 给料机 "

图! "#$% !

红外辐射振动流化干燥系统图 4#5/,)*. 067#.#8*. ./’#3$

&’()*+,)#- .#,$/,+ 01/ )2* #30/,/*. /,.#,)#13

? $$$ ? 燥, 辐射板最高温度 2)0 , 热风温度 $’ " !0 , 干球温度
#’’ " 终含水率 1 " 1! #& " %0 ,

! ! 外罩; " ! 辐射器; # ! 物料颗粒; $ ! 内筒; % ! 外筒; & ! 气孔 "

图8 "#$% 8

高温供热稻谷干燥的对比曲线

图! "#$% !

红外辐射振动流化干燥原理 2#3.+,)- /45#-#6)- -.7#1$

901,.+:,):, ’5.2): 0/ ,() .05$( .#’) -.7#1$ 37 ,() (#$( ,)*;).+,5.) ()+,#1$

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稻谷爆腰的实验研究
相同干燥周期、 不同供热方式稻谷爆腰实验 对不同温度的供热方式进行了 !’ 次实验, 选用有

代表性一组数据进行分析, #’%$( 数据采集系统可以 同时测量稻谷的温度分布、 干湿球温度及辐射板温度, 测点位置分别为 (!, 层及内筒的温度见图 ", 干 #, &, )) 燥机的振动频率均为 $! " %*+ " " " ! " ! 实验方法 将具有相同初含水率的稻谷, 要经 # 次循环干燥, 外循环为 !",-., 内循环为 ",-., 经 # 次循环, 总干燥时 间为 $),-., 绝干实验均为 )/ " 为使爆腰数据准确, 选 用稻谷干燥后 $’’ 粒取样, 经人工剥皮后在爆腰灯下 检查爆腰率 " 本文中的爆腰率是指除去初始爆腰后的 爆腰率增值 " " " ! " " 实验条件 高温供热干燥, 辐射板最高温度 #!%0 , 热风温度
#’’ " 低温供热干 干球温度 %’0 , 终含水率 1 " %2 $& " %0 ,

图< "#$% <

低温供热稻谷干燥的对比曲线

901,.+:,):, ’5.2): 0/ ,() .05$( .#’) -.7#1$ 37 ,() 40= ,)*;).+,5.) ()+,#1$

" " ! " # 实验结果 从表 ! 可以看出: 高温供热最高温度 # 个内循环 比对 应 外 循 环 最 高 温 度 分 别 低 ! " %0 、 $ " "0 与 % " " 而低温供热内循环最高温度比对应外循环要高 0, !0 、 " " %0 与 ! " %0 3 不同供热方案、 稻谷脱水量及爆腰增加率的实验 结果, 如表 " 所示 "

表> ?+3% >
供热情况 高温供热 低温供热 外循环 $ ! $! " ) #" " ’

稻谷三次干燥循环的最高温度变化表
第二循环温差 4 0 内循环 $ " 温差 $ "% ! $ " $’ " ) #$ " % ! $"" ""% 第三循环温差 4 0 内循环 $ # 温差 $ #% ! $ # $! " # #% " # ! %"" !"%

@+.#05: ,+34) 0/ ,() (#$():, ,)*;).+,5.) 0/ .05$( .#’) 37 ,() ,(.))A,#*): -.7#1$ ’7’4)%
第一循环温差 4 0 内循环 $ ! 温差 $ !% ! $ ! $’ " # ## " ’ ! !"% !"’ 外循环 $ " $% " ’ #" " ’ 外循环 $ # $& " % ## " )

!3!

结果分析 从图 # 可以看出: 高温供热条件下, 振动干燥机 !)

的内循环系统 ( & ! &% , 中干球温度均 ’ ! ’% , ( ! (% ) 处于降温状态, 因为稻谷的温度随干球温度而变化,

? ""$ ? 所以谷温也在下降, 稻谷在内循环能得到缓冲作用, 爆腰增加率低,干燥效果好 ! 从图 " 可以看出: 低温供热条件下, 振动干燥机 !) 的内循环系统 ( " # "$ , 中干球温度均 % # %$ , & # &$ ) 处于升温状态, 谷温也随之上升, 谷温在内循环要比外 循环高, 所以稻谷的内部水分不但不能扩散到稻谷表 面,反向内部迁移, 形成稻谷表面的裂变现象 — — —爆 腰, 干燥效果不好 ! 高温供热比低温供热脱水量要大, 其脱水量为 #) 倍, 爆腰增加率为 & ! ( 倍, 因 !!( ! ! ! $# ’ % ! %$) ! & ! $ ’ ! ! $) 为高温供热和低温供热都是以外循环脱水为主, 内循 环脱水较少, 所以高温供热条件下, 稻谷在内循环脱水 较少, 对爆腰的形成起阻碍作用, 同时还减少了稻谷的 吸湿过程,爆腰增加率低, 干燥效果好 !
表! "#$% ! 不同供热方案的稻谷爆腰率及脱水量 &’() (*#(+’,- #,. .)/#0)* 12345) 26 07) *24-7 *’() ’, 07) .’66)*),0 7)#0’,- /#89
供热情况 高温供热 低温供热 脱水量 ’&& ! ( $# % ( %$ 原始爆 腰 $ ( )$ " ( && ’&& 干后爆 腰 * ( !$ * ( $& ’&& 爆腰增加 率 &($ !($ ’&&

! ! " 径向主应力和切向主应力方程 , - ( )$ , *) ! )) ( ), ()) * )+ # - *$ )$ ! ( ), * )+ !( * )# -( ), *) ! .. ) , # .. 式中:

!

% . ] ( *, -)) + ( [ ( ), * )# " *$ ) ( , ) / ) * ! 0 " ( *, ( ), *$ ) # / *$ ) #/ - *$ # *$ *$ # # ( ) ,* ) — — — 谷粒在内部半径为 ) 处时刻 * 时 -))

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的 ( ) ,* ) — — — 谷粒在内部半径为 ) 处时刻 * 时 !)) 的主应力, / ’ 0! ; ( ) ,* ) — — — 谷粒在内部半径为 ) 处时刻 * 时 1 的 — — 为剪切松弛模量, (& — / ’ 0! ; 水稻主要特征参数如下:
["] 分别为 %)水分扩散系数 ## ( 2% + ! ! $) 3 %& 345 # ! ! 66 3 %&# ’ 4 7)

!

理论分析
水稻是由稻米、 稻糠和稻壳组成的复合结构见图

( # $ ! %% 3 %&# ’ 4 7) 2! + ) ! 8) 3 %& # % 345 ( # ) ! #6 3 %&# ’ 4 7) 2# + " ! 6" 3 %&! 345 稻糠和稻壳内的水分 式中: 2% 、2! 和 2# 分别为稻谷、 扩散系数;4 7 为风温 !
["] 水稻的等效半径 分别为 !)

(稻米 + 稻糠)为研究对象, 分析谷粒内的 $ ,以糙米 应力分布时, 不考虑稻壳内的应力, 现做如下假定: 糙米粒为线性 , 粘弹性球体; %) 谷粒温度等于热风温度; !) 球形糙米粒的应变率等于瞬时弹性模量与其 #) ["] 相同的弹性球体的应变率 (

,% + & ! %") 3 %& # ! ,! + & ! $$ 3 %& # ! ,# + & ! %*) 3 %& # ! 式中: 糙米和稻谷等效半径 ! ,%、 ,! 和 ,# 分别为稻米、
["] 等效因子$ (%) 和等效时间 " ( *, #) %) 分别为 (%)+ ! !6&345 [ #(& ! &! 4 7 5 %%%) ] $ #" [ ( *, (& ! &! 4 7 5 %%%) *] %)+ " ! #8 3 %& 345 " ["] 线性膨胀系数$/ 和泊松比& 分别为 ")

$/ + & ! #8&, & + & ! !$ 利用上式与水稻特征参数计算谷粒内部不同位置的径
向应力和切向主应力 ! !!#
图: ;’-% : 水稻三层体模型示意 26 07) *24-7 *’()

对应力方程的分析

在高温供热条件下, 振动干燥机内、 外筒循环 %) 温差为负值, 谷物表面由于失水快而收缩, 处于拉应力 状态, 而谷粒中心则产生压缩应力以达到应力平衡, 这 时水稻内部的压缩应力要大于其外部所受的拉应力, 稻谷内的水分才能畅通, 即径向主应力要大于切向主

"7*))<3#8)* 12345) 52.)3 .’#-*#5

? --. ? 应力, 水稻不产生爆腰, 和前面实验结果相同 ! 在低温供热条件下, 振动干燥机内、 外筒循环 !) 温差为正值, 谷粒表层不断从谷粒中心和周围环境吸 收水分而膨胀, 谷粒中心由于失水而收缩, 此时处于内 拉外压状态, 当稻谷中心的拉伸应力超过其强度极限 后, 即切向主应力大于径向主应力, 稻谷就产生爆腰, 和前面实验结果相同 ! 为优化的干燥方法和工艺, 确保了稻谷的生理特性, 同 时能达到优化的传热传质; 红外辐射与热风联合的振动干燥机型, 可根据 #) 被干物料特性与要求调整供热参数 (振动频率、 热 风 温度及内、 外循环系统) , 它的干燥周期仅为固定床的 产量为其 ! 倍, 属于多功能优化传热传质的机 " " "$, 型, 解决了几十年来稻谷的爆腰难题 ! 参考文献:
["] 潘永康 % 现代干燥技术 [ &] 化学工业出版社, % 北京: "’’(,

!





在相同的干燥周期下, 高温供热比低温供热爆 ") 腰率小, 高温供热稻谷在内循环能得到缓冲作用, 干燥 品质好, 因而高温供热方案较好; 高温供热比低温供热脱水量大, 爆腰率小, 因 !) 为是顺应稻谷结构而提供的逐渐升温, 每次循环又有 降温缓苏, 它与高温突然供热而长期缓苏相比, 具有更

)*# + )*( % [!] 孟宪玲, 治德 % 蔬菜种子干燥的临界安全温度及动力学 分析 [ ,] (-) : % 农业机械学报,!$$$, #" *) + .$ % [#] 杨俊红, 李 讯 % 谷物的红外辐射振动流化优化传热传质机 理研究 [ ,] (-) : % 工程热物理学报, "’’. ,") -*! + -** % [-] 李业波, 曹崇文 % 水稻颗粒内部的应力分析 [ ,] % 北京农业 (.) : 工程大学学报, "’’# ,"# *- + .$ %

!"#$%&"’& (# )*+,"- .&/0&*12%*& (" 23& 4,’& 5*1’6,"- ," 1 4,’& 7&*"&$
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