谷物科学第五章

第五章谷物干燥收获后的谷物只有在水分降到安全水分时，才能进行长期贮藏。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。了解谷物干燥的基本原理和主要特性，了解谷物干燥方法和干燥机型，保证谷物烘后品质。第一节谷物干燥原理

一、谷物中的水分机械结合水：表面和粗毛细管内的水分，结合松弛，干燥过程中必须除去。物理化学结合水：干燥过程中要除去物理吸附水分、部分化学吸附水分、渗透水分和部分结构水分。化学结合水：不是干燥过程要去除的水分。谷物干燥过程是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。干基水分：

湿基水分：

两者之间的换算关系：Ww：水分质量(kg)Wb：湿谷物质量(kg)Wbd：谷物干物质质量(kg)

谷物水分含量表达形式：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含量可能会有很大的差异。

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含量存在差异，谷粒内外层之间水分含量也存在差异（物质组成和细胞结构不同）。

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。水分对谷粒力学特性的影响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，从而决定谷粒在干燥过程中是否产生裂纹。

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。谷物处于不同相态时，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甚至破碎。玻璃化转变在聚合物化学中，一般将基质在低于玻璃化转变温度时所处的状态称为玻璃态；将基质在高于玻璃化转变温度时所处的状态称为橡胶态。玻璃化转变是将基质从橡胶态到玻璃态的转变。玻璃态时，由于体系粘度较高而自由体积较小，一些受扩散的反应速率十分缓慢，甚至不会发生；在橡胶态时体系的粘度明显降低，但自由体积显著增大使扩散控制的反应速率在迅速加快。因此，玻璃态对食品加工、储藏的安全性和稳定性都十分重要。玻璃态是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不像无定形体那样无规则排列。有人把玻璃态形象地称为“短程有序，远程无序”，即从小范围看，它有一定的晶型排列，从整体看，却像无定形物质那样无晶形的排列规律。玻璃态物质没有固定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化，变成液态。聚合物的力学状态及其转变聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态和聚集态。相态是热力学概念，由自由焓、温度、压力和体积等热力学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称热力学状态。聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性进行划分，所以也常称为力学状态。聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的力学性能也不同。聚合物的结构与性能聚合物的力学状态非晶态聚合物的力学三态若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的温度--形变曲线（或称热--机械曲线）。非晶态聚合物典型的热--机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态。形变温度IIIIII聚合物的结构与性能在区域I，温度低，聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为，形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。玻璃态温度形变IIIIII聚合物的结构与性能随着温度的升高，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。聚合物的结构与性能温度形变IIIIII玻璃态橡胶态由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glasstemperature)，以Tg表示。玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf交联聚合物MaMbMb>Ma聚合物的结构与性能当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，Tf越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。状态方程及道尔顿定律二、湿空气特性

湿空气的压力为干空气分压和水蒸气分压之和。Rad:干空气的气体常数0.287kj/kg.KRv:水蒸汽的气体常数0.461kj/kg.K

湿含量相对湿度比热比体积比焓I－D图中各种状态参数曲线走向示意图

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，湿焓图，又称I－D图。I－D图采用135°斜坐标系，以焓为纵坐标，湿含量为横指标。湿空气状态变化过程示意图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’：实际干燥过程湿空气状态变化过程示意图三、热量传递过程传热是指热量在空间上发生位置转移的过程。传热过程中热流总是由高温物体流向低温物体或从物体的高温部分流向物体的低温部分，传热是由温度梯度或温度差来推动的。热量传递包括传导、对流和辐射三种方式。谷物干燥一般是采用对流干燥的形式，只有在太阳能等辐射干燥中才涉及到辐射传热。四、谷物的薄层干燥

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。空气流速：2m/s；谷物层厚度：2.7cm薄层的厚度取决与风速、风温及相对湿度。物料的干燥可分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段。

降水速率不随着干燥的进行而降低。干燥速率（单位时间降水量，dM/dt）保持恒定，等于同一条件下自由水分的蒸发速度。物料温度不升高，等于湿空气的湿球湿度(Twb)。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。恒速干燥阶段恒速干燥阶段物料在恒速干燥阶段时，内部水分扩散到表面的速度等于表面水分的蒸发速度，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。恒速干燥阶段结束时物料的含水量称为临界水分含量。高水分(湿基水分超过70～75%)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。水分含量低于物料临界水分含量时，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。物料内部出现水分梯度，温度开始上升，高于湿球温度。降速干燥阶段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。

降速干燥阶段生物物料的干燥曲线

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做是干燥的逆过程。

五、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）。在冷却工程中以降温为主，同时也存在降水现象。在谷物冷却的过程中，可以认为谷物和干燥介质之间的水分传递已经达到平衡，即在冷却空气离开谷物之前其降水量已经达到最大值。

六、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。

复合体结构籽粒示意图缓苏过程中谷粒内部水分的变化第二节谷物干燥特性

一、谷物的物理特性

谷粒的物理特性：当量直径比表面积谷粒密度批量谷物的物理特性：谷物密度比表面积空隙度粮层阻力

粮层阻力定义：当空气穿过谷物层时，由于空气和谷粒之间的摩擦及涡流的作用，要消耗空气一定的能量，表现为空气穿过粮层以后压力要降低，这个压力降低值即为谷物对空气的阻力。单位高度上的粮层阻力称为单位粮层阻力，用ΔP表示。单位粮层阻力影响因素：气流量谷物品种：不同品种的谷物由于其颗粒大小及几何

特性的不同，造成单位粮层阻力的差异。

单位粮层阻力影响因素：杂质的性质与含量：对于大杂，含量越高单位粮层阻力越小，而对于小杂，杂质含量越高单位粮层阻力越大。粮堆空隙度与装粮方式：空隙度越大单位粮层阻力越小，由于装粮方式的不同将导致空隙度的不同，对粮层阻力产生影响，这一点在谷物就仓通风时应当引起足够重视。气体温度：空气温度升高则动力粘度系数变小，单位粮层阻力将降低，这一点在进行高温连续谷物干燥机的设计时应当引起足够重视。二、谷物的热特性

热特性都是就批量谷物来说的，参数：比热容导热系数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

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组合干燥法

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流化床干燥法

一、对流干燥法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。分为：单向通风干燥法换向通风干燥法径向通风干燥法固定床干燥法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，可分为：错流干燥法（内外层谷物受热和降水不均）顺流干燥法（谷物的最高温度低于热风的入口温度）逆流干燥法（谷物的出口温度接近进口热风温度）混流干燥法（谷物温度低于进口热风温度）移动床干燥法

4种高温移动床干燥中谷物水分与温度变化过程示意图疏松床干燥法

转筒干燥原理图谷物在转筒内呈疏松状态，所以称为疏松床干燥法。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，实现对流干燥与传导干燥的结合。

流化床干燥法V<V0：谷物堆放在孔板上，气流从容器底部送入，通过孔板穿过粮层。当气流速度低时粮粒不动，床层高度不变，既是前面所说的固定床。V0为起始流化速度或最小流化速度。

V＝V0；谷粒开始被吹起并悬浮与气流中，谷粒间相互碰撞、混合，床层高度上升。若在料面以下容器壁上开一小孔，谷物会象流体一样流出，这种现象称为流态化。流化床干燥法Vt≥V>V0：气流速度继续增大，床层继续膨胀，这时床层阻力等于单位面积床层的实际重量，任何额外的气体均将作为气泡通过床层。气泡在刚出孔板时是小气泡，然后很快合并，并向上穿过粮层，引起谷物的强烈混合。由于气体聚集为气泡，这种状态称为聚式流化态。V≥Vt：如果气流速度再增大，达到谷物的悬浮速度时，谷物将被带走，称为气力输送。流化床干燥法

在流化干燥时，气流速度高于固定床时，谷物处于流态化，谷粒与气体接触面积增加，因此谷物处于流化态时与气体之间的传热、传质速度快。流化过程中谷物的混合有利于提高干燥的均匀性。谷物与热风接触的时间短，热风温度可以较高，因而干燥速率大，但是排出废气的相对湿度较低。振动流化床可以克服普通流化床在物料粒度分布范围大时存在的严重夹带问题。

流化床干燥法二、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物的干燥方法。根据干燥介质不同可分为：蒸汽干燥法惰性粒子干燥法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。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、辐射干燥法以辐射能量为热源的一种干燥方法：微波干燥法红外干燥法太阳能干燥法红外干燥法波长为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。微波干燥法频率范围为300MHz～300GHz(波长1mm-1m)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，达到加热物料目的。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。

1、多种干燥方法的联合应用：如微波干燥与对流干燥的组合。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。

2、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18%左右时，将谷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。四、组合干燥法五、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增加，谷物在后续