5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機小麥產(chǎn)地烘干性能

謝煥雄， 顏建春， 胡志超， 顧峰瑋， 吳惠昌， 游兆延， 吳 峰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機小麥產(chǎn)地烘干性能

謝煥雄， 顏建春， 胡志超， 顧峰瑋， 吳惠昌， 游兆延， 吳 峰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

為了解自行研制的5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機小麥烘干作業(yè)性能，開展收獲后小麥于45 ℃烘干 6 h 和先于40 ℃烘干4 h再于50 ℃烘干2 h的2個批次烘干試驗，測試分析空載和滿載條件下下干燥床面風(fēng)場分布、干燥床層水分分布、溫度分布、干燥機熱效率、干燥耗能、經(jīng)濟性等特性。結(jié)果表明：小麥裝載過程人力踩踏對床層空隙分布影響較大，與空載時相比，滿載后床層表面風(fēng)場分布發(fā)生了較大變化；換向通風(fēng)干燥可根據(jù)床層小麥含水率分布梯度調(diào)整干燥介質(zhì)(空氣)流動方向，改變床層小麥受熱干燥次序和溫度梯度，在干燥條件不均勻的劣勢環(huán)境下確保干燥結(jié)果的均勻性；45 ℃烘干6 h和先40 ℃烘干4 h再于50 ℃烘干2 h的2種小麥干燥工藝均可使小麥干燥終止時的干燥不均勻性達到國家標準，但后者在烘干熱效率和經(jīng)濟性2個方面均優(yōu)于前者，后者直接烘干成本比前者低 0.011元/kg，后者綜合評價高，更適用于小麥批量式烘干。

上下?lián)Q向通風(fēng)；箱式干燥機；小麥；產(chǎn)地干燥

小麥是我國主要的糧食作物之一，種植面積為2 410萬hm2，約占我國總耕地面積的18%，分布范圍遍及全國各省(區(qū))，年產(chǎn)量達12 172.7萬t，占全世界小麥產(chǎn)量的17.8%[1]。此外據(jù)統(tǒng)計，我國目前有60%～80%的小麥由農(nóng)戶保存，由于農(nóng)村通常缺乏良好的干燥設(shè)施和條件，且小麥收獲后水分偏高，如不能及時干燥，會引起霉變、發(fā)芽等損失，嚴重影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。近年來，隨著大田作物機械化收獲的快速發(fā)展，小麥機收水平已達87.8%[3]，農(nóng)村現(xiàn)有干燥設(shè)施和條件已不能滿足當前小麥機械集中化收獲后及時干燥的要求，對適用于產(chǎn)地干燥的機械設(shè)備的需求越來越大[4-6]。目前，大型糧庫和種植農(nóng)場通常配置大中型塔式、循環(huán)式干燥機，一次性投入成本高、批次處理量大，而我國農(nóng)村分散種植農(nóng)戶很難接受和適應(yīng)這種集中烘干作業(yè)模式[7-12]，多數(shù)逐漸采用小型箱式通風(fēng)干燥機(圖1)作為農(nóng)產(chǎn)品收獲后的補充或應(yīng)急干燥設(shè)備，該類設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、價格低廉等優(yōu)點，適合我國農(nóng)村生產(chǎn)實際[2，13]，但該類設(shè)備皆采用自下而上的單向通風(fēng)，上層物料干燥嚴重滯后，造成底層物料過度干燥而上層物料干燥不充分，干燥品質(zhì)低、耗能成本高、干燥均勻性差。

本研究的5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機在上述設(shè)備原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改進優(yōu)化，改變了設(shè)備的通風(fēng)方式，采用向上和向下交替換向通風(fēng)，改變了料層固有的干燥次序，有效解決了上層物料干燥滯后的問題，提高了干燥效率和均勻性。本研究就改進后的干燥設(shè)備開展了小麥產(chǎn)地烘干試驗，確定了該設(shè)備對于小麥干燥性能。

1 5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機

本研究的5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機主要由燃油熱風(fēng)爐、箱體、換向通風(fēng)裝置、抽風(fēng)機及若干通風(fēng)管組成，詳見圖2。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易操作、適應(yīng)性強，可很好地適應(yīng)我國當前農(nóng)村農(nóng)戶小麥生產(chǎn)模式。

1.1 燃油熱風(fēng)爐

燃油熱風(fēng)爐由送風(fēng)機、燃燒機、控制系統(tǒng)組成，總尺寸為1 513 mm×922 mm×1 740 mm。送風(fēng)機為三相軸流送風(fēng)機(單段)，功率1.5 kW，通風(fēng)量5 400 m3/h。燃燒機為高壓自動點火槍型噴射燃燒機，使用燃料為煤油或高級柴油，最大燃燒量7.8 L/h，所需動力50 W?？刂葡到y(tǒng)可對一定范圍內(nèi)的熱風(fēng)溫度無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：環(huán)境溫度～(環(huán)境溫度+40 ℃)，精度±1 ℃，當設(shè)定的熱風(fēng)溫度低于環(huán)境溫度時，燃燒機不開啟，此時僅為通風(fēng)干燥狀態(tài)。

1.2 烘干機箱體

烘干機箱體是由若干壁板、底板、蓋板拼接而成。板與板拼接處貼有橡膠密封條，壁板與底板之間扣接；壁板與壁板連接處開有矩形孔，插銷穿過矩形孔使相鄰壁板連接緊密；壁板與蓋板之間采用連接扣夾緊。此外，箱體內(nèi)部裝有篩孔板及支撐架，物料層平鋪于篩孔板之上，篩孔板與底板之間形成下風(fēng)室，物料層頂部與蓋板之間形成上風(fēng)室，上風(fēng)室和下風(fēng)室前后兩處壁板均開有通風(fēng)口。具體結(jié)構(gòu)見圖3，外尺寸為 3 730 mm×2 455 mm×1 310 mm，內(nèi)部倉容約4.1 m3，推薦小麥裝載量2.5 t。

1.3 換向通風(fēng)裝置

換向通風(fēng)裝置主要由三通風(fēng)管、手柄、換向葉片等組成，用于調(diào)節(jié)熱空氣進、出烘干機箱體的流動路線，改變熱空氣穿過料層的方向(從下往上或從上往下)。換向葉片位于三通風(fēng)管內(nèi)部，方向與手柄一致，可隨手柄繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，當換向葉片隨手柄轉(zhuǎn)動至底部時，熱空氣走上風(fēng)道，當換向葉片隨手柄轉(zhuǎn)動至頂部時，熱空氣走下風(fēng)道(圖4)。

1.4 抽風(fēng)機

設(shè)備選用防爆軸流抽風(fēng)機作為輔助通風(fēng)設(shè)備，用于快速排出穿過料層后的廢熱濕空氣。抽風(fēng)機口徑600 mm，額定功率0.75 kW，額定風(fēng)量8 700 m3/h。

2 材料與方法

試驗原料來自南京市溧水區(qū)小麥種植地，品種為揚麥16。經(jīng)聯(lián)合收割機收獲后由田間直接運送到小麥烘干場地，經(jīng)初步清選去雜后分2批裝入烘干倉。根據(jù)已有的干燥經(jīng)驗，試驗時第1批小麥干燥溫度設(shè)定為45 ℃；第2批小麥干燥溫度設(shè)定為前4 h 40 ℃，之后50 ℃[14-16]。同時，根據(jù)烘干機的烘干能力，2批小麥料層的厚度均為40 cm。干燥過程每隔1 h定期抽樣檢測上、中、下層小麥含水率，若測得上層含水率高于下層含水率，則在接下來的1 h采用從上往下通風(fēng)干燥，反之則采用從下往上通風(fēng)干燥，如此反復(fù)，直至干燥結(jié)束。采用的換向通風(fēng)方案如表1所示。

表1 小麥干燥過程換向通風(fēng)方案

注：箭頭表示物料層通風(fēng)方向，“↑”表示從下往上通風(fēng)，“↓”表示從上往下通風(fēng)。

考慮到整個物料層不同區(qū)域可能存在的干燥速率差異，將物料干燥區(qū)域等面積分割成25個單元測試區(qū)(圖5)，分別對風(fēng)場分布、小麥床層含水率分布、溫度分布進行測定，并記錄本試驗過程進出風(fēng)口處氣流溫濕度和油箱油耗。

2.1 空載、滿載狀態(tài)風(fēng)場分布測定

分別在空載、滿載狀態(tài)下開啟風(fēng)機，利用華盛昌 DT-8880 型熱敏風(fēng)速儀(測量精度±5%)按照圖5分別測定各個單元區(qū)域風(fēng)速，風(fēng)速儀探頭離網(wǎng)板或料層表面高度約為 5 cm，每個區(qū)域隨機讀取5個點的風(fēng)速，取平均值作為該區(qū)域風(fēng)速測試值。

2.2 小麥床層含水率分布測定

筆者自制了糧食取樣器，有效盛料腔體為內(nèi)直徑 30 mm、長度450 mm的管形容器。利用該取樣器對小麥床層每個單元測試區(qū)隨機進行垂直取樣3次，每次將40 cm床層高度的垂直取樣柱由上到下等分為3段。分別收集并標記為上、中、下3層，再采用105 ℃烘箱法[17]統(tǒng)一對各個測試區(qū)域采集的上、中、下3層小麥樣品進行含水率測定，確定不同測試區(qū)域上、中、下各層的含水率分布情況。烘干試驗期間每隔1 h就按照上述方法采樣測試小麥床層的含水率分布。

2.3 烘干過程抽樣小麥含水率快速測定

烘干試驗過程每隔1 h，隨機選取料層表面3個位置并采用“2.2”節(jié)提到的自制取樣計垂直取樣，采用PT-2700型連續(xù)式單粒水分儀(測定精度0.5%濕既含水量)分別測量3份取樣柱上、中、下3層小麥含水率，并計算平均值，比較上、下2層小麥含水率大小，確定之后1 h內(nèi)料層的通風(fēng)方向。

2.4 小麥床層溫度分布測定

采用SM1200B-160型10通道溫度采模塊(上海搜博實業(yè)有限公司)及75個DS18B20數(shù)字溫度傳感器(測量精度±0.5 ℃)。根據(jù)使用說明將溫度傳感器接入采集模塊，模塊信號輸出接口經(jīng)工業(yè)型RS232-USB2.0轉(zhuǎn)換器與計算機進行連接通信，通過上位機軟件即可實現(xiàn)不同采集區(qū)域的物料溫度采集與記錄。T101～T515共75個溫度傳感器平面布置位置如圖5所示，每個測試單元在中心區(qū)域依次按照下、中、上料層位置布置3個溫度傳感器(垂直布置位置如圖6所示)，可實時準確了解干燥過程小麥床層溫度變化情況。

2.5 空氣流排入、排出口溫濕度測定

試驗采用EXTECH HD500溫濕度測量儀(溫度精度為±3%，濕度精度為±2%相對濕度)定時(時間間隔1 h)測量空氣流排入、排出烘干機的溫濕度。測量時，在熱風(fēng)爐入風(fēng)口處、排風(fēng)機排風(fēng)口處分別隨機讀取5個點的溫濕度，各取平均值作為排入、排出空氣流的溫濕度測試值。

2.6 能耗測定

本干燥機能耗分為燃燒機油耗及2個風(fēng)機電耗2個部分。干燥期間將油箱放在伯倫斯BWS-T02型電子計重秤(量程0～100 kg，誤差±5 g)上，可以確定干燥過程中的油耗情況，而風(fēng)機電耗則通過與燃油熱風(fēng)機、抽風(fēng)機連接的電度表來讀取耗電量。

3 結(jié)果與分析

3.1 空載、滿載風(fēng)場分布

為形象直觀地描述干燥機在空載、滿載下的風(fēng)場分布情況，分別對空載、滿載2種狀態(tài)下網(wǎng)板或料層表面上方測得的2組5×5風(fēng)速數(shù)據(jù)矩陣用MATLAB軟件繪圖功能進行網(wǎng)格化和插值處理，使風(fēng)速分布呈三維可視化，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見，空載、滿載時干燥床面風(fēng)速分布均存在較大的不均勻性。在小麥裝載及攤平過程中，局部區(qū)域因人力踩踏，物料之間相互擠壓，造成小麥床層不同區(qū)域空隙度差異較大，與空載時相比，滿載后床層表面風(fēng)速較大的區(qū)域位置也發(fā)生了變化?？蛰d、滿載時床層表面風(fēng)速最大值、最小值和標準差見表2。

表2 空載、滿載時床表風(fēng)速最大值、最小值和標準差

3.2 小麥床層含水率變化

2批小麥烘干時間均為6 h，根據(jù)試驗過程測得的1～6 h各測試單元上、中、下層小麥含水率，分別計算整床上、中、下3層小麥平均含水率，并計算25個測試區(qū)域合計75份樣品小麥的最高含水率與最低含水率之差，記為水分差，計算結(jié)果如圖9、圖10所示。同時為直觀了解烘干結(jié)束時床層小麥含水率分布情況，合理評價各批次小麥干燥均勻性，利用MATLAB軟件繪圖功能，分別對2批小麥烘干6 h測得的上、中、下3層小麥含水率數(shù)據(jù)進行插值處理，并以顏色表示小麥含水率，繪制床層小麥含水率分布四維切片圖(圖11、圖12)。

本研究發(fā)現(xiàn)，2批小麥烘干過程中各層小麥平均含水率和小麥水分差呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律：入風(fēng)口側(cè)小麥含水量下降最快，中間層次之，出風(fēng)口側(cè)最慢；床層小麥水分差呈波浪形變化，變化幅值逐漸減小，當“向上通風(fēng)”時間與“向下通風(fēng)”時間不等時，水分差處于峰值，當“向上通風(fēng)”時間與“向下通風(fēng)”時間相等時，水分差處于谷值。

此外，2批小麥烘干前平均含水率均為16.8%，水分差分別為1.6%、1.8%。第1批小麥45 ℃烘干6 h后，上、中、下3層小麥平均含水率分別為13.0%、13.0%、12.7%，床內(nèi)小麥最大水分差為0.8%(圖9)，差異極顯著(P=3.2×10-4<0.01)；第2批小麥40 ℃烘干4 h后，再于50 ℃烘干2 h后，上、中、下3層小麥平均含水率分別為12.6%、13.0%、12.9%，床內(nèi)小麥最大水分差為0.9%(圖10)，差異極顯著(P=2.6×10-8<0.01)。與烘干前相比，烘干后2批小麥水分差分別降低了0.8、0.9百分點。

3.3 小麥床層溫度變化

同樣按照上、中、下3層對烘干過程所有溫度測試數(shù)據(jù)取平均值，2批小麥烘干過程各層小麥平均溫度隨干燥時間變化如圖13所示。

2批小麥烘干過程均表明：根據(jù)干燥過程上、中、下3層小麥含水率高低，調(diào)節(jié)換向通風(fēng)裝置手柄，改變熱空氣穿過料層的方向，可逆轉(zhuǎn)小麥料層溫度梯度，以使在干燥條件不均勻的劣勢環(huán)境下，有效保證干燥結(jié)束時床層小麥含水率的均勻性。干燥過程中層小麥溫度單調(diào)上升，上層、下層小麥溫度均隨通風(fēng)方向改變而出現(xiàn)較大波動，波動幅值在6～10 ℃之間。

3.4 干燥過程熱效率變化

根據(jù)干燥機的熱效率定義：干燥過程中用于水分蒸發(fā)所需要的熱量占熱源提供的熱量比例，即：

(1)

式中：ηt為干燥機的熱效率，%。

忽略熱空氣穿流過程中箱壁間的泄漏，假設(shè)同一部分熱空氣進入、穿出干燥機的時間間隔足夠短，則可根據(jù)進出干燥機空氣流的絕對濕度變化計算水分蒸發(fā)所需的熱量：

Q蒸發(fā)=ρa·Va·Δt·ΔH·hfg。

(2)

式中：ρa為干空氣密度，kg/m3；Va為干空氣體積流量，m3/h；Δt為時間間隔，s；ΔH為絕對濕度變化；hfg為小麥水分蒸發(fā)潛熱，J/kg。

根據(jù)干燥過程耗油率則可以計算熱源提供的熱量：

Q熱源=(Δm油/Δt)·Δt·qc。

(3)

式中：Δm油/Δt為耗油率，kg/h；qc為柴油熱值，J/kg。

根據(jù)2批小麥烘干過程中記錄的進出口處空氣流的溫度、相對濕度，計算進、出口空氣流絕對濕度，并根據(jù)式(1)～式(3)計算小麥烘干過程干燥機熱效率，繪制進、出口空氣流絕對濕度與熱效率變化曲線。由圖14、圖15可以看出，進口空氣濕度隨環(huán)境濕度變化而變化，無明顯的變化規(guī)律，出口空氣濕度變化趨勢與進口空氣濕度變化保持一致，在數(shù)值上比進口處高3～4 g/kg(單位質(zhì)量空氣中水的質(zhì)量)。2批小麥烘干過程，干燥機熱效率均呈降低趨勢。第1批小麥烘干，進風(fēng)溫度恒定在45 ℃，隨著排風(fēng)口處空氣流溫度的快速升高，0～4 h小麥烘干熱效率快速降低，4 h之后熱效率變化較小，相對穩(wěn)定。第2批小麥烘干，0～4 h烘干機進風(fēng)溫度恒定在40 ℃；0～2 h排風(fēng)口處空氣流溫度與周邊環(huán)境溫度接近，熱效率很高，且變化較低；2～4 h排風(fēng)口處空氣流溫度快速升高，熱效率快速降低；4～6 h烘干機進風(fēng)口溫度改為恒定 50 ℃，排風(fēng)口處空氣流溫度繼續(xù)升高，烘干機熱效率進一步降低。此外，對比2批小麥干燥全程熱效率，第2批小麥烘干熱效率明顯更高。

3.5 干燥能耗與運行成本

2批小麥烘干期間天氣狀況穩(wěn)定，烘干過程周邊環(huán)境溫度變化范圍為30～35 ℃，平均氣溫32.4 ℃，根據(jù)烘干過程中采集的耗油量和耗電量數(shù)據(jù)，按照柴油9元/kg、電費 1元/(kW·h) 價格，計算烘干后單位質(zhì)量小麥的直接烘干成本，結(jié)果見表3。

2批小麥烘干降水幅度均約為4%，根據(jù)表3結(jié)算結(jié)果，折算1 kg小麥含水率下降5%的耗能成本分別為0.080、 0.066 元，即2批小麥烘干單位物料5%降水耗能成本分別為0.080、0.066元/kg。在干燥經(jīng)濟性方面，通常大型干燥機干燥小麥的單位物料5%降水能耗成本控制在 0.04元/kg 以下，與大型干燥機干燥小麥相比，本研究設(shè)備運行成本并不占優(yōu)勢[17-21]。但該設(shè)備價格便宜，市場售價可控制在3萬元左右，且結(jié)構(gòu)簡單、易操作、通用性好，除稻麥以外，該機型還可用于花生、玉米、果蔬等農(nóng)產(chǎn)品干燥，批次處理量和性價比均與我國農(nóng)村生產(chǎn)實際相符，該設(shè)備在我國農(nóng)村農(nóng)戶農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

表3 小麥烘干直接成本分析

4 結(jié)論

小麥裝載過程，因人力踩踏而造成的床層不同區(qū)域空隙度差異，對風(fēng)場分布有較大的影響。

換向通風(fēng)干燥可根據(jù)床層小麥含水率分布梯度調(diào)整干燥介質(zhì)(空氣)流動方向，改變床層小麥受熱干燥次序和溫度梯度，在干燥過程不均勻的劣勢條件下，確保干燥結(jié)果的均勻性。

45 ℃烘干6 h和40 ℃烘干4 h后于50 ℃再烘干2 h，2種小麥換向通風(fēng)干燥工藝均可有效控制小麥干燥均勻性，干燥不均勻度達到了相關(guān)行業(yè)標準和國家標準要求(烘干后小麥水分差≤1百分點[16])，小麥烘干性能明顯優(yōu)于其他類型固定床通風(fēng)干燥機[2，13]，此外，在小麥烘干過程中，2種烘干工藝相比較，前者熱效率明顯低于后者，且在烘干經(jīng)濟性方面，前者直接烘干成本比后者高0.011元/kg，后者綜合評價高，更適用于小麥批量干燥。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.056

2015-11-13

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(編號：201203037)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(編號：CARS-14-08B)

謝煥雄(1968—)，男，廣西浦北人，碩士，研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究。E-mail：nfzhongzi@163.com。

胡志超，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)作物收獲及產(chǎn)后加工技術(shù)裝備研究。E-mail：nfzhongzi@163.com。

S226.6

A

1002-1302(2017)02-0190-05

謝煥雄，顏建春，胡志超，等. 5HG-2.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機小麥產(chǎn)地烘干性能[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：190-195.