高压电场及通风对玉米干燥特性的影响研究

王进康， 季旭， 杨昌春， 韩景阳， 徐海洋， 廖超

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

干燥是农产品处理加工的一项重要技术，对其品质、贮藏等具有重要意义.玉米是重要的粮食作物，较为普遍的干燥方法为自然干燥、热效应干燥[1]、真空冷冻干燥、热泵干燥、声波场干燥等，它们有各自的优点，但存在干燥效率低、能耗高、品质低等问题.根据“浅川效应”，在高压电场下，水的蒸发变得十分活跃，同时消耗的能量很小[2].因此，将高压电场应用于农产品干燥得到了迅速发展[3-9].

云南省由于山区较多，电力布线困难，电力干燥成本较高，却有着良好的日照条件可以充分利用.本文采用光伏供电，利用高压电场与低速气流组合的风电复合场对玉米进行干燥，讨论了不同条件对玉米干燥速率的影响，并对干燥机理进行了分析.

2 实验装置与方法

材料：玉米，其初始脱水率基本在70%左右；玉米安全脱水率标准为86%～87%.

实验装置如图1，主要为太阳能电池板，控制器，高电压电源(电压范围：DC 5-60 kV)；风机，38 W；调速器，1 000 W；箱体，针(直径2 mm，尖端直径0.2 mm)-盘(直径150 mm)电极对；支架.针-盘电极间距以及针极数目可以调整，实验中针电极数均为3根，针-盘距离相等均为5 cm，针电极接负极在上，盘电极接正极在下.

恒温30 ℃，湿度45～55%.称取100克玉米，并将其放置在六个相同的标记为A-F的盘上，实验条件设计为：A为30 ℃恒温；B为高压电场及30 ℃；C为30 ℃+1.8 m/s的气流；D为高压电场及30 ℃+1.8 m/s的气流；E为30 ℃+3 m/s的气流；F为高压电场及30 ℃+3 m/s的气流(如表1).高压电场电压均为20 kV.实验过程中，当物料质量变化在4 h内低于5%表示干燥完成.

表1 实验参数设计

图1 干燥装置结构示意图

脱水率公式为：

式中，Xi-干燥时间i后玉米的水分含量， %；Mi-干燥时间i 后的质量，kg； DB-干基，kg.

脱水速率公式为：

式中，Mi+1—干燥时间i+1质量，kg;Vi～i+1—i至i+1期间脱水速率，g/(kg·h)，Δti—i到i+1期间所耗的时间，h[10].

3 实验结果及分析

由图2(a)可知，施加电场使玉米干燥过程得到增强.前5个小时，20 kV结合30 ℃条件脱水速率最快，且脱水率最高.图2(b)中，前5个小时，所有组都为恒速干燥阶段.5小时后，便进入了降速干燥阶段.

图2 20 kV高压电场对玉米干燥特性的影响

0 kV高压电、30 ℃温度下，平均脱水速率为 17.6 g/(kg·h)，第5小时脱水率为76.6%;20 kV高压电、30 ℃温度下，平均脱水速率为 23.4 g/(kg·h)，第5小时时脱水率为79.1%.可以看出，在相同温度条件，电场下的玉米的干燥速率明显比无电场高.这是因为电场力使玉米颗粒内部水分迁移至表层，增加内部水分对于温度及水分梯度的作用力，从而增加水分的强制迁移速度，加快了玉米内水分的输运.

在5小时后，玉米的水分含量降低，进入降速干燥阶段，电场对玉米的干燥仍有积极影响.20 kV高压电场、30 ℃下,干燥15.5 h玉米的脱水率就增至86.4%，比不加电场30 ℃加热干燥达到相同脱水率用时缩短了20.5%.

图3 20 kV高压电场及气流对玉米干燥特性的影响

图3为30 ℃、20 kV高压电场、不同风速干燥下，玉米脱水率及脱水速率随时间的变化.由图3得出，在干燥的前5个小时内，有气流情况下，玉米脱水速率比仅进行加热干燥显著加快，而此时施加电场的效果并不明显，在5小时后，其变化才逐渐明显.20 kV高压电场、30 ℃、气流速度为1.8 m/s时，前5小时平均脱水速率为31.6 g/(kg·h)，5小时脱水率为82.9%；气流速度为3 m/s时，平均脱水速率为31.8 g/(kg·h),5小时脱水率为83.0%；无电场、30 ℃、气流速度为1.8 m/s，5小时脱水率为82.6%，气流速度为3 m/s时，脱水速率为32.6 g/(kg·h)，脱水率为83.4%；气流速度固定的干燥过程中，是否施加电场对干燥特性无明显影响，而增大气流速度则有明显效果，这是由于前5个小时，玉米中游离水占比更高，气流有助于这部分水分的蒸发，因而脱水速率更快.随着干燥过程中水分含量的逐渐降低，除水变得更加困难，从而使脱水速率降低.

干燥5小时后，玉米颗粒表面自由水已被除去，干燥过程开始进入降速干燥阶段的阶段.20 kV高压电场、30 ℃、气流速度为1.8 m/s时，第15.5小时玉米脱水率为89.1%，平均脱水速率为 6.7 g/(kg·h)；气流速度为3 m/s时，第15.5小时玉米脱水率为88.2%，平均脱水速率为 5.5 g/(kg·h)；在不加电场、30 ℃、气流速度为1.8 m/s时，第15.5小时，脱水率为88.6%，平均脱水速率为 6.4 g/(kg·h)，气流速度为3 m/s时，第15.5小时脱水率为88.4%，平均脱水速率为5.3 g/(kg·h).可以看出，在降速干燥阶段，施加电场对玉米脱水开始产生积极影响，而气流速度对玉米脱水速率的影响却与前5小时的恒速干燥阶段正好相反，气流速度增大，脱水速率反而减小.这是由于气流速度过大，将复合场中的离子风“吹散”，所以5小时后的降速干燥阶段，3m/s气流速度下的脱水速率低于1.8 m/s气流条件.

4 玉米完整率研究

4.1 干燥后玉米的完整率

玉米在干燥过程中，不同的干燥工艺条件会导致玉米不同程度的损伤及感官特性，完整率是最常见的感官重要评价之一.本文引用国标测试爆腰法测试完整率，裂纹粒判定标准为颗粒胚乳产生裂痕或者颗粒产生裂纹达到粒长1/2以上，并统计总的裂纹颗粒总数[11].

完整率公式为：

式中，CR为玉米的完整率，%；n2为单位样本玉米粒中裂纹玉米粒的粒数，粒；N是玉米的单位样本数，取100.

4.2 玉米完整率研究分析

以30 ℃温度条件下的实验数据为依据，通过计算玉米完整率(如表2)可见，30 ℃下玉米的完整率均高于70%，有电场情况下完整率普遍稍低.20 kV高压电场、30 ℃干燥条件下完整率为76%，而30 ℃温度场下完整率80%；20 kV高压电场、30 ℃、气流速度1.8 m/s干燥条件下完整率74%，而30 ℃、气流速度1.8 m/s条件下完整率81%.可见干燥过程中电场的作用对玉米完整率有一定影响，因为高压电场使得干燥速率加快，导致玉米内的水分梯度变大，使得应力大于玉米粒能承受的强度极限，从而产生应力裂纹.

气流速度增加至一定程度，高压电场对于玉米完整率的影响相对减弱；20 kV、30 ℃、气流速度3 m/s条件下完整率为78%，此条件下不加电场的完整率为79%.

表2 不同干燥方式下玉米完整率

5 电场干燥的干燥效率

玉米干燥效率公式为：

式中，ε—干燥效率，kg/(m2·d)；m—质量，kg；A2—堆叠面积，m2；T—时间，d；

m=ρ2×A2×d

式中，ρ2—堆叠密度，kg/m3； 从而干燥效率

试验中堆叠厚度取8.5～10 mm，堆叠密度取629 kg/m3，时间选取脱水率接近86%所用时长.

试验中玉米起始脱水率均为69.8%，结束脱水率均为86.5%，计算得各条件下的干燥效率如表3.由表3可知，20 kV高压电场、30 ℃、气流速度1.8 m/s下的干燥效率最高，达到12.30 kg/(m2·d).

表3 玉米在各条件的干燥效率

6 结 论

本文研究了施加高压电场对玉米干燥特性的影响，并对高压电场干燥特性、机理进行了分析.最后对不同条件下玉米完整率和干燥效率等方面进行了讨论，得出：

(1)在环境温度一定时，高压电场明显提高了干燥速率，降速干燥阶段电场对于玉米干燥的影响逐渐增大，加电场条件下玉米脱水率最高.

(2)在干燥过程中，施加20 kV高压电场使干燥时间缩短了20.5%.在气流速度固定干燥过程中，是否施加电场无明显影响，而增大气流速度则有明显效果.在降速干燥阶段，是否施加电场对玉米脱水速率开始产生积极影响，但气流速度增大，脱水速率反而减小.

(3)玉米的完整率与高压电场、温度及气流的相互作用有关，不同情况下电场对玉米完整率的影响效果不同.电场的作用机制会导致玉米的干燥完整率减小，当气流流速增至某一程度，电场对玉米完整率的影响相对减小.