稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王潤(rùn)發(fā)，方壯東，王鵬程，馬興灶，鄭 菲，李長(zhǎng)友

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

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稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王潤(rùn)發(fā)，方壯東，王鵬程，馬興灶，鄭 菲，李長(zhǎng)友

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642)

為了提高稻谷的干燥效率、加快稻谷的干燥速率及改善稻谷的干燥品質(zhì)，基于稻谷水分結(jié)合能的變化特征，設(shè)計(jì)了一種紅外線熱輻射、逆混流引風(fēng)、多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)，能夠強(qiáng)化稻谷表面?zhèn)鳠?，?shí)現(xiàn)了閃蒸降溫干燥，改善了稻谷干燥效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：紅外線熱輻射和逆混流引風(fēng)干燥可使稻谷的干燥溫度較傳統(tǒng)的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍以上，爆腰增率可控制在1%以下。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)稻谷優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥和工藝裝備開(kāi)發(fā)提供了參考。

稻谷；紅外線熱輻射；組合干燥

0 引言

稻谷是第一大糧食作物，對(duì)我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)民增收有重要影響。2015年，我國(guó)稻谷產(chǎn)量20 824.5萬(wàn)t，占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的33.51%。水稻屬于熱敏性的稻谷，在高溫、高濕環(huán)境條件下存放極易發(fā)生變質(zhì)，在成熟脫水和產(chǎn)后的干燥過(guò)程中常常產(chǎn)生爆腰及表面大量的微裂紋，造成了裸露淀粉，從而促使稻谷顆粒的吸濕性增強(qiáng)，也增加了對(duì)病蟲(chóng)害和霉菌等侵襲的敏感性，縮短了貯藏周期[1]。為此，研究人員嘗試了多種工藝及技術(shù)方案(如研究微波干燥[2-6]), 揭示了不同微波干燥工藝對(duì)稻谷品質(zhì)影響的差異性，指出了微波能夠快速提高稻谷內(nèi)部溫度、加快水分的蒸發(fā)、提高干燥速率、縮短干燥時(shí)間，但微波設(shè)備費(fèi)昂貴、耗電量大、能質(zhì)效率極低，干燥過(guò)程籽粒內(nèi)溫度不均，會(huì)引起米質(zhì)的理化指標(biāo)劣化，因此在糧食干燥領(lǐng)域應(yīng)用十分有限；考察紅外線輻射[7-11]，給出了基于傳熱傳質(zhì)方程組的稻谷輻射干燥模型和工藝條件，預(yù)示了遠(yuǎn)紅外熱輻射有改善稻谷組織功能的有益效果，得出了紅外線輻射能的有效利用對(duì)于提高干燥品質(zhì)、降低能耗的問(wèn)題不可忽視。由于稻谷屬于熱敏性物料[12]，作為其合理的干燥操作條件，應(yīng)是在盡可接近其自然環(huán)境溫度條件下，能及時(shí)快速干燥。為了探索有效的非加熱干燥途徑，基于聲波[13]、超聲波[14]與媒介作用的物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，大量研究在探索聲助干燥，但發(fā)生有效的超聲頻段，合理地匹配聲阻問(wèn)題影響著稻谷聲助干燥技術(shù)的應(yīng)用。

從稻谷干燥過(guò)程中能量消耗結(jié)構(gòu)形式看[15]，稻谷水分汽化消耗的是干燥系統(tǒng)的熱能，稻谷水分的蒸發(fā)必然伴隨著其內(nèi)能的減少。近年來(lái)，關(guān)于這方面的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究獲得了重要研究進(jìn)展。李長(zhǎng)友[16]等研究人員將干燥系統(tǒng)中的水分遷移現(xiàn)象看作是一定數(shù)量的能量遷移，指出了水分結(jié)合能隨溫度、含水率變化規(guī)律，構(gòu)造出了糧食水分結(jié)合能解析模型。結(jié)果表明：糧食在低含水率階段水分結(jié)合能受溫度變化影響顯著，而在高含水率階段水分蒸發(fā)過(guò)程受糧食的束縛作用很小。本文基于這一理論，設(shè)計(jì)了一種既能保證稻谷的干燥溫度不超限又能大幅度提高高濕稻谷的干燥速率紅外線熱輻射、逆混流引風(fēng)協(xié)同干燥系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)稻谷優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥和工藝裝備開(kāi)發(fā)提供參考。

1 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

1.1 稻谷中水分的遷出特征

干燥的目的在于去除稻谷中多余的水分，使其達(dá)到便于加工與安全儲(chǔ)藏的標(biāo)準(zhǔn)。稻谷干燥過(guò)程中，干燥系統(tǒng)內(nèi)的水分蒸發(fā)在任何溫度下都可以自發(fā)地進(jìn)行，而且蒸發(fā)過(guò)程是熱力共同作用的結(jié)果，水分從稻谷內(nèi)部遷出過(guò)程中克服沿程阻力必然要消耗來(lái)源于稻谷自身的內(nèi)能。基于熱力學(xué)平衡特征，則可以把干燥過(guò)程所能蒸發(fā)出去的水分定義為自由水[16]，其遷出的速率受限于水分與稻谷的結(jié)合能，其值等同于水分蒸發(fā)過(guò)程中稻谷內(nèi)部自由能的減少量。

1.2 濕稻谷自由能的理論表達(dá)

基于自由能推導(dǎo)得到糧食水分結(jié)合能解析模型[16]及熱能結(jié)構(gòu)特征函數(shù)[17]，經(jīng)理論分析其符合稻谷干燥過(guò)程中的能質(zhì)轉(zhuǎn)換特征與去水特性，故可將其理論應(yīng)用于稻谷干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。

稻谷干燥過(guò)程中熱力學(xué)第一定律的微分表達(dá)式、質(zhì)量遷移勢(shì)表達(dá)式和質(zhì)量遷移特征函數(shù)的表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

其中，T為熱力學(xué)溫度(K)；S為熵(kJ/K)；U為干燥系統(tǒng)的內(nèi)能(kJ)；p為壓力(Pa)；V為體積(m3)；μi為i組分的質(zhì)量遷移勢(shì)；dmi為體系內(nèi)i組分的質(zhì)量微元；F為系統(tǒng)的自由能(kJ)。

稻谷干燥過(guò)程中，每蒸發(fā)1kg水分所需消耗內(nèi)能功的計(jì)算表達(dá)式為

(4)

其中，wgz為技術(shù)功(kJ/kg)；pgv為稻谷表面水蒸氣分壓力(Pa)；psg為對(duì)應(yīng)稻谷溫度的飽和蒸氣壓(Pa)；v為稻谷比容(m3/kg)；Rv為水蒸氣氣體常數(shù)，其值為0.461 9kJ/(kg·K)；Tv為水蒸氣的熱力學(xué)溫度(K)。其中，在體積V和溫度T均等于常數(shù)時(shí)，式(4)中ugv的數(shù)值等同于水與稻谷的結(jié)合能。

稻谷干燥過(guò)程中，每1kg物質(zhì)的量從稻谷的外表面遷移到空氣中去的水分遷移勢(shì)表示為

(5)

其中，pv干燥介質(zhì)水蒸氣分壓力(Pa)。

水分從稻谷中蒸發(fā)遷移至干燥介質(zhì)中的總遷移勢(shì)表示為

(6)

將稻谷干燥過(guò)程中質(zhì)量遷移看作是單一組分的水分遷移，并把式(4)代入式(1)，便得到符合稻谷可逆干燥過(guò)程中的熱力學(xué)第二定律的微分表達(dá)式，則

(7)

稻谷干燥過(guò)程中，汽化和蒸發(fā)每千克水分所需消耗的熱能q(kJ/kg)表達(dá)式為

(8)

由此，得到干燥過(guò)程中稻谷內(nèi)部水分的結(jié)合能變化特征如圖1所示。

圖1 稻谷中水分結(jié)合能與含水率的關(guān)系Fig.1 The relationship between moisture binding energy

and moisture content in paddy

由圖1可以看出：稻谷干燥過(guò)程中，稻谷內(nèi)部的水分結(jié)合能隨含水率和稻谷自身溫度的升高而降低。在稻谷含水率大于30%后，溫度對(duì)其水分結(jié)合能的作用非常??；在稻谷的低含水率階段，水分結(jié)合能隨稻谷的含水率的增加而快速減少?；诖嗽?，采用紅外線熱輻射、逆混流引風(fēng)多場(chǎng)協(xié)同干燥工藝系統(tǒng)對(duì)稻谷進(jìn)行干燥作業(yè)，既能保證干燥過(guò)程中稻谷溫度不過(guò)高，又能大幅度加快高濕稻谷去水速率；同時(shí)改善了稻谷的干燥品質(zhì)，減小了干燥能耗。

2 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)流程圖Fig.2 The flow chart of system design technology

2.2 稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。高濕稻谷由提升機(jī)提升到干燥機(jī)的頂部，從進(jìn)料口處落入干燥機(jī)本體；干燥機(jī)裝滿后，按順序開(kāi)啟引風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、機(jī)下皮帶機(jī)和排糧裝置；稻谷在干燥機(jī)內(nèi)完全依賴自重，順著向下緩慢流動(dòng)；與此同時(shí)，熱風(fēng)爐中的煙氣在引風(fēng)機(jī)引力的作用下，流經(jīng)換熱器、比例閥、膨脹室后，進(jìn)入遠(yuǎn)紅外線發(fā)生裝置，把其攜帶的部分余熱轉(zhuǎn)化成遠(yuǎn)紅外輻射能。由于遠(yuǎn)紅外線發(fā)生裝置設(shè)計(jì)在干燥機(jī)內(nèi)，周圍被松散流動(dòng)的稻谷所包圍，因此遠(yuǎn)紅外線發(fā)生裝置對(duì)干燥機(jī)內(nèi)稻谷的總輻射角系數(shù)等于1，即遠(yuǎn)紅外線發(fā)生裝置外表面產(chǎn)生的輻射能會(huì)全部被稻谷吸收，補(bǔ)充了稻谷的內(nèi)能，改善了稻谷的組織功能。逆混流引風(fēng)方式在排氣角盒與緩蘇段間會(huì)自然形成較大的負(fù)壓差，稻谷在該段內(nèi)經(jīng)歷的是伴隨連續(xù)向下流動(dòng)降壓的同時(shí)，連續(xù)吸收輻射能的過(guò)程。在該過(guò)程中，當(dāng)壓力低于其所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，高濕稻谷內(nèi)的自由水就要消耗稻谷的內(nèi)能發(fā)生閃蒸，從而使稻谷的溫度迅速降低，從而實(shí)現(xiàn)了高濕稻谷在遠(yuǎn)紅外線輻射場(chǎng)中的降壓閃蒸干燥。這種干燥方式既能大幅度強(qiáng)化干燥過(guò)程，又保證稻谷自身的干燥溫度不超限；同時(shí)，也能利用遠(yuǎn)紅外線的調(diào)節(jié)作用，改良稻谷的組織功能，提高稻谷的干燥品質(zhì)。

1.提升機(jī) 2.遠(yuǎn)紅外發(fā)生裝置 3.熱風(fēng)干燥段 4.排糧斗 5.機(jī)下皮帶機(jī) 6.水分在線檢測(cè)儀 7.往復(fù)排糧裝置 8.進(jìn)氣角狀盒 9.排氣角狀盒 10.降壓閃蒸干燥段 11.儲(chǔ)糧緩蘇段 12.塔頂圖 3 稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 The multi-field synergy principle diagram of the drying

system design of paddy

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)的干燥性能以及可靠性，于2016年1月28日，在安徽蕪湖市三山經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)中聯(lián)重科股份有限公司的干燥試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖4所示。

圖4 稻谷多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.4 The field test of the multi-field synergy drying system of paddy

3.1 試驗(yàn)材料與方法

3.1.1 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的稻谷是收購(gòu)于安徽蕪湖地區(qū)的類珍珠稻。該稻谷的初始濕基含水率的范圍為17%～45%，平均濕基含水率為33%左右，極差在 30%左右，稻谷的總質(zhì)量約為5 000kg(濕重)。

3.1.2 試驗(yàn)方法

將多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)調(diào)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)后，通過(guò)提升機(jī)將經(jīng)過(guò)清選除雜后的稻谷輸送到干燥機(jī)本體內(nèi)；稻谷裝滿后，啟動(dòng)干燥機(jī)，對(duì)稻谷開(kāi)始進(jìn)行循環(huán)干燥。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)鐘表記錄下干燥過(guò)程的時(shí)間；通過(guò)自主研發(fā)的糧食水分在線檢測(cè)儀測(cè)量干燥過(guò)程稻谷的含水率值；通過(guò)溫濕度儀測(cè)量干燥系統(tǒng)運(yùn)行期間環(huán)境溫濕度變化；通過(guò)糧溫傳感器測(cè)量干燥系統(tǒng)內(nèi)稻谷溫度變化；通過(guò)風(fēng)溫傳感器測(cè)量進(jìn)入干燥系統(tǒng)內(nèi)的熱風(fēng)溫度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行干燥試驗(yàn)的過(guò)程中，干燥系統(tǒng)內(nèi)的稻谷依賴自身質(zhì)量緩慢連續(xù)向下流動(dòng)，在流動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)緩蘇、干燥。稻谷通過(guò)干燥段的時(shí)間為10min左右，緩蘇時(shí)間50min左右，即稻谷干燥過(guò)程的緩蘇與干燥的時(shí)間比為5 ：1。試驗(yàn)過(guò)程干燥參數(shù)的記錄如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可以看出：干燥系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中，初期熱風(fēng)溫度最高為80℃，后期基本保持在80℃以下；稻谷依靠自身質(zhì)量向下緩慢流動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)儲(chǔ)糧緩蘇段、降壓閃蒸干燥段、熱風(fēng)干燥段，吸收了來(lái)源于紅外發(fā)生裝置發(fā)射的全部紅外輻射能與熱風(fēng)介質(zhì)的能量，同時(shí)在負(fù)壓引風(fēng)的作用下，稻谷的溫度快速的上升；由于稻谷的內(nèi)外表面形成了較大的溫度梯度與壓力梯度，從而加快去除稻谷的內(nèi)部水分，稻谷的含水率快速降低；稻谷經(jīng)過(guò)約為6h的循環(huán)干燥后，稻谷的濕基含水率降到15.81%,經(jīng)計(jì)算稻谷每小時(shí)的平均濕基去水速率為2.92%；整個(gè)循環(huán)干燥過(guò)程中，稻谷的溫度基本保持在35℃以下?？梢?jiàn)，該干燥系統(tǒng)具有快速去水、高效節(jié)能、低溫循環(huán)干燥的效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 干燥過(guò)程參數(shù)記錄表

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度5℃左右，大氣相對(duì)濕度100%(雨天)。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種稻谷遠(yuǎn)紅外線熱輻射、逆混流引風(fēng)多場(chǎng)協(xié)同干燥系統(tǒng)，利用回收煙氣余熱發(fā)生遠(yuǎn)紅外線，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能干燥。

2)在風(fēng)量谷物比一定的條件下，稻谷的濕基含水率降到15.81%時(shí)，稻谷的平均濕基去水速率為2.92%。

3)在環(huán)境溫度為5℃左右、環(huán)境介質(zhì)的相對(duì)濕度為100%、熱風(fēng)溫度為50～80℃、排煙溫度為70℃的條件下，實(shí)現(xiàn)了稻谷自身溫度保持在35℃以下，較傳統(tǒng)的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍以上，干燥爆腰增率低于1%，改善了稻谷干燥品質(zhì)，降低了干燥能耗。

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Design and Experiment of Multi-field Synergy Drying System for Paddy

Wang Runfa, Fang Zhuangdong , Wang Pengcheng, Ma Xingzao, Zheng Fei, Li Changyou

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In order to increasing paddy’s drying efficiency, accelerating drying rate and improving drying quality. This article, based on the change characteristics of paddy moisture binding energy，designed a kind of drying system with the features of infrared thermal radiation, inducing air by back-mix-flow and multi-field synergy, which could strongly transfer heat on surface , realize the cool with flash drying and improve the drying effects for paddy. The experiment results showed the infrared thermal radiation and inducing air by back-mix-flow made paddy’s drying temperature lower 11℃ than cross-flow drying, the average of dehydration rate improved more than 2 times, and also increased crack percentage was controlled under 1%.The research results offer reference to get the high quality paddy,energy-efficient drying and develop craft equipment.

paddy；infrared thermal radiation; combination drying

2016-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371871)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金博導(dǎo)類項(xiàng)目(20114404110021)；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)(2014B020207001)

王潤(rùn)發(fā)(1987-)，男，廣東揭陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)853682561@qq.com。

李長(zhǎng)友(1958-)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)lichyx@scau.edu.cn。

S375；TS210.1

A

1003-188X(2017)06-0096-05