高壓電場(chǎng)及通風(fēng)對(duì)玉米干燥特性的影響研究

王進(jìn)康， 季旭， 楊昌春， 韓景陽， 徐海洋， 廖超

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

干燥是農(nóng)產(chǎn)品處理加工的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)其品質(zhì)、貯藏等具有重要意義.玉米是重要的糧食作物，較為普遍的干燥方法為自然干燥、熱效應(yīng)干燥[1]、真空冷凍干燥、熱泵干燥、聲波場(chǎng)干燥等，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，但存在干燥效率低、能耗高、品質(zhì)低等問題.根據(jù)“淺川效應(yīng)”，在高壓電場(chǎng)下，水的蒸發(fā)變得十分活躍，同時(shí)消耗的能量很小[2].因此，將高壓電場(chǎng)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥得到了迅速發(fā)展[3-9].

云南省由于山區(qū)較多，電力布線困難，電力干燥成本較高，卻有著良好的日照條件可以充分利用.本文采用光伏供電，利用高壓電場(chǎng)與低速氣流組合的風(fēng)電復(fù)合場(chǎng)對(duì)玉米進(jìn)行干燥，討論了不同條件對(duì)玉米干燥速率的影響，并對(duì)干燥機(jī)理進(jìn)行了分析.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

材料：玉米，其初始脫水率基本在70%左右；玉米安全脫水率標(biāo)準(zhǔn)為86%～87%.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，主要為太陽能電池板，控制器，高電壓電源(電壓范圍：DC 5-60 kV)；風(fēng)機(jī)，38 W；調(diào)速器，1 000 W；箱體，針(直徑2 mm，尖端直徑0.2 mm)-盤(直徑150 mm)電極對(duì)；支架.針-盤電極間距以及針極數(shù)目可以調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中針電極數(shù)均為3根，針-盤距離相等均為5 cm，針電極接負(fù)極在上，盤電極接正極在下.

恒溫30 ℃，濕度45～55%.稱取100克玉米，并將其放置在六個(gè)相同的標(biāo)記為A-F的盤上，實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)為：A為30 ℃恒溫；B為高壓電場(chǎng)及30 ℃；C為30 ℃+1.8 m/s的氣流；D為高壓電場(chǎng)及30 ℃+1.8 m/s的氣流；E為30 ℃+3 m/s的氣流；F為高壓電場(chǎng)及30 ℃+3 m/s的氣流(如表1).高壓電場(chǎng)電壓均為20 kV.實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)物料質(zhì)量變化在4 h內(nèi)低于5%表示干燥完成.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1 干燥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

脫水率公式為：

式中，Xi-干燥時(shí)間i后玉米的水分含量， %；Mi-干燥時(shí)間i 后的質(zhì)量，kg； DB-干基，kg.

脫水速率公式為：

式中，Mi+1—干燥時(shí)間i+1質(zhì)量，kg;Vi～i+1—i至i+1期間脫水速率，g/(kg·h)，Δti—i到i+1期間所耗的時(shí)間，h[10].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖2(a)可知，施加電場(chǎng)使玉米干燥過程得到增強(qiáng).前5個(gè)小時(shí)，20 kV結(jié)合30 ℃條件脫水速率最快，且脫水率最高.圖2(b)中，前5個(gè)小時(shí)，所有組都為恒速干燥階段.5小時(shí)后，便進(jìn)入了降速干燥階段.

圖2 20 kV高壓電場(chǎng)對(duì)玉米干燥特性的影響

0 kV高壓電、30 ℃溫度下，平均脫水速率為 17.6 g/(kg·h)，第5小時(shí)脫水率為76.6%;20 kV高壓電、30 ℃溫度下，平均脫水速率為 23.4 g/(kg·h)，第5小時(shí)時(shí)脫水率為79.1%.可以看出，在相同溫度條件，電場(chǎng)下的玉米的干燥速率明顯比無電場(chǎng)高.這是因?yàn)殡妶?chǎng)力使玉米顆粒內(nèi)部水分遷移至表層，增加內(nèi)部水分對(duì)于溫度及水分梯度的作用力，從而增加水分的強(qiáng)制遷移速度，加快了玉米內(nèi)水分的輸運(yùn).

在5小時(shí)后，玉米的水分含量降低，進(jìn)入降速干燥階段，電場(chǎng)對(duì)玉米的干燥仍有積極影響.20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃下,干燥15.5 h玉米的脫水率就增至86.4%，比不加電場(chǎng)30 ℃加熱干燥達(dá)到相同脫水率用時(shí)縮短了20.5%.

圖3 20 kV高壓電場(chǎng)及氣流對(duì)玉米干燥特性的影響

圖3為30 ℃、20 kV高壓電場(chǎng)、不同風(fēng)速干燥下，玉米脫水率及脫水速率隨時(shí)間的變化.由圖3得出，在干燥的前5個(gè)小時(shí)內(nèi)，有氣流情況下，玉米脫水速率比僅進(jìn)行加熱干燥顯著加快，而此時(shí)施加電場(chǎng)的效果并不明顯，在5小時(shí)后，其變化才逐漸明顯.20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度為1.8 m/s時(shí)，前5小時(shí)平均脫水速率為31.6 g/(kg·h)，5小時(shí)脫水率為82.9%；氣流速度為3 m/s時(shí)，平均脫水速率為31.8 g/(kg·h),5小時(shí)脫水率為83.0%；無電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度為1.8 m/s，5小時(shí)脫水率為82.6%，氣流速度為3 m/s時(shí)，脫水速率為32.6 g/(kg·h)，脫水率為83.4%；氣流速度固定的干燥過程中，是否施加電場(chǎng)對(duì)干燥特性無明顯影響，而增大氣流速度則有明顯效果，這是由于前5個(gè)小時(shí)，玉米中游離水占比更高，氣流有助于這部分水分的蒸發(fā)，因而脫水速率更快.隨著干燥過程中水分含量的逐漸降低，除水變得更加困難，從而使脫水速率降低.

干燥5小時(shí)后，玉米顆粒表面自由水已被除去，干燥過程開始進(jìn)入降速干燥階段的階段.20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度為1.8 m/s時(shí)，第15.5小時(shí)玉米脫水率為89.1%，平均脫水速率為 6.7 g/(kg·h)；氣流速度為3 m/s時(shí)，第15.5小時(shí)玉米脫水率為88.2%，平均脫水速率為 5.5 g/(kg·h)；在不加電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度為1.8 m/s時(shí)，第15.5小時(shí)，脫水率為88.6%，平均脫水速率為 6.4 g/(kg·h)，氣流速度為3 m/s時(shí)，第15.5小時(shí)脫水率為88.4%，平均脫水速率為5.3 g/(kg·h).可以看出，在降速干燥階段，施加電場(chǎng)對(duì)玉米脫水開始產(chǎn)生積極影響，而氣流速度對(duì)玉米脫水速率的影響卻與前5小時(shí)的恒速干燥階段正好相反，氣流速度增大，脫水速率反而減小.這是由于氣流速度過大，將復(fù)合場(chǎng)中的離子風(fēng)“吹散”，所以5小時(shí)后的降速干燥階段，3m/s氣流速度下的脫水速率低于1.8 m/s氣流條件.

4 玉米完整率研究

4.1 干燥后玉米的完整率

玉米在干燥過程中，不同的干燥工藝條件會(huì)導(dǎo)致玉米不同程度的損傷及感官特性，完整率是最常見的感官重要評(píng)價(jià)之一.本文引用國標(biāo)測(cè)試爆腰法測(cè)試完整率，裂紋粒判定標(biāo)準(zhǔn)為顆粒胚乳產(chǎn)生裂痕或者顆粒產(chǎn)生裂紋達(dá)到粒長(zhǎng)1/2以上，并統(tǒng)計(jì)總的裂紋顆?？倲?shù)[11].

完整率公式為：

式中，CR為玉米的完整率，%；n2為單位樣本玉米粒中裂紋玉米粒的粒數(shù)，粒；N是玉米的單位樣本數(shù)，取100.

4.2 玉米完整率研究分析

以30 ℃溫度條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過計(jì)算玉米完整率(如表2)可見，30 ℃下玉米的完整率均高于70%，有電場(chǎng)情況下完整率普遍稍低.20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃干燥條件下完整率為76%，而30 ℃溫度場(chǎng)下完整率80%；20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度1.8 m/s干燥條件下完整率74%，而30 ℃、氣流速度1.8 m/s條件下完整率81%.可見干燥過程中電場(chǎng)的作用對(duì)玉米完整率有一定影響，因?yàn)楦邏弘妶?chǎng)使得干燥速率加快，導(dǎo)致玉米內(nèi)的水分梯度變大，使得應(yīng)力大于玉米粒能承受的強(qiáng)度極限，從而產(chǎn)生應(yīng)力裂紋.

氣流速度增加至一定程度，高壓電場(chǎng)對(duì)于玉米完整率的影響相對(duì)減弱；20 kV、30 ℃、氣流速度3 m/s條件下完整率為78%，此條件下不加電場(chǎng)的完整率為79%.

表2 不同干燥方式下玉米完整率

5 電場(chǎng)干燥的干燥效率

玉米干燥效率公式為：

式中，ε—干燥效率，kg/(m2·d)；m—質(zhì)量，kg；A2—堆疊面積，m2；T—時(shí)間，d；

m=ρ2×A2×d

式中，ρ2—堆疊密度，kg/m3； 從而干燥效率

試驗(yàn)中堆疊厚度取8.5～10 mm，堆疊密度取629 kg/m3，時(shí)間選取脫水率接近86%所用時(shí)長(zhǎng).

試驗(yàn)中玉米起始脫水率均為69.8%，結(jié)束脫水率均為86.5%，計(jì)算得各條件下的干燥效率如表3.由表3可知，20 kV高壓電場(chǎng)、30 ℃、氣流速度1.8 m/s下的干燥效率最高，達(dá)到12.30 kg/(m2·d).

表3 玉米在各條件的干燥效率

6 結(jié) 論

本文研究了施加高壓電場(chǎng)對(duì)玉米干燥特性的影響，并對(duì)高壓電場(chǎng)干燥特性、機(jī)理進(jìn)行了分析.最后對(duì)不同條件下玉米完整率和干燥效率等方面進(jìn)行了討論，得出：

(1)在環(huán)境溫度一定時(shí)，高壓電場(chǎng)明顯提高了干燥速率，降速干燥階段電場(chǎng)對(duì)于玉米干燥的影響逐漸增大，加電場(chǎng)條件下玉米脫水率最高.

(2)在干燥過程中，施加20 kV高壓電場(chǎng)使干燥時(shí)間縮短了20.5%.在氣流速度固定干燥過程中，是否施加電場(chǎng)無明顯影響，而增大氣流速度則有明顯效果.在降速干燥階段，是否施加電場(chǎng)對(duì)玉米脫水速率開始產(chǎn)生積極影響，但氣流速度增大，脫水速率反而減小.

(3)玉米的完整率與高壓電場(chǎng)、溫度及氣流的相互作用有關(guān)，不同情況下電場(chǎng)對(duì)玉米完整率的影響效果不同.電場(chǎng)的作用機(jī)制會(huì)導(dǎo)致玉米的干燥完整率減小，當(dāng)氣流流速增至某一程度，電場(chǎng)對(duì)玉米完整率的影響相對(duì)減小.