偏高水分稻谷储藏过程中湿热转移规律及结露临界参数

张瑞迪，王若兰，渠琛玲，耿宪洲

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

稻谷作为人类生存发展的重要粮食作物，其世界年产量已在7亿t以上，在世界粮食作物产量中排名第三，养育了全球50%的人口[1]。但稻谷具有不耐储藏的特性，在储藏过程中，容易受到外界温湿度、害虫以及微生物活动等的影响，导致品质下降[2-3]，特别是在高温、高湿环境条件下，稻谷品质劣变速度更快，甚至失去食用价值[4-6]。随着粮食市场的放开，粮食收购出现激烈竞争的局面，加上农村大量青壮劳力进城务工，农业机器逐渐取代人工收粮以及土地的流转等造成了大量的偏高水分粮食集中上市[7-8]。偏高水分粮食在储藏过程中容易发生结露现象，粮堆结露多发生在季节交替时节，如冬春交替、秋冬交替时节[9-10]。上述时节不稳定的环境因素容易使粮堆内产生较大温差，使水分迁移，导致局部粮食结露，造成储备粮损失。

研究粮堆在霉变发热、虫害、高水分等不良状态下的温度、水分变化规律，有利于控制和预防粮堆不良状态的发生。王小萌等[11]研究了玉米粮堆在霉变发热状态下，粮堆内部温湿度场变化规律，发现玉米粮堆内部发热产生微气流引起粮堆内部水分迁移；宋永令等[12]研究储藏温度对稻谷品质的影响，结果发现在不同储藏温度下，稻谷水分含量存在明显的降落梯度；Jian 等[13]研究小麦在筒仓中储藏15个月粮堆温度变化和水分迁移情况，发现筒仓内不同位置的粮食具有不同的水分迁移趋势，结果证实，在一个小筒仓中，只要有足够大的温度梯度就能诱导空气对流使水分发生迁移。研究表明，粮堆内部温度影响粮食水分含量，进而使粮食产生不良状态。粮堆的结露状态就属于粮堆的不良状态。

作者在接近真实储藏条件的模拟仓中模拟极端环境条件下偏高水分稻谷结露现象，旨在找到稻谷结露过程中温度变化、分布规律以及水分迁移特点，确定偏高水分稻谷结露临界参数，探索结露发生的时间、位置，预防稻谷结露，减少稻谷在储藏期间的损失，这对保障稻谷安全储藏有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

稻谷：湖北襄阳东国家粮食储备库，水分含量12.10%±0.32%，质量380 kg。

试验模拟仓、制冷机组和热泵：河南未来机电工程有限公司；电缆、LC-M-1粮情测温手持仪：河南省粮保仓储设备有限公司；JA2003分析天平：上海天平仪器有限公司；101A-1型电热鼓风恒温干燥箱：上海市崇明实验仪器厂；扦样器：台州市路桥美鸥防虫器材有限公司；BLH-5700粮食水分测试粉碎磨：浙江伯利恒仪器设备有限公司；铝盒：杭州驰成医药科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品水分调节

参照GB 5009.3—2016[14]测定稻谷样品的原始水分，将稻谷样品调制到目标水分(14.35%±0.48%)。

1.2.2 结露试验

试验模拟仓整体长120 cm×宽90 cm×高100 cm，内仓长80 cm×宽80 cm×高100 cm，其中两个相对立仓壁采用中空设计，供通入冷热空气，改变仓内稻谷温度，其余仓壁填充保温材料。冷热源仓壁上预留取样口，同时仓盖上也有预留口，用以放置测温电缆。

稻谷入仓前，要事先检查模拟仓、冷热泵、管路以及测温电缆等试验设备。将调制成功的稻谷放入模拟仓，连接冷热泵机，将测温电缆放置模拟仓内。用冷热泵机分别对试验模拟仓两个中空壁通入0 ℃冷风和40 ℃热风以模拟极端环境条件下粮堆内外温差，测定模拟仓内稻谷粮堆的温度和水分。

1.2.3 温度测定

如图1所示，模拟仓内均匀放置了24根电缆，用两个系数对电缆分布进行定位，平行冷热壁面且靠近热壁的面为A面，依次为B面、C面、D面、E面、F面。垂直冷热壁面从右至左依次定为甲面、乙面、丙面、丁面，电缆标记为A-甲、B-甲等，每根测温电缆上有3个传感器测温点，3个测温点从上到下距离粮面依次为5、35、70 cm。用粮情测温手持仪检测粮温，试验每4 h测温一次。

图1 测温电缆插入俯视图

1.2.4 水分测定

根据模拟仓取样孔的分布以及扦样器的结构，在模拟仓内均匀划分取样点，模拟仓内样品取样点分布如图2所示。平行冷热壁面且靠近热壁面为A′面，其次为B′面、C′面、D′面，A′面、D′面分别距热冷壁面1 cm。垂直冷热壁面从右至左依次定为甲面、乙面、丙面、丁面。靠近仓顶的取样面为第1层，其次为第2层、3层、4层、5层。取样点标记为A′-甲-1、A′-甲-2等。使用扦样器取样，试验每12 h取样一次。

图2 样品取样点分布

1.2.5 数据处理

采用Origin 2017、Matlab进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 粮堆温度、水分的变化

对粮堆中部剖面的丙面温度、水分变化进行分析，该剖面处于粮堆中部位置，受外界温度变化影响最小，具有代表性。取丙面上的3根电缆A-丙、D-丙、F-丙分析粮堆温度变化，其中电缆A-丙、D-丙、F-丙的温度代表近热壁面的粮食温度、粮堆中心部位温度、近冷壁面粮食温度。同样，样品取样点A′-丙、C′-丙、D′-丙分析稻谷水分变化，其中A′-丙、C′-丙、D′-丙水分含量代表近热壁面粮食水分、粮堆中心部位水分、近冷壁面粮食水分。粮堆内部温度和水分变化如图3—图5所示。

图5 近冷壁面粮堆温度、水分含量变化

由图3a所示，随着稻谷储藏时间的延长，近热壁面粮食上、中、下(第1层、第3层、第5层)3层的温度升高明显，在48 h后温度趋于稳定，上层平衡温度为32 ℃，中、下层平衡温度为35 ℃。上、中、下层温度变化趋势基本一致，但上层的温度低于中、下层温度，这是由于模拟仓内上层粮粒间孔隙度大于中、下层粮粒间，热空气流动阻力小，热量扩散得多，导致近热壁面上层粮温总体低于中、下层粮温。由图3b所示，近热壁面粮堆上、中、下3层水分均有下降，由于下层粮食水分随热空气向上移动，水分下降幅度高于中、上两层。

图3 近热壁面粮堆温度、水分含量变化

由图4a所示，中间面粮堆上层温度呈上升趋势，108 h后温度趋于稳定，平衡温度为22 ℃，中层温度虽上下波动，但基本保持不变，温度稳定在18 ℃左右，下层温度呈下降趋势，84 h后温度趋于稳定，平衡后的温度为13 ℃。粮堆上、中、下3层温度变化不同是由于储藏过程中稻谷受到上升的热气流和下降的冷气流影响，粮食与空气之间进行热量交换，使得上层粮温升高，下层粮温降低。由图4b所示，中间面3层粮食受冷热气流的影响，水分含量变化不明显。

图4 中间面粮堆温度、水分含量变化

由图5a所示，近冷壁面粮堆温度明显下降，上层粮食48 h后温度趋于稳定，平衡温度为7 ℃，中、下层粮食72 h后温度趋于稳定，平衡温度分别为4 ℃、3 ℃。上、中、下层温度变化趋势基本一致，但上层粮温下降速率较中下层慢，造成这种现象的原因是模拟仓内上层粮粒间孔隙度大，热空气流动时所受阻力小，热量向冷壁方向扩散得多，使得近冷壁面上层粮食温度偏高。由图5b所示，近冷壁面粮食上层水分含量明显升高，中、下层水分没有明显变化，且试验取样时发现只有冷壁面上层附近的稻谷有液态水出现。

通过对模拟仓近热壁面、中间面、近冷壁面的上、中、下层温度和水分变化进行分析，确定结露位置为近冷壁面上层，稻谷粮堆结露时的温度为7 ℃，即露点为7 ℃[2,15]。近热壁面稻谷水分子随热气流通过粮粒之间的间隙被输送至近冷壁面，在近冷壁面遇低温凝结，所以导致近冷壁面上层稻谷水分含量在试验期间持续增加。

2.2 温度场变化规律

对试验粮堆，选取0、24、48、72、96、120 h的中部剖面丙面(垂直冷热壁面)温度分布进行分析，由图6可以看出，粮堆初始温度在19 ℃左右，随储藏时间的延长，近冷壁面粮食温度逐渐降低，且低温区域面积逐渐增大；近热壁面粮食温度逐渐升高，高温区域面积逐渐增大；冷热气体在粮堆内部相遇，形成了倾斜的冷热峰面。从粮堆各面水分变化可知，水分随热气流迁移集中于近冷壁面上层，近冷壁面上层水分含量增多，成为最早出现结露的位置。稻谷结露部位的初始温度在19 ℃左右，随着粮堆内部气流循环的逐渐形成，结露部位的稻谷温度逐渐降低，48 h后温度趋于稳定，结露部位粮食温度维持在7 ℃左右。

图6 中部剖面的温度分布

上述现象的原因：冷热泵将冷热空气通入模拟仓两壁，随储藏时间的延长，粮堆内部气体形成一定温度梯度，热气流上升，冷气流下降，近冷热壁面上下层气体形成一定压差，使近热壁面上层热空气流向近冷壁面上层，近冷壁面下层冷空气流向近热壁面下层，粮堆内部形成气流循环。同时，冷热气流水平移动形成冷热峰面，但由于冷热气体热胀冷缩以及压差的影响，导致冷热峰面倾斜。粮堆内部形成温度梯度促使了湿热扩散，气流循环带动水分向温度较低部位迁移，水分停留在温度较低部位，使近冷壁面上层的稻谷水分上升，粮食发生结露。

3 结论

稻谷粮堆在季节交替时，粮堆内部存在一个气体流动环流，该环流顺序：粮堆下层高温部位→上层高温部位→上层低温部位→下层低温部位。该气体流动循环带动水分子迁移，从粮堆上层高温部位转移的水分子在粮堆上层低温部位遇冷发生结露。

水分含量14.35%±0.48%的偏高水分稻谷，在冷热壁面温度分别设置为0 ℃和40 ℃的条件下入仓储藏48 h后，模拟仓内近冷热壁面上层粮食温度达到平衡，近热壁面(A′面)粮食水分不断下降，近冷壁面上层(D′面第1层)水分不断上升，观察发现D′面第1层整个区域出现明显液态水，即稻谷在D′面第1层发生结露。48 h时D′面第1层稻谷水分含量为15.88%，比初始水分含量高10.67%，此时该区域粮温为7 ℃，则露点为7 ℃。但是粮食种类、水分含量以及粮堆内外温差等不同，结露临界参数也不同。本试验为进一步研究粮堆结露临界参数提供依据。