谷物干燥试验技术和测量方法

陈武东

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

农产品直接关系国家粮食安全与民生大计，随着我国农业生产面积与粮食产量的逐渐提升，势必导致粮食烘干与收储难题，尤其是玉米和水稻等高水分粮食的烘干与储存。相关研究统计表明，我国每年粮食产量约5亿t[1]，近50%的粮食需要进行烘干储存。谷物干燥可以防止谷物在储藏过程中由于水分过多发生霉烂或者变质等问题，有利于谷物运输和进一步加工作业等，是农业生产中的重要工序之一，是实现粮食生产和农业全程机械化发展的重要技术措施之一[2]。

在谷物干燥过程中需要计算多项工艺参数，如物料干燥特性、动力学特性和传递系数等，直接影响谷物干燥效率与品质。本研究针对谷物干燥过程中常见的物料湿度测定、物料吸附平衡测定、湿分扩散率和热导率的测定，研究结果对于保证我国农业可持续发展及国家粮食安全具有重要意义。

1 物料湿含量和气体湿度的测定

1.1 物料湿含量的测定

物料干燥过程中的湿含量是影响谷物干燥的重要技术参数之一，湿含量过高会导致谷物霉变、细菌繁殖，而过度干燥会造成谷物品质降低和能源消耗等。测定物料湿含量的方法主要分为直接测量法和间接测量法。直接测量法需要将水分从物料中排除后，测量物料的重量或体积，间接测量法主要以某种参数值随湿含量的变化而显著变化的规律测定物料湿含量。

1.1.1 直接测量法

直接测量法主要包括以下4种方法[3]。

1)物料加热法。将已知重量的物料放在称量皿中，然后送入烘箱进行恒温加热，直到物料重量恒定不变，即可计算出原湿物料的湿含量。

2)化学干燥法。常见的湿分吸附化学剂主要包括五氧化二磷、氧化钡和过氯酸镁等。将物料与适量的化学吸附剂放在干燥器中，待物料试样达到恒重即可计算出原湿物料的湿含量。适用于含有易氧化组分的物料，如茶叶等。

3)共沸蒸馏法。在物料试样中添加与水形成共沸的溶剂，在共沸蒸馏后的收集物中，溶剂与水分有明显的分层，即可计算出原湿物料的湿含量。该方法适用于燃料湿分的测定。

4)化学滴定法。常用滴定剂为碘，碘与物料中的水发生化学反应，如式(1)所示

(1)

试剂为溶解在甲醇中的二氧化硫、吡啶和碘的混合物。当游离碘出现棕色时，表示达到滴定点，由式(1)计算出水的含量。

1.1.2 间接测量法

1)导电率。物料的电阻是物料湿含量的函数，假定物料填充密度、颗粒大小、温度及电极和散装物料间的接触电阻技术参数保持不变，电阻会以非线性方式随着湿含量的增加而逐渐降低。但是该方法测定准确度较低。

2)电容。水的介电常数比大多数物料高，一般为80。据此可以测量电容变化来测定物料的湿含量。

3)微波。微波是频率介于电波和红外线之间的电磁辐射波。当微波定向穿透物料时，其衰减程度可以定量计算物料的湿含量。但是测量结果一般会受到物料温度的影响，未来减少这种影响，应该适当提高物料的传导率。

4)远红外吸收。目前，在工业生产中常采用远红外吸收技术进行物料湿含量的测定，具有不需要与物料直接接触便可以快速测定的应用优势。主要分为反射式和透射式。目前，该技术已经应用于砂子、织物、谷物和食品的湿含量测定。

1.2 气体湿度的测定

在谷物干燥过程中，监测气体湿度是很重要的，以确保谷物被均匀干燥，并防止霉菌生长。保持适当的湿度水平也可以提高能源效率，减少火灾风险。气体湿度的测量方法较多，在选择不同测量方法时应该充分考虑湿度范围、精度、传感器类型等因素。测定谷物干燥过程中的气体湿度，可以采用多种技术，主要包括湿度计、露点法和湿度分析仪。

1)湿度计。谷物干燥湿度计是一种用于测量谷物湿度的仪器。它通常使用电子技术来测量谷物中的水分含量，并将其转换为湿度百分比，是一种直接测量相对湿度的设备。湿度计可以是手持式的，也可以安装在谷物干燥系统中，对相对湿度进行连续监测。使用谷物干燥湿度计通常非常简单，只需要将仪器插入谷物中，然后读取显示器上的数值。一些模型可能还需要校准，以确保测量结果的准确性。

2)露点法。露点是指空气中的最低温度，在这个温度下，空气中的水蒸气会凝结成液态水滴。因此，露点温度可以反映空气湿度的高低。露点法通常使用一个露点仪，该仪器可以通过吸收空气中的水蒸气并凝结成水滴，从而测量露点温度。根据露点温度和空气温度，可以通过一定的计算公式计算出空气的相对湿度，氨广泛应用于气象学、环境监测和农业生产等领域，可以帮助操作者对谷物干燥过程中的空气湿度进行监测和评估，进而更好地了解谷物干燥空气质量和调节系统等。

3)湿度分析仪。湿度分析仪是一种专门的设备，可以测量材料的含水量，如谷物。水分分析仪可以通过提供谷物水分含量的实时信息来监测干燥过程。

2 物料吸附平衡特性的测定

2.1 物料的平衡湿含量

湿物料在干燥过程中或者其他环境条件下(一定的温度和一定的气相相对湿度)可达到的最小湿含量称为平衡湿含量。物料平衡湿含量是干燥模型的重要技术参数。物料平衡湿含量和一定温度下相应的水分活度间关系称为吸附等温线。

2.2 吸附等温线的测量方法

吸附等温线的测定方法主要包括测定重量和测定湿度两种方法。

2.2.1 重量测定法

重量测定法又被称为“蒸汽压测量法”，该方法在测量时主要是将少量物料试样置于一定的蒸汽分压环境中。在该环境中，气相的温度和水分活度保持恒定，直到试样的湿含量达到相应的平衡值。

2.2.2 平衡蒸汽压测量法

平衡蒸汽压测量法主要是将大量的湿物料置于较小的空间中，直到湿物料与周围空气达到恒定的平衡值。此时空气水分活度可以通过湿度计或者压力计进行测定。

3 湿分扩散率的测定

在谷物干燥过程中，物料中的水分扩散是一个复杂的非线性变化过程，在水分扩散过程中主要包括分子扩散、毛细管流和表层水分扩散等过程。将所有物理变化结合起来，可以通过非稳态Fick第二定律定义为湿物料的水分有效扩散率，计算公式如式(2)所示

(2)

式中，D为有效扩散率，m2·s-1；x为物料的干基湿含量，kg·kg-1；t为时间，s。

公式(2)表示谷物干燥过程中湿物料水分随着干燥时间的变化规律，可以对水分在谷物内部迁移进行定量描述。

3.1 试验测量方法

谷物干燥湿分扩散率的测定方法主要包括吸附动力学法、渗透法和浓度-距离曲线法。

1)吸附动力学法。将物料置于控制环境内，在谷物干燥湿分扩散趋于吸附平衡的过程中，连续称量试样重量。

2)渗透法。渗透法适用于膜材料的干燥，在一定表面浓度下，测定通过膜的扩散剂的渗透速率，最后通过Fick定律分析其扩散率。

3)浓度-距离曲线法。该方法可以测定谷物干燥过程中水分扩散随时间的变化，用半无限体、圆柱体等物料测定水分扩散速率，最后通过Fick定律分析。

3.2 影响扩散率的因素

在相关研究中，已经测定了相关物料的湿分扩散率，如表1所示，可以直接进行参考[5]。

表1 相关物料的有效湿分扩散率

4 热导率

谷物干燥内部条件主要是由物料内部热传导过程速率决定。物料的热导率是谷物干燥过程中的重要技术参数，对于均质物料，热导率主要由傅里叶函数进行定义，计算公式如式(3)所示

(3)

谷物干燥过程中的热导率的测量方法主要分为稳态法和瞬态法。

1)稳态法。将物料试样置于热源与散热片之间，在稳定状态下测量试样物料中的温度分布，在测量过程中，对物料形状没有要求。

2)瞬态法。瞬态法又被称为“非稳态法”，主要是采用线状热源，将稳态热源加在试样物料外，在物料受热过程中，随机测量物料中几个点的温度，最后用傅里叶公式计算瞬态解，估算物料的热导率。瞬态法可以在较短时间内完成测量，一般在10 s内即可完成，保证物料内部水分迁移和变化较小，因此，测定准确度较高。

5 结论

如何提高谷物干燥水平是保证我国农业可持续发展的主要问题，系统掌握谷物干燥过程中关键技术参数的测量方法对于提高谷物干燥效率，保证谷物干燥品质具有重要意义。本研究系统论述了谷物干燥过程中常见的物湿度测定、物料吸附平衡测定、湿分扩散率和热导率的测定与方法，研究结果旨在为形成完善的谷物干燥理论提供参考，对于全面提升我国谷物干燥技术具有重要意义。