陳武東

(黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

農產(chǎn)品直接關系國家糧食安全與民生大計，隨著我國農業(yè)生產(chǎn)面積與糧食產(chǎn)量的逐漸提升，勢必導致糧食烘干與收儲難題，尤其是玉米和水稻等高水分糧食的烘干與儲存。相關研究統(tǒng)計表明，我國每年糧食產(chǎn)量約5億t[1]，近50%的糧食需要進行烘干儲存。谷物干燥可以防止谷物在儲藏過程中由于水分過多發(fā)生霉爛或者變質等問題，有利于谷物運輸和進一步加工作業(yè)等，是農業(yè)生產(chǎn)中的重要工序之一，是實現(xiàn)糧食生產(chǎn)和農業(yè)全程機械化發(fā)展的重要技術措施之一[2]。

在谷物干燥過程中需要計算多項工藝參數(shù)，如物料干燥特性、動力學特性和傳遞系數(shù)等，直接影響谷物干燥效率與品質。本研究針對谷物干燥過程中常見的物料濕度測定、物料吸附平衡測定、濕分擴散率和熱導率的測定，研究結果對于保證我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國家糧食安全具有重要意義。

1 物料濕含量和氣體濕度的測定

1.1 物料濕含量的測定

物料干燥過程中的濕含量是影響谷物干燥的重要技術參數(shù)之一，濕含量過高會導致谷物霉變、細菌繁殖，而過度干燥會造成谷物品質降低和能源消耗等。測定物料濕含量的方法主要分為直接測量法和間接測量法。直接測量法需要將水分從物料中排除后，測量物料的重量或體積，間接測量法主要以某種參數(shù)值隨濕含量的變化而顯著變化的規(guī)律測定物料濕含量。

1.1.1 直接測量法

直接測量法主要包括以下4種方法[3]。

1)物料加熱法。將已知重量的物料放在稱量皿中，然后送入烘箱進行恒溫加熱，直到物料重量恒定不變，即可計算出原濕物料的濕含量。

2)化學干燥法。常見的濕分吸附化學劑主要包括五氧化二磷、氧化鋇和過氯酸鎂等。將物料與適量的化學吸附劑放在干燥器中，待物料試樣達到恒重即可計算出原濕物料的濕含量。適用于含有易氧化組分的物料，如茶葉等。

3)共沸蒸餾法。在物料試樣中添加與水形成共沸的溶劑，在共沸蒸餾后的收集物中，溶劑與水分有明顯的分層，即可計算出原濕物料的濕含量。該方法適用于燃料濕分的測定。

4)化學滴定法。常用滴定劑為碘，碘與物料中的水發(fā)生化學反應，如式(1)所示

(1)

試劑為溶解在甲醇中的二氧化硫、吡啶和碘的混合物。當游離碘出現(xiàn)棕色時，表示達到滴定點，由式(1)計算出水的含量。

1.1.2 間接測量法

1)導電率。物料的電阻是物料濕含量的函數(shù)，假定物料填充密度、顆粒大小、溫度及電極和散裝物料間的接觸電阻技術參數(shù)保持不變，電阻會以非線性方式隨著濕含量的增加而逐漸降低。但是該方法測定準確度較低。

2)電容。水的介電常數(shù)比大多數(shù)物料高，一般為80。據(jù)此可以測量電容變化來測定物料的濕含量。

3)微波。微波是頻率介于電波和紅外線之間的電磁輻射波。當微波定向穿透物料時，其衰減程度可以定量計算物料的濕含量。但是測量結果一般會受到物料溫度的影響，未來減少這種影響，應該適當提高物料的傳導率。

4)遠紅外吸收。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中常采用遠紅外吸收技術進行物料濕含量的測定，具有不需要與物料直接接觸便可以快速測定的應用優(yōu)勢。主要分為反射式和透射式。目前，該技術已經(jīng)應用于砂子、織物、谷物和食品的濕含量測定。

1.2 氣體濕度的測定

在谷物干燥過程中，監(jiān)測氣體濕度是很重要的，以確保谷物被均勻干燥，并防止霉菌生長。保持適當?shù)臐穸人揭部梢蕴岣吣茉葱?，減少火災風險。氣體濕度的測量方法較多，在選擇不同測量方法時應該充分考慮濕度范圍、精度、傳感器類型等因素。測定谷物干燥過程中的氣體濕度，可以采用多種技術，主要包括濕度計、露點法和濕度分析儀。

1)濕度計。谷物干燥濕度計是一種用于測量谷物濕度的儀器。它通常使用電子技術來測量谷物中的水分含量，并將其轉換為濕度百分比，是一種直接測量相對濕度的設備。濕度計可以是手持式的，也可以安裝在谷物干燥系統(tǒng)中，對相對濕度進行連續(xù)監(jiān)測。使用谷物干燥濕度計通常非常簡單，只需要將儀器插入谷物中，然后讀取顯示器上的數(shù)值。一些模型可能還需要校準，以確保測量結果的準確性。

2)露點法。露點是指空氣中的最低溫度，在這個溫度下，空氣中的水蒸氣會凝結成液態(tài)水滴。因此，露點溫度可以反映空氣濕度的高低。露點法通常使用一個露點儀，該儀器可以通過吸收空氣中的水蒸氣并凝結成水滴，從而測量露點溫度。根據(jù)露點溫度和空氣溫度，可以通過一定的計算公式計算出空氣的相對濕度，氨廣泛應用于氣象學、環(huán)境監(jiān)測和農業(yè)生產(chǎn)等領域，可以幫助操作者對谷物干燥過程中的空氣濕度進行監(jiān)測和評估，進而更好地了解谷物干燥空氣質量和調節(jié)系統(tǒng)等。

3)濕度分析儀。濕度分析儀是一種專門的設備，可以測量材料的含水量，如谷物。水分分析儀可以通過提供谷物水分含量的實時信息來監(jiān)測干燥過程。

2 物料吸附平衡特性的測定

2.1 物料的平衡濕含量

濕物料在干燥過程中或者其他環(huán)境條件下(一定的溫度和一定的氣相相對濕度)可達到的最小濕含量稱為平衡濕含量。物料平衡濕含量是干燥模型的重要技術參數(shù)。物料平衡濕含量和一定溫度下相應的水分活度間關系稱為吸附等溫線。

2.2 吸附等溫線的測量方法

吸附等溫線的測定方法主要包括測定重量和測定濕度兩種方法。

2.2.1 重量測定法

重量測定法又被稱為“蒸汽壓測量法”，該方法在測量時主要是將少量物料試樣置于一定的蒸汽分壓環(huán)境中。在該環(huán)境中，氣相的溫度和水分活度保持恒定，直到試樣的濕含量達到相應的平衡值。

2.2.2 平衡蒸汽壓測量法

平衡蒸汽壓測量法主要是將大量的濕物料置于較小的空間中，直到濕物料與周圍空氣達到恒定的平衡值。此時空氣水分活度可以通過濕度計或者壓力計進行測定。

3 濕分擴散率的測定

在谷物干燥過程中，物料中的水分擴散是一個復雜的非線性變化過程，在水分擴散過程中主要包括分子擴散、毛細管流和表層水分擴散等過程。將所有物理變化結合起來，可以通過非穩(wěn)態(tài)Fick第二定律定義為濕物料的水分有效擴散率，計算公式如式(2)所示

(2)

式中，D為有效擴散率，m2·s-1；x為物料的干基濕含量，kg·kg-1；t為時間，s。

公式(2)表示谷物干燥過程中濕物料水分隨著干燥時間的變化規(guī)律，可以對水分在谷物內部遷移進行定量描述。

3.1 試驗測量方法

谷物干燥濕分擴散率的測定方法主要包括吸附動力學法、滲透法和濃度-距離曲線法。

1)吸附動力學法。將物料置于控制環(huán)境內，在谷物干燥濕分擴散趨于吸附平衡的過程中，連續(xù)稱量試樣重量。

2)滲透法。滲透法適用于膜材料的干燥，在一定表面濃度下，測定通過膜的擴散劑的滲透速率，最后通過Fick定律分析其擴散率。

3)濃度-距離曲線法。該方法可以測定谷物干燥過程中水分擴散隨時間的變化，用半無限體、圓柱體等物料測定水分擴散速率，最后通過Fick定律分析。

3.2 影響擴散率的因素

在相關研究中，已經(jīng)測定了相關物料的濕分擴散率，如表1所示，可以直接進行參考[5]。

表1 相關物料的有效濕分擴散率

4 熱導率

谷物干燥內部條件主要是由物料內部熱傳導過程速率決定。物料的熱導率是谷物干燥過程中的重要技術參數(shù)，對于均質物料，熱導率主要由傅里葉函數(shù)進行定義，計算公式如式(3)所示

(3)

谷物干燥過程中的熱導率的測量方法主要分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。

1)穩(wěn)態(tài)法。將物料試樣置于熱源與散熱片之間，在穩(wěn)定狀態(tài)下測量試樣物料中的溫度分布，在測量過程中，對物料形狀沒有要求。

2)瞬態(tài)法。瞬態(tài)法又被稱為“非穩(wěn)態(tài)法”，主要是采用線狀熱源，將穩(wěn)態(tài)熱源加在試樣物料外，在物料受熱過程中，隨機測量物料中幾個點的溫度，最后用傅里葉公式計算瞬態(tài)解，估算物料的熱導率。瞬態(tài)法可以在較短時間內完成測量，一般在10 s內即可完成，保證物料內部水分遷移和變化較小，因此，測定準確度較高。

5 結論

如何提高谷物干燥水平是保證我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題，系統(tǒng)掌握谷物干燥過程中關鍵技術參數(shù)的測量方法對于提高谷物干燥效率，保證谷物干燥品質具有重要意義。本研究系統(tǒng)論述了谷物干燥過程中常見的物濕度測定、物料吸附平衡測定、濕分擴散率和熱導率的測定與方法，研究結果旨在為形成完善的谷物干燥理論提供參考，對于全面提升我國谷物干燥技術具有重要意義。