喬 柱，關二旗，卞 科

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001）

玉米過熱蒸汽干燥特性及干燥模型構建

喬 柱，關二旗，卞 科*

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001）

研究玉米過熱蒸汽干燥特性，構建玉米過熱蒸汽干燥模型，為玉米過熱蒸汽干燥技術的應用提供理論依據(jù)。以農(nóng)戶田間收獲的玉米樣品為供試材料，采用自制的過熱蒸汽干燥裝置，通過改變玉米籽粒初始含水率、過熱蒸汽溫度、風速等工藝技術參數(shù)，研究玉米過熱蒸汽干燥過程中降水規(guī)律。結果表明，玉米過熱蒸汽干燥過程僅有預熱和降速干燥兩個階段，無明顯的恒速干燥階段。在預熱階段有明顯的蒸汽冷凝現(xiàn)象，提高過熱蒸汽溫度和風速能夠顯著抑制蒸汽冷凝現(xiàn)象的發(fā)生。在降速干燥階段，過熱蒸汽的溫度和風速增加有利于玉米籽粒中水分的去除。對玉米過熱蒸汽干燥試驗數(shù)據(jù)進行擬合并構建單擴散模型，試驗值與預測值誤差較小，可以較好地預測和控制玉米過熱蒸汽干燥過程。

玉米；過熱蒸汽干燥；干燥特性；干燥模型

0 引言

玉米是世界上分布最廣泛的糧食作物之一，種植面積僅次于小麥和水稻，居第三位。玉米作為一種重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和工業(yè)原料，廣泛應用于食品加工、飼料加工和工業(yè)能源生產(chǎn)等領域[1]。新收獲的玉米因其水分含量較高，籽粒大、表皮結構致密、水分散失困難[2]，如不及時進行干燥很容易引起霉變，對其儲藏和加工利用均有不利影響。因此，采用合理的干燥手段對新收獲的玉米進行及時干燥十分必要。目前，玉米干燥多以煤炭、燃油等為熱源燃料，也有少部分為生物質秸稈，采用傳統(tǒng)的熱風干燥手段進行干燥處理，但此法存在干燥效率低、污染嚴重、廢熱難以回收的問題。

過熱蒸汽干燥技術是指以過熱蒸汽為干燥介質，直接與被干燥物料接觸而除去水分的一種干燥方式[3]。過熱蒸汽干燥技術與傳統(tǒng)熱風干燥技術相比，具有傳熱阻力小、熱效率高、無污染、節(jié)能、無爆炸和失火危險等優(yōu)勢[4]。過熱蒸汽干燥排出的廢氣為100℃以上高溫水蒸氣，采取冷凝排汽、機械或熱力壓縮排汽等方式還可以實現(xiàn)熱能循環(huán)利用[5]。Kwanchai等[6]對高濕物料過熱蒸汽干燥和熱風干燥過程的能耗進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，在不回收和回收廢氣兩種條件下，過熱蒸汽干燥比熱風干燥最高降低46%和95%的總能耗。目前，過熱蒸汽干燥技術廣泛應用于煤炭生產(chǎn)、木材加工、污泥處理、食品加工等領域[7-10]，但在糧食干燥領域的研究和應用相對較少。作者以新收獲的玉米為供試材料，研究常壓狀態(tài)下玉米過熱蒸汽干燥特性，構建玉米過熱蒸汽干燥模型，以期為玉米過熱蒸汽干燥技術的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

黃色馬齒形玉米：2014年10月收獲于鄭州高新區(qū)丁樓農(nóng)戶田間。新收獲的玉米經(jīng)手工脫粒后，調(diào)節(jié)含水率分別為32.9%、29.8%、26.3%，于0～2℃下儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 主要儀器和設備

DHG-9246A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏試驗設備有限公司；ES-15KTS型電子天平：上海默可勵衡器有限公司；BSA224S-W型電子分析天平：德國賽多利斯集團；AR866型風速測定儀：香港?，斂萍加邢薰?；實驗室自制過熱蒸汽干燥裝置見圖1。

圖1 過熱蒸汽干燥試驗裝置Fig.1 Superheated steam drying schematic diagram

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗流程

開啟蒸汽發(fā)生器，關閉開關，為后續(xù)干燥提供蒸汽儲備。打開循環(huán)風機，然后開啟加熱器對整個循環(huán)系統(tǒng)進行預熱并達到設定溫度，觀察干燥室前后溫度計8和9，確保溫度計溫差為設定溫度的±5℃范圍。開啟開關，通入蒸汽，維持蒸汽發(fā)生器壓力為0.1 MPa，將事先準備好的玉米放入干燥室進行干燥，蒸汽處理玉米后，經(jīng)過離心風機輸送至加熱器進行循環(huán)使用。通過變頻器調(diào)節(jié)風機風速，保證試驗過程中風速穩(wěn)定，采用風速儀在測風口測量風速。

1.3.2 干燥試驗方案設計

選取過熱蒸汽溫度、風速、玉米初始含水率為試驗因素，探討各因素與玉米失水率之間的關系。稱取200 g玉米均勻平鋪于網(wǎng)狀托盤中，放入干燥室內(nèi)開始計時，玉米水分變化通過稱質量法測定，稱量干燥第1分鐘的質量，隨后每2 min稱量一次，每次稱量保證5 s內(nèi)完成，直至含水率降至安全水分14%左右。具體試驗方案如表1所示。

表1 玉米過熱蒸汽干燥試驗方案Table 1 The experimental program of maize superheated steam drying

1.4 試驗指標的測定

水分比的測定[11]：水分比 MR=(Mt-Me)/(M0-Me)，其中，Me為物料平衡干基含水率，M0為初始干基含水率，Mt為干燥中某時刻的干基含水率，Me和M0相比很小，故Me設定為零。

干燥速率的測定[12]：v=Δm/Δt，其中，Δm為相鄰兩次測量的失水質量，g；Δt為相鄰兩次測量的時間間隔，min。

蒸汽冷凝量的測定：干燥1 min時，玉米質量的增加量，g。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)和作圖利用 SPSS 16.0和 OriginPro 8.5軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 過熱蒸汽溫度對玉米干燥特性的影響（圖2和圖3）

圖2 不同溫度條件下的玉米干燥曲線Fig.2 Drying curve of maize under different temperatures

圖3 不同溫度條件下的玉米干燥速率變化曲線Fig.3 Drying rate curve of maize under different temperatures

溫度是影響干燥效率的一個重要因素。在風速和玉米初始含水率恒定條件下，研究溫度對干燥特性的影響。結果顯示，干燥初始階段，玉米含水率上升，這是由于高溫蒸汽與常溫玉米發(fā)生強烈的熱交換，導致蒸汽冷凝于玉米表面[13-14]；隨著蒸汽溫度的繼續(xù)升高，玉米籽粒溫度得到快速提升，蒸汽冷凝量減少（圖2）。從圖3干燥速率變化的試驗結果可以看出，玉米過熱蒸汽干燥可以分為預熱階段和降速干燥階段，但無明顯的恒速干燥階段，與連政國等[15]的研究結果一致。預熱階段，玉米籽粒溫度升高，有蒸汽冷凝現(xiàn)象發(fā)生，此時玉米干燥速率為負值。在降速干燥階段，隨著干燥時間推移，玉米籽粒的干燥速率呈下降趨勢。隨著過熱蒸汽溫度的升高，干燥至目標水分所需的時間減少，干燥速率提升，可見提高溫度有利于傳熱傳質，加快玉米籽粒內(nèi)部水分的遷移。

2.2 風速對干燥的影響（圖4和圖5）

圖4 不同風速條件下玉米的干燥曲線Fig.4 Drying curve of maize under different velocities

圖5 不同風速條件下玉米的干燥速率變化曲線Fig.5 Drying rate curve of maize under different velocities

在過熱蒸汽溫度和玉米初始含水率恒定條件下，對不同風速條件下玉米干燥過程研究結果發(fā)現(xiàn)，隨著風速的提高，干燥時間變短，風速提高了傳熱傳質速率，有利于玉米籽粒的水分遷移，蒸汽的冷凝量也隨著風速的提高而減少。但是，隨著風速的進一步提高，干燥速率呈現(xiàn)放緩趨勢。風速由2.5 m/s提高至3.0 m/s時，干燥到相同目標水分時間差為8 min，而風速由3.5 m/s提高至4.0 m/s的干燥時間差為4 min，表明隨著風速的提高對干燥速率的影響減弱。從圖5也可看出，干燥階段，隨著干燥時間的延長，干燥速率降低，干燥后期不同風速條件下的玉米的干燥速率趨于一致。

2.3 玉米初始含水率對干燥的影響（圖6和圖7）

圖6 不同初始含水率條件下玉米的干燥曲線Fig.6 Drying curve under different initial moisture contents

圖7 不同初始含水率條件下玉米的干燥速率變化曲線Fig.7 Drying rate curve under different initial moisture contents

由圖6可知，在干燥溫度和風速恒定條件下，玉米初始含水率越高，對應蒸發(fā)的水分越多，因此所需干燥時間越長。隨著玉米初始含水率的增加，預熱期蒸汽冷凝量越大，這是由于高初始含水率的玉米籽粒升溫較慢，增加了蒸汽冷凝量。從圖7可以看出，高初始含水率的玉米干燥速率較高，可能是因為玉米籽粒自由水含量較高且干燥初期除去的是籽粒表面冷凝水，相比較于低含水率的玉米更易干燥。

3 玉米過熱蒸汽干燥動力學模型

3.1 玉米過熱蒸汽干燥動力學方程的選擇和構建

建立薄層干燥模型對探索干燥傳熱傳質規(guī)律、預測不同干燥工藝下干燥速率有重要意義。常用的薄層干燥模型主要是單擴散模型、指數(shù)模型和page模型3種[16-19]，其數(shù)學表達式分別為：

分別對式（1）（2）（3）取對數(shù)，即線性表達式為：

指數(shù)模型是單擴散模型和page模型的特殊形式，所以本文僅分析單擴散模型和page模型。將玉米過熱蒸汽干燥試驗結果分別繪制在-ln MR—t，ln（-ln MR）—ln t坐標圖上，如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，-ln MR—t的線性關系優(yōu)于 ln（-ln MR）—ln t，且ln（-ln MR）—ln t圖中蒸汽冷凝點的值不能顯示，不能完整反映干燥過程。因此選擇單擴散模型為玉米過熱蒸汽干燥模型。

選擇單擴散方程MR=Aexp(-kt)作為玉米過熱蒸汽干燥動力學模型，令：

A=a+bX1+cX2+dX3， （7）

k=e+fX1+gX2+hX3， （8）

式中：X1表示初始含水率，%；X2表示溫度，℃；X3表示風速，m/s；a、b、c、d、e、f、g、h為待定系數(shù)。

圖8 不同溫度、風速、初始含水率條件下-ln MR—t曲線Fig.8 The-ln MR—t curve under different temperatures，velocities and initial moisture contents

圖9 不同溫度、風速、初始含水率條件下ln（-ln MR）—lnt曲線Fig.9 The ln（-ln MR）—lnt curve under different temperatures，velocities and initial moisture contents

將式（7）、（8）代入式（4）中，利用SPSS16.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)多元線性回歸，求得A=1.249 739-0.003 968X1+0.001 047X2-0.043 4X3；k=-0.121 452+0.001 29X1+0.000 8X2+0.002X3。顯著性檢驗得出，各參數(shù)與待定系數(shù)存在顯著相關性(P＜0.001)。故方程為：

3.2 動力學模型的驗證

為進一步驗證模型準確性，選取兩組試驗數(shù)據(jù)進行驗證。試驗條件：初始含水率為29.8%，溫度150℃，風速2.5 m/s；初始含水率為29.8%，溫度165℃，風速3.0 m/s，見圖10。由圖10可知，剛開始階段，由于預熱階段蒸汽冷凝，造成試驗值與預測值誤差較大，對于整個干燥過程，總體誤差較小，能夠較好地預測干燥規(guī)律，說明得到的單擴散模型動力學方程適用于玉米過熱蒸汽干燥。

圖10 試驗值與預測值的比較Fig.10 Comparison of experimental values and predictive values

4 討論

4.1 過熱蒸汽特性對干燥的影響

干燥過程中，干燥介質的攜濕能力和傳熱傳質效率是影響干燥速率的重要因素。過熱蒸汽是溫度高于相對壓力下飽和溫度的蒸汽，是對飽和蒸汽再加熱的產(chǎn)物[20-21]。過熱蒸汽作為一種非飽和蒸汽，可以吸納水汽，具有除濕的作用。隨著過熱蒸汽溫度的升高，蒸汽體積膨脹，密度減小，攜濕能力進一步增強。傳統(tǒng)觀點認為，在干燥過程中，增加空氣濕度不利于物料中的水分蒸發(fā)[22]。通過對比研究熱風和過熱蒸汽試驗發(fā)現(xiàn)[23]，當干燥溫度高于一定溫度值時，濕空氣中水分蒸發(fā)速率要高于干空氣且過熱蒸汽溫度的變化對干燥的影響要比熱風更顯著。過熱蒸汽干燥物料時，整個環(huán)境中充滿蒸汽，水分從物料表面蒸發(fā)不是通過質的擴散而是通過壓力差產(chǎn)生的體積流作動力，因此去除物料表面蒸汽的阻力較小[24]。另外，蒸汽的比熱容要高于熱風，也就是說，過熱蒸汽干燥時傳遞一定量的熱量所需質量流量較少。Potter等[25]對比研究熱風和過熱蒸汽流化床干燥煤炭得到傳熱系數(shù)分別為20～50 W/（m2·k）和200～500 W/（m2·k），過熱蒸汽具有較高的傳熱系數(shù)。由此可知，過熱蒸汽因其傳熱系數(shù)高、傳質阻力低、攜濕能力強等特性，可以作為一種較好的干燥技術。從本試驗結果中亦可證明，隨著過熱蒸汽溫度和風速的增加，提升了傳熱傳質效率，干燥速率得到提升。

4.2 蒸汽冷凝對干燥的影響

過熱蒸汽干燥物料時，高溫蒸汽與較低溫度的物料接觸，蒸汽冷凝于物料表面，發(fā)生在本試驗中所指預熱階段。蒸汽冷凝對于過熱蒸汽干燥具有重要的影響。對物料進行干燥時，必須先除去表面凝結水才能去除物料內(nèi)部水分，忽視蒸汽冷凝階段不能完整描述過熱蒸汽干燥過程。Fyhr等[26]在研究中將凝結水作為額外的表面因素處理，造成試驗結果不精確。蒸汽冷凝會增加干燥過程中的去水量，但蒸汽冷凝并非完全不利于干燥進行。蒸汽凝結于物料表面，釋放的凝結熱（2 256.7 J/g）熱量很大，能夠快速提高物料溫度，有利于下一步干燥的進行[27]。通過改變干燥工藝適當減少蒸汽冷凝量，可以提升干燥效率。本試驗中研究發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽干燥溫度升高、風速增大能夠降低蒸汽冷凝量，提升干燥效率，在研究干燥規(guī)律及構建模型時考慮蒸汽冷凝量，能較完整的表達玉米過熱蒸汽干燥過程。

5 結論

（1）玉米過熱蒸汽干燥沒有明顯的恒速干燥階段，只有預熱階段和降速干燥階段。預熱階段有蒸汽冷凝現(xiàn)象發(fā)生，蒸汽溫度和風速的提高，有助于減少蒸汽冷凝量。降速干燥階段提高蒸汽溫度、風速可提升干燥速率。

（2）對玉米過熱蒸汽干燥試驗數(shù)據(jù)進行模擬，得到單擴散模型，驗證的試驗值與預測值相對誤差較小，單擴散模型能夠較完整地表達玉米過熱蒸汽干燥過程。

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CHARACTERISTICS OF MAIZE IN SUPERHEATED STEAM DRYING AND MODEL CONSTRUCTION

QIAO Zhu，GUAN Erqi，BIAN Ke
（School of Food Science and Technology，Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

The purpose of this study was to investigate the drying characteristics of maize in superheated steam drying and establish a model of maize superheated steam drying，Self-made superheated steam drying experiment device was adopted，and the maize harvested from fields was used as raw material in this study.The mechanism of moisture decreasing during superheated drying process was studied through changing the technical parameters such as the initial moisture content of maize，the superheated steam temperature，velocity and so on.The drying dynamics equation was obtained through the analysis of the experimental data.The results showed that the superheated steam drying process just had preheating and decelerating dry two stage，without obvious constant rate drying stage.During the preheating stage，obvious steam condensation phenomenon was happened，which could be inhibited through increasing the superheated steam temperature and velocity.During decelerating drying stage，the increase of steam temperature and velocity were beneficial to the removal of moisture in maize grains.The single diffusion model was constructed by fitting the experimental data of superheated steam drying of maize，and the deviation between the test value and the predicted value was small，which meat that this model could predict and control the drying process of superheated steam well.The present study would provide theoretical basis for the application of superheated steam drying technology.

maize；superheated steam；drying characteristics；drying model

TS210.1

B

1673-2383(2017)01-0005-07

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170222.1116.004.html

網(wǎng)絡出版時間：2017-2-22 11:16:15

2016-04-05

國家糧食公益性行業(yè)科研專項（201313005-04）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（小麥）產(chǎn)業(yè)技術體系專項經(jīng)費（CARS-03）

喬柱（1991—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。

*通信作者