偏高水分稻谷儲(chǔ)藏過程中濕熱轉(zhuǎn)移規(guī)律及結(jié)露臨界參數(shù)

張瑞迪，王若蘭，渠琛玲，耿憲洲

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

稻谷作為人類生存發(fā)展的重要糧食作物，其世界年產(chǎn)量已在7億t以上，在世界糧食作物產(chǎn)量中排名第三，養(yǎng)育了全球50%的人口[1]。但稻谷具有不耐儲(chǔ)藏的特性，在儲(chǔ)藏過程中，容易受到外界溫濕度、害蟲以及微生物活動(dòng)等的影響，導(dǎo)致品質(zhì)下降[2-3]，特別是在高溫、高濕環(huán)境條件下，稻谷品質(zhì)劣變速度更快，甚至失去食用價(jià)值[4-6]。隨著糧食市場(chǎng)的放開，糧食收購(gòu)出現(xiàn)激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面，加上農(nóng)村大量青壯勞力進(jìn)城務(wù)工，農(nóng)業(yè)機(jī)器逐漸取代人工收糧以及土地的流轉(zhuǎn)等造成了大量的偏高水分糧食集中上市[7-8]。偏高水分糧食在儲(chǔ)藏過程中容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，糧堆結(jié)露多發(fā)生在季節(jié)交替時(shí)節(jié)，如冬春交替、秋冬交替時(shí)節(jié)[9-10]。上述時(shí)節(jié)不穩(wěn)定的環(huán)境因素容易使糧堆內(nèi)產(chǎn)生較大溫差，使水分遷移，導(dǎo)致局部糧食結(jié)露，造成儲(chǔ)備糧損失。

研究糧堆在霉變發(fā)熱、蟲害、高水分等不良狀態(tài)下的溫度、水分變化規(guī)律，有利于控制和預(yù)防糧堆不良狀態(tài)的發(fā)生。王小萌等[11]研究了玉米糧堆在霉變發(fā)熱狀態(tài)下，糧堆內(nèi)部溫濕度場(chǎng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)玉米糧堆內(nèi)部發(fā)熱產(chǎn)生微氣流引起糧堆內(nèi)部水分遷移；宋永令等[12]研究?jī)?chǔ)藏溫度對(duì)稻谷品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同儲(chǔ)藏溫度下，稻谷水分含量存在明顯的降落梯度；Jian 等[13]研究小麥在筒倉(cāng)中儲(chǔ)藏15個(gè)月糧堆溫度變化和水分遷移情況，發(fā)現(xiàn)筒倉(cāng)內(nèi)不同位置的糧食具有不同的水分遷移趨勢(shì)，結(jié)果證實(shí)，在一個(gè)小筒倉(cāng)中，只要有足夠大的溫度梯度就能誘導(dǎo)空氣對(duì)流使水分發(fā)生遷移。研究表明，糧堆內(nèi)部溫度影響糧食水分含量，進(jìn)而使糧食產(chǎn)生不良狀態(tài)。糧堆的結(jié)露狀態(tài)就屬于糧堆的不良狀態(tài)。

作者在接近真實(shí)儲(chǔ)藏條件的模擬倉(cāng)中模擬極端環(huán)境條件下偏高水分稻谷結(jié)露現(xiàn)象，旨在找到稻谷結(jié)露過程中溫度變化、分布規(guī)律以及水分遷移特點(diǎn)，確定偏高水分稻谷結(jié)露臨界參數(shù)，探索結(jié)露發(fā)生的時(shí)間、位置，預(yù)防稻谷結(jié)露，減少稻谷在儲(chǔ)藏期間的損失，這對(duì)保障稻谷安全儲(chǔ)藏有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

稻谷：湖北襄陽東國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)，水分含量12.10%±0.32%，質(zhì)量380 kg。

試驗(yàn)?zāi)M倉(cāng)、制冷機(jī)組和熱泵：河南未來機(jī)電工程有限公司；電纜、LC-M-1糧情測(cè)溫手持儀：河南省糧保倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備有限公司；JA2003分析天平：上海天平儀器有限公司；101A-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱：上海市崇明實(shí)驗(yàn)儀器廠；扦樣器：臺(tái)州市路橋美鷗防蟲器材有限公司；BLH-5700糧食水分測(cè)試粉碎磨：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；鋁盒：杭州馳成醫(yī)藥科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品水分調(diào)節(jié)

參照GB 5009.3—2016[14]測(cè)定稻谷樣品的原始水分，將稻谷樣品調(diào)制到目標(biāo)水分(14.35%±0.48%)。

1.2.2 結(jié)露試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)M倉(cāng)整體長(zhǎng)120 cm×寬90 cm×高100 cm，內(nèi)倉(cāng)長(zhǎng)80 cm×寬80 cm×高100 cm，其中兩個(gè)相對(duì)立倉(cāng)壁采用中空設(shè)計(jì)，供通入冷熱空氣，改變倉(cāng)內(nèi)稻谷溫度，其余倉(cāng)壁填充保溫材料。冷熱源倉(cāng)壁上預(yù)留取樣口，同時(shí)倉(cāng)蓋上也有預(yù)留口，用以放置測(cè)溫電纜。

稻谷入倉(cāng)前，要事先檢查模擬倉(cāng)、冷熱泵、管路以及測(cè)溫電纜等試驗(yàn)設(shè)備。將調(diào)制成功的稻谷放入模擬倉(cāng)，連接冷熱泵機(jī)，將測(cè)溫電纜放置模擬倉(cāng)內(nèi)。用冷熱泵機(jī)分別對(duì)試驗(yàn)?zāi)M倉(cāng)兩個(gè)中空壁通入0 ℃冷風(fēng)和40 ℃熱風(fēng)以模擬極端環(huán)境條件下糧堆內(nèi)外溫差，測(cè)定模擬倉(cāng)內(nèi)稻谷糧堆的溫度和水分。

1.2.3 溫度測(cè)定

如圖1所示，模擬倉(cāng)內(nèi)均勻放置了24根電纜，用兩個(gè)系數(shù)對(duì)電纜分布進(jìn)行定位，平行冷熱壁面且靠近熱壁的面為A面，依次為B面、C面、D面、E面、F面。垂直冷熱壁面從右至左依次定為甲面、乙面、丙面、丁面，電纜標(biāo)記為A-甲、B-甲等，每根測(cè)溫電纜上有3個(gè)傳感器測(cè)溫點(diǎn)，3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)從上到下距離糧面依次為5、35、70 cm。用糧情測(cè)溫手持儀檢測(cè)糧溫，試驗(yàn)每4 h測(cè)溫一次。

圖1 測(cè)溫電纜插入俯視圖

1.2.4 水分測(cè)定

根據(jù)模擬倉(cāng)取樣孔的分布以及扦樣器的結(jié)構(gòu)，在模擬倉(cāng)內(nèi)均勻劃分取樣點(diǎn)，模擬倉(cāng)內(nèi)樣品取樣點(diǎn)分布如圖2所示。平行冷熱壁面且靠近熱壁面為A′面，其次為B′面、C′面、D′面，A′面、D′面分別距熱冷壁面1 cm。垂直冷熱壁面從右至左依次定為甲面、乙面、丙面、丁面?？拷鼈}(cāng)頂?shù)娜用鏋榈?層，其次為第2層、3層、4層、5層。取樣點(diǎn)標(biāo)記為A′-甲-1、A′-甲-2等。使用扦樣器取樣，試驗(yàn)每12 h取樣一次。

圖2 樣品取樣點(diǎn)分布

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2017、Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧堆溫度、水分的變化

對(duì)糧堆中部剖面的丙面溫度、水分變化進(jìn)行分析，該剖面處于糧堆中部位置，受外界溫度變化影響最小，具有代表性。取丙面上的3根電纜A-丙、D-丙、F-丙分析糧堆溫度變化，其中電纜A-丙、D-丙、F-丙的溫度代表近熱壁面的糧食溫度、糧堆中心部位溫度、近冷壁面糧食溫度。同樣，樣品取樣點(diǎn)A′-丙、C′-丙、D′-丙分析稻谷水分變化，其中A′-丙、C′-丙、D′-丙水分含量代表近熱壁面糧食水分、糧堆中心部位水分、近冷壁面糧食水分。糧堆內(nèi)部溫度和水分變化如圖3—圖5所示。

圖5 近冷壁面糧堆溫度、水分含量變化

由圖3a所示，隨著稻谷儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，近熱壁面糧食上、中、下(第1層、第3層、第5層)3層的溫度升高明顯，在48 h后溫度趨于穩(wěn)定，上層平衡溫度為32 ℃，中、下層平衡溫度為35 ℃。上、中、下層溫度變化趨勢(shì)基本一致，但上層的溫度低于中、下層溫度，這是由于模擬倉(cāng)內(nèi)上層糧粒間孔隙度大于中、下層糧粒間，熱空氣流動(dòng)阻力小，熱量擴(kuò)散得多，導(dǎo)致近熱壁面上層糧溫總體低于中、下層糧溫。由圖3b所示，近熱壁面糧堆上、中、下3層水分均有下降，由于下層糧食水分隨熱空氣向上移動(dòng)，水分下降幅度高于中、上兩層。

圖3 近熱壁面糧堆溫度、水分含量變化

由圖4a所示，中間面糧堆上層溫度呈上升趨勢(shì)，108 h后溫度趨于穩(wěn)定，平衡溫度為22 ℃，中層溫度雖上下波動(dòng)，但基本保持不變，溫度穩(wěn)定在18 ℃左右，下層溫度呈下降趨勢(shì)，84 h后溫度趨于穩(wěn)定，平衡后的溫度為13 ℃。糧堆上、中、下3層溫度變化不同是由于儲(chǔ)藏過程中稻谷受到上升的熱氣流和下降的冷氣流影響，糧食與空氣之間進(jìn)行熱量交換，使得上層糧溫升高，下層糧溫降低。由圖4b所示，中間面3層糧食受冷熱氣流的影響，水分含量變化不明顯。

圖4 中間面糧堆溫度、水分含量變化

由圖5a所示，近冷壁面糧堆溫度明顯下降，上層糧食48 h后溫度趨于穩(wěn)定，平衡溫度為7 ℃，中、下層糧食72 h后溫度趨于穩(wěn)定，平衡溫度分別為4 ℃、3 ℃。上、中、下層溫度變化趨勢(shì)基本一致，但上層糧溫下降速率較中下層慢，造成這種現(xiàn)象的原因是模擬倉(cāng)內(nèi)上層糧粒間孔隙度大，熱空氣流動(dòng)時(shí)所受阻力小，熱量向冷壁方向擴(kuò)散得多，使得近冷壁面上層糧食溫度偏高。由圖5b所示，近冷壁面糧食上層水分含量明顯升高，中、下層水分沒有明顯變化，且試驗(yàn)取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)只有冷壁面上層附近的稻谷有液態(tài)水出現(xiàn)。

通過對(duì)模擬倉(cāng)近熱壁面、中間面、近冷壁面的上、中、下層溫度和水分變化進(jìn)行分析，確定結(jié)露位置為近冷壁面上層，稻谷糧堆結(jié)露時(shí)的溫度為7 ℃，即露點(diǎn)為7 ℃[2,15]。近熱壁面稻谷水分子隨熱氣流通過糧粒之間的間隙被輸送至近冷壁面，在近冷壁面遇低溫凝結(jié)，所以導(dǎo)致近冷壁面上層稻谷水分含量在試驗(yàn)期間持續(xù)增加。

2.2 溫度場(chǎng)變化規(guī)律

對(duì)試驗(yàn)糧堆，選取0、24、48、72、96、120 h的中部剖面丙面(垂直冷熱壁面)溫度分布進(jìn)行分析，由圖6可以看出，糧堆初始溫度在19 ℃左右，隨儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，近冷壁面糧食溫度逐漸降低，且低溫區(qū)域面積逐漸增大；近熱壁面糧食溫度逐漸升高，高溫區(qū)域面積逐漸增大；冷熱氣體在糧堆內(nèi)部相遇，形成了傾斜的冷熱峰面。從糧堆各面水分變化可知，水分隨熱氣流遷移集中于近冷壁面上層，近冷壁面上層水分含量增多，成為最早出現(xiàn)結(jié)露的位置。稻谷結(jié)露部位的初始溫度在19 ℃左右，隨著糧堆內(nèi)部氣流循環(huán)的逐漸形成，結(jié)露部位的稻谷溫度逐漸降低，48 h后溫度趨于穩(wěn)定，結(jié)露部位糧食溫度維持在7 ℃左右。

圖6 中部剖面的溫度分布

上述現(xiàn)象的原因：冷熱泵將冷熱空氣通入模擬倉(cāng)兩壁，隨儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，糧堆內(nèi)部氣體形成一定溫度梯度，熱氣流上升，冷氣流下降，近冷熱壁面上下層氣體形成一定壓差，使近熱壁面上層熱空氣流向近冷壁面上層，近冷壁面下層冷空氣流向近熱壁面下層，糧堆內(nèi)部形成氣流循環(huán)。同時(shí)，冷熱氣流水平移動(dòng)形成冷熱峰面，但由于冷熱氣體熱脹冷縮以及壓差的影響，導(dǎo)致冷熱峰面傾斜。糧堆內(nèi)部形成溫度梯度促使了濕熱擴(kuò)散，氣流循環(huán)帶動(dòng)水分向溫度較低部位遷移，水分停留在溫度較低部位，使近冷壁面上層的稻谷水分上升，糧食發(fā)生結(jié)露。

3 結(jié)論

稻谷糧堆在季節(jié)交替時(shí)，糧堆內(nèi)部存在一個(gè)氣體流動(dòng)環(huán)流，該環(huán)流順序：糧堆下層高溫部位→上層高溫部位→上層低溫部位→下層低溫部位。該氣體流動(dòng)循環(huán)帶動(dòng)水分子遷移，從糧堆上層高溫部位轉(zhuǎn)移的水分子在糧堆上層低溫部位遇冷發(fā)生結(jié)露。

水分含量14.35%±0.48%的偏高水分稻谷，在冷熱壁面溫度分別設(shè)置為0 ℃和40 ℃的條件下入倉(cāng)儲(chǔ)藏48 h后，模擬倉(cāng)內(nèi)近冷熱壁面上層糧食溫度達(dá)到平衡，近熱壁面(A′面)糧食水分不斷下降，近冷壁面上層(D′面第1層)水分不斷上升，觀察發(fā)現(xiàn)D′面第1層整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)明顯液態(tài)水，即稻谷在D′面第1層發(fā)生結(jié)露。48 h時(shí)D′面第1層稻谷水分含量為15.88%，比初始水分含量高10.67%，此時(shí)該區(qū)域糧溫為7 ℃，則露點(diǎn)為7 ℃。但是糧食種類、水分含量以及糧堆內(nèi)外溫差等不同，結(jié)露臨界參數(shù)也不同。本試驗(yàn)為進(jìn)一步研究糧堆結(jié)露臨界參數(shù)提供依據(jù)。