紫花苜蓿換向通風(fēng)太陽能干燥試驗(yàn)研究

錢珊珠，仝　川

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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紫花苜蓿換向通風(fēng)太陽能干燥試驗(yàn)研究

錢珊珠，仝川

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：針對(duì)紫花苜蓿深層干燥存在的干燥不均勻現(xiàn)象，在立式太陽能干燥箱內(nèi)對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行換向通風(fēng)干燥試驗(yàn)，監(jiān)測箱內(nèi)草層間溫度及相對(duì)濕度的分布情況及苜蓿含水率變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：換向通風(fēng)干燥可縮短干燥時(shí)間且能提高干燥均勻性；找出通風(fēng)換向周期對(duì)干燥速率的影響關(guān)系，達(dá)到了提高干燥效率、干燥質(zhì)量及節(jié)約能量目的，為進(jìn)一步優(yōu)化干燥工藝提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紫花苜蓿；太陽能干燥；換向通風(fēng)；均勻干燥

0引言

紫花苜蓿又名苜蓿，有“牧草之王”之美譽(yù)，其含有豐富的蛋白質(zhì)和動(dòng)物生長發(fā)育所需的鐵、錳微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，是內(nèi)蒙地區(qū)牛、羊等禽畜的優(yōu)質(zhì)飼料[1]。紫花苜蓿人工干燥有利于其貯藏及蛋白質(zhì)保留。內(nèi)蒙古地區(qū)太陽能資源豐富，利用太陽能對(duì)收割后的苜蓿進(jìn)行干燥，可合理利用清潔能源，又可促進(jìn)本地區(qū)的畜牧業(yè)發(fā)展，符合經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求[2-3]。在固定床式干燥裝置內(nèi)進(jìn)行的苜蓿深層干燥過程存在的缺點(diǎn)是：進(jìn)風(fēng)口處苜蓿干燥速率大，而草層中間部位及氣流出口處速率低，草層不同部位處濕含量差距大，從而影響干產(chǎn)品質(zhì)量、降低了干燥效率、延長了干燥時(shí)間。為此，在立式雙向通風(fēng)式太陽能干燥箱內(nèi)進(jìn)行苜蓿草的換向通風(fēng)干燥試驗(yàn)，研究其干燥均勻性和干燥速率，為今后試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)是在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行設(shè)計(jì)的立式雙向通風(fēng)式太陽能干燥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、離心式通風(fēng)機(jī)、干燥箱及試驗(yàn)所需傳感器。其中，鼓引風(fēng)機(jī)作用下冷空氣經(jīng)過太陽能集熱器的加熱送入干燥箱，在此處與箱體內(nèi)的苜蓿進(jìn)行熱質(zhì)交換。由測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示介質(zhì)溫濕度、環(huán)境溫濕度及苜蓿樣品濕含量，并記錄試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。檢測裝置參數(shù)如表1所示?？紤]到物料的干燥特性，試驗(yàn)臺(tái)具備以下幾個(gè)特性:

1)有效利用太陽能加熱空氣，達(dá)到牧草干燥溫度；

2)雙向立式對(duì)稱結(jié)構(gòu)方便改變氣流方向調(diào)整；

3)箱內(nèi)隔層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可自由改變物料放置方式。

表1　檢測裝置總覽表

1.2干燥試驗(yàn)指標(biāo)

1)苜蓿表面空氣溫度及相對(duì)濕度。苜蓿在干燥過程中與熱空氣接觸，苜蓿內(nèi)部水分蒸發(fā)的推動(dòng)力來自氣流溫度和苜蓿表面溫度的溫差。在干燥過程中苜蓿表面溫度及其附近空氣的相對(duì)濕度反映了苜蓿層的干燥狀態(tài)。

2)苜蓿濕含量。干燥過程中苜蓿濕含量與諸多因素有關(guān)，苜蓿濕含量反映苜蓿在太陽能干燥過程中，苜蓿所處的狀態(tài)。該指標(biāo)對(duì)于干燥方式的改進(jìn)與干燥效率的提高有著重要意義。

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為單向通風(fēng)和換向通風(fēng)兩次進(jìn)行。在風(fēng)速一定、草層密度、苜蓿初始濕含量基本一致情況下進(jìn)行干燥試驗(yàn)。

圖1(a)為單向通風(fēng)試驗(yàn)設(shè)備組裝圖，熱空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)由干燥箱下部接口進(jìn)入箱內(nèi)，經(jīng)熱交換后的空氣由上方排氣口排出。圖1(a)、(b)的組合是換向通風(fēng)試驗(yàn)的設(shè)備組裝圖。

試驗(yàn)過程中，在一定的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，在3個(gè)隔層托架上放置初始含水率相同、質(zhì)量相等的苜蓿草，每層草中部均勻布置9個(gè)樣品及9個(gè)溫濕度傳感器；樣品初始質(zhì)量 30g，傳感器測量點(diǎn)與樣品布置點(diǎn)重合；樣品每隔1h測量一次質(zhì)量，傳感器采樣間隔為1min。單向通風(fēng)干燥試驗(yàn)和換向通風(fēng)干燥試驗(yàn)各一天，單次干燥試驗(yàn)時(shí)間為9：00-18：00；換向通風(fēng)時(shí)，換向時(shí)間間隔為4h。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

1.4試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)所用苜蓿是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)院和林格爾種植基地種植的紫花苜蓿，二茬、花期、初始含水率為76%；單次試驗(yàn)所用苜蓿量為35kg，收割時(shí)間為2014年7月8日。試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室院內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)間為2014年7月8-9日。試驗(yàn)當(dāng)天天氣：晴。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1干燥介質(zhì)溫濕度分布分析

利用MatLab對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析建立干燥箱內(nèi)各草層的溫度場及濕度場分布圖。

2.1.1干燥介質(zhì)溫度場的建立分析

圖2與圖3分別為單向通風(fēng)和換向通風(fēng)試驗(yàn)中同一時(shí)間點(diǎn)箱體內(nèi)各草層的溫度場分布圖。此時(shí)的環(huán)境溫度為(27±0.5)℃，環(huán)境相對(duì)濕度20%～22%，太陽輻射強(qiáng)度范圍360～420W/m2。圖2表明：在單向通風(fēng)時(shí)，同一截面上的溫度場呈中間低四周高的形勢分布；在沿氣流的方向上溫度逐層減小，每層牧草的溫度分布范圍分別在30.2～36.5℃、25.3～30.4℃、22.4～22.7℃；有一側(cè)的溫度場分布明顯高于其它3側(cè)5～8℃。原因是由于這一側(cè)靠近箱門，牧草與箱門間有一定的縫隙，使得此處壓差較大，導(dǎo)致氣流分布不均勻，熱氣流多從這里經(jīng)過，溫度較高。

圖2　單向通風(fēng)溫度場

圖3　換向通風(fēng)后溫度場

圖3與圖2不同的是，溫度場分布表現(xiàn)為中間高四周低。這是由于當(dāng)熱氣流從箱體下口進(jìn)入時(shí)，在重力的作用下，草層底部的密度相對(duì)較大，對(duì)氣流的阻力也相對(duì)較大，草層下部的篩網(wǎng)同時(shí)也會(huì)對(duì)氣流形成一定的阻力，使得氣流在向上流動(dòng)的過程中向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致四周的溫度相對(duì)變高。當(dāng)換向通風(fēng)后，氣流由上向下經(jīng)過草層，草層的阻力相對(duì)變低，氣流多集中在草層中部通過，使得溫度場的分布呈中間高四周低狀態(tài)。在沿氣流方向上，而各層的溫度場呈逐層下降趨勢。

2.1.2干燥介質(zhì)濕度場的建立分析

圖4與圖5為兩次試驗(yàn)各草層的空氣相對(duì)濕度場。各草層的濕度場與其相對(duì)應(yīng)的溫度場呈負(fù)相關(guān)。沿氣流方向，各層的空氣相對(duì)濕度呈逐層上升趨勢。這說明在干燥的過程中，先與氣流接觸的草層進(jìn)行熱交換，然后將濕氣帶入下一層，使得干燥效率逐層降低。單向通風(fēng)試驗(yàn)的濕度場中表明，第1層空氣濕度分布不均勻，濕度在20%～43%之間，適合苜蓿干燥；第2、3層空氣濕度大部分超過50%且溫度較低，所以水汽向空氣主體傳遞推動(dòng)力小，緩慢干燥過程。

圖4　單向通風(fēng)濕度場

圖5　換向通風(fēng)后濕度場

圖6為單向通風(fēng)試驗(yàn)中，箱內(nèi)各草層的平均含水率在一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的變化情況。其中，草層1的含水率變化幅度明顯高于草層2、3。當(dāng)含水率降到40%左右的時(shí)候，其含水率的變化則趨于平緩，此階段蒸發(fā)的水分來自于物料的空隙或表面的游離水分。在沿氣流方向上，草層的失水速率逐層減小。

圖6　單向通風(fēng)草層含水率變化

圖7為換向通風(fēng)試驗(yàn)中，箱內(nèi)各草層平均含水率在1個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的變化情況。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行4h后，改變箱內(nèi)的風(fēng)向。換向通風(fēng)前，草層的平均含水率的變化幅度由草層1到草層3逐層減小；當(dāng)改變風(fēng)向后，各草層的平均含水率變化幅度則變?yōu)橛刹輰?到草層1逐層減小。距離空氣入口近處牧草接觸到的總是溫度高、相對(duì)濕度低的介質(zhì),介質(zhì)在通過牧草層時(shí),與牧草發(fā)生熱質(zhì)交換后, 降溫增濕,再與遠(yuǎn)處牧草進(jìn)行熱質(zhì)交換,此時(shí)的溫差和分壓差都要小于近處牧草，所以水分的擴(kuò)散程度明顯低于近處牧草。

2.2草層含水率

根據(jù)各草層的樣本計(jì)算該草層的平均含水率，則有

式中Hn—樣品的濕基含水率；

G0—樣品干燥前質(zhì)量；

GT—樣品干燥后質(zhì)量。

在一個(gè)干燥周期結(jié)束后，單向通風(fēng)試驗(yàn)得到的各草層的平均含水率的差值要明顯大于換向通風(fēng)試驗(yàn)各草層的平均含水率的差值，如表2所示。

表2　平均含水率

2.3草層的干燥均勻度

牧草經(jīng)一次干燥后在同一層橫斷面的不同位置上(不少于5個(gè)點(diǎn))取出5個(gè)樣品分別測定含水率，最大含水率與最小含水率之差值，即為干燥水分不均勻度，如表3所示。

表3　水分不均勻度

根據(jù)各草層的干燥水分不均勻度可以看出，單向通風(fēng)試驗(yàn)中，草層2、3的干燥不均勻度明顯高于草層1；而換向通風(fēng)試驗(yàn)過程減小了草層與草層之間的含水率差異，顯著降低各草層的干燥水分不均勻度。

3結(jié)論

1)在干燥試驗(yàn)過程中，草層的同一截面上溫度場和濕度場分布不均，影響同一截面上牧草干燥的均勻性；換向通風(fēng)能夠改變氣流方向，從而改變同一截面上草層溫、濕度場的分布，有效提高了同一層面牧草的干燥的均勻性，也提升了干燥牧草的品質(zhì)。

2)干燥試驗(yàn)過程中，各層間的干燥速率差別較大，在沿氣流方向上草層的平均含水率逐層增加。在換向通風(fēng)過程中，氣流方向的改變使得上下層牧草干燥速率差別減小，有效提高了干燥過程中層與層間的干燥均勻性，提高了干燥效率，節(jié)約了能源，同時(shí)也為進(jìn)一步研究換向通風(fēng)的最佳換向周期提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]車剛,汪春,李成華,等.紫花苜蓿熱風(fēng)干燥特性與工藝的試驗(yàn)研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2004(4):36-39.

[2]楊世昆,杜建強(qiáng).太陽能飼草干燥技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程,2011(1):62-66.

[3]杜建強(qiáng),楊世昆,劉貴林,等.牧草太陽能干燥優(yōu)質(zhì)化處理工藝[J].農(nóng)業(yè)工程,2013(1):44-47.

[4]蓋玲,王劍平.稻谷換向通風(fēng)干燥不均勻度的試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2001(5):118-121.

[5]謝秀英,李杰,白崇仁,等.果蔬熱風(fēng)穿流干燥換向通風(fēng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1993(2):82-88.

[6]錢珊珠,王春光,劉貴林,等.牧草固定深層太陽能干燥的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008(12):97-101.

[7]錢珊珠.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的苜蓿固定深層太陽能干燥過程仿真[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[8]杜建強(qiáng).苜蓿干燥特性試驗(yàn)分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2006(5):87-88.

[9]趙艷忠,王忠江,陳立.苜蓿薄層干燥特性試驗(yàn)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(2):114-117.

[10]鄭先哲,蔣亦元.苜蓿干燥特性試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005(1):159-162.

The Reversing Ventilation in the Alfalfa Solar Drying Study

Qian Shanzhu, Tong Chuan

(Agricultural Electrification，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Aiming at the existence of deep alfalfa drying in the dry uneven phenomenon, in vertical solar oven for reversing ventilation drying experiment of alfalfa, interpass temperature monitoring in the grass and the distribution of relative humidity and the moisture content of alfalfa.Test results show that the reversing ventilation drying can shorten the drying time and can improve the drying uniformity;Find out influence on the drying rate, ventilation reversing cycle to improve the efficiency of drying, drying quality and save energy, provide reference basis for further optimization of drying process.

Key words：alfalfa； solar drying； the reversing ventilation； uniform drying

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0250-04

中圖分類號(hào)：S375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：錢珊珠(1964-),女，內(nèi)蒙古通遼人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)719725846@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(203027)

收稿日期：2015-03-09