稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性的研究

谢婷婷

（福建省粮油质量监测所，福建 福州 350012）

干燥是稻谷收获后重要处理环节，稻谷在成熟收割后仍具有生命活力，若不及时进行干燥处理将其水分降低到安全水分以下，极易在储藏期间发生发芽、霉烂、诱发害虫和微生物的繁殖，从而造成极大的损失[1]。粮食经过干燥，不仅可以延长其储藏期，降低粮食因霉变而造成的损失，还可以减少运输成本。

传统稻谷干燥的方法包括自然晾晒干燥法、矿物质能干燥法和生物质能干燥法。自然晾晒干燥是最普遍的传统干燥方法，但其受场地和气候的影响，晾晒周期长，遇阴雨天霉烂发芽导致稻谷品质下降[2-3]。矿物质能干燥法和生物质能干燥均需设备投入且使用不方便，缺乏工业化应用的实际条件。

太阳能辅助热泵联合干燥技术作为一种新型的热风干燥技术，太阳能与热泵结合可以提高能源的可持续利用，也可以克服太阳能的间歇性弱点[4]。太阳能的利用可以减少热泵消耗的电能，热泵可以弥补太阳能在夜间无法利用的缺点，而且热泵的蒸发器可以有一定的热回收作用[5]。太阳能辅助热泵联合干燥技术结合了太阳能和热泵两项干燥技术的优势，具有效率高、能量消耗低、干燥连续性好、干燥温度范围宽 、产品质量好等特点，应用前景广泛[6]。邵维进等研究了太阳能和热泵联合供热在肉制品干燥的应用，结果表明太阳能热泵供热既环保又卫生并且可实现不间断地提供热能，解决了因雨天、夜间无热能而使食品变质、变味的难题，缩短了干燥周期，提高了肉制品的质量，保证了食品卫生、安全[7]。

本文利用太阳能辅助热泵联合干燥技术对早籼稻谷干燥规律进行研究，以期为更好地降低新收获的早籼稻谷水分含量，加强早籼稻谷储藏性能以及该技术的工业化应用提供理论依据。

1 材料与仪器

1.1 试验材料

早籼稻谷（随机抽取一批当季度收获的早籼稻谷）

1.2 主要仪器

YG-KRK- 14Ⅱ(5HP) 太阳能-热泵联合干燥系统：东莞永淦节能科技有限公司—福建农林大学农副产品综合开发研究所联合研制；

PL2002电子天平：梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 扦样、分样

按GB 5491-1985《粮食、油料检验 扦样、分样法》进行扦样、分样。

1.3.2 除杂

按GB/T 5494-2008《粮油检验 粮食、油料的杂质、不完善粒检验》去除样品中的杂质。

1.3.3 水分的测定

早籼稻谷水分的测定：参照GB 5009.3-2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

1.3.4 太阳能辅助热泵联合干燥稻谷

预处理：将新收获的早籼稻谷进行扦样、分样、除杂。同时，测定其初始水分含量。

称取适量的早籼稻谷原料均匀平铺于太阳能-热泵干燥室内，在一定的干燥条件下干燥至目标含水率，对干燥过程中水分含量、失水速率、干燥时间进行测定和分析。

干燥时间指将预处理的新鲜早籼稻谷干燥至目标含水率所需时间；

(1)失水速率的测定，计算公式如下：

式中：

η——失水速率，g/min

△m——相邻两次测量的失水质量，g

△t——相邻两次测量的时间间隔，min

(2)干基含水率：

w——干基含水率，%

mg——绝干时物料质量，g

mt——物料t时刻对应的质量，g

1.3.5 数据分析

应用Excel软件进行数据处理进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 干燥温度对稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性的影响分析

当早籼稻谷的装载量为2.0kg，转盘转速为0 r/min时，分别选取不同干燥温度（40、45、50、55℃）对早籼稻谷进行太阳能辅助热泵联合干燥。早籼稻谷的干燥曲线及失水速率曲线如下图1、图2所示。

图1 早籼稻谷的干燥曲线

从图1可以看出，早籼稻谷干燥至目标含水率时，各干燥温度（40、45、50、55℃）干燥所需时间分别为1022、825、576、420min。显然，在装载量和转盘转速相同的情况下，早籼稻谷干燥特性受干燥温度影响较明显，干燥温度越高，早籼稻谷干燥速率越快，干燥曲线越陡，干燥至目标干基含水率所需的干燥时间越短。

图2 不同干燥温度早籼稻谷失水速率曲线

从图2可以看出，早籼稻谷太阳能辅助热泵联合干燥过程大致上分为3个阶段：加速、恒速及降速干燥阶段，大体上符合传统干燥速率曲线变化规律；加速阶段时间较短，干燥温度越高的失水速率变化快，进入恒速阶段越快。干燥温度为50℃和55℃的早籼稻谷进入恒速干燥阶段时间比40℃和45℃快。干燥温度对早籼稻谷的干燥速率影响明显，干燥温度由40℃增加至55℃时，其干燥速率平均相应地增加79%左右。

2.2 装载量对稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性的影响分析

选取装载量0.5、1.0、1.5、2.0kg早籼稻谷，在同一干燥温度（45℃）和转盘转速为0 r/min下将早籼稻谷太阳能辅助热泵联合干燥至目标含水率。不同装载量干燥条件下早籼稻谷的干燥曲线及失水速率变化曲线分别见图3和图4。

图3 不同装载量的早籼稻谷干燥曲线

从图3可以看出，早籼稻谷干燥特性受装载量的影响较大。早籼稻谷装载量为0.5、1.0、1.5、2.0kg时干燥至目标含水率对应的干燥时间分别为312、488、680、825min，即随着装载量的增加，干燥时间明显延长。这主要是因为装载量越大，所需除去的水分相对应增加，在干燥温度一定的情况下，单位质量水分所吸收到的太阳能-电能相对应减少[8]，同时，太阳能辅助热泵联合干燥机器的全密封环境对排湿不利。因此，在其他操作条件一定的情况下，必要延长干燥时间。

图4 不同装载量的早籼稻谷失水速率曲线

从图4上看，装载量1.5kg和2.0kg的早籼稻谷失水速率规律基本一致，干燥速率较快，这可能是由于装载量大的早籼稻谷，其所需干燥的水分较多，失水速率较大，装载量小的失水速率变化较小。

2.3 转盘转速对稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性的影响分析

为了使物料受热均匀，应考虑转盘转速对稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性的影响。在干燥温度为45℃、装载量为1kg的工艺参数条件下，进行不同转盘转速（0、30、60、120 r/min）下的早籼稻谷太阳能辅助热泵联合干燥特性实验，绘制早籼稻谷的干燥曲线及失水速率变化曲线，结果如图5和图6所示。

不同转盘转速对早籼稻谷干燥过程中的干基含水率影响如图5所示。从图5可以看出，在干燥温度为45℃，装载量为1kg条件下，4条曲线基本重合，早籼稻谷干燥达目标干基含水率所需的干燥时间随着转盘转速的升高无明显变化，转盘转速为0、30、60、120r/min，其所需的干燥时间分别为470、470、471、465min。

图5 不同转盘转速的早籼稻谷干燥曲线

图6 不同转盘转速的早籼稻谷失水速率变化曲线

从图6上看，转盘转速对早籼稻谷干燥过程中失水速率影响较小，这可能是因为太阳能辅助热泵联合干燥系统干燥早籼稻谷，其受热均匀性良好，所以转盘转速对其影响不大。

3 结论

太阳能辅助热泵联合干燥是一种科学有效地干燥技术。对比早籼稻谷自然晾晒干燥的存在的不足之处，太阳能辅助热泵联合干燥早籼稻谷可以明显地缩短干燥时间、降低早籼稻谷的水分含量，并且不受自然条件等影响，具有良好的干燥效果。

在后续实验中，应充分考虑干燥温度、装载量和干燥时间对早籼稻谷的品质如发芽率与爆腰率、脂肪酸变化等指标的影响。从以上几个方面考虑，结合太阳能辅助热泵联合干燥早籼稻谷的干燥特性，建立稻谷太阳能辅助热泵联合干燥时水分、温度变化模型。

[1]蔡雪梅.不同干燥方式对稻谷品质及储藏性能的影响[D].南京:南京财经大学,2013.

[2]陈汉东,陈世凡.稻谷干燥机械化技术[J].2010(1):16-17.

[3]张春娥.太阳能辅助系统在粮食干燥中的应用研究[J].粮食加工,2014(2):55-57.

[4]张进疆,吴耀森,赵锡和,等.回热式热泵干燥高湿稻谷的试验研究[J].干燥技术与设备,2008(5):15-20.

[5]卢献礼,周智华,李宗良,等.太阳能辅助热泵就仓干燥系统集成示范应用研究[J].粮食储藏,2009(6):26-30.

[6]代建国,汪喜波,代彦军,等.太阳能辅助热泵就仓干燥系统的研究与应用[J].太阳能学报,2010(5):575-580.

[7]邵维进,陈惠娟.太阳能和热泵联合供热在肉制品干燥中的应用[J].太阳能,2008(4):32-33.

[8]陈涛.太阳能辅助热泵联合干燥银耳的研究[D].福州:福建农林大学,2016.