第五章 谷物干燥

1、目的：利于長期貯藏。能耗最高的谷物收后處理環(huán)節(jié)（人工干燥）。研究谷物干燥的原理、方法，合理選擇干燥機型，有利于節(jié)約一次性投資，降低干燥成本。保證谷物烘后品質(zhì)。 第一節(jié)第一節(jié) 谷物干燥原理谷物干燥原理 一、谷物中的水分谷物的主要成分：淀粉、蛋白質(zhì)、脂類、礦物質(zhì)和水分。淀粉、蛋白質(zhì)屬于具有膠體毛細管結(jié)構(gòu)的多孔性生物物料，谷物的水分由于和谷物膠體物質(zhì)結(jié)合力的不同而以不同的形式存在。谷物中水分存在形式：機械結(jié)合水，物理化學結(jié)合水，化學結(jié)合水。 機械結(jié)合水：機械結(jié)合水機械結(jié)合水是指處于是指處于谷物表面和粗毛細管內(nèi)的水分。谷物表面和粗毛細管內(nèi)的水分。這部分水分這部分水分與物料結(jié)合較松弛，沒有一定的數(shù)量比例

2、，與物料結(jié)合較松弛，沒有一定的數(shù)量比例，以液態(tài)存在且易于蒸發(fā)。機械結(jié)合水極易被以液態(tài)存在且易于蒸發(fā)。機械結(jié)合水極易被微生物及酶所利用，谷物干燥過程中必須除微生物及酶所利用，谷物干燥過程中必須除去這部分水分。去這部分水分。物理化學結(jié)合水：物理化學結(jié)合水可分為吸附水分、滲透水分和結(jié)構(gòu)水分。這部分水分與物料之間沒有嚴格的數(shù)量比例。吸附水分包括物理吸附水和化學吸附水。由于谷粒及毛細管內(nèi)壁表面分子引力的不平衡性，該分子要通過分子間力、范德華力、氫鍵等吸附周圍水蒸汽中的水分子以達到平衡，這部分水分為物理吸附水分；化學吸附水分指與吸附物料以化學力相結(jié)合的那部分水分；滲透水分指在滲透壓的作用下進入細胞內(nèi)的那部

3、分水分；結(jié)構(gòu)水分指膠體物質(zhì)固化形成凝膠時，保留在凝膠內(nèi)部的水分。谷物干燥過程中要除去物理吸附水分、滲透水分及部分化學吸附水分和部分結(jié)構(gòu)水分。 化學結(jié)合水：化學結(jié)合水是指滲入物料分子的內(nèi)部，與物料結(jié)合非常牢固的那部分水分。要用化學反應(yīng)或強烈熱處理的方法才能除去這部分水分。去除化學結(jié)合水必然引起谷物物理及化學性質(zhì)的變化。該部分水分與物料之間有著嚴格的數(shù)量比例?；瘜W結(jié)合水不是谷物干燥過程中要去除的水分。谷物干燥過程需要去除的水分：機械結(jié)合水，物理吸附水，滲透水分，部分化學吸附水分，部分結(jié)構(gòu)水分?？偪偹址肿宰杂捎伤址制狡胶夂馑址址墙Y(jié)合水分非結(jié)合水分結(jié)結(jié)合合水水分分x*x0 x1空氣相對濕度

4、空氣相對濕度100%物物料料的的含含水水量量0谷物水分含量表達形式： 干基水分： 濕基水分： 兩者之間的換算關(guān)系： bdwWWM 100bwWWMMMM1谷物水分分布的不均勻性谷物水分分布的不均勻性 同一批谷物不同谷粒之間水分分布是不均勻的，這與谷物收獲時就存在粒間水分差異及收后處理有關(guān)，收后儲藏可以降低水分差。谷粒間水分的不均勻性是導(dǎo)致烘后谷物水分不均勻的主要因素之一。 單一谷粒不同部位水分分布也是不均勻的，如：胚和胚乳之間的水分含量存在差異，谷粒內(nèi)外層之間水分含量也存在差異。 通常在干燥初期，谷粒內(nèi)外的水分梯度很大，隨著干燥進行水分梯度降低。谷物不同組織結(jié)構(gòu)部位水分含量差異是由其物質(zhì)組成和

5、細胞結(jié)構(gòu)不同造成的，谷粒內(nèi)外層之間水分含量差異會對谷物的干燥特性產(chǎn)生影響。玉米玉米：隨著水分含量的增加，其抗壓強度、彈性模隨著水分含量的增加，其抗壓強度、彈性模量、最大壓應(yīng)力及剪應(yīng)力都降低。小麥量、最大壓應(yīng)力及剪應(yīng)力都降低。小麥：隨著水分隨著水分含量增加，最大壓應(yīng)力和彈性模量降低。含量增加，最大壓應(yīng)力和彈性模量降低。干燥將使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，谷粒力學特性的不同干燥將使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，谷粒力學特性的不同將導(dǎo)致不同水分的谷粒對相等的應(yīng)力有不同的反應(yīng)，將導(dǎo)致不同水分的谷粒對相等的應(yīng)力有不同的反應(yīng)，從而決定谷粒在干燥過程中是否產(chǎn)生裂紋。從而決定谷粒在干燥過程中是否產(chǎn)生裂紋。水分對谷粒物理特性的影響水

6、分對谷粒物理特性的影響 對于溫度相同的谷粒或谷粒的不同部位，由對于溫度相同的谷?；蚬攘５牟煌课?，由于水分含量的不同，可能使其處于不同的相態(tài)于水分含量的不同，可能使其處于不同的相態(tài)：玻璃態(tài)或橡膠態(tài)。谷物處于橡膠態(tài)時的熱體積膨玻璃態(tài)或橡膠態(tài)。谷物處于橡膠態(tài)時的熱體積膨脹系數(shù)是處于玻璃態(tài)時的脹系數(shù)是處于玻璃態(tài)時的6 6倍。谷物處于不同相倍。谷物處于不同相態(tài)時，力學特性將發(fā)生明顯變化，谷物力學特性態(tài)時，力學特性將發(fā)生明顯變化，谷物力學特性的不同將決定在后續(xù)的處理過程中是否產(chǎn)生裂紋的不同將決定在后續(xù)的處理過程中是否產(chǎn)生裂紋甚至破碎。甚至破碎。狀態(tài)方程及道爾頓定律 理想氣體的狀態(tài)方程 濕空氣的壓力 RT

7、WVPaaavadaPPPTRWVPadadaadTRWVPvvav其他參數(shù)：濕含量 相對濕度 比熱 比容 焓 vavadvadvPPP622. 0PP622. 0WWd100PP100ddRHsbvsbvvadaCCCd608. 11PTRWVabsdada1000d2512T88. 1T005. 1I濕焓圖 四、薄層干燥 定義： 薄層干燥是指谷物干燥層的厚度很薄，可以是單層谷粒也可以是多層谷粒，干燥介質(zhì)通過谷物薄層以后溫度和相對濕度可以認為沒有變化的干燥過程。 薄層的厚度取決與風速、風溫及相對濕度。ABCDEX表表面面溫溫度度干燥時間干燥時間ABCDEABCDEXU1、干燥曲線：干燥過程中

8、物料含水量與干燥時間、干燥曲線：干燥過程中物料含水量與干燥時間、物料表面物料表面溫度的關(guān)系曲線。溫度的關(guān)系曲線。 2、干燥速率曲線：物料干燥速率與物料含水量的關(guān)系曲線。、干燥速率曲線：物料干燥速率與物料含水量的關(guān)系曲線。 干燥速率（單位時間降水量，dM/dt）保持恒定。物料溫度不升高，等于濕空氣的濕球濕度(T Twbwb)。空氣通過對流傳遞給物料的熱量QQ1 1等于水分蒸發(fā)吸收的熱量Q Q2 2?？諝馔ㄟ^對流傳遞給物料的熱量Q1等于水分蒸發(fā)吸收的熱量Q2。wbasTTAhQ1wbaoddsTThVAhdtdMdtdMhVQodd2d：干物質(zhì)密度：干物質(zhì)密度(kg/m3)， Vd：干物質(zhì)體積：干

9、物質(zhì)體積(m3)，A：表面積：表面積(m2)，hs:表面表面對流換熱系數(shù)（對流換熱系數(shù)（kJ/m2.），h0：自由水分汽化熱：自由水分汽化熱(kJ/kg.H2O).干燥速度等于同一條件下自由水分的蒸發(fā)速度；取決于干燥介質(zhì)溫度、相對濕度和介質(zhì)流速，屬外部控制階段。恒速干燥階段結(jié)束時物料的含水量為臨界水分含量。高水分(濕基水分超過7075%)的生物物料在干燥的開始時存在一個恒速干燥階段，但持續(xù)時間較短。谷物干燥中一般不存在恒速干燥階段。水分含量低于臨界水分含量以后的干燥過程。物料表面的水蒸氣分壓Pv降至濕球溫度時的水蒸氣分壓Pvwb以下，干燥的動力來源Pv=Pvwb-Pv變小，干燥速率降低，進入降

10、速干燥階段。物料內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度，溫度開始上升，高于濕球溫度。物料表面的水分蒸發(fā)速度大于內(nèi)部水分的的擴散速度，干燥為內(nèi)部擴散速度控制。一般情況下，谷物的干燥均處在降速干燥階段。降速干燥階段最終達到的物料的水分含量為平衡水分，如果干燥介質(zhì)的溫度、濕度不變，那么相對于這個條件下，物料的平衡水分就是這種物料可以干燥的極限。 谷物的吸濕 在谷物干燥的工程實踐中，由于不正當?shù)牟僮鳎赡軙霈F(xiàn)谷物的吸濕現(xiàn)象。干燥段或冷卻段高度設(shè)計不當或風量過小.烘后谷物長時間暴露于相對濕度高的空氣中。谷物的吸濕過程可近似看著是干燥的逆過程。 nt KexpMRMR:水分比，(M-Me)/MiMe Mi：初水分，Me：平衡

11、水分，K：0.003818Mi+0.008185T-0.038293n：0.679247谷物的冷卻 谷物經(jīng)過干燥以后往往溫度較高，必需經(jīng)過冷卻使谷物的溫度降低到一定的程度才能進行長期安全貯藏。外溫低于0，冷卻后的谷物溫度不得超過8，外溫高于0，冷卻后的谷物溫度不得超過外溫8（GB）。降溫為主，同時也存在降水現(xiàn)象。o2TW 谷物的緩蘇緩蘇指在谷物通過一個干燥過程以后停止干燥，保持溫度不變，維持一定時間段，使谷粒內(nèi)部的水分向外擴散，降低內(nèi)外的水分梯度的過程。 第二節(jié)第二節(jié) 谷物干燥特性谷物干燥特性 一、谷物的物理特性一、谷物的物理特性 3keeV6d edVA6Mckdk1 谷物品種比表面積(m2

12、/m3)大麥1483小麥1820軟麥1181稻谷1036.51063.0稻谷1132玉 米784.12谷物品種水分含量(kgH2O/kg)谷粒密度(kg/dm3)小麥91.49玉米91.25大豆31.24大麥41.37油菜籽0.091.091.13燕麥01.33 kb1100谷物品種空隙度(%)小麥3840玉米5356大豆38大麥4450油菜籽3335燕麥5259一些谷物的空隙度一些谷物的空隙度糧層阻力糧層阻力bQaQP1ln22QbQaP二、谷物的熱特性二、谷物的熱特性 比熱： 41

13、86J/kg.K 是水的比熱；Cd是干物質(zhì)的比熱； 導(dǎo)熱系數(shù)：谷物的導(dǎo)熱系數(shù)與谷物的密實度，水分、溫度有關(guān)； 其他：熱擴散系數(shù) 、對流換熱系數(shù) 、水分擴散系數(shù)、谷物的平衡水分、水分的汽化熱。 Mccdp4186谷物的平衡水分：當谷物處在一定溫度和濕度的空氣中時，水分的轉(zhuǎn)移與水蒸氣分壓差有關(guān)。當谷物的水蒸氣分壓與周圍空氣的水蒸氣分壓相等時，谷物的含水量與周圍空氣達到平衡，不再發(fā)生變化，這時的水分稱為谷物的平衡水分。谷物的平衡水分除與谷物自身的特性有關(guān)外，還與周圍空氣的溫度及相對濕度、水蒸氣分壓、水分平衡方式、谷物品種和成熟度有關(guān)。谷物通過吸濕達到的平衡水分往往比通過解吸達到的平衡水分要低，這種現(xiàn)

14、象稱為吸濕滯后。第三節(jié)第三節(jié) 谷物干燥方法谷物干燥方法 一、對流干燥法一、對流干燥法依據(jù)谷物床層的性質(zhì)的分類：依據(jù)谷物床層的性質(zhì)的分類： 固定床干燥法、移動床干燥法 疏松床干燥法、流化床干燥法。固定床干燥法、就倉干燥移動床干燥法 錯流干燥法順流干燥法逆流干燥法混流干燥法錯流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向垂直的錯流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向垂直的干燥方法，錯流干燥中內(nèi)外層谷物受熱也不均勻，干燥方法，錯流干燥中內(nèi)外層谷物受熱也不均勻，降水也不均勻。降水也不均勻。順流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向一致的順流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向一致的干燥方法，谷物的最高溫度比熱風的入口溫度要干燥

15、方法，谷物的最高溫度比熱風的入口溫度要低得多，所以，順流干燥中風溫可以用得很高。低得多，所以，順流干燥中風溫可以用得很高。逆流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方逆流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向相反的干燥方法，出口谷物溫度接近向相反的干燥方法，出口谷物溫度接近進口熱風溫度，所以，逆流干燥中所用進口熱風溫度，所以，逆流干燥中所用風溫要低。風溫要低?；炝鞲稍锓ǎ褐父稍锝橘|(zhì)流向與糧流方混流干燥法：指干燥介質(zhì)流向與糧流方向既存在順流又存在逆流甚至錯流的一向既存在順流又存在逆流甚至錯流的一種的干燥方法，谷物在整個干燥過程中種的干燥方法，谷物在整個干燥過程中交替多次地經(jīng)過逆流干燥交替多次地經(jīng)過逆流干燥-順流

16、干燥，谷順流干燥，谷物溫度低于進口熱風溫度，所以，混流物溫度低于進口熱風溫度，所以，混流干燥中所用風溫較高。干燥中所用風溫較高。疏松床干燥法 流化床干燥法 流化床干燥的特點流化床干燥的特點氣流速度比固定床時明顯要高。氣流速度比固定床時明顯要高。流態(tài)化時，谷粒與氣體接觸面積增加，傳熱、流態(tài)化時，谷粒與氣體接觸面積增加，傳熱、傳質(zhì)速度快。傳質(zhì)速度快?；旌弦蛩赜欣谔岣吒稍锏木鶆蛐??；旌弦蛩赜欣谔岣吒稍锏木鶆蛐?。谷物與熱風接觸的時間短，熱風溫度可以較谷物與熱風接觸的時間短，熱風溫度可以較高，因而干燥速率大。高，因而干燥速率大。二、傳導(dǎo)干燥法二、傳導(dǎo)干燥法傳導(dǎo)干燥法是指干燥介質(zhì)通過傳導(dǎo)把熱量傳遞給谷

17、物傳導(dǎo)干燥法是指干燥介質(zhì)通過傳導(dǎo)把熱量傳遞給谷物的干燥方法。根據(jù)干燥介質(zhì)不同又可分為蒸汽干燥法的干燥方法。根據(jù)干燥介質(zhì)不同又可分為蒸汽干燥法和惰性粒子干燥法。和惰性粒子干燥法。2.2.惰性粒子干燥法惰性粒子干燥法將谷物與加熱的固體顆粒如沙子、沸石、鋼球混合，將谷物與加熱的固體顆粒如沙子、沸石、鋼球混合，熱量以傳導(dǎo)的方式傳遞給谷物，達到干燥谷物目的。熱量以傳導(dǎo)的方式傳遞給谷物，達到干燥谷物目的。在這種干燥方法中，由于谷物與惰性粒子接觸面積在這種干燥方法中，由于谷物與惰性粒子接觸面積大，傳熱系數(shù)高，介質(zhì)溫度高，因此干燥速度快。大，傳熱系數(shù)高，介質(zhì)溫度高，因此干燥速度快。三、輻射干燥法三、輻射干燥法

18、輻射干燥法是以輻輻射干燥法是以輻射能量為熱源的一射能量為熱源的一種干燥方法。包括種干燥方法。包括微波干燥法、紅外微波干燥法、紅外干燥法和太陽能干干燥法和太陽能干燥法。燥法。2.2.微波干燥法微波干燥法含水谷物在經(jīng)過微波輻射后，含水谷物在經(jīng)過微波輻射后，能夠吸收微波能而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軌蛭瘴⒉芏D(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩岣咦陨頊囟?，水能，從而提高自身溫度，水分由?nèi)向外擴散，到達谷粒分由內(nèi)向外擴散，到達谷粒表面，蒸發(fā)到周圍空氣中或表面，蒸發(fā)到周圍空氣中或由干燥介質(zhì)帶走。由干燥介質(zhì)帶走。3.3.太陽能干燥法太陽能干燥法太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，利用太陽輻太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，利用太陽輻射熱

19、將物料中水分蒸發(fā)出去的干燥方法稱為太陽能射熱將物料中水分蒸發(fā)出去的干燥方法稱為太陽能干燥法。太陽能干燥的主要部件為太陽能集熱器，干燥法。太陽能干燥的主要部件為太陽能集熱器，一般由吸熱體、蓋板、保溫層和外殼構(gòu)成。吸熱體一般由吸熱體、蓋板、保溫層和外殼構(gòu)成。吸熱體吸收太陽能轉(zhuǎn)化為自身的熱能，溫度升高，當外部吸收太陽能轉(zhuǎn)化為自身的熱能，溫度升高，當外部空氣流經(jīng)吸熱體時，通過對流換熱得到升溫，既可空氣流經(jīng)吸熱體時，通過對流換熱得到升溫，既可用于谷物的干燥。用于谷物的干燥。 四、組合干燥法四、組合干燥法 1 1、多種干燥方法的聯(lián)合應(yīng)用：如微波干燥與對流、多種干燥方法的聯(lián)合應(yīng)用：如微波干燥與對流干燥的組合

20、。轉(zhuǎn)筒干燥法及蒸汽干燥法實際是對干燥的組合。轉(zhuǎn)筒干燥法及蒸汽干燥法實際是對流干燥與傳導(dǎo)干燥的組合。流干燥與傳導(dǎo)干燥的組合。 2 2、高低溫聯(lián)合干燥法：高低溫聯(lián)合干燥法是指谷、高低溫聯(lián)合干燥法：高低溫聯(lián)合干燥法是指谷物經(jīng)高溫連續(xù)干燥，當水分降到物經(jīng)高溫連續(xù)干燥，當水分降到18%18%左右時，將谷左右時，將谷物轉(zhuǎn)移到低溫干燥倉內(nèi)，采用低溫通風干燥，除物轉(zhuǎn)移到低溫干燥倉內(nèi)，采用低溫通風干燥，除去剩余水分。高低溫聯(lián)合干燥法具有能耗低、谷去剩余水分。高低溫聯(lián)合干燥法具有能耗低、谷物烘后品質(zhì)好的優(yōu)點，但是要配置大容量的通風物烘后品質(zhì)好的優(yōu)點，但是要配置大容量的通風干燥倉，設(shè)備基礎(chǔ)投資大。干燥倉，設(shè)備基礎(chǔ)投

21、資大。五、谷物烘后品質(zhì)控制五、谷物烘后品質(zhì)控制 谷物的烘后品質(zhì)越來越引起重視，烘后品質(zhì)谷物的烘后品質(zhì)越來越引起重視，烘后品質(zhì)指標主要包括烘后玉米的淀粉提取率、小麥的面指標主要包括烘后玉米的淀粉提取率、小麥的面筋值含量等生化指標，以及烘后玉米、稻谷的裂筋值含量等生化指標，以及烘后玉米、稻谷的裂紋率、破碎率等物理指標?，F(xiàn)有的谷物烘后品質(zhì)紋率、破碎率等物理指標。現(xiàn)有的谷物烘后品質(zhì)指標以裂紋率最為重要，裂紋率高則破碎敏感度指標以裂紋率最為重要，裂紋率高則破碎敏感度增加，谷物在后續(xù)的儲藏、輸送處理過程中容易增加，谷物在后續(xù)的儲藏、輸送處理過程中容易破碎，這將對谷物干燥企業(yè)的經(jīng)濟利益產(chǎn)生直接破碎，這將對谷

22、物干燥企業(yè)的經(jīng)濟利益產(chǎn)生直接的影響。的影響。1 1、裂紋形成機理：、裂紋形成機理：谷物干燥過程中由于內(nèi)外的不均勻收縮而產(chǎn)生應(yīng)谷物干燥過程中由于內(nèi)外的不均勻收縮而產(chǎn)生應(yīng)力，當該應(yīng)力超過谷粒的應(yīng)力極限時形成裂紋。力，當該應(yīng)力超過谷粒的應(yīng)力極限時形成裂紋。引起裂紋的主要原因：谷物自身特性、干燥速率、引起裂紋的主要原因：谷物自身特性、干燥速率、冷卻速率等。冷卻速率等。干燥改變了谷物的水分和溫度，從而改變了谷粒干燥改變了谷物的水分和溫度，從而改變了谷粒的力學特性，另一方面通過干燥也使谷物內(nèi)部產(chǎn)的力學特性，另一方面通過干燥也使谷物內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，兩者結(jié)合導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。生應(yīng)力，兩者結(jié)合導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。由于谷物的主要成分是淀粉，谷物干燥及冷卻的由于谷物的主要成分是淀粉，谷物干燥及冷卻的過程中存在玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，谷物加熱過程中，過程中存在玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，谷物加熱過程中，谷物將由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到橡膠態(tài)，內(nèi)外層水分不均谷物將由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到橡膠