谷物干燥的红外辐射陶瓷材料及红外干燥机理研究_00

摘 要

论文题目：谷物干燥的红外辐射陶瓷材料与红外干燥机理研究

专业：农业机械化工程

指导教师：吴文福教授、陈晓光教授

摘要

干燥是谷物生产过程中最重要的加工环节之一，干燥对谷物品质有很大的影响。随着我国国民经济的发展和人民物质生活水平的提高，无论谷物用于食用还是精深加工，对谷物的品质要求越来越高，除了通过农业生产的技术改进、合理管理等手段来提高谷物的品质外，尚须通过采用合理的加工储藏措施来保证谷物收获后品质不严重劣变。研究提高谷物干燥品质、降低干燥能耗的的先进技术，对发展农村经济、促进农业和国民经济的发展起着至关重要的作用。

红外辐射谷物干燥是一种高效、节能、低污染的新型谷物干燥技术。红外辐射是辐射物体以电磁波的方式传播内能的过程，当红外线照射到某一物体时，如果入射的红外线频率和物体分子固有频率相一致，则物质分子就会表现出对红外线的强烈吸收，吸收的那一部分能量就转化为分子的热运动，使物体温度升高，达到加热干燥的目的。高发射率红外辐射陶瓷作为干燥设备上用的节能材料，有着极其广泛的应用。红外辐射陶瓷的辐射特性直接关系到谷物干燥设备的节能效果和干燥质量，所以，开发一种优异的高发射率红外辐射陶瓷材料具有重要意义。

由于玉米是我国东北地区主要粮食品种，本文以玉米为研究对象，以保证谷物干燥后品质和提高加工效率为目标，通过研究开发出一种适用于谷物干燥的高发射率红外辐射陶瓷材料，并将其应用于谷物干燥设备上。该技术可以较大幅度地提高谷物干燥效率，对降低谷物干燥设备能耗并提高加工谷物的品质具有重要的生产实际意义。本文主要针对一下几个技术关键进行了研究：

1. 本文以遴选的Al2O3、SiO2为主体原料，Fe2O3 、CuO 、Y2O3为辅助原料，经高温烧结合成了莫来石—铁氧体复相陶瓷，并测定了其在5～15μm波段的红外辐射率，辐射率在0.845～0.933之间。利用正交实验设计，以红外辐射率为指标进行了配方的优化设计，经过分析得到最佳质量分数的配方方案。

2.采用烧结工艺，将粉状莫来石复相陶瓷烧结在作为基体的刚玉陶瓷上，避免了黏结剂的使用，提高了材料的使用寿命。通过对比样品的XRD测试图谱和红外辐射特性图谱，探讨了所获陶瓷材料具有高红外辐射率的原因，不同物相组成及制备工艺对其红外辐射率的影响。

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吉林大学博士学位论文

3.经过球磨制粉工艺，把复合陶瓷材料制备成适合热喷涂的粉体材料。利用等离子喷涂在加热板表面制备复合陶瓷材料涂层。使用自行研制的谷物干燥系统对该材料进行对比测试，实验结果表明，制备有该陶瓷材料涂层的加热板，其干燥效率可提高15%。

4. 在水势概念的基础上，分析了玉米红外辐射干燥的机理，认为玉米红外辐射干燥过程中水分迁移动力主要来源于温度梯度和湿度梯度造成的水势差，水分从水势较高的玉米颗粒内部向水势较低的颗粒外部迁移，并在玉米颗粒表面附近汽化，溢出玉米颗粒表面。与同等条件下无红外辐射干燥相比，干燥效率高，这是由于红外发射光谱的谱区在玉米吸收光谱的谱区内，使玉米内部质点易形成共振现象，有利于玉米内部变热，从而使玉米水分由内向外形成温度差和湿度差，水分很快移向玉米表面，并使玉米表面不易出现表面硬化和裂纹。另外，辐射距离越短，加热功率越大，干燥速率越快。

5. 基于水势理论建立了关于玉米红外干燥的数学模型：

0,0,><<∂∂=∂∂t r x x M M K t

M 其中，w V RT K λ=。对本数学模型进行了解析，得到dt e r K M t

t ∫−−=0)1ln(α)(12∑∞=−−=n t n n e r K αβα，式中K 、α、β为待定常数，n ＝1，2，…; t 为时间间隔。

6.采用制备的带有红外辐射陶瓷材料涂层的加热板自行设计改装了实验用谷物干燥实验台，通过基于水势理论的玉米红外干燥模型计算出某时刻玉米的平均含水量，并用实验方法测试其实际含水量，模拟计算的平均含水量结果与实测结果基本一致，相关系数R 均大于0.98。

总之，使用本文研究开发的适用于谷物干燥的高发射率红外辐射陶瓷材料，能够大幅度提高谷物干燥效率，对降低谷物干燥设备能耗并提高加工谷物的品质具有重要的生产实际意义。本项研究的研究成果为加速我国粮食储备和加工行业向现代化迈进提供了一项具有实用价值的技术，具有较大的社会效益和经济效益。同时，本项研究成果还可以丰富谷物红外干燥基本理论，具有一定的学术意义和工程实用价值。

关键词：

谷物干燥，红外辐射，复合陶瓷，涂层，水势理论

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ABSTRACT

Title of dissertation: Study on Infrared Ceramics Material and Drying Mechanism for Grain

Drying

Specialty: Agricultural Mechanization Engineering

Supervisor: Prof.Wu wenfu and Prof.Chen Xiaoguang

ABSTRACT

Grain drying is one of the key links of the corn processing, it is significant influencing for quality of grain. With the development of the national economy and improvement of people's living standard, requirements the quality of grain becomes higher and higher, regardless of grain for edible or application of deep processing. In addition to through, improved technology of agricultural production and the way of reasonable management to improve the quality of grain, by using of reasonable measures of processing and storage to ensure quality of after harvesting the grains is not serious deterioration. Research in improving the quality of grain of drying; reduce the energy consumption of drying advanced techniques, which plays a crucial role in the development of the rural economy, agriculture and the national economy.

Infrared radiation is a new type of grain drying technology of efficient, energy-saving, low pollution. Infrared radiation is a process of radiation objects to spread by the way of electromagnetic waves. When the infrared radiation exposure to a object, if the frequency of the incident infrared and objects of molecule is same, the molecular material will be shown on the strong infrared absorption, the energy of be absorbed will be transformed into the thermal movement, and increase the object temperature, effect of heating and drying. High emissivity infrared ceramics material has wide range of application as one of energy saving materials. Radiation characteristic of infrared ceramics directly related to energy saving effect and drying quality of drying device. So developing a kind of high emissivity infrared ceramics material has important significance.

Corn is one of the major crops in northeast region of China. By taking corn as the research object, the goal is ensure corn quality after drying and improve machining efficiency. A high emissivity infrared ceramics material fitting for grain drying was developed and was applied grain-drying device. This technique can improve grain-drying efficiency and have important practical engineering value in reducing energy consumption. This paper mainly studies the following key technologies.

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