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热泵干燥理论与种子干燥性能的研究 摘要 目前世界各国对环境保护和可持续发展问题日益重视，保护生物多样性、 保护臭氧层和减缓温室效应己成为全球性问题，也是工程热物理学科研究的热 点。本文以上述目标为研究对象，用全新的当量温度分析法，研究了新型环保热 泵干燥机的节能特性，并对种子干燥的内部传质机理进行了深入的研究。本文的 研究课题是涉及热力学、传热传质学、环境与生命科学的交叉学科问题。 fl 、本文针对热泵干燥系统中的制冷剂替代和系统优化问题，通过对目前传 统自兮蒸气压缩式制冷( 热泵) 循环计算方法的分析研究，发现现有的计算方法普 遍存在忽略过热段温度的问题，从而导致理论计算与实际循环产生偏差，甚至使 某些制冷工质热力循环的理论分析结果与实际运行结果相反。本文针对这一理论 上的缺陷，从新视角首次提出了当量温度分析法，消除了由于忽略过热段温度而 产生计算偏差的问题，使理论分析结果与实际运行相符，同时可用于不同循环之 间的比较。利用当量温度分析法可对压缩蒸气制冷理论循环，尤其是过热循环和 回热循环有更深刻的认识，并对r 2 2 及其替代工质进行全新的比较与分析。 2 、提出同时增加辅助冷凝器和辅助蒸发器的回热式热泵干燥系统，并从热 力学第一、第二定律两方面对该系统的运行特点作了详细的分析研究，酋次得出 热泵干燥系统存在一个最佳蒸发温度，可使系统除湿率达到最大。辅助冷凝器可 用于联合循环系统，加热外界环境空气用于干燥，兼顾了开路式和闭路式热泵干 燥系统的优点，可提高系统效率1 0 屹5 。辅助蒸发器具有从外界环境吸收热 量的功能，不但提高了系统的热效率，而且解决了系统负荷增加过程中调节性能 差的问题。回热循环使热泵干燥的最佳蒸发温度和最佳除湿率上升，可节能 1 0 2 0 。干燥终点的相对湿度越大，采用回热循环效果越佳。 3 、根据理论分析的研究成果，成功地研制出具有自己特色的热泵干燥实验 装置，总体结构采用积木式，可以根据不同的实验要求，选择不同的组合。实验 台可进行热泵干燥系统的运行特性实验，不同工况下的干燥动力学对比实验，替 代工质性能实验等。该系统可提供具有较强干燥能力的低温低湿空气，对种子等 对温度较敏感的生物材料，优势非常明显。其空气循环是闭式循环，靠制冷除湿， 可以回收干燥后高湿度空气的蒸发潜热，节能效果显著，丽且不受外界环境干扰。 本成果可作为生产用样机的设计开发基础。 4 、建立了模拟热泵干燥系统运行特性的数学模型，对影响热泵干燥运行性 能的各参数进行了分析，与实验结果进行比较，精度可靠。根据模拟与实验结果 得出，热泵干燥过程存在一个最佳干燥温度，热泵干燥系统在最佳干燥温度下运 摘要 行效率最高。本研究首次建立了计算最佳干燥温度变化规律的数学方法，为自动 控制热泵干燥系统处于最佳工作状态奠定了理论基础。通过旁路系统和调节空气 流量都可控制调节热泵干燥系统的负荷，在实际运行中应通过联合调节，用空气 流量进行粗调，旁路系统进行细调，两者相辅相成，对热泵干燥系统进行控制。 5 、对国内需求量最大，具有代表性的十字花科和茄科系列中的白菜和茄子 种子进行了干燥对比实验，并提出用健芽率来衡量种子的生命活力。通过实验得 出，白菜种子的干燥温度不宜超过4 0 ，茄予种子的干燥温度不宜超过4 5 。 6 、结合实验数据，综合考虑了相对湿度和温度对种子平衡含水率的影响， 采用二元线性回归，得出白菜和茄子种子平衡含水率的n e l l i s t 方程，可用于理 论计算和工程实践。由于白菜和茄子种子的结构与形状均不相同，并考虑种皮， 胚与胚乳的影响，分别建立了种子颗粒内部的二维非均质水分扩散微观模型。并 用有限元法对其进行了数值分析，可用于不同结构种子的内部传质分析。得出种 皮是干燥的主要阻力，其质扩散系数只有胚和胚乳的1 2 0 - 1 3 0 ，所以应将提高 干燥速率的重点放在减小种皮的干燥阻力上。采用变温干燥和间歇干燥，可增大 种皮的质扩散系数，缩短干燥时间。由于结构的影响，茄子种子在干燥过程中， 种胚在径向会产生相对较大的湿度梯度，湿度分布没有球型种子均匀，而通过降 低相对湿度来提高干燥速率，基本不影响茄子种子在径向的传湿速率。) 关键词：当量温度分析法，热泵，种子，干燥，替代工质，回热循环 竺! 堡竺! t i t es t u d yo nh e a tp u m pd r y i n gt h e o r y a n d p r o p e r t i e so fs e e dd r n gp r o c e s s a b s t r a c t p r e s e n t l y ，a ni n c r e a s i n gw o r l d w i d ea t t e n t i o n h a sb e e np a i dt ot h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti s s u e s t h e c o n s e r v a t i o no fb i o d i v e r s i t y , p r o t e c t i o no f o z o n e l a y e ra n dr e d u c t i o n o f g r e e n h o u s ee f f e c th a v eb e c o m en o t o n l yt h e g l o b a l l yc o n c e r n e di s s u e sb u ta l s ot h er e s e a r c hf o c u s e so fe n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i e s d i s c i p l i n e b e a r i n g t h e s ei nm i n d , a n dw i t h e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em e t h o d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co f e n e r g y - s a v i n go f h e a tp m n p d r y e r , a n e w t y p eo f s e e dd r y i n g d e v i c ef o r e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , w a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h em a s s t r a n s f e rm e c h a n i s m i ns e e d sw a se x a m i n e di nd e p t ha sw e l l t h i sp a p e rd e a l tw i t ht h ei s s u e si n v o l v e di nt h e i n t e r d i s c i p l i n eo ft h e r m o d y n a m i c s ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r , e n v i r o n m e n ta n db i o l o g y s c i e n c e s c o n c e r n e dw i t hc f cs u b s t i t u t i o na n ds y s t e mo p t i m i z a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so ft r a d i t i o n a l v a p o rc o m p r e s s i o nr e f i i g e m t i o nc y c l e ，a n d a c c o r d i n g l yd i s c l o s e dt h ec o m m o np r o b l e m so fi g n o r i n gt e m p e r a t u r e a t s u p e r - h e a t s t a g e ，w h i c hr e s u l t si nt h ed e v i a t i o nb e t w e e n t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n d e v e ng e n e r a t e st h ec o n t r a r yr e s u l t sf o rs o m er e f r i g e r a n t s t h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e m e t h o d n 田w a so d g i n a l l yp r o p o s e di nt h i sw o r k t 0e l i m i n a t et h ed e v i a t i o n ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tc y c l e sw a sa l s oe s t a b l i s h e d e t mc a np r o v i d ead e e p i n s i g h to fv a p o rc o m p r e s s i o nt h e o r e t i c a lc y c l e ，e s p e c i a l l yo fs u p e r - c o o lc y c l e ，s u p e r - h e a tc y c l ea n di n t r a - c y c l e at h o r o u g hc o m p a r i s o no fr 2 2w i t hi t sa l t e r n a t i v e sx v a s m a d ea sw e l j t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h e p r o b l e m se x i s t i n g i nm a n yk i n d so f h e a t p u m p d r y i n gs y s t e m s ，s u c ha sp o o rr e g u l a r i t ya n dp o o ra n t i - e x t e r n a ld i s t u r b a n c eo rl o w h e a t e f f i c i e n c y , c o r r e s p o n d i n gt ow h i c h ，as o l u t i o no fa d d i n ga na u x i l i a r yc o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o rw e r ed e v e l o p e d b a s e do n t h ef i r s ta n ds e c o n dl a w so f t h e r m o d y n a m i c s ， t h ep e r f o r m a n c ef e a t u r eo ft h i ss y s t e mv c a se x a m i n e di nd e t a i l ，a n dac o n c l u s i o nw a s d r a w nt h a tt h e r ee x i s t sa l lo p t i m u m e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei nt h es y s t e m , a tw h i c h a h 1 a b s l l l a c t m a x i m u mm o i s t u r e r e m o v a lr a t ew a s a c q u i r e d t h ea u x l i a r yc o n d e n s e r i sa p p l i c a b l et o t h eu n i t e dc y c l es y s t e m ，w h e r et h eh e a t e de x t e m a la i ri sa p p l i e dt ot h ed r y i n g ，a s c o m b i n e st h em e r i t so f o p e nc i r c u l a t i o nb e a tp u m pd r y i n gs y s t e mw i t ht h a to f c l o s e d o n e ，i n c r e a s i n g t h ee f f i c i e n c yo fs y s t e m b y1 0 2 5 t h ea u x i l i a r ye v a p o r a t o r i s c a p a b l eo fa b s o r b i n gh e a te n e r g yf r o mo u t s i d ee n v i r o n m e n t ，w h i c h n o to n l ye n h a n c e s h e a te f f i c i e n c y ，b u ta l s os o l v e st h e p r o b l e mo fa d j u s t i n g d e t e r i o r a t i o nc a u s e db y i n c r e a s e dl o a d t h ei n t r a - c y c l ec a l lr a i s et h eo p t i m u me v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ea n d m o i s t u r e - r e m o v a lr a t e ，c o n s e q u e n t l ye n e r g yc o n s u m p t i o ni sr e d u c e db y1 0 2 0 t h e h i g h e rt h er e l a t i v eh u m i d i t yo f t h ed r y i n gm r m i n a t i o n s ，t h em o t e v i d e n t t h ee f f e c to f i n t r a c y c l ei s i nt e r m so f t h et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，au n i q u e d r y i n g d e v i c ew a s s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d ， w h i c hi s c a p a b l eo fp r o d u c i n gl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wh u m i d i t ya i r f o rs e e d so f t e m p e r a t u r e s e n s i t i v eb i o m a t e r i a l s ，i t sd r y i n ge f f e c ti sm o r eo b v i o u s i t sa i rc y c l ei s c l o s e da n dt h em o i s t u r ei sr e m o v e db y c o o l i n g , a n d t h el a t e n th e a t 0 f 1 1 i g hh u m i d i t y a i r c a nb er e c y c l e d ；t h ee f f e c to f e n e r g y - s a v i n gi sc o n s i d e r a b l e ，f i a r t h e r m o r e ，t h es y s t e mi s n o ti n f l u e n c e db yo u t s i d e s u r r o u n d i n g s 删s d e v i c ec a nc a r r yo u tt h ec o n t r a c t e x p e r i m e n to f d r y i n gd y n a m i c su n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t o fh e a tp u m p d r y i n gp r o c e s sa n do f t h ea l t e r n a t i v er e f r i g e r a n t s t h er e s e a r c hr e s u l t s h o l d p r o m i s e f o rt h eb a s eo f d e v e l o p i n g s a m p l e m a c h i n e t h em a t h e m a t i c sm o d e ls i m u l a t i n gt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a tp u m pd r y i n g s y s t e mw a sb u i l tu p , a n de v e r yp a r a m e t e ra f f e c t i n gt h ed l 撕n gp e r f o r m a n c eo fh e a t p u m p w a sa n a l y z e d c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep r e c i s i o ni sr e l i a b l e t h e s i m u l a t i n g a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sr e v e a lt h a tt h e r ee x i s t s a l l o p t i m u md r y i n g t e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s s a tw h i c ht h eh e a t p u m pd r y i n gs y s t e mc 锄r e a c h am a x i m u m e f f i c i e n c y t h i sc h a r a c t e r i s t i ci sj u s ts u i t a b l ef o rs e e d s ，w h i c ha f eg e n e r a l l yd r i e da t l o w e rt e m p e r a t u r e a st h et h e o r e t i c a lb a s eo fs y s t e mr a g u l a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lw a se s t a b l i s h e dt oc a l c u l a t et h eo p t i m u m d r y i n gt e m p e r a t u r e i ti sv e r i f i e dt h a t a d j u s t i n gt h ea m o u n to f c y c l e w i n da n dt h e b y - p a s sr a t ec 8 n c o n t r o lt h ec a p a c i t yo f t h e s y s t e m i nt h i sw o r k , a c o m p a r a t i v ed r y i n ge x p e r i m e n t o n c a b b a g e a n d e g g p l a n ts l e d s ，w h i c h a r ed o m e s t i c a l l yi nt h eg r e a t e s td e m a n d ，w a s p e r f o r m e d t h e r a t eo f h e a l t h ys e e d l i n g si s i v 丝! 里竺! p r o p o s e dt o e v a l u a t et h es e e dv i g o r t h ee x p e r i m e n t a ld a t ar e v e a lt h a t t h e d r y i n g t e m p e r a t u r eo fc a b b a g es e e ds h o u l db ec o n t r o l l e db e l o w4 0 ，a n de g g p l a n ts e e d b e l o w 4 5 t a k i n g i n t oa c c o u n to ft h ee f f e c t so fr e l a t i v e h u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r e o nt h e e q u i l i b r a t e dw a t e rc o n t e n to fs e e d s ，n e l l i s te q u a t i o nw a sd e d u c e db yu s i n gb i n a r y f u n c t i o nl i n e a rr e g r e s s i o n t h ee q u a t i o nh a sag r e a tp o t e n t i a lf o rt h ea p p l i c a t i o n si n t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e d u et ot h ed i s t i n c ts t r u c t u r ea n ds h a p e o f c a b b a g es e e d sa n de g g p l a n ts e e d s ，a n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so f h u s ka n de m b r y o ， t h em o d e l s o fi n h o m o g e n e o u sd i f f u s i o no fw a t e rm o l e c u l e sw i t h i ns e e d sw e r e e s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l yan u m e r i c a la n a l y s i sw a sd o n eu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， w h i c hc a r lb eu s e dt oa n a l y z et h em a s st r a n s f e rp r o c e s sw i t h i ns e e d sw i t hv a r i e d s t r u c t u r e 皿坞t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h eh u s ko fs e e 出i st h em a i n r e s i s t a n c et ot h ed r y i n g 。a n dt h em a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti nh u s ki sm e r e l yl 2 0 l ，3 0 o fe m b r y o t h u s ，r a i s i n gt h ed r y i n gr a t el i e sm a i n l yi nt h er e d u v t i o no fr e s i s t a n c ei n h u s k v a r i a b l et e m p e r a t u r e d r y i n g a n di n t e r v a l d r y i n g a r ee f f e c t i v em e t h o d sf o r r e d u c i n gd r y i n gt i m e o w i n gt ot h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r e ，ar e l a t i v e l yg r e a tr a d i c a l h u m i d i t yg r a d i e n tw a sf o r m e dd u r i n gt h ed r y i n go fe g g p l a n ts e e d s l o w e r i n gr e l a t i v e h u m i d i t y c a l le n h a n c ed r y i n gr a t e ，m o r e o v e rh a sar a t h e rl i t t l ee f f e c to nr a d i c a lm a s s t r a n s f e rr a t e k e y w o r d s ：e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em e t h o d ，h e a tp u m p ，s e e d ，d r y i n g ，a l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t ，i n t r a - c y c l e v 蔓二童堕堡一 第一章绪论 人类为了生存、发展，就要向环境索取资源。自然环境是人类生存、繁衍的 物质基础，因此，保护和改善自然环境是人类自身生存和可持续发展的前提。随 着社会的进步，生产力的大大提高，人类已在环境中逐渐处于主导地位。但人类 所处生态系统的物流和能流是遵循热力学定律的，只有遵守和顺应规律，人类才 能持续地取得丰富而合乎需要的资源和能源，从而长久不断地发展生产和提高生 活水平。本世纪人类经历了两次环境革命，第一次发生在6 0 年代末7 0 年代初， 人们开始认识环境质量与经济增长的关系并转向对环境的关注。8 0 年代末和9 0 年代初是第二次环境革命，这次重新界定和扩大了许多原有的概念，并提出可 持续发展问题。1 9 8 7 年以布伦特兰( b r t m t l a n d ) 为主席的联合国与世界环境发 展委员会，对“可持续发展”下的定义可概括为：“既满足当代人的需要，又不 对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”。可是由于种种原因，当前生态系 统和环境已存在严重问题：大气严重污染、水资源空前短缺、森林惨遭毁灭、可 耕地不断减少、大批物种濒临灭绝。一句话，这一时空系统的熵值正在超速增大， 人类赖以生存的自然环境正处在危机之中，而且已屡屡遭受大自然的报复和惩罚 ”l 。日益恶化的环境向人类提出：保护大自然，维持生态平衡是当今最紧迫的问 题。 生态系统发展到成熟阶段，它的结构和功能，包括生物物种的组成、生物数 量的比例以及能量流动、物质循环，都处于相对稳定状态，这就叫生态平衡。生 态平衡是一种动态平衡，在这种平衡系统内部时时刻刻发生着物质循环和能量循 环。物质循环的顺利进行使生态系统的各部分协调一致，对生态系统的自我调节 起着重要作用。在一般情况下，成熟的生态系统内部物种越丰富，食物网就越复 杂，物质循环和能量流动可以多渠道进行。如果某一环节受阻，其他环节可以起 补偿作用。当然，生态系统的这种自我调节能力有一定限度，超过限度生态平衡 就会遭到破坏，甚至导致生态危机。当前生态平衡的破坏主要是人为造成的，如 长江上游森林的过度砍伐以及中游的围湖造田，加重了长江流域近年的特大洪 灾：埃及阿斯旺大坝挡住了肥沃的淤泥，使尼罗河下游的土地贫瘠化，河里的营 养物质减少，尼罗河三角洲和地中海的渔业生产受到影响。由于生态环境的破坏， 生物资源的衰退是惊人的，灭绝的速度越来越快，生物多样性受到严重威胁，这 就是大自然对人类破坏生态平衡的报复。 近几十年来，人类活动不断加剧，将大量的矿产从地下开采出来，并且人为 创造了一些自然环境中本来不存在的物质，使物质循环受到空前干扰，某些物质 的局部富集或缺乏，产生不利于生物和人类生存的环境效应。如大量燃烧石油、 煤等化石燃料，加上森林面积的大量减少，就会使大气中二氧化碳浓度升高，产 天津大学博士论文 生温室效应。人类在使用制冷剂、发泡剂和灭火剂等化学制品时，向大气排放的 氯氟烃也加剧了温室效应。更严重的是氯氟烃飘流到密集于离地面2 0 2 5 公里 的平流层内的臭氧层时，在紫外线照射下会使臭氧变成纯氧，从而使臭氧层遭到 破坏，它的破坏对地球上的万物生灵造成直接威胁。温室效应和臭氧层破坏同样 是大自然对人类破坏环境的报复。 目前，世界各国对环境保护和可持续发展问题日益重视，保护生物多样性、 保护臭氧层和减缓温室效应已成为全球性问题，而这些问题都与工程热物理学科 有着密切的联系。本文所研究的种子经过干燥而长期保持生命活力的课题，是涉 及热力学、传热传质学、环境与生命科学的交叉学科问题。 ， 1 - 1 课题研究的背景 一、保护生物多样性 可持续发展思想在社会经济发展水平低下的人类初期，尤其在传统的农林业 实践和资源管理中可找到它的萌芽。但是科学的完整的可持续发展思想，却是人 类在经过一次次“自然界的报复”后，随着生态环境意识的增强，逐渐形成、 完善与发展起来的。自6 0 年代以来，随着科学技术的发展以及人口迅速增加， 自然资源与经济发展的矛盾逐渐突出。成片消失的森林，鱼虾绝迹的河流，贫瘠 退化的土地，温室效应等都让人类意识到必须重新审视自己的发展观。1 9 8 2 年1 0 月联合国大会通过的第3 7 1 号决议，即世界自然宪章庄严地重申，“人类是 自然的一部分”，“文明起源于自然，自然塑造了人类的文化”。深信“每种生命 形式都是独特的，无论对人类的价值如何，都应得到尊重”。重申“人类必须学 会如何维持和增进他们利用自然资源的能力，同时保证能够保存各种物种和生态 系统，以造福今世和后代” 2 】。这些论述使我们充分认识了保护生物多样性的价 值和意义。 生物多样性( b i o l o g i c a ld i v e r s i t y ) 是指所有来源于活的生物体及其变异性， 包括陆地、海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体，这包括物种内、 物种之间和生态系统的多样性，是4 0 亿年以来生物进化的最终结果。生物多样 性是世界上的自然财富，它包括了几百万不同种类的植物、动物和微生物，以及 它们所拥有的基因和由这些生物与所在地环境所构成的生态系统。生物多样性包 括三个层次的概念，即遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性。 生物及其多样性是人类社会生存和发展的重要物质基础，与人类活动紧密 相连。生物及其组合多样性的存在才使人类有了适应环境变化和未来需求的能 力，它对人类生存和发展的价值是勿庸置疑的。它提供人类所有的食物和许多诸 如木材、纤维、油料、橡胶等重要的工业产品。传统医药绝大多数来自生物，它 至今在维护发展中国家8 0 人口的健康方面发挥着重要作用。对许多现代药品， 它是不可缺少的组分。至于它在自然界中维系能量的流动、净化环境、改良土壤、 2 涵养水源及调节小气候等众多方面的功能更是功不可没的。丰富多样的生物与它 们的物理环境共同构成了人类所赖以生存的生命支撑系统。 生物多样性和生物资源是两个不同的概念。生物资源是生物多样性中对人 类有现实和潜在价值的基因、物种和生态系统的总称，它是生物多样性的物质体 现，是人类赖以生存的物质基础。随着人类科学技术的发展和对生物界的深入认 识，生物资源在生物多样性中所占的比例将会不断扩大。生物资源重要的特性是 有效的合理利用，它就可以再生以至持续使用，为可持续发展提供丰富的物质基 础：对生物资源不合理利用，其总量将不断减少甚至可能绝灭。人类的经济活动， 在一定程度上创造和丰富了生物多样性，如优良品种的培育和推广。但是，人类 对生物多样性的破坏和毁灭也是空前的。由于缺乏对生物及其组合多样性价值的 认识和没有合理利用生物资源，人类在发展自身的同时，导致了生态环境的恶化 和物种的灭绝，生物多样性受到严重威胁。 一些物种灭绝了，新的物种又产生了，这种生物生生不息的自然现象在人 类诞生前就已经存在了。科学家估计，在过去的2 亿年间，由于没有人类的干扰， 大约平均每1 0 0 年有9 0 种脊椎动物灭绝，每2 7 年一种高等植物灭绝。以此作背 景速度，人类的干扰使鸟类和哺乳类动物灭绝速度提高1 0 0 1 0 0 0 倍。1 6 0 0 年以 来，有记录的高等动物和植物己灭绝7 2 4 种。而绝大多数物种在人类还不知道之 前，由于人类的干扰，特别是栖息地的破坏。就已经灭绝了。粗略地测算，生存 环境的面积缩小9 0 ，其物种将减少一半，其中热带雨林被砍伐对物种的影响 更为突出。估计1 9 9 0 2 0 2 0 年主要由于砍伐热带森林引起的物种灭绝可减少世 界物种5 1 5 ，即每天5 0 一1 5 0 个。目前，地球上濒危物种的数目，植物近2 万种，脊椎动物3 4 0 0 多种。农业遗传多样性的丧失也是我们面临的严重问题。 在印度尼西亚，一方面1 5 0 0 个当地水稻品种在过去的1 5 年里消失了，另一方面 7 4 的水稻品种来自同一母系。专家们估计，整个世界有经济价值的几百个野生 或半栽培树种，在其全部或部分分布区已处于被丧失的危险之中。事实上，我们 正在逐步毁掉人类未来生存和发展的根基。 鉴于全球生物多样性遭受严重威胁并逐渐丧失的现状和趋势，自8 0 年代以 来，国际社会普遍关注生物多样性的保护和持续利用，并将其作为当今全球环境 保护的热点问题。生物多样性公约于1 9 9 3 年1 2 月2 9 日正式成立生效，这被 视为全球生物多样性保护的一个里程碑。为纪念人类历史上这一伟大事件，1 9 9 5 年联合国大会作出决定，自1 9 9 5 年起，将每年的1 2 月2 9 日定为“国际生物多 样性日”，使保护生物多样性成为人们生活中的一项基本准则。n 我国土地辽阔，有多种多样的气候、地形等自然条件，有7 0 0 0 多年的农业 耕作历史，这一切自然和人文因素使我国成为世界上少数几个生物多样性特别丰 富的国家之一。由于历史和现实的原因，我国的生物多样性过去遭受到的破坏和 当前面临的威胁都是严重的，生物多样性尽管丰富多彩，但在许多方面是残缺不 全的。改革开放以来，我国政府把保护环境作为一项基本国策，制定和实施了一 系列有利于保护和持续利用生物多样性的法律、法规、方针、政策和措施。 4 1 天津大学博士论文 二、种子干燥的重要性 保护遗传多样性是生物多样性保护的关键，在植物的遗传多样性研究中，涉 及到诸多生物学、生态学和生活史的特征，其中交配系统是显著影响植物种群遗 传结构的重要因素之一 5 “j 。保护遗传多样性和成功地繁育珍稀濒危植物是保 护生物学面临的首要问题，而保护农业遗传多样性更是其中的严重问题。决定生 物种性并将其丰富的遗传信息从亲代传递给后代的遗传物质的总体，统称为“种 质”。它包括植物改良，植物育种中所应用的各种材料，如个群体、一株植物、 植物器官的一部分根、茎、叶、花粉、种子以及细胞、染色体、核酸片段 等。对各种种质材料，在不同水平上进行安全保存、贮藏、繁衍的方法，称为种 质库。种质库包括国家法律规定的自然保护区、人工植物园以及现代化的种子贮 藏库。目前我国已建立了若干由长期库、中期库和种质囿组成的农作物种质资源 保存体系，已收集和保存各种农作物种质3 3 万份。对于作为种质的种子，通过 干燥用于长期储藏是非常关键的。 随着农业生产的发展，广大生产者对播种种子的质量要求也越来越高。在种 子生产中，要按原种原种一代良种的世代程序繁殖优良种子，不能用 原种一代，原种二代来逆向繁殖原种，更不能用生产用种充作原种。为保持原种 在较长时间具有旺盛的生命活力，延长使用年限，保证种子具有较高的品种品质 和播种品质，原种的干燥与储藏尤为重要。目前，国内外在种子生产上许多采用 杂交一代优势。一般杂交组合的亲本都培育成纯度很高自交系，自交系本身的保 存和繁殖都采用自交的方法。而长期多代自交和近亲繁殖，必然带来亲本本身的 种性退化和生活力的下降。利用科学的干燥贮藏技术，可以一年( 或一代) 繁殖 自交系( 亲本) ，供多年配制杂交一代种子的亲本使用，从而延长了亲本的繁殖 周期，减轻亲本的退化程度，确保亲本的纯度，增加优良杂交品种在生产中的使 用年限。另外，良种繁育技术复杂，如果同一品种年年繁育生产用种，其发生机 械混杂和生物学混杂的现象很难避免。科学的干燥贮藏技术可以将一年繁育出来 的定量种子，分别多年使用，不仅可以减少种子在繁育过程中造成混杂的机会， 节省人力物力，而且还可降低自然灾害的影响机率。 农作物的收获一般是在高温高湿的季节，因为来不及干燥或干燥工艺不当造 成的损失相当严重，全国种子加工中心的损失量达1 0 t ”，对于价格较高的蔬菜 种子，问题更加突出。我国自1 9 9 6 年开始实施“种子工程”，并作为“九五” 期间我国农业领域中重中之重的项目，其重点是以种子加工为突破口。这样，对 种子的干燥工艺就提出了更高的要求。 三、我国“种子工程”总体规划 党的十四届五中全会通过的中共中央关于制定国民经济和社会发展“九五” 计划和2 0 1 0 年远景目标的建议中提出：要“突出抓好种子工程，加快良种培 育、引进和推广”，把实施“种子工程”作为保证粮棉油等摹本农产品稳定增长， 4 推动农业再上新台阶的重要措施。 实施“种子工程”是“九五”期间乃至2 0 1 0 年我国种子工作的中心任务， 其总体目标是促进我国种子工作迅速实现“四个”根本性转变，即由传统的粗 放生产向集约化大生产转变，由行政区域的自给性生产经营向社会化、国际化市 场竞争转变，由分散的小规模生产经营向专业化的大中型企业或企业集团转变， 由科研、生产、经营相互脱节向育、繁、推、销一体化转变。最终建立适应社会 主义市场经济体制和产业发展规律的现代化种子产业体制，形成结构优化、布局 合理的种子产业体系和富有活力的、科学的管理制度，实现种子生产专业化、经 营集团化、管理规范化、育繁推销一体化、大田用种商品化。 “种子工程”是一个系统工程，建设和完善种子加工包装系统是其中关键的 一环。其实旌的关键是以种子加工为突破口，而带动其它方面的发展。从种子加 工、包装和标牌统供环节入手，带动科研育种和精良育种等新技术推广。农业部 作出规划，利用贴息贷款和世界银行贷款投资，在全国要建立3 0 0 个大型粮食种 子加工中心、2 0 0 个棉花种子加工中心、5 0 个蔬菜及油料种子加工中心，并对现 有重点种子加工中心进行改造，建立和改造2 8 个种子相关企业，总投资1 3 2 亿 元【”i 。 实施“种子工程”成败的关键取决于是否最大程度的运用了国内外先进的科 技成果，是否充分依靠了科技进步。各级科技部门要积极参与和大力支持“种 子工程”的实施工作，开展联合协作攻关，加速国内科技成果的开发、转化和 国外新品种、新技术的引进、消化和推广，提高我国良种培育、生产、贮运、加 工、包装技术和种子生产经营管理水平。目前，我国种子干燥加工机械成套设备 的发展很不成熟，各种种子的干燥机理和干燥工艺发展并不完善，有些种子，如 甜菜、亚麻种子的加工成套设备甚至还是一片空白。因此，研究先进的种子干燥 工艺已成为当务之急。 1 - 2 种子干燥技术与干燥理论研究综述 种子只有干燥到一定的含水率之下才能安全地贮藏，保证种子的生命活力。 种子的干燥不同于一般的谷物、水果和蔬菜等农作物的干燥，其干燥过程不仅与 种子的形态与细微结构有关，而且干燥不当还会造成种子劣变“”。因此，综 合工程热物理学与生物学是研究种子干燥的传热传质机理、开发高效节能的新型 种子干燥设备的前提。 一、种子活力和种子劣变 根据p e r r y ( 1 9 7 2 ) t l s j 的定义，种子活力( s e e dv i g o r ) 是一种为基因所决定而为环 境因素所改变的生理特性，它决定着种子在土壤中产生幼苗的能力，以及适应环 境因子范围的水平。种子劣变( d e t e r i o r a t i o n ) 是种子活力下降的不可逆变化，即 天津大学博士论文 发芽力、幼苗生长势及植株生产性能的下降。在种子干燥中，干燥的方式不当会 引起种子的劣变和种子活力的下降，发芽力的下降是这一因素的一种表现形式。 1 、含水率对种子活力的影响 种子的劣变与种子的含水率有极大的关系。当种子含水率过高时，会使需要 贮藏的种子发芽而死亡；过高的含水率同时也会促使种子发生霉变和病变。含水 率是影响种子活力的主要因素。根据h a r r i n g t o n 在1 9 6 0 年提出的准则，种子含 水率每降低i ，种子寿