谷物科學第五章

第五章谷物干燥收獲后的谷物只有在水分降到安全水分時，才能進行長期貯藏。對谷物進行人工干燥，降低谷物水分是谷物收后的重要處理環(huán)節(jié)，也是能耗最高的收后處理單元。了解谷物干燥的基本原理和主要特性，了解谷物干燥方法和干燥機型，保證谷物烘后品質(zhì)。第一節(jié)谷物干燥原理

一、谷物中的水分機械結(jié)合水：表面和粗毛細管內(nèi)的水分，結(jié)合松弛，干燥過程中必須除去。物理化學結(jié)合水：干燥過程中要除去物理吸附水分、部分化學吸附水分、滲透水分和部分結(jié)構(gòu)水分?；瘜W結(jié)合水：不是干燥過程要去除的水分。谷物干燥過程是干燥介質(zhì)把熱量傳遞給谷物，同時帶走谷物水分的過程，是谷物與干燥介質(zhì)之間傳熱與傳質(zhì)的過程。干基水分：

濕基水分：

兩者之間的換算關(guān)系：Ww：水分質(zhì)量(kg)Wb：濕谷物質(zhì)量(kg)Wbd：谷物干物質(zhì)質(zhì)量(kg)

谷物水分含量表達形式：水分分布的不均勻性

對一批谷物來說，不同谷粒之間的水分含量可能會有很大的差異。

谷粒間水分的不均勻性是導致烘后谷物水分不均勻的主要因素之一。

就單一谷粒來說，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（物質(zhì)組成和細胞結(jié)構(gòu)不同）。

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。水分對谷粒力學特性的影響干燥將使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生應力，谷粒力學特性的不同將導致不同水分的谷粒對相等的應力有不同的反應，從而決定谷粒在干燥過程中是否產(chǎn)生裂紋。

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)-玻璃態(tài)或橡膠態(tài)。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。玻璃化轉(zhuǎn)變在聚合物化學中，一般將基質(zhì)在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時所處的狀態(tài)稱為玻璃態(tài)；將基質(zhì)在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時所處的狀態(tài)稱為橡膠態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變是將基質(zhì)從橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變。玻璃態(tài)時，由于體系粘度較高而自由體積較小，一些受擴散的反應速率十分緩慢，甚至不會發(fā)生；在橡膠態(tài)時體系的粘度明顯降低，但自由體積顯著增大使擴散控制的反應速率在迅速加快。因此，玻璃態(tài)對食品加工、儲藏的安全性和穩(wěn)定性都十分重要。玻璃態(tài)是介于結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它的粒子不像晶體那樣有嚴格的空間排列，但又不像無定形體那樣無規(guī)則排列。有人把玻璃態(tài)形象地稱為“短程有序，遠程無序”，即從小范圍看，它有一定的晶型排列，從整體看，卻像無定形物質(zhì)那樣無晶形的排列規(guī)律。玻璃態(tài)物質(zhì)沒有固定的熔點，而是在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，變成液態(tài)。聚合物的力學狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變聚合物的物理狀態(tài)從熱力學和動力學不同角度可分為相態(tài)和聚集態(tài)。相態(tài)是熱力學概念，由自由焓、溫度、壓力和體積等熱力學參數(shù)決定。相態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著熱力學參數(shù)的突變。相態(tài)的轉(zhuǎn)變僅與熱力學參數(shù)有關(guān)，而與過程無關(guān)，也稱熱力學狀態(tài)。聚集態(tài)是動力學概念，是根據(jù)物體對外場（外部作用）特別是外力場的響應特性進行劃分，所以也常稱為力學狀態(tài)。聚合物在不同外力條件下所處的力學狀態(tài)不同，表現(xiàn)出的力學性能也不同。聚合物的結(jié)構(gòu)與性能聚合物的力學狀態(tài)非晶態(tài)聚合物的力學三態(tài)若對某一非晶態(tài)聚合物試樣施加一恒定外力，觀察試樣在等速升溫過程中發(fā)生的形變與溫度的關(guān)系，便得到該聚合物試樣的溫度--形變曲線（或稱熱--機械曲線）。非晶態(tài)聚合物典型的熱--機械曲線如下圖，存在兩個斜率突變區(qū)，這兩個突變區(qū)把熱-機械曲線分為三個區(qū)域，分別對應于三種不同的力學狀態(tài)。形變溫度IIIIII聚合物的結(jié)構(gòu)與性能在區(qū)域I，溫度低，聚合物在外力作用下的形變小，具有虎克彈性行為，形變在瞬間完成，當外力除去后，形變又立即恢復，表現(xiàn)為質(zhì)硬而脆，這種力學狀態(tài)與無機玻璃相似，稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)溫度形變IIIIII聚合物的結(jié)構(gòu)與性能隨著溫度的升高，形變逐漸增大，當溫度升高到某一程度時，形變發(fā)生突變，進入?yún)^(qū)域II，這時即使在較小的外力作用下，也能迅速產(chǎn)生很大的形變，并且當外力除去后，形變又可逐漸恢復。這種受力能產(chǎn)生很大的形變，除去外力后能恢復原狀的性能稱高彈性，相應的力學狀態(tài)稱高彈態(tài)。聚合物的結(jié)構(gòu)與性能溫度形變IIIIII玻璃態(tài)橡膠態(tài)由玻璃態(tài)向高彈態(tài)發(fā)生突變的區(qū)域叫玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，玻璃態(tài)開始向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（glasstemperature)，以Tg表示。玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)稱為聚合物的力學三態(tài)。形變溫度IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)Tg粘流態(tài)粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Tf交聯(lián)聚合物MaMbMb>Ma聚合物的結(jié)構(gòu)與性能當溫度升到足夠高時，聚合物完全變?yōu)檎承粤黧w，其形變不可逆，這種力學狀稱為粘流態(tài)。高彈態(tài)開始向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為粘流溫度，以Tf表示，其間的形變突變區(qū)域稱為粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)。分子量越大，Tf越高。交聯(lián)聚合物由于分子鏈間有化學鍵連接，不能發(fā)生相對位移，不出現(xiàn)粘流態(tài)。狀態(tài)方程及道爾頓定律二、濕空氣特性

濕空氣的壓力為干空氣分壓和水蒸氣分壓之和。Rad:干空氣的氣體常數(shù)0.287kj/kg.KRv:水蒸汽的氣體常數(shù)0.461kj/kg.K

濕含量相對濕度比熱比體積比焓I－D圖中各種狀態(tài)參數(shù)曲線走向示意圖

濕焓圖

濕空氣的一些狀態(tài)參數(shù)與大氣壓有關(guān)，在一定大氣壓下，將濕空氣的干球溫度T(℃)、濕含量d、焓I、相對濕度RH、水蒸氣分壓Pv等狀態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系繪制在一張圖上，濕焓圖，又稱I－D圖。I－D圖采用135°斜坐標系，以焓為縱坐標，濕含量為橫指標。濕空氣狀態(tài)變化過程示意圖1→2：等濕升溫過程1→3：升溫增濕過程1→4：降溫增濕過程（等焓）1→4’：實際干燥過程濕空氣狀態(tài)變化過程示意圖三、熱量傳遞過程傳熱是指熱量在空間上發(fā)生位置轉(zhuǎn)移的過程。傳熱過程中熱流總是由高溫物體流向低溫物體或從物體的高溫部分流向物體的低溫部分，傳熱是由溫度梯度或溫度差來推動的。熱量傳遞包括傳導、對流和輻射三種方式。谷物干燥一般是采用對流干燥的形式，只有在太陽能等輻射干燥中才涉及到輻射傳熱。四、谷物的薄層干燥

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?？諝饬魉伲?m/s；谷物層厚度：2.7cm薄層的厚度取決與風速、風溫及相對濕度。物料的干燥可分為恒速干燥階段和降速干燥階段。

降水速率不隨著干燥的進行而降低。干燥速率（單位時間降水量，dM/dt）保持恒定，等于同一條件下自由水分的蒸發(fā)速度。物料溫度不升高，等于濕空氣的濕球濕度(Twb)。空氣通過對流傳遞給物料的熱量Q1等于水分蒸發(fā)吸收的熱量Q2。恒速干燥階段恒速干燥階段物料在恒速干燥階段時，內(nèi)部水分擴散到表面的速度等于表面水分的蒸發(fā)速度，干燥速率取決于干燥介質(zhì)溫度、相對濕度和介質(zhì)流速，屬于外部控制階段。恒速干燥階段結(jié)束時物料的含水量稱為臨界水分含量。高水分(濕基水分超過70～75%)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。水分含量低于物料臨界水分含量時，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。降速干燥階段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。

降速干燥階段生物物料的干燥曲線

谷物的吸濕

在谷物干燥的工程實踐中，由于不正當?shù)牟僮?，可能會出現(xiàn)谷物的吸濕現(xiàn)象。干燥段或冷卻段高度設計不當或風量過小.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做是干燥的逆過程。

五、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）。在冷卻工程中以降溫為主，同時也存在降水現(xiàn)象。在谷物冷卻的過程中，可以認為谷物和干燥介質(zhì)之間的水分傳遞已經(jīng)達到平衡，即在冷卻空氣離開谷物之前其降水量已經(jīng)達到最大值。

六、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。

復合體結(jié)構(gòu)籽粒示意圖緩蘇過程中谷粒內(nèi)部水分的變化第二節(jié)谷物干燥特性

一、谷物的物理特性

谷粒的物理特性：當量直徑比表面積谷粒密度批量谷物的物理特性：谷物密度比表面積空隙度糧層阻力

糧層阻力定義：當空氣穿過谷物層時，由于空氣和谷粒之間的摩擦及渦流的作用，要消耗空氣一定的能量，表現(xiàn)為空氣穿過糧層以后壓力要降低，這個壓力降低值即為谷物對空氣的阻力。單位高度上的糧層阻力稱為單位糧層阻力，用ΔP表示。單位糧層阻力影響因素：氣流量谷物品種：不同品種的谷物由于其顆粒大小及幾何

特性的不同，造成單位糧層阻力的差異。

單位糧層阻力影響因素：雜質(zhì)的性質(zhì)與含量：對于大雜，含量越高單位糧層阻力越小，而對于小雜，雜質(zhì)含量越高單位糧層阻力越大。糧堆空隙度與裝糧方式：空隙度越大單位糧層阻力越小，由于裝糧方式的不同將導致空隙度的不同，對糧層阻力產(chǎn)生影響，這一點在谷物就倉通風時應當引起足夠重視。氣體溫度：空氣溫度升高則動力粘度系數(shù)變小，單位糧層阻力將降低，這一點在進行高溫連續(xù)谷物干燥機的設計時應當引起足夠重視。二、谷物的熱特性

熱特性都是就批量谷物來說的，參數(shù)：比熱容導熱系數(shù)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

第三節(jié)谷物干燥方法

根據(jù)谷物與干燥介質(zhì)熱量傳遞方式的不同，谷物干燥方法可以分為：對流干燥法傳導干燥法輻射干燥法組合干燥法

對流干燥法是指干燥介質(zhì)通過對流把熱量傳遞給谷物的干燥方法。根據(jù)谷物床層的性質(zhì)又可分為：固定床干燥法移動床干燥法疏松床干燥法流化床干燥法

一、對流干燥法固定床干燥法固定床干燥法是指谷物不流動，干燥介質(zhì)從糧層的下部、或上下交替穿過糧層，或從糧層中間沿徑向穿過糧層，從谷物中帶走水分的干燥方法。分為：單向通風干燥法換向通風干燥法徑向通風干燥法固定床干燥法移動床干燥法移動床干燥法是指在整個干燥過程中谷物因重力不斷向下移動的干燥方法。根據(jù)糧流方向與干燥介質(zhì)流向的相互關(guān)系，可分為：錯流干燥法（內(nèi)外層谷物受熱和降水不均）順流干燥法（谷物的最高溫度低于熱風的入口溫度）逆流干燥法（谷物的出口溫度接近進口熱風溫度）混流干燥法（谷物溫度低于進口熱風溫度）移動床干燥法

4種高溫移動床干燥中谷物水分與溫度變化過程示意圖疏松床干燥法

轉(zhuǎn)筒干燥原理圖谷物在轉(zhuǎn)筒內(nèi)呈疏松狀態(tài)，所以稱為疏松床干燥法。熱風與谷物的流向可以采用順流形式也可以采用逆流形式。筒壁可以采用雙層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)通入熱風，通過內(nèi)壁對谷物進行傳導加熱，實現(xiàn)對流干燥與傳導干燥的結(jié)合。

流化床干燥法V<V0：谷物堆放在孔板上，氣流從容器底部送入，通過孔板穿過糧層。當氣流速度低時糧粒不動，床層高度不變，既是前面所說的固定床。V0為起始流化速度或最小流化速度。

V＝V0；谷粒開始被吹起并懸浮與氣流中，谷粒間相互碰撞、混合，床層高度上升。若在料面以下容器壁上開一小孔，谷物會象流體一樣流出，這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。流化床干燥法Vt≥V>V0：氣流速度繼續(xù)增大，床層繼續(xù)膨脹，這時床層阻力等于單位面積床層的實際重量，任何額外的氣體均將作為氣泡通過床層。氣泡在剛出孔板時是小氣泡，然后很快合并，并向上穿過糧層，引起谷物的強烈混合。由于氣體聚集為氣泡，這種狀態(tài)稱為聚式流化態(tài)。V≥Vt：如果氣流速度再增大，達到谷物的懸浮速度時，谷物將被帶走，稱為氣力輸送。流化床干燥法

在流化干燥時，氣流速度高于固定床時，谷物處于流態(tài)化，谷粒與氣體接觸面積增加，因此谷物處于流化態(tài)時與氣體之間的傳熱、傳質(zhì)速度快。流化過程中谷物的混合有利于提高干燥的均勻性。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，但是排出廢氣的相對濕度較低。振動流化床可以克服普通流化床在物料粒度分布范圍大時存在的嚴重夾帶問題。

流化床干燥法二、傳導干燥法傳導干燥法是指干燥介質(zhì)通過傳導把熱量傳遞給谷物的干燥方法。根據(jù)干燥介質(zhì)不同可分為：蒸汽干燥法惰性粒子干燥法蒸汽干燥法蒸汽干燥可以分為加熱和去水兩個階段。在加熱段，高溫水蒸氣通過對流把熱量傳遞給鋼管，鋼管再通過傳導把熱量傳遞給谷物，谷物獲得熱量，溫度升高，水分向外擴散。因谷物不斷向下移動，進入排潮段以后，由干燥介質(zhì)帶走谷物表面汽化出來的水分。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，熱量以傳導的方式傳遞給谷物，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、輻射干燥法以輻射能量為熱源的一種干燥方法：微波干燥法紅外干燥法太陽能干燥法紅外干燥法波長為4μm~325μm的電磁波稱為遠紅外線。0.76μm~4.0μm的電磁波稱為近紅外線。用紅外線輻射物體時，物體將吸收一部分光能而轉(zhuǎn)化為熱能，提高自身溫度。能夠發(fā)射紅外線的裝置稱為紅外輻射加熱器，它是紅外干燥的核心裝置。從供熱方式來分有直熱式和旁熱式兩種。微波干燥法頻率范圍為300MHz～300GHz(波長1mm-1m)的電磁波稱為微波。微波通過離子傳導和偶極子轉(zhuǎn)動加熱物料。水是典型的極性分子，濕物料內(nèi)的水分主要通過偶極子轉(zhuǎn)動把微波能轉(zhuǎn)化為熱能，達到加熱物料目的。太陽能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，既可用于谷物的干燥。

1、多種干燥方法的聯(lián)合應用：如微波干燥與對流干燥的組合。轉(zhuǎn)筒干燥法及蒸汽干燥法實際是對流干燥與傳導干燥的組合。

2、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18%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干燥倉，設備基礎投資大。四、組合干燥法五、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)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、稻谷的裂紋率、破碎率等物理指標?，F(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增加，谷物在后續(xù)