第5章 谷物干燥

Vo——起始流化速度，最小流化速度
二、传导干燥法
传导干燥法是指干燥介质通过传导把热量传递给谷物 的干燥方法。根据干燥介质不同又可分为蒸汽干燥法 和惰性粒子干燥法。
1.蒸汽干燥法
蒸汽干燥可以分为加热和去 水两个阶段。在加热段，高 温水蒸气通过对流把热量传 递给钢管，钢管再通过传导 把热量传递给谷物，谷物获 得热量，温度升高，水分向 外扩散。因谷物不断向下移 动，进入排潮段以后，由干 燥介质带走谷物表面汽化出 来的水分。
学习： 谷物干燥的基本原理和主要特性、 干燥方法和干燥机型。
第一节 谷物干燥原理
谷物干燥过程：干燥介质把热量传递给谷物，同时带 走谷物水分的过程，是谷物与干燥介质之间传热与传 质的过程。
一、谷物中的水分
1.谷物中水分存在形式
➢机械结合水
➢物理化学结合水
➢化学结合水
谷物水分含量表达形式
➢ 干基水分(谷物中水分质量占相应干物质质量的百分比)
面水分的蒸发速度，干燥速率
取决于干燥介质温度、相对湿 度和介质流速，属于外部控制 阶段。
dM hs A Ta Twb
dt dVd ho
此阶段结束时物料的含水量称 ρd：干物质密度(kg/m3) 为临界水分含量。高水分(湿基 Vd：干物质体积(m3) 水分超过70~75%)的物料在干燥 A：表面积(m2)
最高水分的稻粒达34.1%
谷粒间水分的不均匀性是导致烘后谷物 水分不均匀的主要因素之一
▪就单一谷粒来说
胚和胚乳之间的水分存在差异
谷粒内外层之间水分存在差异
干燥初期，谷粒内外的水分梯度很大。
随着干燥进行水分梯度减小。
稻粒周围脂类含量高的环行带将阻碍内部水分 向外扩散。谷物不同组织结构部位水分含量差 异是由其物质组成和细胞结构不同造成的，谷 粒内外层之间水分含量差异会对谷物的干燥特 性产生影响。
3.太阳能干燥法
太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，利用太阳辐 射热将物料中水分蒸发出去的干燥方法称为太阳能 干燥法。太阳能干燥的主要部件为太阳能集热器， 一般由吸热体、盖板、保温层和外壳构成。吸热体 吸收太阳能转化为自身的热能，温度升高，当外部 空气流经吸热体时，通过对流换热得到升温，既可 用于谷物的干燥。
一般情况下，谷物的干燥均处在降速干燥阶段。
恒速干燥特点：
1. 干燥速率不变 2. 物料温度恒定并等于
湿空气的湿球湿度 3. 内部水分扩散到表面
的速度等于表面水分 的蒸发速度 4. 干燥速率由外部条件 控制，取决于干燥介 质温度、相对湿度和 介质流速
降速干燥特点：
1. 干燥速率下降 2. 物料温度高于湿空
M Ww 100 Wbd
➢ 湿基水分(谷物中水分质量占相应湿谷物质量的百分比)
M' Ww 100 Wb
➢ 两者之间的换算关系
M' M 1 M
Ww：水分质量 Wb：湿谷物质量 Wbd：谷物干物质质量 M：干基水分含量 M'：湿基水分含量
2.水分分布的不均匀性
▪ 对一批谷物来说
不同谷粒之间的水分会有很大的差异 这与谷物收获时存在粒间水分差异及收 后处理有关 华南地区收获时 同一稻穗上:最低水分的稻粒为15.8%
谷物干燥及冷却的过程中存在玻璃化转变现象。谷物加 热过程中，谷物将由玻璃态转变到橡胶态。在干燥过程中， 谷粒外部的水分低内部的水分高，谷粒外部可能由玻璃态 进入橡胶态，所以将出现谷粒外部为橡胶态而内部为玻璃 态的现象，谷物内外的不均匀膨胀将导致谷物产生裂纹； 在谷物冷却过程中，谷粒外层进入玻璃态而内层仍处于橡 胶态，谷粒内部产生应力，如果冷却速度过快，应力没有 足够的时间进行释放，也易导致谷物产生裂纹。
4.湿焓图
湿空气的一些状态参数与大气压有关。在一定 大气压下，将湿空气的
干球温度(T) 湿含量(d) 焓(I) 相对湿度(RH) 水蒸气分压(Pv)
等状态参数之间的相互关系绘制在一张图上即 为湿焓图，又称I－D图。
湿空气的干球温度(T)、湿含量(d)、水蒸气分压(Pv) 是湿空气得的三个基本状态参数。I-D图采用135° 斜坐标系，以焓为纵坐标，湿含量为横指标
气的湿球湿度 3. 内部水分扩散到表
面的速度小于表面 水分的蒸发速度 4. 干燥速率由内部水 分扩散速度控制
第二节 谷物干燥特性
➢ 与化工物料干燥不同，谷物干燥的对象是一个有生 命的有机体，在不断地进行着呼吸作用。水分含量 是影响谷物呼吸作用最重要的因素。谷物干燥的目 的在于降低谷物的水分，从而降低其呼吸强度，利 于安全储藏。但如果干燥条件过于强烈，谷物中的 一些酶将失活，蛋白质将变性，使谷物失去生命力。
2.裂纹控制方法
✓ 合理干燥速度和干燥时间。干燥速度快谷粒内外的水分梯度
大，易产生裂纹。稻谷:干燥速率一般不超过1~1.5%/h
✓ 合理的干燥介质相对湿度和温度。低温干燥可以减少裂纹的
产生，用相对湿度高的干燥介质干燥稻谷，产生的裂纹少
✓ 合理冷却：谷物在冷却之前进行适当缓苏，采用合理冷却工
1→2：等湿升温过程
1→3：升温增湿过程
1→4：降温增湿过程(等焓)
1→4’：实际干燥过程
对流干燥中的空气加热为等湿 升温过程；干燥过程中干燥介 质经历降温增湿过程，由于干 燥过程中热风带进去的热量不 可避免地有一部分用于谷物升 温，还有一部分通过干燥机机 壁散失出去，所以，焓值有所 降低，实际过程如图中虚线所 示；冷却过程中空气经历升温 增湿过程。
度，物料温度恒定并等于湿空 气 的 湿 球 湿 度 (Twb) ， 空 气 通 过
Q2
dVd
ho
dM dt
对 流 传 递 给 物 料 的 热 量 Q1 等 于 水 分 蒸 发 吸 收 的 热 量 Q2 ， 内 部
令 Q1=Q2 ， 并 整 理 方 程 可 得 以 下
水分扩散到表面的速度等于表 恒速干燥阶段的干燥速率公式。
➢ 谷物由多种组分组成，不同的物质有着不同的干燥 特性。不同品种谷物的各组分的含量不同，所以不 同品种的谷物有不同的干燥特性。
➢ 谷物的一些物理特性及热特性将直接影响到谷物与 干燥介质之间的热量传递和水分传递，从而对谷物 的干燥特性产生影响。
谷物的平衡水分
当谷物处在一定温度和湿度的空气中时： 1、如果谷物表面的水蒸气分压大于周围空气的水蒸气分压，
2.惰性粒子干燥法
将谷物与加热的固体颗粒如沙子、沸石、钢球混合， 热量以传导的方式传递给谷物，达到干燥谷物目的。 在这种干燥方法中，由于谷物与惰性粒子接触面积 大，传热系数高，介质温度高，因此干燥速度快。
三、辐射干燥法 1.红外干燥法
辐射干燥法是以辐 射能量为热源的一 种干燥方法。包括 微波干燥法、红外 干燥法和太阳能干 燥法。
常用单位时间内的降水量，即干燥速率来表示 物料干燥的快慢，表示为微分形式dM/dt。t为干 燥时间，根据dM/dt随t变化的情况，物料的干燥 可分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段。
1.恒速干燥阶段
降水速率不随时间而降低的干
燥阶段。物料的干燥速度等于
Q1 hs A Ta Twb
同一条件下自由水分的蒸发速
在谷物通过一个干燥过程以后停止干燥，保持温度 不变，维持一定时间段，使谷粒内部的水分向外扩 散，降低内外的水分梯度。
1.裂纹形成机理
谷物干燥过程中由于内外的不均匀收缩而产生应力，当 该应力超过谷粒的应力极限时产生裂纹。干燥过程中引起 裂纹的主要原因：谷物自身特性、初始水分、内部的水分 梯度、干燥速率、冷却速率、热风温度，热风相对湿度， 缓苏时间等。
湿空气状态变化过程示意图
二、谷物的薄层干燥
薄层干燥：干燥介质通过谷物薄层后其温度和 相对湿度没有发生变化的干燥过程。
此时，谷物干燥层的厚度很薄，可为单层谷粒 也可为多层谷。薄层的厚度取决于风速、风温 及相对湿度。谷物的薄层干燥特性是研究谷物厚 床干燥特性的基础。
对稻谷来说，在空气流速大于2m/s时，只要谷 物层厚度小于2.7cm即为薄层干燥。
则谷物的水分向周围空气转移 2、反之，则谷物从周围空气中吸收水分 平衡水分：当谷物的水蒸气分压与周围空气的水蒸气分压相 等时，谷物的含水量与周围空气达到平衡，不再发生变化的 水分 谷物的平衡水分除与谷物自身的特性有关外，还与周围空气 的温度及相对湿度、水蒸气分压、水分平衡方式、谷物品种 和成熟度有关。
四、谷物烘后裂纹
谷物的烘后品质对食品加工很重要
烘后品 质指标
物理：裂纹率、破碎率（玉米、稻谷） 生化：淀粉提取率（玉米）、面筋值（小麦）
现有的谷物烘后品质指标以裂纹率最为重要，裂纹
率高则破碎敏感度增加，谷物在后续的储藏、输送
处理过程中容易破碎，这将对谷物干燥企业的经济 利益产生直接的影响。
缓苏：
1.固定床干燥法
固定床干燥法是指谷物不流动，干燥介质从粮层的下 部、或上下交替穿过粮层，或从粮层中间沿径向穿过 粮层，从谷物中带走水分的干燥方法，分别称为单向 通风干燥法、换向通风干燥法、径向通风干燥法。
2.移动床干燥法
移动床干燥法是 指在整个干燥过 程中谷物因重力 不断向下移动的 干燥方法。根据 粮流方向与干燥 介质流向的相互 关系，移动床干 燥法又可分为错 流干燥法、顺流 干燥法、逆流干 燥法和混流干燥 法。
开 始 时 存 在 一 个 恒 速 干 燥 阶 段 ，hs:表面对流换热系数(kJ/m2.℃)
但持续时间较短。
h0：自由水分汽化热(kJ/kg.H2O)
2.降速干燥阶段
当水分含量低于物料的临界水分含量时，物料表 面的水蒸气分压Pv降至湿球温度时的水蒸气分压 Pvwb以下，干燥的动力来源△Pv=Pvwb-Pv变小，干 燥速率降低，进入降速干燥阶段，同时物料内部出 现水分梯度，物料温度开始上升，高于湿球温度。 在该阶段，谷物表面的水分蒸发速度大于内部水分 的的扩散速度，干燥为内部扩散速度控制。
3.疏松床干燥法
转筒干燥法是最为常见的疏松床干燥法。因为 谷物在转筒内呈疏松状态，这种干燥方法称为疏 松床干燥法。热风与谷物的流向可以采用顺流形 式也可以采用逆流形式。筒壁可以采用双层结构， 夹层内通入热风，通过内壁对谷物进行传导加热， 这实际上是对流干燥与传导干燥的结合。
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4 流 化 床 干 燥 法
3.水分对谷粒力学特性的影响
➢随着水分含量的增加，谷物籽粒抗压强度、弹性模量、 最大压应力及剪应力都降低。干燥将使谷粒内部产生应 力，这与谷粒在干燥过程中裂纹的产生有关。即了解谷 粒的力学特性对了解裂纹的产生很重要。
➢对于温度相同的谷粒或谷粒的不同部位，由于水分含量 的不同，可能使其处于不同的相态(玻璃态或橡胶态)。 谷物处于橡胶态时的热体积膨胀系数是处于玻璃态时的6 倍。谷物处于不同相态时，力学特性将发生明显变化， 将决定在后续的处理过程中是否产生裂纹甚至破碎。
第五章 谷物干燥
• 目的：利于长期贮藏。 • 能耗最高的谷物收后处理环节(人工干燥)。 • 研究谷物干燥的原理、方法，合理选择干
燥机型，有利于节约一次性投资，降低干 燥成本。 • 保证谷物烘后品质。
长期贮藏的要求：收获后的谷物水分降 到安全水分。
对谷物进行人工干燥，降低谷物水分是 谷物收后的重要处理环节，也是能耗最 高的收后处理单元。
波 长 为 4μm~325μm 的 电 磁 波 称 为 远 红 外 线 ， 0.76μm~4.0μm的电磁波称为近红外线。用红外线辐射 物体时，物体将吸收一部分光能而转化为热能，提高 自身温度。能够发射红外线的装置称为红外辐射加热 器，它是红外干燥的核心装置，从供热方式来分有直 热式和旁热式两种。
2.微波干燥法
第三节 谷物干燥方法
根据谷物与干燥介质热量传递方式的不同， 谷物干燥方法可以分为对流干燥法、传导干燥 法、辐射干燥法，如果把上述干燥方法中的几 种结合在一起，则称为组合干燥法。
一、对流干燥法
对流干燥法是指干燥介质通过对流把热量 传递给谷物的干燥方法。根据谷物床层的性 质又可分为固定床干燥法、移动床干燥法、 疏松床干燥法和流化床干燥法。
频 率 范 围 为 300MHz ～ 300GHz 的 电 磁 波 称 为 微 波 。 微波通过离子传导和偶极子 转动加热物料。水是典型的 极性分子，湿物料内的水分 主要通过偶极子转动把微波 能转化为热能，达到加热物 料的目的。
含水谷物在经过微波辐 射后，能够吸收微波能 而转变为热能，从而提 高自身温度，水分由内 向外扩散，到达谷粒表 面，蒸发到周围空气中 或由干燥介质带走。