稻谷的滾筒式氣體射流沖擊干燥實驗研究

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 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國是世界水稻生產第一大國，2016年水稻年產量約20 707.5萬t，占世界稻谷產量的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，極易發熱變質，快速脫水是稻谷儲藏的關鍵操作之一。稻谷淀粉含量較高，為多層結構熱敏性物料，對干燥過程比較敏感，其干燥特性不同于其它糧食,干燥速度或工藝不當都會對稻谷產生重要影響。在高溫熱力作用下，稻谷籽粒體外層結構收縮，制約其內部米胚水分向外擴散，造成米胚表面水分蒸發聚積，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[4-6]。

馬培勇、張靜[7]等采用自制實驗平臺進行了稻谷真空干燥動力學實驗，發現干燥溫度對稻谷干燥過程有顯著影響，相對壓力影響不明顯。謝婷婷[8]研究了早秈稻谷的太陽能輔助熱泵聯合干燥，發現太陽能輔助熱泵聯合干燥早秈稻谷可以明顯地縮短干燥時間，且干燥效果良好。劉宜鋒、林建全[9]等進行了稻谷熱風干燥關鍵技術工藝優化的研究，并給出了稻谷熱風干燥較佳工藝條件。吳中華、劉兵[10]等利用聲發射系統監測稻谷籽粒熱風干燥過程中微裂紋的形成和發展，發現恒溫干燥溫度以40℃～45℃為宜，等溫度干燥-緩蘇條件下干燥溫度可提高到50℃。

在氣流沖擊式轉筒干燥機的相關研究上,日本學者Yamato[11]研制出了一種名為YAMATO TACA ROTARY DRYER(TACO=THROUGH AIR COMBINATION)的氣流沖擊式轉筒干燥機，在廢棄物的干燥試驗上取得了較好的研究成果。巴西學者M.A.S.Barrozo[12]等人以化肥為干燥物料，通過實驗對比了氣流沖擊式滾筒干燥機與常規式轉筒干燥機的干燥性能，得知氣流沖擊式轉筒干燥的傳熱系數比常規干燥方式高出約50%。姚雪東[13]設計了一種氣流沖擊式轉筒干燥機，工作時可根據不同物料的特性和產品要求調整其工作參數和結構參數，并以牧草種子為例對干燥機進行了性能試驗，干燥后的牧草種子可達到國家Ⅰ級種子標準。

根據前人研究結果發現，溫度對稻谷干燥過程的影響較為顯著。鑒于現存稻谷干燥時間長、干燥效果不均勻及稻谷爆腰率高等缺點，本研究擬將氣體射流沖擊干燥技術應用于稻谷干燥，研究稻谷干燥規律，以期快速、優質地降低稻谷含水量，提高稻谷儲藏性能，為氣體射流沖擊干燥技術的工業化應用提供理論和技術依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

稻谷種子：糧香5號，新疆石河子145團水稻研究所提供。稻谷種子的初始濕基含水率約12.1%，為滿足試驗要求需進行復水處理至濕基含水率約20.0%。復水處理后的稻谷種子置于溫度和相對濕度分別為(4±1)℃和(96±2)%的冰柜內貯藏24h，使加濕后的稻谷種子濕度趨于一致，為實驗做好原料準備。

1.2 實驗儀器及設備

滾筒式氣體射流沖擊干燥機：新疆石河子大學機電學院干燥技術與裝備實驗室研發(發明專利號：ZL2015 I 0325849.0)，如圖1所示。

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

1. 進/出料口 2.滾筒 3.加熱系統 4.送風管 5.風機 6.電機 7.機架 8.噴嘴模塊

1.3 實驗方法

1.3.1 稻谷干燥單因素實驗設計

本研究分別對稻谷干燥過程中熱風溫度、風速、轉速等工藝參數進行優化，且對其應力裂紋率(爆腰率)、發芽率做了對比分析，從而選擇較優的干燥工藝參數，具體單因素實驗設計如表1所示。

表1 單因素實驗設計表

續表1

打開實驗裝置，設定干燥工藝參數，進行預熱至溫度恒定；取實驗稻谷2 500g，測其初始含水率之后進行干燥實驗；每隔10min取50g樣品測其含水率、發芽率和爆腰率，記錄實驗數據，直至稻谷濕基含水率在14%以下，結束實驗。為降低實驗誤差，每組實驗重復3次。

1.3.2 稻谷發芽實驗

稻谷種子發芽率測定方法：GB/T 3543.4—1995 農作物種子檢驗規程-發芽試驗。

2 實驗結果與分析

2.1 風溫對稻谷干燥效果的影響

由不同風溫下稻谷的干燥曲線(見圖2)可以看出：稻谷整個干燥過程屬于降速干燥，隨著風溫提高，干燥時間相應縮短；當溫度高于60℃時，干燥時間明顯縮短。

由不同風溫下稻谷的發芽率曲線(見圖3)可以看出：干燥溫度為60℃稻谷的發芽率最好，溫度過低或者過高發芽率都會下降；溫度為80℃時，發芽率才達到60%。由稻谷的發芽數據分析得出：干燥溫度過高會破壞稻谷的活性，溫度過低干燥時間隨之延長也會影響稻谷的生物活性。

由不同溫度下稻谷的爆腰率條形(見圖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℃時稻谷種子的爆腰情況有所減輕，中度爆腰率小于55℃時的中度爆腰率；當溫度高于70℃時，中度爆腰率增高，且出現重度爆腰情況，重度爆腰率隨溫度的增加而升高。

圖2 不同風溫下稻谷的干燥曲線

圖3 不同風溫下稻谷的發芽率

圖4 不同風溫下稻谷的爆腰率

方差分析結果顯示(見表2)：風溫對稻谷干燥過程的影響顯著。

在實驗范圍內，風溫越高干燥時間越快，但風溫過高，稻谷的發芽率降低，爆腰嚴重；溫度過低，干燥時間隨之過長會破壞稻谷胚胎，影響發芽。綜合干燥速率和稻谷的發芽率和爆腰率，確定最佳干燥溫度為60℃。

表2 不同風溫下稻谷含水率方差分析表

F值顯著水平在α=0.05。

2.2 風速對稻谷干燥效果的影響

根據2.1的實驗結果，選定風溫為60℃進行不同風速下的稻谷干燥實驗。

由不同風速下稻谷干燥曲線(見圖5)可以看出：在實驗范圍內，稻谷干燥速率隨著風速的提高，干燥時間相應縮短。

由不同風速下稻谷發芽率曲線(見圖6)可以看出：在一定風速范圍內隨風速的提高稻谷發芽率先增高后降低，當風速為23m/s時稻谷的發芽率最高。

由不同風速下稻谷的爆腰率條形(見圖7)可以看出：風速對稻谷種子的爆腰率影響不明顯，且整個干燥過程沒有出現嚴重爆腰情況。

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

圖6 不同風速下稻谷的發芽率

圖7 不同風速下稻谷的爆腰率

由方差分析結果可知：風速對稻谷的干燥過程影響不顯著，如表3所示。

表3 不同風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驗裝置是用電加熱器加熱空氣，再由離心風機將熱空氣以一定的速度通過噴嘴送入干燥室內沖擊物料。當風速過低時，加熱器不能及時、均勻地將加熱器周圍的熱空氣和離心機送入的冷空氣混勻，導致噴入干燥室內的熱風溫度波動大，溫濕度傳感器給出的控制信號頻繁，容易引起溫度控制超出調范圍，溫度穩定性差。當溫度過高時，會影響稻谷的發芽率，綜合各因素選取最佳干燥風速為23m/s。

2.3 轉速對稻谷干燥效果的影響

根據2.1、2.2的實驗結果，選定風溫為60℃，風速為23m/s，進行不同轉速下的稻谷干燥實驗。

由不同轉速下稻谷干燥曲線圖8可知：當風溫、風速恒定，滾筒轉速分別為1.5、2.5、3.5r/min時對應的干燥時間都是45min。這說明，實驗范圍內，隨著轉速的提高，稻谷干燥時間不變，轉速對干燥速率的影響不大。

由不同轉速下稻谷的發芽率圖曲線(見圖9)可以看出：在實驗范圍內，當風溫、風速恒定時，不同滾筒轉速條件下干燥后稻谷發芽率基本無明顯差異。這說明，滾筒轉速對干燥后稻谷發芽率影響不顯著。

由不同轉速下稻谷的爆腰率條形(見圖10)可以看出：當風溫、風速恒定，滾筒轉速不同時，稻谷爆腰率無明顯差異，并且整個干燥過程沒有出現嚴重爆腰現象。

由方差分析結果顯示，不同轉速對稻谷干燥過程的影響不顯著，如表4所示。

當風溫、風速恒定，不同滾筒轉速條件下稻谷干燥所需時間基本不變，但轉速為3.5r/min時稻谷的發芽率有所降低，中度爆腰率有所提高。在實驗范圍內，綜合考慮干燥速率、發芽率和爆腰率，確定最佳干燥轉速為2.5r/min。

圖8 不同轉速下稻谷干燥曲線

圖9 不同轉速下稻谷的發芽率

圖10 不同轉速下稻谷的爆腰率

表4 不同轉速下稻谷含水率方差分析表

F值顯著水平在α=0.05。

3 結論

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

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

3)轉速在1.5～3.5r/min范圍內變化時，干燥速率、發芽率和爆腰率隨轉速提高基本不變。方差分析表明：轉速變化對干燥速率的影響不顯著，對稻谷發芽率和爆腰率的影響不明顯。