稻谷的滚筒式气体射流冲击干燥实验研究

魏事宇，郑 霞，黄 勇，郭 云，张湘南，曹玉雪，朱荣光，姚雪东

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

我国是世界水稻生产第一大国，2016年水稻年产量约20 707.5万t，占世界稻谷产量的28%[1]。正常年份,水稻采收后平均水分一般在19%左右,南方稻谷含水率相对较高，大多在 22%～28%，甚至更高[2-3]。稻谷收获期集中，含水率较高，各种酶活性较强，极易发热变质，快速脱水是稻谷储藏的关键操作之一。稻谷淀粉含量较高，为多层结构热敏性物料，对干燥过程比较敏感，其干燥特性不同于其它粮食,干燥速度或工艺不当都会对稻谷产生重要影响。在高温热力作用下，稻谷籽粒体外层结构收缩，制约其内部米胚水分向外扩散，造成米胚表面水分蒸发聚积，从而使籽粒易裂变爆腰、色泽变差，直接影响稻谷籽粒烘干后的品质[4-6]。

马培勇、张静[7]等采用自制实验平台进行了稻谷真空干燥动力学实验，发现干燥温度对稻谷干燥过程有显著影响，相对压力影响不明显。谢婷婷[8]研究了早籼稻谷的太阳能辅助热泵联合干燥，发现太阳能辅助热泵联合干燥早籼稻谷可以明显地缩短干燥时间，且干燥效果良好。刘宜锋、林建全[9]等进行了稻谷热风干燥关键技术工艺优化的研究，并给出了稻谷热风干燥较佳工艺条件。吴中华、刘兵[10]等利用声发射系统监测稻谷籽粒热风干燥过程中微裂纹的形成和发展，发现恒温干燥温度以40℃～45℃为宜，等温度干燥-缓苏条件下干燥温度可提高到50℃。

在气流冲击式转筒干燥机的相关研究上,日本学者Yamato[11]研制出了一种名为YAMATO TACA ROTARY DRYER(TACO=THROUGH AIR COMBINATION)的气流冲击式转筒干燥机，在废弃物的干燥试验上取得了较好的研究成果。巴西学者M.A.S.Barrozo[12]等人以化肥为干燥物料，通过实验对比了气流冲击式滚筒干燥机与常规式转筒干燥机的干燥性能，得知气流冲击式转筒干燥的传热系数比常规干燥方式高出约50%。姚雪东[13]设计了一种气流冲击式转筒干燥机，工作时可根据不同物料的特性和产品要求调整其工作参数和结构参数，并以牧草种子为例对干燥机进行了性能试验，干燥后的牧草种子可达到国家Ⅰ级种子标准。

根据前人研究结果发现，温度对稻谷干燥过程的影响较为显著。鉴于现存稻谷干燥时间长、干燥效果不均匀及稻谷爆腰率高等缺点，本研究拟将气体射流冲击干燥技术应用于稻谷干燥，研究稻谷干燥规律，以期快速、优质地降低稻谷含水量，提高稻谷储藏性能，为气体射流冲击干燥技术的工业化应用提供理论和技术依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

稻谷种子：粮香5号，新疆石河子145团水稻研究所提供。稻谷种子的初始湿基含水率约12.1%，为满足试验要求需进行复水处理至湿基含水率约20.0%。复水处理后的稻谷种子置于温度和相对湿度分别为(4±1)℃和(96±2)%的冰柜内贮藏24h，使加湿后的稻谷种子湿度趋于一致，为实验做好原料准备。

1.2 实验仪器及设备

滚筒式气体射流冲击干燥机：新疆石河子大学机电学院干燥技术与装备实验室研发(发明专利号：ZL2015 I 0325849.0)，如图1所示。

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9140A型)，上海一恒科技有限公司；电容式谷物水分测量仪(PM-8188)；电子天平(YP30002)，上海越平科学仪器有限公司；GXZ-300A智能型光照培养箱，宁波江南仪器厂；秒表。

1. 进/出料口 2.滚筒 3.加热系统 4.送风管 5.风机 6.电机 7.机架 8.喷嘴模块

1.3 实验方法

1.3.1 稻谷干燥单因素实验设计

本研究分别对稻谷干燥过程中热风温度、风速、转速等工艺参数进行优化，且对其应力裂纹率(爆腰率)、发芽率做了对比分析，从而选择较优的干燥工艺参数，具体单因素实验设计如表1所示。

表1 单因素实验设计表

续表1

打开实验装置，设定干燥工艺参数，进行预热至温度恒定；取实验稻谷2 500g，测其初始含水率之后进行干燥实验；每隔10min取50g样品测其含水率、发芽率和爆腰率，记录实验数据，直至稻谷湿基含水率在14%以下，结束实验。为降低实验误差，每组实验重复3次。

1.3.2 稻谷发芽实验

稻谷种子发芽率测定方法：GB/T 3543.4—1995 农作物种子检验规程-发芽试验。

2 实验结果与分析

2.1 风温对稻谷干燥效果的影响

由不同风温下稻谷的干燥曲线(见图2)可以看出：稻谷整个干燥过程属于降速干燥，随着风温提高，干燥时间相应缩短；当温度高于60℃时，干燥时间明显缩短。

由不同风温下稻谷的发芽率曲线(见图3)可以看出：干燥温度为60℃稻谷的发芽率最好，温度过低或者过高发芽率都会下降；温度为80℃时，发芽率才达到60%。由稻谷的发芽数据分析得出：干燥温度过高会破坏稻谷的活性，温度过低干燥时间随之延长也会影响稻谷的生物活性。

由不同温度下稻谷的爆腰率条形(见图4)可以看出：稻谷在未干燥之前种子本身就有轻度爆腰的情况占50%左右；随着温度的增高，稻谷种子的爆腰程度增加，温度分别为60℃和65℃时稻谷种子的爆腰情况有所减轻，中度爆腰率小于55℃时的中度爆腰率；当温度高于70℃时，中度爆腰率增高，且出现重度爆腰情况，重度爆腰率随温度的增加而升高。

图2 不同风温下稻谷的干燥曲线

图3 不同风温下稻谷的发芽率

图4 不同风温下稻谷的爆腰率

方差分析结果显示(见表2)：风温对稻谷干燥过程的影响显著。

在实验范围内，风温越高干燥时间越快，但风温过高，稻谷的发芽率降低，爆腰严重；温度过低，干燥时间随之过长会破坏稻谷胚胎，影响发芽。综合干燥速率和稻谷的发芽率和爆腰率，确定最佳干燥温度为60℃。

表2 不同风温下稻谷含水率方差分析表

F值显著水平在α=0.05。

2.2 风速对稻谷干燥效果的影响

根据2.1的实验结果，选定风温为60℃进行不同风速下的稻谷干燥实验。

由不同风速下稻谷干燥曲线(见图5)可以看出：在实验范围内，稻谷干燥速率随着风速的提高，干燥时间相应缩短。

由不同风速下稻谷发芽率曲线(见图6)可以看出：在一定风速范围内随风速的提高稻谷发芽率先增高后降低，当风速为23m/s时稻谷的发芽率最高。

由不同风速下稻谷的爆腰率条形(见图7)可以看出：风速对稻谷种子的爆腰率影响不明显，且整个干燥过程没有出现严重爆腰情况。

图5 不同风速下稻谷干燥曲线Fig.5 Drying curves of rice at different wind speeds

图6 不同风速下稻谷的发芽率

图7 不同风速下稻谷的爆腰率

由方差分析结果可知：风速对稻谷的干燥过程影响不显著，如表3所示。

表3 不同风速下稻谷含水率方差分析表

F值显著水平在α=0.05。

滚筒式气体射流冲击干燥实验装置是用电加热器加热空气，再由离心风机将热空气以一定的速度通过喷嘴送入干燥室内冲击物料。当风速过低时，加热器不能及时、均匀地将加热器周围的热空气和离心机送入的冷空气混匀，导致喷入干燥室内的热风温度波动大，温湿度传感器给出的控制信号频繁，容易引起温度控制超出调范围，温度稳定性差。当温度过高时，会影响稻谷的发芽率，综合各因素选取最佳干燥风速为23m/s。

2.3 转速对稻谷干燥效果的影响

根据2.1、2.2的实验结果，选定风温为60℃，风速为23m/s，进行不同转速下的稻谷干燥实验。

由不同转速下稻谷干燥曲线图8可知：当风温、风速恒定，滚筒转速分别为1.5、2.5、3.5r/min时对应的干燥时间都是45min。这说明，实验范围内，随着转速的提高，稻谷干燥时间不变，转速对干燥速率的影响不大。

由不同转速下稻谷的发芽率图曲线(见图9)可以看出：在实验范围内，当风温、风速恒定时，不同滚筒转速条件下干燥后稻谷发芽率基本无明显差异。这说明，滚筒转速对干燥后稻谷发芽率影响不显著。

由不同转速下稻谷的爆腰率条形(见图10)可以看出：当风温、风速恒定，滚筒转速不同时，稻谷爆腰率无明显差异，并且整个干燥过程没有出现严重爆腰现象。

由方差分析结果显示，不同转速对稻谷干燥过程的影响不显著，如表4所示。

当风温、风速恒定，不同滚筒转速条件下稻谷干燥所需时间基本不变，但转速为3.5r/min时稻谷的发芽率有所降低，中度爆腰率有所提高。在实验范围内，综合考虑干燥速率、发芽率和爆腰率，确定最佳干燥转速为2.5r/min。

图8 不同转速下稻谷干燥曲线

图9 不同转速下稻谷的发芽率

图10 不同转速下稻谷的爆腰率

表4 不同转速下稻谷含水率方差分析表

F值显著水平在α=0.05。

3 结论

1)风温在40～80℃范围内变化时，干燥速率随着风温的升高而提高。方差分析表明：风温变化对干燥速率的影响显著；风温为60℃时，稻谷的发芽率较高，且爆腰率相对较低。

2)风速在17～29m/s范围内变化时，干燥速率随着风速的升高有所提高。方差分析表明：风速变化对干燥速率的影响不显著；风速为23m/s时，稻谷的发芽率较好，爆腰率也较低。

3)转速在1.5～3.5r/min范围内变化时，干燥速率、发芽率和爆腰率随转速提高基本不变。方差分析表明：转速变化对干燥速率的影响不显著，对稻谷发芽率和爆腰率的影响不明显。