宋 玉 劉 超 段依夢 曹 磊 朱昌保 周 健 洪 瑩 陶 澍 陳繼圣 王 懿 曹勝男 顧廣東

(安徽省農業(yè)科學院農產品加工研究所1，合肥 230031) (安徽省糧油科學研究所2，合肥 230001) (合肥弘恩機電科技有限公司3；合肥 230001)

稻谷作為不耐儲藏糧食，容易在其收獲、干燥、儲藏過程中受溫度、濕度、稻谷水分含量、害蟲等因素的影響，品質發(fā)生劣變[1,2]。為穩(wěn)定稻谷的品質，需要對收獲的高水分稻谷進行降水干燥處理，將稻谷含水量干燥至安全儲藏水分(濕基14%左右)后入倉儲藏[3]。目前，由于我國不同地區(qū)經濟水平、技術狀況的不平衡，對高水分糧食的干燥仍然是人工晾曬法、烘干機干燥法、就倉干燥法3種技術[4]。就倉干燥作為機械干燥的一種方式，是指將收獲的糧食存放在配有機械通風系統的筒倉內，以自然空氣或加熱空氣作為干燥介質，在較短時間內，通過糧堆內外空氣置換將糧食水分降至標準以內后就倉儲藏的過程和干燥技術[5-7]。其主要目的在于對高水分稻谷進行機械通風處理，使其在進入儲藏前可以達到安全儲藏標準含水量，延長稻谷的儲藏期，確保糧食儲藏安全性[8，9]。相對于烘干機干燥，就倉干燥具有能耗較低，對糧食品質影響較小等優(yōu)點，吳曉宇等[10]研究發(fā)現應用就倉干燥技術將稻谷含水量降至13.4%～14.9%范圍后，糧溫無異?，F象，稻谷品質無明顯變化，且相對于烘干機干燥，就倉干燥技術運行成本更低，能夠更好地在完成降水的基礎上保證稻谷品質。目前相關研究多集中在稻谷干燥過程品質變化規(guī)律方面，如Meas等[11]研究了50 ℃高溫干燥對稻谷品質的影響，結果表明谷層厚度越薄、翻動頻率越高、干燥速率越慢、空氣流速越小，稻谷的整精米率越高。為使糧堆干燥過程水分分布均勻，黃愛國等[12]采用分層就倉干燥的方式，使得稻谷糧堆平均水分由16.9%降至13.7%，水分分層現象可得到有效改善。對于整倉稻谷干燥過程糧堆水分遷移規(guī)律的研究尚少。

數學模型的建立可為干燥過程水分遷移規(guī)律提供理論支持，同時也可為后續(xù)工作減少大量工作[13]。可根據所建立的數學模型直觀的對稻谷品質[14]、水分傳遞[15]、糧堆濕熱傳遞等[16]參數的變化進行模擬。王遠成等[17]采用數值預測的方法，研究了噸糧通風量不變、糧堆初始溫度與通風空氣溫度差 8 ℃ 情況下，糧堆初始平衡濕度與通風空氣濕度差分別為-5%、0%和5%時，糧堆內部溫度和水分隨時間的變化規(guī)律。李雨朋等[18]針對營養(yǎng)粥的流化床干燥建立干燥動力學模型，結果表明Page模型最適合用來描述營養(yǎng)粥的干燥過程，且可以有效預測其干燥各階段的水分質量分數及干燥速率；戚禹康等[19]采用了計算流體動力學的方法，建立了儲藏通風模型，其結果表明裝糧高度對糧堆溫度影響效果不顯著，且針對淺圓倉，倉內徑向與垂直通風的效果相近，該結果可有效指導淺圓倉不同裝量高度下通風方向的設置。因此，建立數學模型預測不同通風條件下糧堆各層含水量等的變化有助于更深層次研究稻谷就倉干燥水分遷移規(guī)律。

為剛收獲稻谷能夠及時進行干燥，保證稻谷干燥過程品質安全，本研究模擬不同水分含量稻谷在不同通風量條件下的干燥過程，探索稻谷就倉干燥過程中的水分遷移規(guī)律，建立稻谷干燥動力學模型，為高水分稻谷就倉干燥提供必要的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

2019年產粳稻：南粳5055；產地：安徽省合肥市廬江縣；初始含水量22.60%。

模擬倉及糧情測控分機，CZR小型離心風機，Testo410-2多功能葉輪風速儀，1 m單孔扦樣器，GZX-GF 101-3BS電熱恒溫鼓風干燥箱。

如圖1、圖2所示，模擬倉直徑為800 mm，高度為1 300 mm，滿倉容量約為0.5 m3。溫濕度檢測電纜1根，位于糧堆中心位置，自糧面每隔150 mm 有一處測溫濕度傳感器，共6個點，對應取樣高度，取樣位置如圖2所示；為保證樣品具有代表性，以溫濕度電纜為中心將糧面等分3份，如圖2所示，每個取樣點距糧面150 mm 處開始取樣，以后每隔150 mm 如圖5。由圖5可知，升高配料比、提高溫度或延長反應時間可增加DOAA的得率W2。當配料比大于1∶3.5，反應溫度大于50 ℃，反應時間為大于6 h時，得率W2大于93.3%。為保證投入產出比，故選擇1∶3.5的配料比、50 ℃的反應溫度以及6 h的反應時間作為最佳反應條件。

圖1 模擬倉設計效果圖

圖2 模擬倉取樣點示意圖

1.2 方法

單位通風量的確定：單位通風量是指每小時每噸糧食的通風體積量。本實驗按批次進行，經測定3組實驗稻谷入倉前測定的初始含水量略有差異，但稻谷含水量均在21%～23%范圍內，糧層厚度約為1 m，因此，根據《糧食干燥技術簡述(續(xù)十二)》[20]中描述，確定糧堆最低單位通風量為192 m3/(h·t)。

總通風量的確定：總通風量指單位時間內通過通風系統的空氣總體積量，計算公式為：

Q總=q×V×r

(1)

式中：Q總為總通風量/m3/h；q為單位通風量/m3/(h·t)；V為糧堆體積/m3；r為糧食容重/t/m3。

據數據描述，并結合前期實驗中通風量的損失率約為25%～30%，故設計糧堆最低總通風量約為80 m3/h。3組通風量設計考慮選取最低通風量至風機最大通風量，即：80、92、104 m3/h。

風機的確定:根據最低通風量確定本實驗需風機型號為CZR小型離心風機，其基本參數為：100 W，電壓220 V，電流0.46 A，風壓240 Pa，轉速2 800 r/min，通風量為2 m3/min，由風速儀測定風機最大通風量為104 m3/h，大于實驗所需最低通風量，符合實驗所需。

根據品質變化規(guī)律實驗，將環(huán)境溫度設置為15 ℃，濕度為60%，再將稻谷質量倒入模擬倉內，至倉內1 m刻度線位置，每批稻谷總質量約為300 kg，每隔1 d按照所設取樣點取樣，測定各取樣點稻谷水分含量，直至稻谷糧堆至少有一層含水量低至14%的安全儲藏水分。

實驗原材料稻谷初始含水量等參數見表1。

表1 3個通風量條件下實驗稻谷的初始條件

1.2.3 測定方法

水分測定：參考GB/T 5497—1985《糧食、油料檢驗 水分測定法》；干燥速率計算：稻谷的干燥速率可采用Falade等[21]的計算方法測定：

(2)

式中：vi為i時刻稻谷的干燥速率/(%/d)；ωi為i時刻稻谷含水量/%；ωt為t時刻稻谷含水量/%。

水分比的計算：由公式(3)可計算就倉干燥t時刻稻谷的水分比：

(3)

式中：MR為t時刻稻谷水分比；Mt為干燥t時刻稻谷含水量/%；M0為稻谷初始含水量/%；Me為稻谷平衡含水量/%。

而稻谷平衡水分Me可根據修正 Henderson 方程平衡水分模型[22]來計算：

(4)

式中：RH為相對濕度/%；Ta為糧堆絕對溫度/K。

有效水分擴散系數計算：有效水分擴散系數可根據式(5)、式(6)計算得到：

(5)

將式(5)兩邊取對數，且令n=1，可得式(6)：

(6)

式中：MR為t時刻稻谷水分比；Deff為有效水分擴散系數/m2/d；t為干燥時間/d；L為稻谷糧層厚度的一般高度/m。

由式(6)可知，繪制lnMR與時間t之間曲線，再將曲線線性擬合，根據所得斜率即可計算稻谷糧層有效水分擴散系數Deff。

數學模型擬合度評價方程：通過8種常見的干燥數學模型對稻谷就倉干燥進行數據擬合[23-28]，根據擬合結果的相關系數R2及均方根誤差(root mean square error，RMSE)來判斷8種數學模型中最適合就倉干燥通風過程糧堆各層水分含量變化的模型。

(7)

(8)

式中：MR實測值為某一數據點實驗所測水分比；MR模擬值為某一數據點根據數學模型預測所得水分比；N為實驗數據點的個數；數學模型與實測值間擬合度可根據相關系數R2及均方根誤差RMSE來衡量，其中，相關系數R2越接近1，均方根誤差RMSE數值越小，說明方程的擬合度越好。

表2 8種干燥數學模型

1.3 數據處理

所有指標的測定做3次重復，采用Origin 9.1軟件作圖，數據分析采用SPSS25.0進行單因素ANOVA檢驗。

2 結果與分析

2.1 稻谷糧堆水分遷移規(guī)律

如圖3所示，糧堆各層水分含量呈現下降趨勢，在104 m3/h通風條件下，距離糧面75 ～90 cm處由于與空氣分配室直接接觸，相比其他糧層稻谷水分下降更快，于第8天分別降至12.13%及11.74%，每次取樣所測含水量差異顯著(P<0.05)；中間2層(45～60 cm處)水分下降速度次之，糧堆表面2層(15～30 cm處)水分下降速度相對最慢。因此，在本實驗所設最大通風條件下，稻谷糧堆水分自底部向上遷移，底部2層稻谷(75～90 cm處)水分可于第8天降至安全儲藏水分以下[29]，符合GB/T 26880—2011《糧油儲藏 就倉干燥技術規(guī)范》要求。圖3b所示糧堆最底部水分含量下降最快，但其余各層于第2天含水量均略有上升趨勢；如圖3c所示，在最低通風條件下，糧堆水分相較其他2組通風條件，水分下降最慢，于第8天底部含水量下降至13.07%，原因可能是底部與空氣分配室直接接觸，該部分稻谷中的水分可迅速被排出，水分自下向糧堆上部遷移，且通風量越大，水分下降速度越快，糧堆水分向上遷移速度越快。同時，由于糧堆較厚，且模擬倉環(huán)境濕度較大，糧堆內部水分在通風量較小條件下無法在短時間內向外遷移，導致糧堆內其余各層水分含量略有回升，水分下降速度變慢，但隨著干燥時間的增加，糧堆內部水分仍可持續(xù)自底部向表面遷移。

通過文獻梳理發(fā)現，無論是狹義上的碳信息披露還是廣義上的企業(yè)社會責任信息披露，其對企業(yè)融資約束的影響都發(fā)揮了積極的作用，但仍存在以下問題有待補充和完善：（1）直接研究碳信息披露與企業(yè)融資約束間關系的文獻較少，僅有的一篇實證文獻所采用的數據也較為陳舊，時效性方面有所欠缺；（2）已有文獻忽視了企業(yè)生命周期對碳信息披露與企業(yè)融資約束間關系的動態(tài)影響，引入企業(yè)生命周期理論對研究樣本進行分類檢驗尤為必要。

2.2 通風量對糧堆干燥速率的影響

圖4表示3個通風量下稻谷各層水分干燥速率變化。由圖4a可知，糧堆最底層稻谷水分呈現先快速降水，后趨于平衡降水狀態(tài)，前6 d處于快速降水階段，水分下降速率相對最快，而6 d后，通風干燥速率逐漸平緩，處于平衡降水階段，6 d糧層平均含水量已低于14%；距糧堆表面75 cm處，稻谷干燥速率呈現先上升后下降，最后趨于恒速下降狀態(tài)；距糧堆表面60 cm處，稻谷糧層降水規(guī)律主要由兩部分組成，即快速降水及緩慢降水階段；而糧堆上半部分糧層降水規(guī)律均一直處于快速降水階段。

圖4b可知，最底層稻谷降水過程包括：快速降水階段、慢速降水階段及恒速降水階段；而距糧堆表面75、60、45 cm處，各糧層稻谷降水速率呈現先上升后下降趨勢，75 cm糧層處，于第4天(含水量<18%)降水速率出現轉折，其余糧層于第6天(含水量<18%)出現轉折；糧堆最上面糧層，稻谷降水均處于快速降水階段。

圖4c可知，距表面90 cm處，稻谷水分下降速率呈現先上升后下降，最后略有上升趨勢，糧層平均含水量直至第8天才低于14%；距糧堆表面75、60 cm處，稻谷干燥速率呈現先上升后下降趨勢；而其余3層干燥速率均在第4天出現轉折，4 d后干燥速率均上升。

糧層含水量大于18%時，稻谷水分干燥速率逐漸加快，呈現快速降水趨勢，而當含水量處于14%～18%區(qū)間時，干燥速率下降，干燥6天后，倉內稻谷含水量低于14%時，稻谷內外水分出現平衡，此時干燥曲線較平，干燥速率接近恒速。分析原因，最底層稻谷與空氣分配室直接接觸，當稻谷含水量過高(>20%)，稻谷表面水分可被迅速帶走，通風量為104 m3/h時，稻谷水分可快速下降至14%，故不經歷慢速降水，而80、92 m3/h通風條件下，風速較慢，需要經歷14%～18%期間的慢速降水階段。

圖3 稻谷糧堆各層水分變化曲線圖

圖4 稻谷糧各層水分干燥速率變化曲線

2.3 通風量對各層稻谷水分比的影響

水分比(moisture ratio，MR)是指在一定的干燥條件下物料的剩余水分率，可間接反映在該條件下的干燥速率。由圖5可見，3種通風條件下，稻谷糧層水分比隨著通風干燥時間的延長而呈現下降趨勢，且最底層與空氣分配室直接接觸糧層水分比最小，說明糧堆失去水分越多，通風量越大，水分比下降越快。由于稻谷初始含水量低于其他2個通風量(見表1)，在92 m3/h通風條件下，前4 d的稻谷水分比相對其他2個通風條件更大，如圖5b所示，尤其第2天時，稻谷水分比除底層外均大于1；其水分比在2～4 d內下降較快，4～6 d水分比相較104 m3/h要小，又大于80 m3/h通風量下各層的水分比，此時糧層水分下降較慢，這與前文干燥速率下降情況相符；各通風條件下，最底層糧層水分比數值始終較小，但前期變化較大，由此可見底層稻谷前期(2 d)內水分迅速下降，后期下降速度逐漸平緩。分析原因，通風量越大，稻谷籽料表層形成的氣壓越高，因此稻谷表面水分可被迅速帶走[30]；而干燥后期水分比下降可能是由于干燥后期稻谷內含水量下降，稻谷內外部水分梯度逐漸變小，逐漸趨于平衡，水分很難再因機械通風而下降，故各通風條件下水分比均越來越低。

圖5 不同通風條件下糧堆各層水分比變化

2.4 通風量對糧層有效擴散系數的影響

糧層有效擴散系數可根據式(5)和式(6)，以lnMR及t作線性擬合(圖4)，得到擬合方程斜率k1，根據式(6)可計算得到不同通風條件下各層稻谷有效擴散系數。所得各層擬合方程斜率及有效擴散系數見表3。

表3 通風量對稻谷糧堆各層水分有效擴散系數的影響

有效水分擴散系數是表示物料中水分擴散情況的重要指標，反映物料在一定干燥條件下的脫水能力[31]。根據表3可知，3種通風條件下稻谷糧層有效水分擴散系數在0.092～0.43×10-3m2/d范圍內變化，80 m3/h通風條件下，糧堆各層水分有效擴散系數均小于其他2種通風條件，這可能是由于風速較小，稻谷內部水分沿毛細管擴散到表面時所受的推動力減小，水分擴散難度增加，故其有效擴散系數減小[32]；對比相同通風條件下，稻谷各層水分有效擴散系數發(fā)現，稻谷糧層距糧面60～90 cm范圍內，擴散系數相對較大，得到稻谷水分遷移規(guī)律為：水分是自糧堆下部向糧堆上部遷移的，糧堆15～45 cm 范圍內水分含量普遍較高，多是由于底部水分向上遷移后附著在上部稻谷表面，因此該范圍內稻谷水分活性較弱，其水分擴散系數相對較小。

表4 104 m3/h通風條件下 15 cm及75 cm方程模擬結果及相關參數確定

2.5 就倉干燥數學模型的選擇

干燥方式不同，對應的干燥數學模型也有區(qū)別，為準確有效篩選出最適宜就倉干燥的數學模型，以104 m3/h通風條件下，采用常見的8種干燥數學模型對15 cm、75 cm處的稻谷水分比變化進行曲線擬合。根據擬合方程所得R2及RMSE來衡量模型對就倉干燥通風調控手段的吻合程度，篩選最適宜數學模型預測通風條件干燥對糧堆各層稻谷水分含量的影響。擬合曲線圖見圖6，其擬合結果如表4所示。

圖6 104 m3/h通風條件下15、75 cm糧層數學模型擬合圖

由表4可知，對比8種數學模型所得R2及RMSE值，其中王登峰等[33]模型R2達到0.999，且75 cm處方程對應RMSE值低至0.005 4，遠小于其余模型。綜合考慮，該模型最為精確，可作為本實驗中用來預測不同通風條件下，稻谷各糧層水分擴散變化情況，應用該模型對其余各層水分比與時間關系與擬合，所得結果如表5所示，擬合曲線相關系數R2均大于0.90，且RMSE數值均小于0.19，說明Wang et al.模型用來預測就倉干燥不同風速條件對糧堆各層水分變化影響較適宜。

表5 各層數學模型模擬參數

2.6 數學模型驗證

隨機選取3種通風量條件下，位置分別為90、60、30 cm處，稻谷第8天水分變化情況，可分別由方程：y1=1.5e-0.54x10.54,R2=0.996；y2=1.08e-0.010x22.24,R2=0.961；y3=1.48e0.30x30.51,R2=0.969預測，由此時計算該條件下，稻谷糧層干燥時間段內水分比，其結果如表6。稻谷水分比實際測量值與方程預測值間的相對誤差均小于5%，低于一般數值模擬要求15%精度[34-36]，因此該預測模型對于預測就倉干燥不同通風條件下稻谷糧堆各層水分含量變化是可信的。

表6 水分比實測值與模擬值對比

3 結論

3種通風條件下，稻谷糧堆水分遷移規(guī)律為：水分自糧堆底部向糧堆上部遷移，在一定范圍內通風量越大，水分下降速度越快，糧堆水分向上遷移速度越快。在同一環(huán)境條件下通風量越大，糧堆水分下降速度越快，各糧層水分分布越均勻。

稻谷糧堆最底層干燥速率在8 d內基本包括：快速降水、慢速降水、恒速降水階段；糧層含水量大于18%時，稻谷水分干燥速率逐漸加快，而當含水量處于14%～18%區(qū)間時，干燥速率下降，至水分含量低于14%時，稻谷內外水分出現平衡，干燥速率接近恒速；而距糧堆表面75、60、45 cm處，各糧層稻谷降水速率呈現先上升后下降趨勢；糧堆最上面的糧層，稻谷降水均處于快速降水階段。

通過水分比的計算發(fā)現：稻谷糧層水分比隨著通風干燥時間的延長而呈現下降趨勢，且最底層與空氣分配室直接接觸糧層水分比最小；有效水分擴散系數在0.092～0.43×10-3m2/d范圍內變化，且80 m3/h通風條件下，糧堆各層水分有效擴散系數均小于其他2種通風條件。

通過對比8種數學模型的R2及RMSE值，最終確定可基于Wang et al.模型建立不同通風條件下，稻谷糧堆各層干燥數學模型，預測不同通風條件下，稻谷糧層水分變化情況，隨機選取3種通風條件下糧堆最底層第8天水分比，通過對比預測模型得到的預測值與實測值之間相對誤差小于10%，低于一般數值模擬的15%精度要求，該預測模型可信。