稻谷干燥緩蘇特性與裂紋產(chǎn)生規(guī)律研究

吳中華 劉 兵 王丹丹 康 寧 趙麗娟

(1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院， 天津 300222； 2.低碳綠色過程裝備國際聯(lián)合研究中心， 天津 300222)

0 引言

熱風(fēng)干燥是稻谷機械化干燥的重要方式，但不合理的干燥工藝會使稻谷干燥后裂紋率過高，影響產(chǎn)品品質(zhì)[1-5]。在干燥過程中由于稻谷籽粒內(nèi)部溫度和水分分布的不均勻，使稻谷籽粒各部分變形不協(xié)調(diào)，從而產(chǎn)生干燥應(yīng)力，當(dāng)干燥應(yīng)力超過籽粒本身強度極限時，會產(chǎn)生裂紋。其中，水分梯度引起的濕應(yīng)力是導(dǎo)致籽粒裂紋的主要因素[6-10]。由于稻谷籽粒體積較小，形狀不規(guī)則，難以測定其內(nèi)部的應(yīng)力和強度極限，也就難以確定在干燥(或緩蘇)過程中裂紋產(chǎn)生(有的是微裂紋，肉眼看不到)的時間。

聲發(fā)射技術(shù)自20世紀(jì)80年代即應(yīng)用于木材干燥過程中應(yīng)力和裂紋產(chǎn)生的在線監(jiān)測研究[11-12]，研究過程中將木材切割成厘米或毫米級小木片(或圓柱)。由于木材中含有大量的自由水分，在干燥過程中自由水分蒸發(fā)會產(chǎn)生類似木質(zhì)素空穴化過程的超聲信號，必須將其與木材因干燥應(yīng)力導(dǎo)致開裂產(chǎn)生的信號區(qū)分開[13-14]。從理論上講，將聲發(fā)射技術(shù)用于稻谷干燥過程中應(yīng)力和裂紋產(chǎn)生過程的監(jiān)測也是可行的，由于稻谷籽粒內(nèi)沒有自由水分，只有結(jié)合水(稻谷只有降速干燥段)，故而監(jiān)測到的聲發(fā)射信號只代表應(yīng)力和裂紋的產(chǎn)生。

在稻谷熱風(fēng)干燥過程中加入緩蘇過程可以促使籽粒內(nèi)部的水分重新均布，降低水分梯度從而減少濕應(yīng)力，降低稻谷裂紋率[15-19]。眾多研究表明：緩蘇溫度越高，干燥后稻谷籽粒的裂紋率越低；提高緩蘇溫度可縮短緩蘇時間[20-22]。結(jié)合玻璃化轉(zhuǎn)變理論，劉木華等[23]、SIEBENMORGEN等[24-25]提出稻谷籽粒在對應(yīng)的橡膠態(tài)溫度下緩蘇更有利于減少裂紋。由于稻谷的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與籽粒的含水率有關(guān)，而干燥過程使籽粒的含水率處于不斷變化過程，故實驗和生產(chǎn)中難以確定緩蘇溫度。干燥緩蘇工藝主要參數(shù)包括：干燥段工藝參數(shù)(熱空氣溫度、濕度、流速、干燥時間)、緩蘇段溫度與時間，以及它們之間的匹配。但大多數(shù)研究者都只對單純緩蘇過程的溫度、時間進(jìn)行研究，并未分析緩蘇條件與干燥段之間的關(guān)系，包括干燥段產(chǎn)生裂紋的時間。針對這些問題，本文采用聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測稻谷籽粒在干燥過程中的聲發(fā)射信號，得到籽粒宏觀裂紋產(chǎn)生的過程；研究與干燥條件相關(guān)的等溫度干燥- 緩蘇工藝、低溫干燥- 高溫緩蘇工藝對稻谷干燥特性與裂紋率的影響，并討論緩蘇溫度對干燥溫度差、緩蘇比(干燥段時間與緩蘇段時間的比值)和每段干燥時間的影響。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗材料

稻谷品種：天優(yōu)3301，秈型感溫三系雜交水稻，產(chǎn)自海南省三亞地區(qū)，2016年7月15日收獲。收獲后的稻谷密閉包裝后在2～4℃的條件下進(jìn)行空運和儲藏，30 d內(nèi)實驗完畢。稻谷初始含水率為23%左右(對應(yīng)的干基含水率29.8%)，原始裂紋率為5%左右。

1.2 實驗儀器及設(shè)備

(1)干燥與緩蘇設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京普照機電技術(shù)開發(fā)有限公司，最高工作溫度300℃，溫度波動±1℃，用于干燥實驗；DL- 101型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市中環(huán)實驗有限公司，規(guī)格50 cm×60 cm×75 cm，最高溫度300℃，溫度波動±1℃，用于緩蘇實驗。

(2)聲發(fā)射實驗設(shè)備

FO310C型馬弗爐，重慶雅馬拓科技有限公司；Micro- II型數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)，包括聲發(fā)射儀、聲發(fā)射傳感儀、前置放大器、信號采集系統(tǒng)等。

(3)電子天平

E150Y- C型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠，測量范圍0.1～150 g，精度等級0.005 g。

(4)其它

稱量瓶，直徑50 mm，高度30 mm。

1.3 實驗方法

1.3.1聲發(fā)射實驗

圖1為聲發(fā)射干燥實驗裝置示意圖。取新鮮稻谷100粒左右進(jìn)行手工剝殼。從中取1粒顆粒飽滿、無裂紋去殼籽粒，用軟膠帶將其粘在聲發(fā)射傳感器的探頭上，置于馬弗爐中連續(xù)干燥4 h，干燥溫度60℃，同時開啟聲發(fā)射系統(tǒng)，采集籽粒干燥過程的聲發(fā)射脈沖信號。實驗重復(fù)5次。實驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)3粒稻谷有明顯裂紋，2粒無肉眼觀察到的裂紋。

圖1 聲發(fā)射干燥實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of acoustic emission drying test device1.聲發(fā)射儀 2.前置放大器 3.馬弗爐 4.稻谷 5.探頭 6.傳感器

1.3.2干燥緩蘇實驗

分別取25 g新鮮帶殼稻谷籽粒，單層鋪開在尺寸15 cm×15 cm的金屬絲網(wǎng)上，放置在干燥箱和緩蘇箱中，進(jìn)行連續(xù)恒溫干燥、等溫度干燥- 緩蘇、低溫干燥- 高溫緩蘇實驗，使稻谷含水率降至國家標(biāo)準(zhǔn)要求的安全含水率13%左右。干燥實驗過程中，干燥箱內(nèi)空氣流速0.65 m3/s，空氣絕對濕度0.015～0.025 g/kg；緩蘇實驗時取部分物料放置在稱量瓶內(nèi)(填充量為稱量瓶的2/3左右)，蓋好瓶蓋，放置在緩蘇箱內(nèi)，關(guān)閉設(shè)備風(fēng)機，僅開啟溫度控制裝置。實驗條件如下：

干燥溫度40、45、50、60℃；緩蘇溫度分別比干燥溫度高0、5、10、15℃；每段干燥時間取10、20、30 min;緩蘇比(干燥段時間與緩蘇段時間的比值)分別為1∶1、1∶2、1∶3。

將干燥后的稻谷顆粒密封于塑料袋中，在25℃儲存48 h后[26]，對稻谷進(jìn)行手工脫殼，放置在玻璃板上通過日光燈透射檢測其裂紋。

取400粒干燥前稻谷籽粒樣品手工脫殼后置于日光燈下觀察，檢測稻谷裂紋情況，計算得出初始裂紋率。橫向單裂、橫向雙裂、縱向裂紋和龜裂情況的稻谷籽粒均視為裂紋籽粒。裂紋籽粒個數(shù)與稻谷樣品籽粒個數(shù)之比即為裂紋率。檢測干燥后稻谷籽粒裂紋情況，計算得出干燥后稻谷裂紋率。定義干燥后稻谷裂紋率與初始裂紋率之差為裂紋率增值。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 聲發(fā)射現(xiàn)象與裂紋產(chǎn)生因素

干燥過程中，由于籽粒內(nèi)部溫度場、濕度場分布的不均勻，會使籽粒內(nèi)各部分變形不一致，從而產(chǎn)生干燥應(yīng)力。當(dāng)干燥應(yīng)力超過籽粒的強度極限使其產(chǎn)生斷裂和不可逆塑性變形時，籽粒內(nèi)部會產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波(應(yīng)變能)，通過聲發(fā)射系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為聲能。圖2為稻谷籽粒在60℃干燥時的聲發(fā)射信號圖(干燥后未裂稻谷)。

圖2 稻谷籽粒在60℃干燥過程中聲發(fā)射信號Fig.2 Acoustic emission signals of rice grains at 60℃

如圖2所示，聲發(fā)射信號幾乎存在于整個干燥過程中，其中最密集處出現(xiàn)在干燥20～100 min之間。這說明干燥過程中籽粒內(nèi)部因干燥應(yīng)力作用一直有裂紋產(chǎn)生(或已產(chǎn)生微裂紋的擴展)，但因裂紋過小肉眼看不見。在干燥20～100 min時籽粒內(nèi)部應(yīng)力變化最劇烈，變化頻率高，微裂紋產(chǎn)生(或擴展)較多。可以推斷：在干燥過程中，干燥應(yīng)力存在一直使籽粒內(nèi)部不斷產(chǎn)生和擴展微裂紋，隨干燥時間延長，裂紋越來越大，至肉眼觀察到時，才認(rèn)定籽粒有裂紋。

研究發(fā)現(xiàn)：在稻谷干燥的最初幾分鐘內(nèi)，籽粒內(nèi)部同時存在溫度梯度和水分梯度，由此產(chǎn)生的熱濕應(yīng)力是稻谷出現(xiàn)裂紋的主要因素；幾分鐘以后，籽粒內(nèi)部溫度達(dá)到均勻，與干燥介質(zhì)溫度相等，由水分梯度產(chǎn)生的濕應(yīng)力是引起裂紋的主要因素。如果在干燥過程中加入緩蘇過程，則可以降低籽粒內(nèi)部的水分梯度，降低(或消除)籽粒內(nèi)部的濕應(yīng)力，以減少微小裂紋的形成和發(fā)展，使干燥后稻谷的裂紋率降低。

2.2 恒溫干燥

在熱風(fēng)干燥箱中對稻谷進(jìn)行40、45、50、60℃熱風(fēng)恒溫干燥實驗，檢測干燥后產(chǎn)品的裂紋率。

圖3為不同干燥溫度下稻谷的干燥曲線。物料干燥至安全含水率(圖中橫線所示，濕基13%，干基14.9%，下同)所需的干燥時間隨著干燥溫度的升高而縮短。干燥溫度為40℃時所需的干燥時間最長，為133 min；干燥溫度為60℃時所需的干燥時間最短，為46 min；當(dāng)干燥溫度為45℃時，干燥時間與40℃時干燥時間差別不大，為123 min，而當(dāng)溫度升高到50℃時，干燥時間比40℃和45℃時大幅縮短，為83 min。不同干燥溫度時，在干燥過程最初的10 min內(nèi)干燥速率最快，隨后干燥速率逐漸下降。整個干燥過程表現(xiàn)為降速干燥，這說明籽粒內(nèi)部的濕分傳遞是影響干燥速率快慢的主要因素。

圖3 稻谷熱風(fēng)恒溫干燥曲線Fig.3 Drying curves of rice at constant air temperature

稻谷裂紋率是衡量稻谷干燥品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。按GB 1350—2009要求，干燥后裂紋率增值不大于3%的稻谷產(chǎn)品為合格產(chǎn)品。表1給出了稻谷熱風(fēng)恒溫干燥至安全含水率時的干燥時間與稻谷籽粒裂紋率增值。

表1 干燥時間和裂紋率增值Tab.1 Drying time and fissuring rate increment

從表1得出，干燥溫度越高，產(chǎn)品裂紋率增值越大。40、45℃恒溫干燥可以得到合格產(chǎn)品，50、60℃干燥溫度下，稻谷裂紋率增值大于3%，產(chǎn)品不合格。

2.3 等溫度干燥緩蘇

在40、50℃時對稻谷進(jìn)行等溫度干燥緩蘇，干燥段時間分別為10、20、30 min，緩蘇比為1∶1。

對比圖3和圖4、5，可以看出緩蘇的加入縮短了凈干燥時間。由圖4可以得出，40℃干燥緩蘇時，干燥段時間越短，稻谷干燥至安全含水率時所需的凈干燥時間越短，緩蘇作用越明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：干燥過程中籽粒內(nèi)部水分?jǐn)U散至表面后，由于熱空氣的對流傳熱傳質(zhì)作用使表面水分很快蒸發(fā)，使籽粒由內(nèi)向外含水率依次減小。干燥時間段越短，水分梯度形成區(qū)越靠近籽粒邊緣，緩蘇過程中水分傳遞的路徑越短，靠近籽粒中心的區(qū)域其水分基本維持在一個均勻數(shù)值。在緩蘇過程水分還是由籽粒內(nèi)部向外部擴散，但由于水分到達(dá)籽粒外部后，缺少了空氣的對流傳熱和傳質(zhì)，水分并不(或極少量)蒸發(fā)，這就導(dǎo)致籽粒內(nèi)部的水分梯度越來越小，緩蘇過程中的傳質(zhì)速率越來越慢?？傮w上來說，緩蘇過程的傳質(zhì)速率小于干燥過程的傳質(zhì)速率。在1∶1的緩蘇比時，干燥時間越長，籽粒內(nèi)部的水分梯度以及其存在的區(qū)域越大，緩蘇過程中水分?jǐn)U散的路徑越長，緩蘇結(jié)束后籽粒內(nèi)部的水分分布不均勻度越大，對后一段干燥的貢獻(xiàn)越小。故而干燥段時間越長，凈干燥時間越長。

圖4 40℃干燥- 40℃緩蘇曲線Fig.4 40℃ drying- 40℃ tempering curves

圖6為干燥段時間10 min、50℃恒溫干燥緩蘇條件下不同緩蘇比時的干燥特性曲線。由圖中可以得出：緩蘇比越小，即緩蘇段時間越長，稻谷干燥至安全含水率所需的凈干燥時間越短。這主要是因為緩蘇段時間越長，籽粒內(nèi)部的水分分布越均勻，對后一段干燥的貢獻(xiàn)越大。

表2為不同干燥條件下裂紋率增值。由表中可知，緩蘇過程的加入降低了稻谷的裂紋率，干燥緩蘇溫度越低，裂紋率增值越小。恒溫干燥- 緩蘇時，當(dāng)干燥溫度在40、45、50℃時，裂紋率增值均在3%以下。而60℃干燥緩蘇的稻谷裂紋率增值雖然比恒溫連續(xù)干燥的裂紋率增值低，但仍高達(dá)14.3%，不符合國標(biāo)要求。緩蘇過程的加入可以將干燥溫度提高至50℃，相應(yīng)凈干燥時間也會縮短。40、45℃干燥緩蘇條件下，裂紋率增值基本不受緩蘇比影響；50、60℃干燥緩蘇條件下，緩蘇比越小，緩蘇時間越長，裂紋率增值越小。這主要因為干燥溫度越高，前一干燥段內(nèi)蒸發(fā)的水分量越大，籽粒內(nèi)部形成的水分梯度越大，使緩蘇過程中負(fù)荷越大，緩蘇需要的時間越長。

圖5 50℃干燥- 50℃緩蘇曲線Fig.5 50℃ drying- 50℃ tempering curves

圖6 50℃干燥- 50℃緩蘇不同緩蘇比下的干燥曲線Fig.6 50℃ drying- 50℃ tempering curves at different tempering ratios

干燥緩蘇溫度/℃恒溫連續(xù)干燥恒溫干燥-緩蘇,干燥段時間10min緩蘇比1∶1緩蘇比1∶2緩蘇比1∶3401.30.70.70.7451.90.70.80.7506.62.92.01.96029.414.310.910.1

2.4 低溫干燥- 高溫緩蘇

因為稻谷干燥過程的干燥應(yīng)力(主要是濕應(yīng)力)是造成籽粒產(chǎn)生裂紋的主要因素，所以干燥段內(nèi)去除的水分量不宜過大，干燥溫度不宜過高。緩蘇過程主要是降低籽粒內(nèi)部的水分梯度，減小干燥過程導(dǎo)致的濕應(yīng)力，從理論上講緩蘇過程的溫度可以高一些。依據(jù)上述分析，在本組實驗中，選取40、45、50℃的干燥溫度，緩蘇溫度分別比干燥溫度高5、10、15℃，探究低溫干燥高溫緩蘇對稻谷干燥特性和裂紋率的影響。

圖7～9分別為40、45、50℃干燥高溫緩蘇干燥曲線，緩蘇比為1∶1，干燥段時間為10 min。以45℃干燥- 高溫緩蘇為例：從總的干燥時間上來看，只有當(dāng)緩蘇溫度為60℃時，即緩蘇溫度高于干燥溫度15℃的情況下，干燥時間才有所縮短，為57 min，其他情況下均為72 min。40℃干燥- 高溫緩蘇時，當(dāng)緩蘇溫度為55℃時，干燥時間才有所縮短；50℃干燥- 高溫緩蘇時，緩蘇溫度越高，干燥時間越短。這說明高溫緩蘇有助于稻谷籽粒內(nèi)部水分分布均勻，以利于下一階段的干燥。

圖7 40℃干燥- 高溫緩蘇的干燥曲線Fig.7 Drying curves at 40℃ drying- high temperature tempering

圖8 45℃干燥- 高溫緩蘇干燥曲線Fig.8 Drying curves at 45℃ drying- high temperature tempering

圖9 50℃干燥- 高溫緩蘇曲線Fig.9 Drying curves at 50℃ drying- high temperature tempering

表3為緩蘇比為1∶1時低溫干燥- 高溫緩蘇干燥至安全含水率后稻谷的裂紋率增值。從表中可以看出：低溫干燥- 高溫緩蘇干燥工藝下的稻谷裂紋率增值基本上均在3%以下，滿足國標(biāo)要求。由于干燥與緩蘇時間均較短，兩個過程中的溫度相互影響比較大，故而從表中看不出裂紋率增值與緩蘇溫度之間的關(guān)系，但總趨勢是：干燥段時間為10 min，緩蘇比為1∶1時，緩蘇溫度越高，裂紋率增值越低。

表3 低溫干燥- 高溫緩蘇裂紋率增值Tab.3 Increment of fissuring rate of low temperaturedrying- high temperature tempering %

綜合考慮干燥時間與裂紋率，當(dāng)緩蘇溫度比干燥溫度高15℃時，干燥時間最短，產(chǎn)品裂紋率增值不超過3%。

圖10、11為干燥段時間10 min不同緩蘇比時低溫干燥- 高溫緩蘇的干燥曲線，從圖中可以得出：緩蘇比越小，即緩蘇時間越長，稻谷干燥至安全含水率所需的凈干燥時間越短。其原因與恒溫干燥- 緩蘇的原因一致，這也反映了緩蘇過程中稻谷籽粒內(nèi)部水分的擴散速率遠(yuǎn)低于干燥過程的水分?jǐn)U散速率，即使在高溫緩蘇時也是如此。以圖11為例，當(dāng)緩蘇比為1∶1、1∶2、1∶3時，稻谷干燥至安全含水率所需的時間分別為50、43、42 min。當(dāng)緩蘇比由1∶1降到1∶2時，稻谷干燥至安全含水率所需的時間明顯縮短，但當(dāng)緩蘇比由1∶2降到1∶3時，干燥時間縮短并不明顯，這說明緩蘇時間由20 min延長到30 min這一時間段內(nèi)籽粒內(nèi)部水分梯度變化并不明顯，也可以說緩蘇至20 min時籽粒內(nèi)部的水分分布已足夠均勻，進(jìn)一步延長緩蘇時間已無意義。與圖6中的恒溫緩蘇相對比，進(jìn)一步說明緩蘇溫度越高，所需的緩蘇時間越短。

圖10 45℃干燥- 60℃緩蘇干燥曲線Fig.10 Drying curves at 45℃ drying- 60℃ tempering

圖11 50℃干燥- 65℃緩蘇干燥曲線Fig.11 Drying curves at 50℃ drying- 65℃ tempering drying curve

表4是50℃干燥高溫緩蘇稻谷籽粒裂紋率增值，由表中可以看出：當(dāng)緩蘇比為1∶1、1∶2時，緩蘇溫度越高，裂紋率增值總體呈減小的趨勢；但當(dāng)緩蘇比為1∶3時，裂紋率增值無明顯變化。這說明高溫緩蘇會加速干燥后籽粒內(nèi)部水分?jǐn)U散，在較短的時間內(nèi)消除水分梯度，使其在籽粒內(nèi)部分布均勻，過長的緩蘇時間(如緩蘇比1∶3)反而無效。當(dāng)緩蘇溫度在50～60℃時，同一緩蘇溫度下，緩蘇比越小，緩蘇時間越長，裂紋率增值呈越小的趨勢，而緩蘇溫度在65℃時裂紋率增值基本上變化不大，這也從另一方面說明了緩蘇溫度越高，所需的緩時間越短。

表4 50℃干燥- 高溫緩蘇裂紋率增值Tab.4 Increment of fissuring rate of 50℃ drying- hightempering process %

3 結(jié)論

(1)聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測到稻谷在干燥過程中一直有裂紋產(chǎn)生(或已產(chǎn)生微裂紋的擴展)，60℃干燥條件下，在干燥20～100 min之間時裂紋的產(chǎn)生和擴展最頻繁。

(2)緩蘇工藝有助于提高稻谷干燥速率，縮短凈干燥時間，降低稻谷籽粒內(nèi)部的水分梯度，減小干燥應(yīng)力，有效抑制了裂紋產(chǎn)生。

(3)在本實驗條件下，恒溫連續(xù)干燥時稻谷的干燥溫度以40、45℃為宜；恒溫干燥- 緩蘇條件下，干燥溫度可提高到50℃，裂紋率增值合格。

(4)相對于恒溫干燥緩蘇，低溫干燥- 高溫緩蘇在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的同時，可有效縮短緩蘇時間,緩蘇溫度比干燥溫度高15℃為宜。

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