高水分小麦干燥特性及其数学模型的研究

高水分小麦干燥特性及其数学模型的研究
丁正耀;朱德泉;陶程云;孙磊
【摘要】为了对高水分小麦热风干燥工艺建立及其设备研制提供理论依据,进行了不同热风温度、风速和物料薄层厚度条件下的高水分小麦热风干燥试验,获得了高水分小麦的干燥曲线和干燥速度曲线；同时,分析了热风湿度、风速和薄层厚度对干燥速度的影响,并建立了高水分小麦热风干燥数学模型.试验结果表明:高水分小麦热风干燥在不同干燥条件下干燥速度最大值出现在前25～35min时间段内,干燥过程中无明显的恒速干燥阶段,高水分小麦热风干燥的数学模型符合Page方程.【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)009
【总页数】6页(P55-60)
【关键词】高水分小麦;热风干燥;干燥特性;数学模型
【作者】丁正耀;朱德泉;陶程云;孙磊
【作者单位】安徽农业大学工学院,合肥230036;安徽农业大学工学院,合肥230036;安徽农业大学工学院,合肥230036;安徽农业大学工学院,合肥230036【正文语种】中文
【中图分类】S375
0 引言
近年来随着小麦联合收割机跨区作业的普及和小麦机械化收获技术的快速发展，以
及南方地区高温高湿的气候特点, 使收获后小麦的含水率很高。

特别是沿淮低洼地区夏季降水量大，小麦易遭雨水淋湿，收获时含水量高达30%(干基)以上[1]。

短
时间内收获或遭雨水淋湿后高水分的小麦若不及时干燥, 很容易发芽、霉变,不易长期储藏和加工，造成很大的损失。

当前粮食的机械干燥方法主要包括热风干燥、真空干燥、微波干燥、太阳能干燥、热泵干燥、就仓干燥、红外辐射干燥以及热风——微波联合干燥等新型干燥技术，其中热风干燥技术依旧是应用较普遍的干燥技术[2]。

为此，利用DHG-9240A型热风干燥试验装置进行试验，分析在不同温度、风速和物料薄层厚度条件下高水分小麦的热风干燥特性，并建立高水分小麦热风干燥数学模型，进而揭示高水分小麦的热风干燥规律和干燥机理，为高水分小麦热风干燥工艺建立及其设备研制提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 材料
试验材料是由安徽农业大学试验农场提供的中强面筋小麦品种扬麦7号，小麦初
始含水率16.8%(干基)，无霉变粒、破碎粒，收获后贮藏在(4±0.5)℃冰箱中。

1.2 试验装置
自行研制的DHG-9240A型热风干燥试验装置；上海光正医疗仪器有限公司的
YP6102型电子天平，其分度值为0.01g。

1.3 试验方法
试验前按国家GB5497-85标准测出小麦籽粒原始含水率，试验中含水率一律用干基含水率来表示。

按国家GB/T3543.7-1995标准测出籽粒发芽率，测得物料原始含水率为16.8%，发芽率为94.2%，浸泡30min后测得籽粒的平均含水率为
32.53%。

将平均含水率为32.53%的物料按照试验设置的薄层厚度平铺在托盘上；当DHG-
9240A型热风干燥试验装置中的温度和风速达到恒定时，将托盘放置于干燥室中；在干燥过程中定时测定物料的含水率，并观察其变化情况。

参照国家小麦籽粒入库储藏标准，将干燥最终干基含水率确定在11.5%～12.5%的范围内。

每个处理重
复进行3次, 取其平均值。

1.4 测定方法
1.4.1 含水率的测定
按国家GB5497-85标准，将称重后的物料样品放置于托盘中，置于在烘箱中恒温(105℃)加热，直到物料样品达到恒定质量。

含水率计算公式为[3]
x=mw/md
式中 x——干基含水量(% d.b)；
mw——湿物料中湿分质量(kg)；
md——湿物料中绝干物料的质量(kg)。

1.4.2 干燥速度
干燥速度是指物料在单位时间内单位干燥面积上所能汽化的湿度变化量，微分表达式为[3]
V=dW/(S·dt)
式中 V——干燥速度(kg/m2·s)；
W——物料含水量(kg)；
S——物料的干燥脱水面积(m2)；
t——干燥时间(s)。

湿物料干燥时汽化的水分量等于湿物料中质量的减少量dW=-Gc·dX，故
V=K· (dX/dt)
式中 Gc——物料中所含干物质量(kg)；
X——物料干基湿度(kg水/kg干物质)。

其中，K为常数，负号表示湿度随着干燥时间的增加而减小，K=-Gc/S；
2 结果与讨论
2.1 热风温度对物料干燥的影响
分别以采用温度为40，50，60，70℃的热风作为干燥热源，以物料薄层厚度
5cm，风速0.6m/s下进行高水分小麦干燥，探讨不同干燥温度对物料含水率及干燥速度的影响。

2.1.1 热风温度对物料含水率的影响
在不同热风干燥温度下进行高水分小麦干燥，物料的干基含水率变化曲线如图1
所示。

图1 不同热风干燥温度下物料干基含水率变化曲线
由图1可知，当干燥时间为60min时，热风温度为40℃的高水分小麦含水率为24.8%；相同时间下热风温度为50℃的高水分小麦含水率降至22.9%，60℃和70℃干燥条件下的高水分小麦含水率分别为17.8%，14.4%。

在热风温度为40，50，60，70℃下，高水分小麦干燥到安全储存含水率所需的时间分别为540，270，135，90min左右。

可见，含水率与干燥时间之间的干燥曲线总体上呈逐渐下降趋势。

处在不同热风温度下的高水分小麦在相同的干燥时间内其含水率是不相同的。

在40～70℃范围内，随着热风温度的升高，高水分小麦干燥至安全储存含水率所需要的时间缩短。

2.1.2 热风温度对干燥速度的影响
不同热风干燥温度下进行高水分小麦干燥，物料的干燥速度变化曲线如图2所示。

图2 不同热风干燥温度下物料干燥速度曲线
由图2的干燥速度曲线图可以得知：在不同热风干燥温度下，高水分小麦在干燥
的前25～35min时间段内干燥速度出现最大值，在干燥初期达到最大的干燥速度。

这是由于在干燥初期高水分小麦籽粒中游离水含量高，在相同热风温度条件下，游
离水分容易蒸发，物料的平均干燥速度大。

随着高水分小麦中游离含水量的下降，籽粒中的水分不易于移出，故物料的干燥速度在干燥后期呈下降趋势。

而且4条
不同热风干燥温度下高水分小麦干燥速度曲线皆没有明显的物料恒速干燥阶段。

当风速、物料薄层厚度一定时，热风温度越高，平均干燥速度就越大，干燥至安全储存含水率所需的时间也越短。

根据在不同热风温度条件下高水分小麦的干燥试验数据可分析得知不同热风温度下干燥速度之间的差异显著。

由此可见，热风温度是高水分小麦干燥速度的主要影响因素。

2.2 风速对物料干燥的影响
分别采用风速为0.2，0.6，1.0m/s3种不同风速，在物料薄层厚度为5cm、热风
温度为50℃下进行高水分小麦的干燥，探讨物料含水率变化及风速对干燥速度的
影响。

2.2.1 风速对物料含水量的影响
高水分小麦在不同风速作用下进行热风干燥，物料的干基含水率变化曲线如图3
所示。

由图3可以看出，不同风速条件下高水分小麦的含水率随时间变化曲线的斜率是
不同的。

当热风速度增大时，干燥曲线的斜率随着变大。

在干燥后期，风速为0.6，1.0m/s分别在180，120min处斜率显著降低。

而且，高水分小麦干燥至安全储
存含水率，所需的干燥时间风速0.2m/s条件下为600min，0.6m/s条件下为
330min，1.0m/s条件下为210min。

可见，在风速O.2～1.0m/s的范围内，随
着风速的提高，高水分小麦干燥至安全储存含水率所需要的时间也随之减少，其根本原因在于物料中水分的蒸发速度以及空气的流动速度被加速了。

当物料处在较高的风速下进行干燥，这时空气流量比较大，相同干燥时间的高水分小麦与热空气接触次数多，物料籽粒内游离水分快速扩散，使得物料水分的蒸发速度加快。

图3 不同风速下物料干基含水率变化
2.2.2 风速对干燥速度的影响
高水分小麦在不同风速作用下进行热风干燥，物料的干燥速度变化曲线如图4所示。

图4 不同风速下物料干燥速度曲线
从图4可以看出，随着风速的提高，在干燥初始阶段，高水分小麦籽粒中含有大
量的游离水分供其干燥，干燥速度比较高，但随着时间的延长，不同风速条件下相同含水率的干燥速度之间的差距越来越小，至干燥结束时已基本相同。

这说明，在干燥结束时高水分小麦的干燥速度不再由物料中游离水分的蒸发速度所控制，而转变成由物料内部水分的扩散速率所控制，风速对干燥速度的影响不明显了。

根据在不同热风风速条件下高水分小麦的干燥试验数据，可分析得出风速为0.2，0.6，1.0m/s条件下高水分小麦干燥速度差异显著。

在风速为0.2～1.0m/s的范围内，风速越大，物料的干燥速度就越大。

2.3 物料薄层厚度对物料干燥的影响
分别以物料薄层厚度为3.5，5，6.5cm这3种不同的物料，在风速为0.6m/s、热风温度为50℃条件下进行高水分小麦干燥，探讨其对物料含水率及干燥速度的影响。

2.3.1 物料薄层厚度对物料含水量的影响
高水分小麦在不同物料薄层厚度作用下进行热风干燥，物料的干基含水率变化曲线如图5所示。

图5 不同薄层厚度下物料干基含水率变化
从图5可以看出，高水分小麦干燥过程中含水率变化曲线在干燥初期呈直线下降，在干燥时间为45～135min范围内变化曲线呈匀速下降趋势，而在干燥结束阶段
曲线趋于平缓。

高水分小麦薄层厚度在3.5～6.5cm范围内，薄层厚度越大，含水率变化曲线的凹凸性越小，其含水率的变化趋势也越趋于平缓。

当物料干燥至安全
储存含水率时，薄层厚度为3.5，5，6.5cm的物料所需的干燥时间分别为210，270，300min。

由此可知当高水分小麦薄层厚度增大，干燥至安全储存含水率的
时间也随之增加，但厚度的增加量与干燥时间的变化量之间并不成相同倍数增加的关系。

2.3.2 物料薄层厚度对干燥速率的影响
高水分小麦在不同物料薄层厚度作用下进行热风干燥，物料的干燥速度变化曲线如图6所示。

图6 不同薄层厚度下物料干燥速度曲线
由高水分小麦干基含水率随时间的变化曲线可以看出，物料厚度在3.5～6.5cm范围内，薄层厚度大的物料比厚度小的物料可获得较大的干燥速度。

在干燥起始阶段，随着物料厚度的增加，单位时间内物料水分的蒸发量明显增加，其根本原因在于物料薄层厚度增加，干燥热空气在物料层中停滞的时间增加，湿——热交换进行的
比较彻底。

高水分小麦的薄层厚度越大，高水分小麦籽粒中所含有水分也就越多，拥有足够多的水分供其干燥，所以薄层厚度大的物料干燥速度高。

但如果物料层厚度过大，将会增加干燥设备中风机的载荷，致使物料干燥速度的降低。

根据试验结果得知不同薄层厚度条件下高水分小麦的干燥速度之间差异显著。

3 高水分小麦热风干燥数学模型的建立
3.1 干燥模型的选择
农业物料的干燥是一个复杂的传热传质过程，建立干燥模型可以对物料干燥过程作出分析、预测和控制。

将不同干燥条件下的干燥变化曲线转变成水分比变化曲线，并对各种干燥模型进行线性化处理，最后进行线性回归与计算，从而选择正确合理的干燥模型。

目前，用来描述农业物料整个薄层干燥过程的常见模型有3种[4-5]：指数模型 MR=exp(-rt)
(1)
单项扩散模型 MR=Aexp(-rt)
(2)
Page方程 MR=exp(-rtN)
(3)
式中 MR——水分比，MR=(M-Me)/(Mo-Me)；
t——干燥时间(min)；
M——t时物料含水率(%)；
Mo——初始含水率(%)；
Me——平衡含水率(%)；
A，r，N——待定系数。

3.2 数学模型的拟合
为便于数学模型的拟合和分析，需要对上述式(1)～式(3)进行预处理，将模型取对数转化为线性模型
lnMR= -rt
(4)
lnMR=lnA-rt
(5)
ln(-lnMR)=lnr+Nlnt
(6)
根据高水分小麦热风干燥试验数据，分别绘制出不同热风温度、不同风速及不同物料薄层厚度下-lnMR——t曲线和ln(-lnMR)——lnt曲线，如图7和图8所示。

由图7和图8中可知，ln(-lnMR)——lnt比-lnMR——t有较好的线性关系，故选取Page方程拟合高水分小麦干燥特性曲线[4,6]。

令[7]
lnr=a+bT+cV+dD
N=e+fT+gV+hD
式中 T——热风温度(℃)；
V——风速(m/s)；
D——物料薄层厚度(cm)；
a，b，c，d，e，f，g，h——常数。

利用Matlab统计软件进行数据处理，经线性回归可求出高水分小麦热风干燥的数学模型。

在此基础上并对模型进行显著性检验，其中F统计量值为10.96，显著性概率P=0.008 3<0.01，说明回归效果显著；复相关系数R2=0.760 6，说明回归
模型的拟合程度良好，所求得的回归模型呈显著水平[8]。

故高水分小麦热风干燥
的数学模型为MR=exp(-rtN)，其中r=e0.007 0+0.002 7T+0.049 1V-0.000 7D，N=-1.309 3+0.042 4T+0.815 9V-0.032 7D。

(a) 不同热风温度
(b) 不同风速
(c) 不同物料薄层厚度图7 不同热风温度、不同风速及不同物料薄层厚度下-lnMR 与t的关系
(a) 不同热风温度
(b) 不同风速
(c) 不同物料薄层厚度图8 不同热风温度、不同风速及不同物料薄层厚度下ln(-lnMR)与lnt的关系
3.3 数学模型验证
为了检验高水分小麦数学模型的准确度，通过试验的方法，测量物料籽粒中平均水分的变化来间接验证所得到的数学模型。

选取试验中的一组数据，试验条件为：热风温度50℃，风速为0.6m/s，物料薄层厚度为5cm，将该组试验值与模型的预
测值进行比较，结果如图9所示。

图9 高水分小麦热风干燥模型实际值与理论值的比较
由图9可看出，高水分小麦热风干燥模型的模拟曲线与实验结果基本拟合，说明
所建立的数学模型能够较准确地反映高水分小麦热风干燥的水分变化规律，可以通过干燥模型对高水分小麦的干燥过程进行分析和预测。

4 结论
1)高水分小麦热风干燥过程受热风温度、风速和薄层厚度3个因素的影响很大，
其中热风温度是影响干燥过程的主要因素。

热风温度越高，风速越大，高水分小麦干燥速度也就越快，干燥至安全储存含水率的时间就越短。

不同干燥条件的高水分小麦热风干燥在干燥初期25～35min时间段内干燥速度出现最大值, 达到最大的
干燥速度。

物料薄层厚度在3.5～6.5cm范围内，薄层厚度大的物料比厚度小的物料可获得较大的干燥速度。

2)高水分小麦热风干燥过程中没有明显的恒速干燥阶段，但具有显著的降速干燥阶段，这是由于在干燥初期和干燥中期高水分小麦表层游离水分蒸发速度都大于籽粒内部水分的扩散速度。

因此，在进行高水分小麦热风干燥时应采取措施，尽量降低高水分小麦籽粒表面游离水分的蒸发速度或者提高籽粒内部水分的扩散速度，以避免高水分小麦籽粒表面过热而出现表层硬化。

3)高水分小麦热风干燥模型符合Page模型，有MR=exp(-rtN)，其中r=e0.007
0+0.002 7T+0.049 1V-0.000 7D，N=-1.309 3+0.042 4T+0.815 9V-0.032 7D。

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