苜蓿氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備設(shè)計及試驗(yàn)

于賢龍，高振江，代建武，薛令陽，王 棟，王 軍，鄧?yán)?，謝永康，張曉琳，肖紅偉※

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

苜蓿氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備設(shè)計及試驗(yàn)

于賢龍1，高振江1，代建武2，薛令陽1，王 棟3，王 軍1，鄧?yán)?，謝永康1，張曉琳1，肖紅偉1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，雅安 625014；3. 陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

針對苜蓿干燥存在的處理量小、耗能高、葉片損失率高的問題，該文將紫花苜蓿的干燥過程分為高溫和常溫兩個干燥段，設(shè)計了氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備，包括基于狹縫型氣體射流沖擊管的氣體射流沖帶式干燥機(jī)和基于環(huán)境條件自動控制的常溫通風(fēng)箱式干燥機(jī)。利用計算流體動力學(xué)軟件Fluent對狹縫型氣流沖擊管內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示增設(shè)擾流板可以改善狹縫型氣體射流沖擊管噴嘴出口氣流速度分布的均勻性，速度變異系數(shù)由不設(shè)擾流板情況下的51.1%降為7.7%；利用單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息采集并控制通風(fēng)的進(jìn)行，解決夜間物料吸濕回潮、發(fā)熱的問題。以紫花苜蓿作為原料對干燥裝備的性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥的苜蓿具有批次處理量大（150 kg/h）、葉片損失率?。ǜ刹莸娜~片損失率為1.5%）、能耗低（單位去水能耗3 408 kJ/kg）的優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果為低能耗、低葉片損失率的苜蓿干燥技術(shù)與裝備提供參考。

干燥；裝備；節(jié)能；苜蓿；氣體射流沖擊；數(shù)值模擬

于賢龍，高振江，代建武，薛令陽，王 棟，王 軍，鄧?yán)洌x永康，張曉琳，肖紅偉. 苜蓿氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備設(shè)計及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(15)：293－300. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037 http://www.tcsae.org

Yu Xianlong, Gao Zhenjiang, Dai Jianwu, Xue Lingyang, Wang Dong, Wang Jun, Deng Lizhen, Xie Yongkang, Zhang Xiaolin, Xiao Hongwei. Design and experiment of air-impingement jet combined with normal temperature ventilation dryer for alfalfa[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 293－300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037 http://www.tcsae.org

0 引 言

苜蓿是一種高蛋白含量的植物性蛋白飼料原料[1]，為滿足全年的供應(yīng)，除直接青飼利用外，需要對苜蓿進(jìn)行加工調(diào)制。目前中國對苜蓿的加工調(diào)制方式以田間晾曬脫水成干草為主。但是田間晾曬可控性較差，苜蓿受雨淋導(dǎo)致霉?fàn)€變質(zhì)造成的損失可達(dá)總產(chǎn)量的30%～100%[2]。

人工機(jī)械干燥可以極大的提高苜蓿的脫水速率，降低苜蓿調(diào)制中因自身生化反應(yīng)和雨淋引發(fā)的損失[3-4]。苜蓿多利用熱風(fēng)進(jìn)行干燥，熊明紅等設(shè)計了一種多層網(wǎng)帶式熱風(fēng)干燥機(jī)[5]，王建英等設(shè)計了四重滾筒牧草干燥機(jī)[6]。因熱風(fēng)干燥的對流換熱系數(shù)較低，帶式干燥苜蓿平鋪的厚度設(shè)計在2 cm以下，批次處理量較小。滾筒干燥機(jī)工作過程中需要對苜蓿不斷翻動，導(dǎo)致苜蓿干燥后葉片損失率較高。同時由于苜蓿的附加值較低，干燥過程的高能耗導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅增加壓縮了利潤空間。

氣體射流沖擊技術(shù)是一種新型強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)[7-8]，相比熱風(fēng)干燥具有更高的對流換熱系數(shù)[9]（是一般熱風(fēng)對流干燥的5倍甚至10倍以上），尤其對于蓬松物料具有更深的穿透深度。目前氣體射流沖擊技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于西洋參片[10-12]、山藥片[13]、胡蘿卜丁[14]等物料的干燥。將氣體射流沖擊技術(shù)應(yīng)用于帶式干燥裝備中，能夠克服帶式熱風(fēng)干燥機(jī)干燥效率低的問題，避免箱式氣體射流沖擊干燥機(jī)中物料與噴嘴相對位置固定導(dǎo)致的干燥不均勻[15-16]，同時能夠發(fā)揮帶式干燥過程振動小、無翻動的優(yōu)勢，降低苜蓿干燥后葉片損失。

苜蓿在干燥過程中的脫水速率表現(xiàn)為前后2個階段，以物料濕基含水率45%為轉(zhuǎn)折點(diǎn)呈先快后慢的趨勢[17]。隨干燥的進(jìn)行苜蓿的含水率降低，脫水速度下降，繼續(xù)使用高溫干燥不但會造成能耗的大量增加，而且會導(dǎo)致物料升溫，破壞營養(yǎng)成分。常溫通風(fēng)是一種節(jié)能的干燥方式，利用常溫氣流帶走物料內(nèi)部遷移到物料表面的水分。因?yàn)楸桓稍镂锪现械乃之a(chǎn)生的水蒸氣分壓與常溫空氣中水蒸氣分壓差較小，干燥速率較慢，所以常溫通風(fēng)干燥適用低水分物料的干燥。李長友等設(shè)計了稻谷常溫通風(fēng)的節(jié)能干燥工藝，實(shí)現(xiàn)了初始濕基含水率31.3%稻谷的脫水干燥[18]。因此，將常溫通風(fēng)干燥用于苜蓿干燥后半段的干燥，有助于降低干燥能耗，提高干燥品質(zhì)。

針對苜蓿干燥存在的處理量低、能耗高、葉片損失率高的問題，本文設(shè)計了一種氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)苜蓿干燥裝備，以用于苜蓿的兩段式干燥。通過試驗(yàn)方法驗(yàn)證氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備用于苜蓿的干燥效果，以期獲得一種針對苜蓿的高效、節(jié)能、葉片損失率低的干燥工藝與裝備。

1 氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥機(jī)總體設(shè)計

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝備由氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)（圖1a）和常溫通風(fēng)箱式干燥機(jī)（圖1b）組成。

圖1 氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air impingement jet combined with normal temperature ventilated air drying machine

氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)包括原料輸送裝置、氣體射流沖擊裝置和中央控制裝置。原料傳輸裝置包括布料器、調(diào)速電機(jī)、輸送網(wǎng)帶，布料器設(shè)置于輸送網(wǎng)帶的進(jìn)料端上方。氣體射流沖擊裝置包括狹縫型氣體射流沖擊管、高溫烘干室、排濕風(fēng)機(jī)、電磁氣閥、導(dǎo)氣管、氣流分配箱、電加熱箱、高壓風(fēng)機(jī)、回風(fēng)管，氣體射流沖擊管放置于高溫烘干室內(nèi)部，排列于輸送網(wǎng)帶下方。中央控制裝置采用單片機(jī)PIC16F1947作為主控芯片，分別與電加熱箱、高壓風(fēng)機(jī)、電磁氣閥、排濕風(fēng)機(jī)以及溫濕度傳感器連接。

常溫通風(fēng)箱式干燥機(jī)包括常溫通風(fēng)裝置和中央控制裝置。常溫通風(fēng)裝置包括離心風(fēng)機(jī)、通風(fēng)干燥箱體和通風(fēng)管，通風(fēng)干燥箱體四周及底面的材料為不銹鋼編織網(wǎng)；通風(fēng)管插入通風(fēng)干燥箱體內(nèi)部，出口位于中心部位，并在通風(fēng)管側(cè)面開多個小孔，提高通風(fēng)的均勻性。中央控制裝置采用單片機(jī)PIC16F1947作為主控芯片，分別與離心風(fēng)機(jī)、溫濕度傳感器連接。

裝備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 干燥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of drying machine

1.2 工作原理

第一中央控制箱控制氣體射流沖擊裝置、輸送裝置啟動。預(yù)熱完畢后，苜蓿原料經(jīng)布料器平鋪于輸送網(wǎng)帶上方，勻速通過高溫烘干室。苜蓿受狹縫型噴嘴噴射出的高溫高速氣流的作用下快速脫水（氣流速度為6～8 m/s，防止苜蓿隨氣流運(yùn)動）。濕空氣經(jīng)回風(fēng)管回收，并再次加熱利用，以此提高能源的利用率。僅當(dāng)高溫干燥室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度高于紫花苜蓿表面溫度（熱空氣溫度為150 ℃時，相對濕度控制在3%以下），第一中央控制箱控制排濕風(fēng)機(jī)進(jìn)行排濕并補(bǔ)充干空氣。通過高溫烘干室后，苜蓿的濕基含水率為40%～50%，呈半干狀態(tài)。

經(jīng)過高溫干燥后，半干的苜蓿投入通風(fēng)干燥箱體中，第二中央控制箱根據(jù)環(huán)境大氣的狀態(tài)控制離心風(fēng)機(jī)啟動，進(jìn)行常溫通風(fēng)干燥。當(dāng)環(huán)境大氣溫度過低、相對濕度過高（常溫通風(fēng)干燥空氣相對濕度一般低于80%）時，自動控制系統(tǒng)控制通風(fēng)干燥箱進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，防止返潮的發(fā)生；此時傳感器持續(xù)檢測苜蓿內(nèi)部溫度，若溫度過高，離心風(fēng)機(jī)啟動鼓入環(huán)境空氣對苜蓿降溫。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 狹縫型氣體射流沖擊管設(shè)計與fluent模擬優(yōu)化

氣流噴嘴是氣體射流沖擊技術(shù)的關(guān)鍵部件，為便于組合應(yīng)用，本文采用的狹縫型氣體射流沖擊管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括入風(fēng)口、風(fēng)道、氣流噴嘴、擾流板。區(qū)別于多噴嘴固定于一個氣流分配箱表面的固定結(jié)構(gòu)，每個狹縫型氣體射流沖擊管的噴嘴對應(yīng)一個風(fēng)道。劉祖鈴等在狹縫噴嘴的換熱系數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，噴嘴越窄換熱系數(shù)越高，但是噴嘴越寬氣流量越大[19]。本文氣流噴嘴的內(nèi)尺寸（長×寬）為1 000 mm×10 mm。風(fēng)道負(fù)責(zé)將氣流擴(kuò)散至氣流噴嘴的各部位，為便于加工制作，選用方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔尺寸為50 mm×50 mm。

氣流經(jīng)入風(fēng)口進(jìn)入方形風(fēng)道后以湍流形式運(yùn)動，受壓力差作用由氣流噴嘴噴出。過程中不斷進(jìn)行流量的重新分配[20]，氣流的動量、質(zhì)量和壓強(qiáng)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致了氣流量不均勻分配。擾流板可以阻斷氣流在風(fēng)道中的運(yùn)動路徑，產(chǎn)生多個區(qū)域湍流，改變氣流的運(yùn)動方向。為消除噴嘴不同位置的速度差異，本文在方形風(fēng)道底部增設(shè)5塊高度依次增加的擾流板，通過數(shù)值模擬的方法確定擾流板的最優(yōu)參數(shù)。

圖2 狹縫型氣體射流沖擊管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of slit type air-impingement tube

2.1.1 網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，更容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，對邊界層計算非常有利[21]。使用預(yù)處理軟件ICEM CFD 14.0進(jìn)行計算域的建立和網(wǎng)格的劃分。無擾流板的模型網(wǎng)格示意圖如圖3所示。

圖3 無擾流板模型網(wǎng)格圖Fig.3 Grid of model without spoiler

本文注重研究噴嘴出風(fēng)口平面在X方向上的速度分布。在X方向上使用4種數(shù)量的節(jié)點(diǎn)對狹縫型氣體射流沖擊管的無擾流板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為100、200、300、400，所對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量分別為479340、972810、1466280、2730400。噴嘴出口法向速度場分布如圖4所示，使用2730400數(shù)量的網(wǎng)格劃分的模型具有明顯的壁面效應(yīng)，且收斂速度快，因此將2730400的網(wǎng)格數(shù)量作為網(wǎng)格劃分的參照。網(wǎng)格的質(zhì)量優(yōu)秀，雅克比矩陣行列式的最小值為1，最小角度為90°。

2.1.2 控制方程和湍流模型

狹縫型氣流沖擊管內(nèi)的流場采用三維穩(wěn)態(tài)流動模型進(jìn)行數(shù)值計算[22]。代建武等使用三維穩(wěn)態(tài)流動模型在氣體射流沖擊干燥機(jī)氣流分配箱模擬研究中獲得較好的效果[23]。連續(xù)方程和動量方程如下

式中ui、uj（i、j=1,2,3）為速度分量，m/s；xi、xj、xk（i、j、k=1,2,3）為坐標(biāo)分量；p為流體壓力，N/m2；ρ為流體密度，kg/m3；υ為運(yùn)動黏度，m2/s；δij為克羅內(nèi)克函數(shù)。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下噴嘴出口法向氣流速度場分布Fig.4 Distribution of normal air velocity field at nozzle exit in different number grids

雷諾數(shù)的數(shù)值是判別流動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，雷諾數(shù)的數(shù)值計算公式如下

式中v為流體流速，m/s；d為當(dāng)量直徑，m；η為動力黏度，(N·s)/m2。

在等直徑直管以及粗糙度為常規(guī)值的正常情況下，層流和湍流的臨界雷諾數(shù)值取為2 000，模型中氣流表現(xiàn)為湍流流動，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以保證湍流流動模擬的準(zhǔn)確性[24]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型解決了湍流動能和湍流動能耗散2個傳輸方程，在不可壓縮、等溫的條件下，氣體湍流動能方程和湍流動能耗散方程如下

其中：

式中Sij為應(yīng)變率張量；υt為湍流運(yùn)動黏度，m2/s；k為湍流動能，m2/s2；ε代表湍流動能的耗散率，m2/s3；αk、αε分別代表湍流動能和湍流動能耗散的普朗特數(shù)，αk=1.0，αε=1.3；C1ε、C2ε為湍流模型系數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92；Cu為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Cu=0.09。

2.1.3 假設(shè)條件、求解器參數(shù)與邊界條件

假設(shè)條件：熱空氣介質(zhì)為理想氣體；熱空氣的黏度為一個關(guān)于溫度的多項式函數(shù)；不考慮管壁熱量損耗；熱空氣在入口處無旋、分布均勻。

求解器條件：使用SIMPLE算法用于處理壓力速度間的耦合；使用二階逆風(fēng)離散化求解動量、湍流動能、湍流動能耗散；質(zhì)量守恒收斂依據(jù)為10-4的殘差精度，其他殘差精度設(shè)置為10-5。

進(jìn)口邊界條件：速度作為進(jìn)口邊界條件，假定進(jìn)口方向垂直于邊界，設(shè)定入口風(fēng)速為24 m/s，湍流強(qiáng)度4.2%，湍流尺度0.003 5 m。

出口條件：壓力作為出口邊界條件，給定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為壓力邊界值。

壁面條件：無滑移邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行修正[25]。

2.1.4 擾流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擾流板的高度和相對位置對于噴嘴出口氣流的速度分布影響較大[23]。使用Tecplot軟件對擾流板不同參數(shù)條件下的FLUENT計算結(jié)果進(jìn)行后處理，噴嘴出口速度分布如圖5所示。

圖5 擾流板模型噴嘴出口速度分布Fig.5 Nozzle outlet velocity distribution of spoiler model

從圖5a可以看出，在無擾流板的情況下，噴嘴出口噴射出氣流的速度由近入風(fēng)口側(cè)向遠(yuǎn)端逐漸增加。增設(shè)擾流板后，噴嘴出口氣流速度表現(xiàn)出5個明顯的波峰，波峰的大小不同但所處的位置相同。不同擾流板的高度下，噴嘴出口氣流速度差異極顯著（P＜0.01），噴嘴出口氣流速度變異系數(shù)由無擾流板模型的51.1%降為7.7%（氣流速度的變異系數(shù)等于其標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值）。值得注意的是在噴嘴長度方向0～0.1 m位置，法向氣流速度數(shù)值為負(fù)數(shù)，Svensson. K等在對射流沖擊噴嘴的陣列方式的研究中也發(fā)現(xiàn)高速流體氣流向中間收縮的現(xiàn)象[26]，這種噴嘴回流現(xiàn)象可能是由于高速氣流運(yùn)動導(dǎo)致的引射作用造成的。當(dāng)H=4 mm、h=3 mm時，5個波峰的峰值大小趨于一致。圖5b描述了固定高度下擾流板在不同位置下，噴嘴出口氣流速度分布，3條曲線的峰值無明顯差異，但波峰的位置不同，這是由于方管風(fēng)道內(nèi)湍流區(qū)域隨擾流板的移動產(chǎn)生了改變。當(dāng)L=83 mm時，第一波峰的突變區(qū)距噴嘴最左側(cè)距離最小，分析可能是第一塊擾流板產(chǎn)生的區(qū)域湍流改變了氣流在方形風(fēng)道向噴嘴擴(kuò)散的方向，此時引射的影響的區(qū)域最小。

在H=4 mm，h=3 mm，L=83 mm，d=183 mm參數(shù)下對狹縫型氣體射流沖擊管進(jìn)行加工制作。使用型號為XY1000-1F風(fēng)速儀（北京協(xié)亞電子，測量范圍0～±6 kPa）對成品進(jìn)行5點(diǎn)測量，結(jié)果顯示10支中有7支的出口風(fēng)速的變化范圍為6.0～8.3 m/s，總體出口風(fēng)速分配均勻，與模擬結(jié)果一致。因此在使用前對狹縫型氣體射流沖擊管進(jìn)行篩選，可實(shí)現(xiàn)出口風(fēng)速的均勻分布，保證了干燥裝備對苜蓿干燥的均勻度。

2.2 常溫通風(fēng)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)環(huán)境大氣溫度與相對濕度、苜蓿內(nèi)部溫度的變化，控制離心風(fēng)機(jī)的開啟與關(guān)閉，防止紫花苜蓿返潮與發(fā)熱變質(zhì)的發(fā)生。本文使用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括：數(shù)據(jù)輸入與顯示、溫濕度監(jiān)測模塊、主控模塊、輸出控制模塊。

圖6 控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Control structure diagram

1）數(shù)據(jù)輸入與顯示采用威綸通MT8071IE觸摸屏，具有RS485與RS232通訊功能，可實(shí)現(xiàn)主控模塊控制信息輸入與實(shí)時數(shù)據(jù)顯示。MT8071IE顯示屏分辨率為800×480像素，利用EasyBuilder Pro編程軟件進(jìn)行界面制作。

2）主控模塊采用PIC16F1947單片機(jī)，具有2個增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器，兼容RS232、RS485通信功能，內(nèi)置8通道A/D轉(zhuǎn)換器，可以進(jìn)行10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換，通過簡單的外圍電路就可以完成數(shù)據(jù)采集與控制需要。

3）溫濕度監(jiān)測模塊包括溫度傳感器與相對濕度傳感器，溫度傳感器采用型號為PT100（北京優(yōu)普斯科技中心），測溫范圍為?50～300℃；空氣相對濕度傳感器采用芯片為SHT11，測量范圍0～100%。

2.2.2 程序設(shè)計

控制流程如圖7所示，根據(jù)獲取溫濕度信息控制離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 控制流程圖Fig.7 Control flow chart

濕度傳感器獲取環(huán)境大氣的相對濕度，兩個溫度傳感器分別獲取環(huán)境大氣溫度和紫花苜蓿中心位置溫度。通過I2C通訊總線將相對濕度數(shù)值傳遞給控制芯片PIC16F1947；溫度變送器將PT100的輸出阻值轉(zhuǎn)換為0～5 V電信號，并利用主控芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

當(dāng)環(huán)境大氣的溫度T1低于設(shè)定值St或相對濕度H1高于設(shè)定值Sh時，控制系統(tǒng)判定此時不適合進(jìn)行通風(fēng)干燥，常溫通風(fēng)干燥機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式，離心風(fēng)機(jī)停機(jī)；僅當(dāng)紫花苜蓿中心位置溫度T2減去環(huán)境大氣溫度的值T1大于Td時，控制系統(tǒng)判定此時會導(dǎo)致紫花苜蓿品質(zhì)的惡化，離心風(fēng)機(jī)開啟，鼓入冷空氣對紫花苜蓿降溫，直至T2小于T1時，離心風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

當(dāng)環(huán)境大氣的溫度T1高于設(shè)定溫度St同時環(huán)境大氣的相對濕度H1低于設(shè)置值Sh時，控制系統(tǒng)判定此時適合進(jìn)行通風(fēng)干燥，常溫通風(fēng)干燥機(jī)進(jìn)入工作模式，離心風(fēng)機(jī)開啟，持續(xù)對紫花苜蓿進(jìn)行通風(fēng)干燥。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備完成加工與裝配。通過干燥試驗(yàn)對過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終對干燥裝備的效果進(jìn)行評價。

3.1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)環(huán)境

選用紫花苜蓿作為試驗(yàn)原料[27]，產(chǎn)地為內(nèi)蒙古包頭。使用紫花苜蓿刈割壓扁機(jī)收獲，初始濕基含水率為77.2%～78.3%。

試驗(yàn)地點(diǎn)溫度變化范圍為8～29 ℃，空氣相對濕度變化范圍為40%～84%。

3.2 試驗(yàn)方案

1）參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)：高溫干燥段的氣流溫度與鋪料厚度對干燥效果有重要影響[28]，使用氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)對高溫段氣流溫度參數(shù)與鋪料厚度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。選取氣流溫度120、130、140、150、160、170 ℃，鋪料厚度2、4、6、8 cm作為試驗(yàn)變量，氣流流速為8 m/s，其他參數(shù)保持一致，對紫花苜蓿進(jìn)行干燥試驗(yàn)，以濕基含水率45%作為終止含水率，通過對比脫水速率與紫花苜蓿自身溫度選擇適宜氣流溫度和鋪料厚度。試驗(yàn)重復(fù)5次。

2）裝備性能試驗(yàn)：使用氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)在優(yōu)化后的參數(shù)下對（80±5）kg新鮮紫花苜蓿進(jìn)行5 min過程干燥（紫花苜蓿濕基含水率為45%～50%），將半干紫花苜蓿裝滿通風(fēng)干燥箱，進(jìn)行常溫通風(fēng)干燥，參數(shù)Sh、St、Td分別設(shè)置為80%、10 ℃、8 ℃。直至將紫花苜蓿干燥至濕基含水率降為15%。設(shè)置對照試驗(yàn)組，使用氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)將新鮮紫花苜蓿連續(xù)干燥至濕基含水率為15%。對比兩段式干燥與全程高溫干燥的單位去水能耗，同時結(jié)合葉片損失率綜合評價氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥裝備的干燥性能。試驗(yàn)重復(fù)3次。

3.3 數(shù)據(jù)處理

濕基含水率ω，用來評價紫花苜蓿脫水的程度，計算公式如下

式中M1為干燥后的總質(zhì)量，g；M2為干物質(zhì)量，g。

葉片損失率ηl，用來評價干燥品質(zhì)，計算公式如下

式中a1為干燥結(jié)束后干草總質(zhì)量，kg（a1＞10 kg）；a2為干燥完成后葉片掉落質(zhì)量，g。

單位水分蒸發(fā)能耗q1，用來計算蒸發(fā)1 kg水分消耗需要消耗的能量，計算公式如下

式中q為脫水消耗的總能量，kJ/kg；mw為脫除水分的總質(zhì)量，kg。

熱效率ηt，用來評價裝備的熱能的利用效率，計算公式如下

其中：

式中q1為單位水分蒸發(fā)能耗，kJ/kg；q2為單位水分蒸發(fā)所需要的熱量，kJ/kg；t2為出烘干機(jī)的氣體溫度，℃；t3進(jìn)烘干機(jī)濕物料溫度，℃。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

使用氣體射流沖擊干燥機(jī)對新鮮紫花苜蓿進(jìn)行干燥，不同氣流溫度和不同鋪料厚度條件紫花苜蓿由濕基含水率78.3%脫水至45%所用的時間如圖8所示。

圖8 不同干燥溫度及物料厚度下的干燥時間Fig.8 Drying time under different drying temperature and material thickness

圖8a中對比了紫花苜蓿在不同氣流溫度下脫水至目標(biāo)含水率所用的時間，可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高脫水速度越快。當(dāng)溫度高于140 ℃，經(jīng)過5 min干燥紫花苜蓿濕基含水率由初始的78.3%可降至45%以下。輸送出高溫烘干室的苜蓿溫度如圖9所示，150 ℃條件下，紫花苜蓿自身溫度已達(dá)到65 ℃，當(dāng)紫花苜蓿溫度繼續(xù)升高會破壞苜蓿品質(zhì)[29]。綜合紫花苜蓿的干燥速率和品質(zhì)要求，選定145～150 ℃作為氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)的工作溫度。對比圖8b中不同物料厚度下所需的干燥時間發(fā)現(xiàn)，鋪料厚度2與4 cm的干燥時間差異不顯著（P＞0.05），鋪料厚度4與6 cm的干燥時間差異不顯著（P＞0.05），但鋪料厚度8 cm的干燥時間顯著高于鋪料厚度6 cm的干燥時間（P＜0.01）。這可能是8 m/s的氣流可以穿透6 cm厚的紫花苜蓿層進(jìn)行脫水干燥，但是無法對8 cm鋪料厚度的紫花苜蓿深層快速干燥。

圖9 不同干燥溫度下物料最高溫度Fig.9 Highest temperature of material under different drying temperature

綜合氣流溫度與鋪料厚度對于干燥時間的影響，在150 ℃的氣流溫度、8 m/s氣流速度、6 cm紫花苜蓿厚度條件下，氣體射流沖帶式干燥機(jī)能夠完成厚層紫花苜蓿的快速干燥，5 min內(nèi)可將濕基含水率為78.3%的紫花苜蓿降至45%以下。

3.4.2 裝備性能試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)3次試驗(yàn)結(jié)果，紫花苜蓿依次經(jīng)過5 min高溫干燥（氣流溫度為150 ℃、氣流速度8 m/s、紫花苜蓿厚度6 cm）與8～11 h（風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間）常溫通風(fēng)干燥，濕基含水率可降至15%以下?；诃h(huán)境自適應(yīng)的控制方式能夠控制離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行，降低了非適宜干燥的環(huán)境中的能源消耗。經(jīng)過氣體射流帶式干燥機(jī)干燥后紫花苜蓿無明顯的葉片脫落發(fā)生；常溫通風(fēng)干燥后干草的莖葉干燥均勻，草色為綠色。

氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥與全程高溫干燥的干燥性能如表2所示。

表2 兩段干燥與全程高溫干燥的干燥性能對比Table 2 Dry performance comparison about two-stage drying and continuous high temperature drying

整機(jī)的總占地面積為10 m2，裝備的處理效率依賴于氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)的干燥效率。氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)的鋪料厚度為6 cm，每小時紫花苜蓿處理量為150 kg，具備大批量干燥的能力。氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥的熱效率為74.3%，單位水分蒸發(fā)耗能為3 408 kJ/kg，相較于對照試驗(yàn)組中全程高溫干燥的單位水分蒸發(fā)能耗（7 290 kJ/kg）降低了53%；相較于車剛等設(shè)計的5HC-1型牧草保質(zhì)干燥機(jī)的單位水分蒸發(fā)能耗（9 400 kJ/kg）降低了63.7%[30]，具有顯著的節(jié)能效果。紫花苜蓿干燥完成后葉片損失率為1.5%，極大降低了干燥營養(yǎng)物質(zhì)損失。

4 結(jié) 論

1）在狹縫型氣流沖擊管的方形風(fēng)道中設(shè)置多枚擾流板，可實(shí)現(xiàn)噴嘴出口氣流的均勻分布，噴嘴出口0.1～1 m段的氣流速度變異系數(shù)為7.7%。

2）基于狹縫型噴嘴的氣體射流沖擊帶式干燥機(jī)，具有大批量處理的能力，可實(shí)現(xiàn)厚層苜蓿的快速脫水干燥，在氣流溫度150 ℃、速度8 m/s條件下，平鋪厚度為6 cm的紫花苜蓿經(jīng)過5 min的干燥可將濕基含水率降至45%以下。

3）紫花苜蓿干燥試驗(yàn)表明：氣體射流沖擊聯(lián)合常溫通風(fēng)干燥方式，具有節(jié)能、低葉片損失率的特點(diǎn)，蒸發(fā)1 kg水分所消耗的能量為3 408 kJ，干草的葉片損失為1.5%。

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Design and experiment of air-impingement jet combined with normal temperature ventilation dryer for alfalfa

Yu Xianlong1, Gao Zhenjiang1, Dai Jianwu2, Xue Lingyang1, Wang Dong3, Wang Jun1, Deng Lizhen1, Xie Yongkang1, Zhang Xiaolin1, Xiao Hongwei1※
(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

In order to solve the problems of alfalfa drying, such as smaller drying capacity, high energy consumption, and high leaf loss rate, an alfalfa dryer based on air-impingement jet and normal temperature ventilation was designed in current work. The alfalfa drying process was divided into 2 parts: high-temperature drying in air-impingement jet belt dryer based on the slit type air-impingement tube to improve the drying speed, and then drying at room temperature in the normal temperature ventilation apparatus to save energy. The slit type air-impingement tube is the main structure of air-impingement jet belt dryer. Flow field in slit type air-impingement tube was simulated using Fluent 14.0 CFD (computational fluid dynamics) software. The spoiler was added in this tube to improve the airflow uniformity of slit type nozzle exit. The location and height of spoiler are important influence factors of airflow uniformity. The structure of slit type air-impingement tube was optimized with the method of numerical simulation for flow field in which the spoiler had different parameters. The optimal parameter of spoiler was obtained, which then offered an optimum model that the variance coefficient of flow velocity was 7.7% through the 0.1-1.0 m section of nozzle exit. In order to collect information and realize automatic control, a single chip microcomputer system was designed for the room temperature ventilation apparatus. The PT100 and SHT11 sensors were used in the automatic control system to monitor the temperature and relative humidity of environment and grass. PIC16F1947 was used as the main control chip to control and dispose the information and control fan operation so as to solve the problem of moisture reabsorbtion of alfalfa in low temperature and high relative humidity environment. Alfalfa was adopted to test the performance of the normal temperature ventilation equipment combined with air-impingement jet. One group of experiment was that air-impingement jet belt dryer was used to dry alfalfa in different temperature and material thickness to the moisture content of about 45%-50%, and after that the material was dried at room temperature in the ventilation apparatus to the final moisture content of about 15%. It was observed that the moisture content of alfalfa with the thickness of 6 cm was reduced from 78.3% to 45% after 5 min drying. It can be concluded that air-impingement jet belt dryer has the ability of rapid drying for alfalfa even in high thickness. Additionally, the temperature of alfalfa was below 65 ℃ in the process of drying, which was beneficial to save thermal sensitive nutritions of alfalfa. The room temperature ventilation apparatus based on automation control could extensively reduce energy consumption of alfalfa drying. It can be concluded that the normal temperature ventilation dyer combined with hot air-impingement jet has the advantages of low-energy consumption and low leaf loss rate, as the leaf loss rate is less than 1.5%, and the energy consumption per kilogram moisture removal is 3408 kJ which is reduced by 53% compared with hot air drying. This paper exhibits a designed new equipment for alfalfa drying, the normal temperature ventilation dryer combined with air-impingement jet, which is very important to solve the problems of high energy consumption and high leaf loss rate of the current alfalfa drying equipment.

drying; equipment; energy conservation; alfalfa; air-impingement jet; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037

S226.6; S126

A

1002-6819(2017)-15-0293-08

2017-05-02

2017-07-20

國家自然科學(xué)基金（31501548）

于賢龍，男，山東日照人，博士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥裝備與自動化控制研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。

Email：yuxl@cau.edu.cn

※通信作者：肖紅偉，男（漢），河南商丘人，副教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)和裝備的研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。Email：xhwcaugxy@163.com