稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性的研究

謝婷婷

（福建省糧油質(zhì)量監(jiān)測(cè)所，福建 福州 350012）

干燥是稻谷收獲后重要處理環(huán)節(jié)，稻谷在成熟收割后仍具有生命活力，若不及時(shí)進(jìn)行干燥處理將其水分降低到安全水分以下，極易在儲(chǔ)藏期間發(fā)生發(fā)芽、霉?fàn)€、誘發(fā)害蟲和微生物的繁殖，從而造成極大的損失[1]。糧食經(jīng)過干燥，不僅可以延長其儲(chǔ)藏期，降低糧食因霉變而造成的損失，還可以減少運(yùn)輸成本。

傳統(tǒng)稻谷干燥的方法包括自然晾曬干燥法、礦物質(zhì)能干燥法和生物質(zhì)能干燥法。自然晾曬干燥是最普遍的傳統(tǒng)干燥方法，但其受場(chǎng)地和氣候的影響，晾曬周期長，遇陰雨天霉?fàn)€發(fā)芽導(dǎo)致稻谷品質(zhì)下降[2-3]。礦物質(zhì)能干燥法和生物質(zhì)能干燥均需設(shè)備投入且使用不方便，缺乏工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)際條件。

太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)作為一種新型的熱風(fēng)干燥技術(shù)，太陽能與熱泵結(jié)合可以提高能源的可持續(xù)利用，也可以克服太陽能的間歇性弱點(diǎn)[4]。太陽能的利用可以減少熱泵消耗的電能，熱泵可以彌補(bǔ)太陽能在夜間無法利用的缺點(diǎn)，而且熱泵的蒸發(fā)器可以有一定的熱回收作用[5]。太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)結(jié)合了太陽能和熱泵兩項(xiàng)干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有效率高、能量消耗低、干燥連續(xù)性好、干燥溫度范圍寬 、產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛[6]。邵維進(jìn)等研究了太陽能和熱泵聯(lián)合供熱在肉制品干燥的應(yīng)用，結(jié)果表明太陽能熱泵供熱既環(huán)保又衛(wèi)生并且可實(shí)現(xiàn)不間斷地提供熱能，解決了因雨天、夜間無熱能而使食品變質(zhì)、變味的難題，縮短了干燥周期，提高了肉制品的質(zhì)量，保證了食品衛(wèi)生、安全[7]。

本文利用太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥技術(shù)對(duì)早秈稻谷干燥規(guī)律進(jìn)行研究，以期為更好地降低新收獲的早秈稻谷水分含量，加強(qiáng)早秈稻谷儲(chǔ)藏性能以及該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

早秈稻谷（隨機(jī)抽取一批當(dāng)季度收獲的早秈稻谷）

1.2 主要儀器

YG-KRK- 14Ⅱ(5HP) 太陽能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)：東莞永淦節(jié)能科技有限公司—福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)副產(chǎn)品綜合開發(fā)研究所聯(lián)合研制；

PL2002電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 扦樣、分樣

按GB 5491-1985《糧食、油料檢驗(yàn) 扦樣、分樣法》進(jìn)行扦樣、分樣。

1.3.2 除雜

按GB/T 5494-2008《糧油檢驗(yàn) 糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗(yàn)》去除樣品中的雜質(zhì)。

1.3.3 水分的測(cè)定

早秈稻谷水分的測(cè)定：參照GB 5009.3-2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》。

1.3.4 太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥稻谷

預(yù)處理：將新收獲的早秈稻谷進(jìn)行扦樣、分樣、除雜。同時(shí)，測(cè)定其初始水分含量。

稱取適量的早秈稻谷原料均勻平鋪于太陽能-熱泵干燥室內(nèi)，在一定的干燥條件下干燥至目標(biāo)含水率，對(duì)干燥過程中水分含量、失水速率、干燥時(shí)間進(jìn)行測(cè)定和分析。

干燥時(shí)間指將預(yù)處理的新鮮早秈稻谷干燥至目標(biāo)含水率所需時(shí)間；

(1)失水速率的測(cè)定，計(jì)算公式如下：

式中：

η——失水速率，g/min

△m——相鄰兩次測(cè)量的失水質(zhì)量，g

△t——相鄰兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，min

(2)干基含水率：

w——干基含水率，%

mg——絕干時(shí)物料質(zhì)量，g

mt——物料t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，g

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥溫度對(duì)稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性的影響分析

當(dāng)早秈稻谷的裝載量為2.0kg，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0 r/min時(shí)，分別選取不同干燥溫度（40、45、50、55℃）對(duì)早秈稻谷進(jìn)行太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥。早秈稻谷的干燥曲線及失水速率曲線如下圖1、圖2所示。

圖1 早秈稻谷的干燥曲線

從圖1可以看出，早秈稻谷干燥至目標(biāo)含水率時(shí)，各干燥溫度（40、45、50、55℃）干燥所需時(shí)間分別為1022、825、576、420min。顯然，在裝載量和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速相同的情況下，早秈稻谷干燥特性受干燥溫度影響較明顯，干燥溫度越高，早秈稻谷干燥速率越快，干燥曲線越陡，干燥至目標(biāo)干基含水率所需的干燥時(shí)間越短。

圖2 不同干燥溫度早秈稻谷失水速率曲線

從圖2可以看出，早秈稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥過程大致上分為3個(gè)階段：加速、恒速及降速干燥階段，大體上符合傳統(tǒng)干燥速率曲線變化規(guī)律；加速階段時(shí)間較短，干燥溫度越高的失水速率變化快，進(jìn)入恒速階段越快。干燥溫度為50℃和55℃的早秈稻谷進(jìn)入恒速干燥階段時(shí)間比40℃和45℃快。干燥溫度對(duì)早秈稻谷的干燥速率影響明顯，干燥溫度由40℃增加至55℃時(shí)，其干燥速率平均相應(yīng)地增加79%左右。

2.2 裝載量對(duì)稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性的影響分析

選取裝載量0.5、1.0、1.5、2.0kg早秈稻谷，在同一干燥溫度（45℃）和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0 r/min下將早秈稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥至目標(biāo)含水率。不同裝載量干燥條件下早秈稻谷的干燥曲線及失水速率變化曲線分別見圖3和圖4。

圖3 不同裝載量的早秈稻谷干燥曲線

從圖3可以看出，早秈稻谷干燥特性受裝載量的影響較大。早秈稻谷裝載量為0.5、1.0、1.5、2.0kg時(shí)干燥至目標(biāo)含水率對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間分別為312、488、680、825min，即隨著裝載量的增加，干燥時(shí)間明顯延長。這主要是因?yàn)檠b載量越大，所需除去的水分相對(duì)應(yīng)增加，在干燥溫度一定的情況下，單位質(zhì)量水分所吸收到的太陽能-電能相對(duì)應(yīng)減少[8]，同時(shí)，太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥機(jī)器的全密封環(huán)境對(duì)排濕不利。因此，在其他操作條件一定的情況下，必要延長干燥時(shí)間。

圖4 不同裝載量的早秈稻谷失水速率曲線

從圖4上看，裝載量1.5kg和2.0kg的早秈稻谷失水速率規(guī)律基本一致，干燥速率較快，這可能是由于裝載量大的早秈稻谷，其所需干燥的水分較多，失水速率較大，裝載量小的失水速率變化較小。

2.3 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性的影響分析

為了使物料受熱均勻，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性的影響。在干燥溫度為45℃、裝載量為1kg的工藝參數(shù)條件下，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速（0、30、60、120 r/min）下的早秈稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥特性實(shí)驗(yàn)，繪制早秈稻谷的干燥曲線及失水速率變化曲線，結(jié)果如圖5和圖6所示。

不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)早秈稻谷干燥過程中的干基含水率影響如圖5所示。從圖5可以看出，在干燥溫度為45℃，裝載量為1kg條件下，4條曲線基本重合，早秈稻谷干燥達(dá)目標(biāo)干基含水率所需的干燥時(shí)間隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的升高無明顯變化，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0、30、60、120r/min，其所需的干燥時(shí)間分別為470、470、471、465min。

圖5 不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的早秈稻谷干燥曲線

圖6 不同轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的早秈稻谷失水速率變化曲線

從圖6上看，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)早秈稻谷干燥過程中失水速率影響較小，這可能是因?yàn)樘柲茌o助熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)干燥早秈稻谷，其受熱均勻性良好，所以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)其影響不大。

3 結(jié)論

太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥是一種科學(xué)有效地干燥技術(shù)。對(duì)比早秈稻谷自然晾曬干燥的存在的不足之處，太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥早秈稻谷可以明顯地縮短干燥時(shí)間、降低早秈稻谷的水分含量，并且不受自然條件等影響，具有良好的干燥效果。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)充分考慮干燥溫度、裝載量和干燥時(shí)間對(duì)早秈稻谷的品質(zhì)如發(fā)芽率與爆腰率、脂肪酸變化等指標(biāo)的影響。從以上幾個(gè)方面考慮，結(jié)合太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥早秈稻谷的干燥特性，建立稻谷太陽能輔助熱泵聯(lián)合干燥時(shí)水分、溫度變化模型。

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