低温热泵穿流干燥新鲜稻谷实验研究

徐建国，徐 刚，顾 震，张森旺，李华栋，张绪坤

（江西省科学院食品工程创新中心，江西南昌330029）

水稻是我国主要的粮食作物之一，在多数省份有种植。新收获的稻谷因含水率较高（25%～30%），不易储藏，而且品质劣变较快[1-2]。稻谷自身的生物学特征决定了其属于较难干燥的热敏性物料。目前，稻谷的干燥方式主要有自然晒干和机械干燥[3]。我国绝大多数农户采用自然晒干的方式。这种干燥方式常受到天气和生物等因素影响。特别是我国南方地区，如江西省等，稻谷收获时常遇到阴雨天气，新鲜稻谷因得不到及时干燥易发霉或发芽，造成粮食浪费[4-5]。机械干燥现在多采用热风干燥方式，这种干燥方式生产效率高，干燥时间缩短，减少了生物污染，但这种干燥方式热能利用率较低，并伴有热量和高湿废气的排出，能耗高[6]。同时，新收获稻谷含水率较高，高温热风干燥常引起稻谷发生爆腰，降低了干燥品质[7]。因此，高质量、低能耗干燥已成为稻谷干燥领域重要的研究课题。热泵干燥（HPD）作为一种能效显著的干燥方式正逐渐被应用到多种干燥领域，特别是木材和食品的固体干燥领域[8-10]。热泵是一种利用高位能（电能）使热量从低位热源流向高位热源的热力系统，由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成。热泵干燥是利用热泵装置将干燥器排出的低温、高湿空气经除湿、升温后，成为高温、低湿的空气作为干燥介质再进入干燥器，如此往复使物料得到干燥[11-12]。研究发现，利用热泵干燥新鲜稻谷具有较高的能源效率[6，13]。本文利用常温热泵干燥条件温和、能效高的技术特点，自主研发了搅拌式、热泵穿流干燥仓。利用该干燥装置对新鲜稻谷进行了脱水实验，研究了稻谷热泵干燥特征、干燥能耗以及爆腰增率，以期获得低能耗的干燥过程和高品质的干稻谷。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

稻谷品种 为赣晚籼稻923，初始湿基含水率为23.4%～25.3%。实验前，直接从农户田间收集稻谷。

热泵穿流干燥仓 如图1所示，主要由二部分组成，一是热泵装置，二是穿流干燥仓，二者通过管道连接；干燥仓装机容量可达500kg/批；热泵制冷剂采用R134a，压缩机功率为2.2kW，并配有外置冷凝器，干燥温度可在30～45℃范围内可控调节；风机风量为2680～5000m3/h，功率为1.1kW；温湿度传感器位于干燥仓进、出口处，可以获得进出仓干燥空气状态参数。干燥过程中，空气经热泵装置除湿、升温后，循环穿流干燥仓内稻谷；同时，仓内搅拌装置（1.5kW）可以均匀混合稻谷，减少干燥仓内“干燥死角”，降低稻谷不均匀度。

1.2 干燥实验

1.2.1 热泵干燥实验 将一定质量的新鲜稻谷倒入干燥仓内，开启热泵装置和搅拌装置，在一定温度（35、40℃）和风量（3000m3/h）下对稻谷进行干燥。每隔1h，取样进行稻谷含水量测定。同时，记录干燥温度和电能消耗。当稻谷干燥至湿基含水量为13.5%～

14.5 %时[14]，结束干燥。待自然降温后，收集稻谷。

1.2.2 热风干燥实验 该实验在江西省科学院食品工程创新中心自主开发的热泵－热风联合干燥装置[15]上进行。热风装置采用电加热、开放式。在热风干燥条件下，对稻谷进行穿流干燥实验。干燥过程中，间隔0.5h记录物料干燥温度和电耗，并取样进行稻谷含水量测定。直至干燥结束。

1.2.3 自然晒干实验 将稻谷铺于木板上，置于室外空旷地面。稻谷层厚为15mm。干燥季节为南昌10月上旬，白天温度在18～26℃，平均风速在0.1m/s左右。上述相同条件的干燥实验重复3次，相关数据取其平均值。

图1 干燥装置结构图Fig.1 Experimental setup of heat pump dryer

1.3 干燥指标

1.3.1 爆腰增率 随机取100粒不同干燥条件下的干稻谷，在自制爆腰灯下测其爆腰率。该值与初始爆腰率之差为稻谷爆腰增率[16]。同一实验条件下的干燥稻谷测量3次。

1.3.2 发霉率 随机取100粒不同干燥条件下的干稻谷，剥壳后，肉眼可见霉变的米粒定义为霉变粒。同一实验条件下的干燥稻谷测量3次。

1.3.3 稻谷含水率测定 利用105℃恒重法获得稻谷含水率[17]。

1.3.4 单位能耗 参照国标[13]，单位能耗（kJ/kg water）定义为除去单位水分（kg）时所用能耗（kJ）。本实验所用能源形式为电能。

1.4 统计方法

稻谷爆腰增率和发霉率数据通过SAS 9.1进行方差分析。不同干燥方法间的指标均值进行Duncan多范围检验，当p＜0.05时，均值被视为显著差异。

2 结果与讨论

2.1 稻谷热泵干燥特征

本文利用热泵穿流干燥仓对60kg湿稻谷（湿基含水率为23.4%～25.3%）进行了干燥实验，获得了风量为3000m3/h、不同干燥温度（35、40℃）下稻谷的干燥曲线和和干燥速度曲线，同时获得了干燥空气在进、出仓口处的温度变化曲线和进仓口处的相对湿度变化图。

图2 稻谷热泵干燥特征Fig.2 Drying characteristics of grain during heat pump drying

从稻谷干燥曲线（见图2）可以看出，在不同风温的干燥条件下，所获得的干燥曲线相似；但干燥温度越高，物料达到同一含湿量所需干燥时间越短。即干燥温度影响着稻谷干燥过程。从图2（a）中可以看出，当稻谷干燥至湿基含水率为14%时，35℃热泵干燥所用时间为310min；从图2（b）中可以看出，40℃干燥过程所用时间为260min，后者的干燥时间比前者缩短了16%。

从图2的进、出仓空气温度变化曲线上可以看出，在不同风温的干燥条件下，空气温升过程均呈现二个阶段：a.干燥初始阶段的快速升温过程；b.随后的缓慢升温过程。在0～120min的干燥过程中，热泵装置一方面对进仓空气除湿，另一方面回收来自出仓湿空气的热量。这一阶段干空气的升温速率与热泵装置性能有关。经热泵冷凝器除湿、换热后的干燥空气与高湿含量稻谷接触，完成湿分、热量交换，即在加热稻谷的同时，降低稻谷的湿含量。在干燥中后期（120min至干燥结束），出仓空气温度接近入仓空气温度，二者温度缓慢升高，并逐渐接近预设干燥空气温度。这一过程，热泵装置利用辅助冷凝器将多余热量排入环境，对干燥空气主要起除湿作用。稻谷可在近似恒温的干燥环境中逐渐失去水分。因此，可以看出稻谷热泵干燥过程的实质，即干燥前期是处于温度较低的变温干燥，干燥中后期是近似恒温环境的干燥过程。

图3 稻谷热泵干燥速率曲线Fig.3 Drying rate of grain during heat pump drying

图4 稻谷热泵干燥进仓处空气相对湿度变化Fig.4 Relative humidity curve of drying air at the inlet of the dryer

图3表明，稻谷干燥过程一直处于降速阶段，并且干燥后期其干燥速率下降趋势变缓。物料干燥处于降速阶段时，其内部水分的传质速率决定整个干燥过程速率[18]。风温的升高可以为稻谷提供更多的热量。稻谷升温有利于加速内部水分向表面扩散，加快物料内部水分传递和蒸发过程；同时，风温升高可以降低干燥空气的相对湿度（见图4），这增大了与稻谷表面空气的湿度梯度，有利于稻谷表面湿分的移除。这也正是风温为40℃的热泵干燥整体干燥速率高于风温为35℃的干燥过程的原因。

2.2 不同干燥方式干燥指标的比较

本文考察了稻谷热风干燥、太阳晒干过程的几个干燥指标，并将与干燥质量相关的爆腰增率、发霉率与热泵干燥产品进行了比较。结果见表1。

由表1可以看出，太阳晒干稻谷可以获得最低的爆腰增率（均值1%），但平均干燥时间最长，为36h，干燥速度最低为0.32%w.b/h；同时，干稻谷有发霉现象，其发霉率均值为2%。热风干燥未设复苏过程，稻谷干燥速度最高，达到3.8%w.b./h，但其爆腰增率均值为10.3%。这说明爆腰增率与干燥速度有关[2]。稻谷高爆腰增率易导致加工过程中整米率降低，影响成品米品质[19]。

在热泵干燥过程中，干燥温度显著影响爆腰增率，较低的干燥温度可以获得较低的爆腰增率。例如，35℃干燥条件下的爆腰增率比40℃低0.3%。这是因为高温会造成稻谷颗粒表面快速失水，导致表层收缩、局部硬化，阻断水分传递通道，传质阻力的增加更易使颗粒内部水蒸气压力增加，导致稻谷爆腰。而基于玻璃化转变理论的稻谷爆腰产生机理认为[20]，干燥过程中，当稻谷颗粒由外表向里形成玻璃态时，颗粒内部形成玻璃态和橡胶态两个部分。由于玻璃态和橡胶态的弹性模量和膨胀系数有很大的差别，因此在一定水分梯度下，微裂纹会从两者交界处产生。稻谷温度越高，二者交界处拉应力会越大，很可能产生微裂纹，进而由于玻璃态的拉应力使微裂纹向玻璃态部分扩展，导致稻谷爆腰。

从表1中还可以看出，稻谷装载量会影响到热泵干燥时间，进而影响到干燥速度，但对爆腰增率影响不显著（p＞0.05）。稻谷装载量的增加可降低单位能耗，即提高电能利用率。当装载量从60kg提高至300kg时，单位能耗降低了64%。因此，在该干燥仓生产能力范围内，适当提高生产量，可以在保证稻谷品质的同时，获得更低的单位能耗。

较热泵干燥方式，相同干燥温度40℃下，热风干燥导致稻谷更高的爆腰增率，其值是热泵干燥稻谷的3.1倍。这可能是因为在干燥开始阶段，采用电加热形式的热风迅速被加热至预设温度值；并且，实验时热风相对湿度长期维持在50%左右。低湿热风易使得稻谷表面迅速失水，使水稻内部产生由表及里较高的水分梯度。水稻表面因干燥失水收缩而产生拉应力，中心部因持水膨胀而产生压应力。如果内部应力差远超过水稻应力极限，就会在水稻表面出现应力裂纹[21]；同时，热风会使稻谷颗粒温度迅速升高，颗粒内部淀粉细胞内的水蒸气压力在短时间内增大，这也会造成内应力增大，导致稻谷爆腰[22]。

对于热泵干燥，虽然前期干燥空气升温较快，但空气相对湿度较高（80%～60%），这可以避免稻谷表面迅速失水、硬化。当干燥空气升至预设温度时，颗粒水分已经由高水分含量降到20%以下，空气相对湿度长期维持在50%～60%之间（见图4），保证稻谷温和干燥，最终可获得较低的爆腰增率。这符合郑先哲等[21]的结论，在热空气温度相同的情况下，随着其相对湿度的增加，水稻爆腰增率下降。

表1 不同干燥方式干燥指标比较表Table 1 Comparison of drying indices undergoing different drying methods

热风干燥过程因采用开放式，热风接触稻谷后直接排入环境，因此具有最高的单位能耗。而热泵干燥可以实现干燥空气的余热回收，过程电耗较低，具有较低的单位能耗。

3 结论

本文利用自主研发的搅拌式、热泵穿流干燥仓，实现了新鲜稻谷的脱水过程，通过考察不同干燥方式对稻谷干燥品质和过程性能的影响，获得的主要结论如下：

3.1 稻谷热泵干燥一直处于降速干燥阶段，并且受温度影响显著。温度升高，可以缩短干燥时间，但会增加稻谷爆腰增率。35℃热泵干燥稻谷的爆腰增率比40℃脱水稻谷低0.3%。

3.2 在热泵干燥仓生产能力范围内，适当提高生产量，可以在保证稻谷品质的同时，获得更低的单位能耗。当稻谷装载量由60kg提高至300kg时，干燥仓脱除水分的单位能耗可下降64%。

3.3 较之自然干燥，热泵干燥可以大幅度缩短干燥时间，降低发霉率；较之热风干燥，温和的热泵干燥可以获得较低的爆腰增率和单位能耗。当热泵干燥温度为35℃时，过程单位能耗为2022kJ/kg water，爆腰增率为1.3%。

本文的实验研究可以为基于热泵干燥技术的循环式干燥机以及间歇式大型干燥机械的开发提供依据。

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