第五章 谷物干燥

1、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。 第一节第一节 谷物干燥原理谷物干燥原理 一、谷物中的水分谷物的主要成分：淀粉、蛋白质、脂类、矿物质和水分。淀粉、蛋白质属于具有胶体毛细管结构的多孔性生物物料，谷物的水分由于和谷物胶体物质结合力的不同而以不同的形式存在。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。 机械结合水：机械结合水机械结合水是指处于是指处于谷物表面和粗毛细管内的水分。谷物表面和粗毛细管内的水分。这部分水分这部分水分与物料结合较松弛，没有一定的数量比例

2、，与物料结合较松弛，没有一定的数量比例，以液态存在且易于蒸发。机械结合水极易被以液态存在且易于蒸发。机械结合水极易被微生物及酶所利用，谷物干燥过程中必须除微生物及酶所利用，谷物干燥过程中必须除去这部分水分。去这部分水分。物理化学结合水：物理化学结合水可分为吸附水分、渗透水分和结构水分。这部分水分与物料之间没有严格的数量比例。吸附水分包括物理吸附水和化学吸附水。由于谷粒及毛细管内壁表面分子引力的不平衡性，该分子要通过分子间力、范德华力、氢键等吸附周围水蒸汽中的水分子以达到平衡，这部分水分为物理吸附水分；化学吸附水分指与吸附物料以化学力相结合的那部分水分；渗透水分指在渗透压的作用下进入细胞内的那部

3、分水分；结构水分指胶体物质固化形成凝胶时，保留在凝胶内部的水分。谷物干燥过程中要除去物理吸附水分、渗透水分及部分化学吸附水分和部分结构水分。 化学结合水：化学结合水是指渗入物料分子的内部，与物料结合非常牢固的那部分水分。要用化学反应或强烈热处理的方法才能除去这部分水分。去除化学结合水必然引起谷物物理及化学性质的变化。该部分水分与物料之间有着严格的数量比例。化学结合水不是谷物干燥过程中要去除的水分。谷物干燥过程需要去除的水分：机械结合水，物理吸附水，渗透水分，部分化学吸附水分，部分结构水分。总总水水分分自自由由水水分分平平衡衡水水分分非结合水分非结合水分结结合合水水分分x*x0 x1空气相对湿度

4、空气相对湿度100%物物料料的的含含水水量量0谷物水分含量表达形式： 干基水分： 湿基水分： 两者之间的换算关系： bdwWWM 100bwWWMMMM1谷物水分分布的不均匀性谷物水分分布的不均匀性 同一批谷物不同谷粒之间水分分布是不均匀的，这与谷物收获时就存在粒间水分差异及收后处理有关，收后储藏可以降低水分差。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。 单一谷粒不同部位水分分布也是不均匀的，如：胚和胚乳之间的水分含量存在差异，谷粒内外层之间水分含量也存在差异。 通常在干燥初期，谷粒内外的水分梯度很大，随着干燥进行水分梯度降低。谷物不同组织结构部位水分含量差异是由其物质组成和

5、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。玉米玉米：随着水分含量的增加，其抗压强度、弹性模随着水分含量的增加，其抗压强度、弹性模量、最大压应力及剪应力都降低。小麦量、最大压应力及剪应力都降低。小麦：随着水分随着水分含量增加，最大压应力和弹性模量降低。含量增加，最大压应力和弹性模量降低。干燥将使谷粒内部产生应力，谷粒力学特性的不同干燥将使谷粒内部产生应力，谷粒力学特性的不同将导致不同水分的谷粒对相等的应力有不同的反应，将导致不同水分的谷粒对相等的应力有不同的反应，从而决定谷粒在干燥过程中是否产生裂纹。从而决定谷粒在干燥过程中是否产生裂纹。水分对谷粒物理特性的影响水

6、分对谷粒物理特性的影响 对于温度相同的谷粒或谷粒的不同部位，由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胀系数是处于玻璃态时的6 6倍。谷物处于不同相倍。谷物处于不同相态时，力学特性将发生明显变化，谷物力学特性态时，力学特性将发生明显变化，谷物力学特性的不同将决定在后续的处理过程中是否产生裂纹的不同将决定在后续的处理过程中是否产生裂纹甚至破碎。甚至破碎。状态方程及道尔顿定律 理想气体的状态方程 湿空气的压力 RT

7、WVPaaavadaPPPTRWVPadadaadTRWVPvvav其他参数：湿含量 相对湿度 比热 比容 焓 vavadvadvPPP622. 0PP622. 0WWd100PP100ddRHsbvsbvvadaCCCd608. 11PTRWVabsdada1000d2512T88. 1T005. 1I湿焓图 四、薄层干燥 定义： 薄层干燥是指谷物干燥层的厚度很薄，可以是单层谷粒也可以是多层谷粒，干燥介质通过谷物薄层以后温度和相对湿度可以认为没有变化的干燥过程。 薄层的厚度取决与风速、风温及相对湿度。ABCDEX表表面面温温度度干燥时间干燥时间ABCDEABCDEXU1、干燥曲线：干燥过程中

8、物料含水量与干燥时间、干燥曲线：干燥过程中物料含水量与干燥时间、物料表面物料表面温度的关系曲线。温度的关系曲线。 2、干燥速率曲线：物料干燥速率与物料含水量的关系曲线。、干燥速率曲线：物料干燥速率与物料含水量的关系曲线。 干燥速率（单位时间降水量，dM/dt）保持恒定。物料温度不升高，等于湿空气的湿球湿度(T Twbwb)。空气通过对流传递给物料的热量QQ1 1等于水分蒸发吸收的热量Q Q2 2。空气通过对流传递给物料的热量Q1等于水分蒸发吸收的热量Q2。wbasTTAhQ1wbaoddsTThVAhdtdMdtdMhVQodd2d：干物质密度：干物质密度(kg/m3)， Vd：干物质体积：干

9、物质体积(m3)，A：表面积：表面积(m2)，hs:表面表面对流换热系数（对流换热系数（kJ/m2.），h0：自由水分汽化热：自由水分汽化热(kJ/kg.H2O).干燥速度等于同一条件下自由水分的蒸发速度；取决于干燥介质温度、相对湿度和介质流速，属外部控制阶段。恒速干燥阶段结束时物料的含水量为临界水分含量。高水分(湿基水分超过7075%)的生物物料在干燥的开始时存在一个恒速干燥阶段，但持续时间较短。谷物干燥中一般不存在恒速干燥阶段。水分含量低于临界水分含量以后的干燥过程。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

10、速干燥阶段。物料内部出现水分梯度，温度开始上升，高于湿球温度。物料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。一般情况下，谷物的干燥均处在降速干燥阶段。降速干燥阶段最终达到的物料的水分含量为平衡水分，如果干燥介质的温度、湿度不变，那么相对于这个条件下，物料的平衡水分就是这种物料可以干燥的极限。 谷物的吸湿 在谷物干燥的工程实践中，由于不正当的操作，可能会出现谷物的吸湿现象。干燥段或冷却段高度设计不当或风量过小.烘后谷物长时间暴露于相对湿度高的空气中。谷物的吸湿过程可近似看着是干燥的逆过程。 nt KexpMRMR:水分比，(M-Me)/MiMe Mi：初水分，Me：平衡

11、水分，K：0.003818Mi+0.008185T-0.038293n：0.679247谷物的冷却 谷物经过干燥以后往往温度较高，必需经过冷却使谷物的温度降低到一定的程度才能进行长期安全贮藏。外温低于0，冷却后的谷物温度不得超过8，外温高于0，冷却后的谷物温度不得超过外温8（GB）。降温为主，同时也存在降水现象。o2TW 谷物的缓苏缓苏指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的过程。 第二节第二节 谷物干燥特性谷物干燥特性 一、谷物的物理特性一、谷物的物理特性 3keeV6d edVA6Mckdk1 谷物品种比表面积(m2

12、/m3)大麦1483小麦1820软麦1181稻谷1036.51063.0稻谷1132玉 米784.12谷物品种水分含量(kgH2O/kg)谷粒密度(kg/dm3)小麦91.49玉米91.25大豆31.24大麦41.37油菜籽0.091.091.13燕麦01.33 kb1100谷物品种空隙度(%)小麦3840玉米5356大豆38大麦4450油菜籽3335燕麦5259一些谷物的空隙度一些谷物的空隙度粮层阻力粮层阻力bQaQP1ln22QbQaP二、谷物的热特性二、谷物的热特性 比热： 41

13、86J/kg.K 是水的比热；Cd是干物质的比热； 导热系数：谷物的导热系数与谷物的密实度，水分、温度有关； 其他：热扩散系数 、对流换热系数 、水分扩散系数、谷物的平衡水分、水分的汽化热。 Mccdp4186谷物的平衡水分：当谷物处在一定温度和湿度的空气中时，水分的转移与水蒸气分压差有关。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，这时的水分称为谷物的平衡水分。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。谷物通过吸湿达到的平衡水分往往比通过解吸达到的平衡水分要低，这种现

14、象称为吸湿滞后。第三节第三节 谷物干燥方法谷物干燥方法 一、对流干燥法一、对流干燥法依据谷物床层的性质的分类：依据谷物床层的性质的分类： 固定床干燥法、移动床干燥法 疏松床干燥法、流化床干燥法。固定床干燥法、就仓干燥移动床干燥法 错流干燥法顺流干燥法逆流干燥法混流干燥法错流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向垂直的错流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向垂直的干燥方法，错流干燥中内外层谷物受热也不均匀，干燥方法，错流干燥中内外层谷物受热也不均匀，降水也不均匀。降水也不均匀。顺流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向一致的顺流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向一致的干燥方法，谷物的最高温度比热风的入口温度要干燥

15、方法，谷物的最高温度比热风的入口温度要低得多，所以，顺流干燥中风温可以用得很高。低得多，所以，顺流干燥中风温可以用得很高。逆流干燥法：指干燥介质流向与粮流方逆流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向相反的干燥方法，出口谷物温度接近向相反的干燥方法，出口谷物温度接近进口热风温度，所以，逆流干燥中所用进口热风温度，所以，逆流干燥中所用风温要低。风温要低。混流干燥法：指干燥介质流向与粮流方混流干燥法：指干燥介质流向与粮流方向既存在顺流又存在逆流甚至错流的一向既存在顺流又存在逆流甚至错流的一种的干燥方法，谷物在整个干燥过程中种的干燥方法，谷物在整个干燥过程中交替多次地经过逆流干燥交替多次地经过逆流干燥-顺流

16、干燥，谷顺流干燥，谷物温度低于进口热风温度，所以，混流物温度低于进口热风温度，所以，混流干燥中所用风温较高。干燥中所用风温较高。疏松床干燥法 流化床干燥法 流化床干燥的特点流化床干燥的特点气流速度比固定床时明显要高。气流速度比固定床时明显要高。流态化时，谷粒与气体接触面积增加，传热、流态化时，谷粒与气体接触面积增加，传热、传质速度快。传质速度快。混合因素有利于提高干燥的均匀性。混合因素有利于提高干燥的均匀性。谷物与热风接触的时间短，热风温度可以较谷物与热风接触的时间短，热风温度可以较高，因而干燥速率大。高，因而干燥速率大。二、传导干燥法二、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

17、物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。和惰性粒子干燥法。2.2.惰性粒子干燥法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，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。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。大，传热系数高，介质温度高，因此干燥速度快。三、辐射干燥法三、辐射干燥法

18、辐射干燥法是以辐辐射干燥法是以辐射能量为热源的一射能量为热源的一种干燥方法。包括种干燥方法。包括微波干燥法、红外微波干燥法、红外干燥法和太阳能干干燥法和太阳能干燥法。燥法。2.2.微波干燥法微波干燥法含水谷物在经过微波辐射后，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够吸收微波能而转变为热能，从而提高自身温度，水能，从而提高自身温度，水分由内向外扩散，到达谷粒分由内向外扩散，到达谷粒表面，蒸发到周围空气中或表面，蒸发到周围空气中或由干燥介质带走。由干燥介质带走。3.3.太阳能干燥法太阳能干燥法太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，利用太阳辐太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，利用太阳辐射热

19、将物料中水分蒸发出去的干燥方法称为太阳能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，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。用于谷物的干燥。 四、组合干燥法四、组合干燥法 1 1、多种干燥方法的联合应用：如微波干燥与对流、多种干燥方法的联合应用：如微波干燥与对流干燥的组合

20、。转筒干燥法及蒸汽干燥法实际是对干燥的组合。转筒干燥法及蒸汽干燥法实际是对流干燥与传导干燥的组合。流干燥与传导干燥的组合。 2 2、高低温联合干燥法：高低温联合干燥法是指谷、高低温联合干燥法：高低温联合干燥法是指谷物经高温连续干燥，当水分降到物经高温连续干燥，当水分降到18%18%左右时，将谷左右时，将谷物转移到低温干燥仓内，采用低温通风干燥，除物转移到低温干燥仓内，采用低温通风干燥，除去剩余水分。高低温联合干燥法具有能耗低、谷去剩余水分。高低温联合干燥法具有能耗低、谷物烘后品质好的优点，但是要配置大容量的通风物烘后品质好的优点，但是要配置大容量的通风干燥仓，设备基础投资大。干燥仓，设备基础投

21、资大。五、谷物烘后品质控制五、谷物烘后品质控制 谷物的烘后品质越来越引起重视，烘后品质谷物的烘后品质越来越引起重视，烘后品质指标主要包括烘后玉米的淀粉提取率、小麦的面指标主要包括烘后玉米的淀粉提取率、小麦的面筋值含量等生化指标，以及烘后玉米、稻谷的裂筋值含量等生化指标，以及烘后玉米、稻谷的裂纹率、破碎率等物理指标。现有的谷物烘后品质纹率、破碎率等物理指标。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破碎，这将对谷

22、物干燥企业的经济利益产生直接的影响。的影响。1 1、裂纹形成机理：、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形成裂纹。力，当该应力超过谷粒的应力极限时形成裂纹。引起裂纹的主要原因：谷物自身特性、干燥速率、引起裂纹的主要原因：谷物自身特性、干燥速率、冷却速率等。冷却速率等。干燥改变了谷物的水分和温度，从而改变了谷粒干燥改变了谷物的水分和温度，从而改变了谷粒的力学特性，另一方面通过干燥也使谷物内部产的力学特性，另一方面通过干燥也使谷物内部产生应力，两者结合导致裂纹的产生。生应力，两者结合导致裂纹的产生。由于谷物的主要成分是淀粉，谷物干燥及冷却的由于谷物的主要成分是淀粉，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，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，内外层水分不均谷物将由玻璃态转变到橡胶