小型移動(dòng)式玉米清理干燥一體化設(shè)備研究及優(yōu)化分析

李永祥，位艷芳，王明旭，王少英

(河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450009)

近年來(lái)，我國(guó)糧食收獲機(jī)械化程度快速發(fā)展，大大縮短了糧食收割時(shí)間。剛收獲的糧食含水率通常比較高，如不及時(shí)干燥容易發(fā)霉變質(zhì)，影響糧食安全[1-2]。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)糧食因?yàn)楦稍锊粡氐准笆艿教鞖庥绊懚範(fàn)€損失約200億斤[3]。目前，國(guó)內(nèi)的大型糧庫(kù)和糧食企業(yè)一般采用比較大型而且固定式的清理和干燥設(shè)備，而我國(guó)農(nóng)村糧食分布較為分散，廣大農(nóng)戶采用的自然晾曬的方式受天氣的影響較大，不能快速有效地對(duì)收獲后的玉米粒進(jìn)行干燥，同時(shí)，收獲后的玉米粒中含大量的雜質(zhì)，糧庫(kù)和部分食品廠對(duì)收購(gòu)的玉米只進(jìn)行簡(jiǎn)單的清理，嚴(yán)重影響到玉米的存儲(chǔ)安全，容易引起玉米發(fā)熱變質(zhì)[4]。因此，適應(yīng)大范圍農(nóng)戶需求的玉米清理干燥一體化設(shè)備成為制約我國(guó)糧食生產(chǎn)全程機(jī)械化的主要瓶頸[5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了小型移動(dòng)式清理干燥一體化設(shè)備[6]，借助Fluent流體動(dòng)力學(xué)軟件分析了干燥筒內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)狀態(tài)，并采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了干燥工藝參數(shù)，為設(shè)備的運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 清理干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 清理干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)

該清理干燥設(shè)備主要由引風(fēng)風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、旋風(fēng)分離器、煙囪、斗式提升機(jī)、圓筒初清篩、回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)、車體、牽引機(jī)構(gòu)等部件組成，所有的部件都安裝在車架上，移動(dòng)靈活方便。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1引風(fēng)風(fēng)機(jī) 2 熱風(fēng)爐 3 旋風(fēng)分離器 4 煙囪 5 斗式提升機(jī) 6 圓筒初清篩 7 回轉(zhuǎn)式干燥機(jī) 8 車體 9 牽引機(jī)構(gòu) 圖1 清理干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

由牽引機(jī)車通過(guò)牽引機(jī)構(gòu)9把設(shè)備運(yùn)送到指定地點(diǎn)，工作過(guò)程中收獲后的玉米粒先進(jìn)入圓筒初清篩6進(jìn)行雜質(zhì)清理，隨后由斗式提升機(jī)5輸送到回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)7中進(jìn)行干燥，在內(nèi)部導(dǎo)料螺旋推動(dòng)下流動(dòng)到干燥機(jī)中部，中部揚(yáng)料抄板將其抄起形成一層均勻的料簾，從而與熱風(fēng)發(fā)生熱交換。當(dāng)干燥至安全水分后，從出料口流出，完成玉米顆粒的清理干燥工作。在干燥過(guò)程中，所需要的熱風(fēng)由間接加熱空氣的熱風(fēng)爐2提供。

2 主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 物料衡算和熱量衡算

2.1.1 設(shè)計(jì)條件

技術(shù)參數(shù)：生產(chǎn)能力(濕玉米)G1：1 t/h；生產(chǎn)時(shí)間：8 h/d.

物料參數(shù)：入口濕含量W1：20%(濕基)；出口濕含量W2：14%(濕基)；入口溫度θ1：25 ℃；出口溫度θ2：35 ℃；比熱容：2.01 kJ/kg·K.

干燥介質(zhì)參數(shù)：空氣溫度t0：25 ℃；濕球溫度：20 ℃；空氣濕度H0:0.014 kg/kg絕干氣；入口溫度t1：75 ℃；出口溫度t2：45 ℃.

2.1.2 水分蒸發(fā)量

生產(chǎn)能力：

(1)

干基含水率：

(2)

由公式(2)可求得

X1=25%;X2=16.3%

若以絕對(duì)干料計(jì)，則

GC=G1(1-W1)=0.278×(1-0.2)=0.222 4 kg/s

(3)

水分蒸發(fā)量為：

W=GC(X1-X2)=0.222 4×(25%-16.3%)=0.019 3 kg/s

(4)

2.1.3 空氣消耗量

蒸發(fā)水分所需要的熱量q1[7]：

q1=W(IV-IW)=W(r0+CVt2-CWθ1)=47.906 kJ/s

(5)

物料升溫所需要的熱量q2：

q2=GC(CS+X2CW)(θ2-θ1)=5.988 kJ/s

(6)

熱損失q3：

q3=0.2(q1+q2)=10.779 kJ/s

(7)

需要的總熱量q：

q=q1+q2+q3=64.673 kJ/s

空氣消耗量L：

(8)

熱量計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)：r0—水在0 ℃的汽化潛熱(公式中定義這個(gè)溫度為0 ℃)；r0=2 500 kJ/kg水蒸氣；CV—水蒸氣比熱容；CV=1.93 kJ/(kg·K)；CW—液態(tài)水比熱；CW=4.187 kJ/(kg·K)；GC—絕干物料的質(zhì)量流量。

2.2 回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)主要參數(shù)計(jì)算

2.2.1 圓筒干燥機(jī)的容積計(jì)算

圓筒干燥機(jī)的容積V可近似按公式(9)[7]計(jì)算

(9)

式中：W—每小時(shí)需要蒸發(fā)的水分量，kg/h;A—水分蒸發(fā)強(qiáng)度，采用升舉式抄板，在實(shí)際生產(chǎn)中，A=10 Kg/m3·h

2.2.2 圓筒直徑和長(zhǎng)度的計(jì)算

圓筒直徑D和圓筒長(zhǎng)度Z的比例，一般采用Z/D=4～5，不大于7，圓筒直徑的D通常在1.2～2.8 m之間。

當(dāng)Z=3.5D時(shí)，代入上式得

(10)

當(dāng)Z=5D時(shí)，代入上式得

圓筒直徑確定后，圓筒的長(zhǎng)度Z則可由公式(11)計(jì)算。

Z=(3.5～5)D=4.76 m～6.05 m

(11)

圓筒直徑和長(zhǎng)度的比例Z/D=4～5，所以選擇Z=5.6 m,D=1.4 m。

2.2.3 圓筒轉(zhuǎn)速的計(jì)算

筒體轉(zhuǎn)速[7]一般為：

(12)

筒體的斜度一般取0～8°，取傾斜角α=2°，此時(shí)筒體的斜度S=tan2=0.03。

2.3 圓筒篩設(shè)計(jì)參數(shù)確定

原糧在篩筒內(nèi)跟隨篩筒旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，當(dāng)糧食顆粒到達(dá)篩筒最高處時(shí)，糧食所受到的自身重力應(yīng)該小于因旋轉(zhuǎn)所受到的離心力。否則，糧食會(huì)隨著篩筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)最終將達(dá)不到篩分的效果。圖2為糧食旋轉(zhuǎn)的示意圖。

圖2 糧食旋轉(zhuǎn)的示意圖

根據(jù)工作過(guò)程中糧食自重應(yīng)大于所受離心力，則根據(jù)公式(13)計(jì)算轉(zhuǎn)速。

mRω2-mg<0

(13)

式中：m—糧食顆粒質(zhì)量，kg;R—篩筒半徑，mm;g—重力加速度，m/s2；ω—篩筒角速度，r/s，ω=nπ/30.

由公式(13)得出：

(14)

當(dāng)原糧顆粒隨著篩筒運(yùn)動(dòng)至篩筒內(nèi)0°附近時(shí)，糧食顆粒的重力與所受到的離心力成90°，故此時(shí)糧食在透過(guò)篩網(wǎng)橫截面時(shí)所受到的摩擦力應(yīng)當(dāng)小于所受到的離心力。所以篩筒此時(shí)存在一個(gè)最小的速度，由公式(15)[8]確定：

mRω2-mgf<0

(15)

由公式(15)推導(dǎo)得出：

(16)

由式(14)、式(16)得出：

(17)

根據(jù)設(shè)計(jì)的圓筒篩的直徑850 mm。帶入公式(17)得篩筒轉(zhuǎn)速范圍是：

0.776 114 r/s

46.56 r/min

2.4 熱風(fēng)爐技術(shù)參數(shù)確定

2.4.1 加熱空氣流量的確定

加熱空氣的質(zhì)量流量[9]由式(18)計(jì)算：

(18)

式中：Ma—所需加熱空氣的質(zhì)量流，kg/h；Q—總換熱量，kJ/h；T1—出口空氣溫度，K；Cp1—T1溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；T0—進(jìn)口空氣溫度，K;CP0—T0溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)。

加熱空氣的體積流量由式(19)得出：

(19)

式中：ρa(bǔ)—T1溫度下的空氣密度，kg/m3.

由T1=85 ℃，T0=25 ℃可得：

CP1=1.009 kJ/(kg·K)

CP0=1.005 kJ/(kg·K)

ρa(bǔ)=0.986 kg/m3

回轉(zhuǎn)式干燥筒所需要的熱量q=64.673 kJ/s=2.33×105kJ/h，等于熱風(fēng)爐所提供得熱量?？紤]到有熱量損失，取Q=1.1q=2.56×105kJ/h。熱空氣的質(zhì)量流量可由式(18)計(jì)算得出：

Ma=

所以所需加熱得空氣體積流量由式(19)計(jì)算得出：

2.4.2 熱風(fēng)爐總換熱面積及幾何參數(shù)的確定

熱風(fēng)爐的總換熱面積由式(20)計(jì)算得出。

(20)

式中：Q—熱風(fēng)爐總換熱量，J/s;ΔTm—有效傳熱溫差，℃；K—傳熱系數(shù)，W/(m2·K).

其有效傳熱溫差采用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算

(21)

式中： ΔT1-管道進(jìn)口處煙氣與工質(zhì)的溫差，K；ΔT2-管道出口處煙氣與工質(zhì)的溫差，K。

(22)

設(shè)定煙氣進(jìn)口處溫度為Tyo=800 ℃，煙氣出口處溫度為Ty1=200 ℃；由上可知，加熱空氣的入口溫度和出口溫度分別是T0=25 ℃，T1=85 ℃。有效傳熱溫差由式(22)得：

查閱資料[10],傳熱系數(shù)取K=40 W/(m2·K)；

熱風(fēng)爐的總換熱量為：Q=2.56×105kJ/h=71.1 kJ/s=7.11×104J/s

3 干燥工藝參數(shù)優(yōu)化分析

玉米顆粒在干燥過(guò)程中受到熱風(fēng)的影響較大，熱風(fēng)的速度、壓力和溫度等是影響干燥的主要參數(shù)，這些參數(shù)的優(yōu)化組合能夠得到更好的干燥效果。因此干燥筒內(nèi)流場(chǎng)分布和溫度分布的研究有助于確定合理的干燥參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化干燥工藝。借助CFD數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法得出在不同風(fēng)溫、風(fēng)速和風(fēng)壓對(duì)干燥機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，最終得出影響干燥效果的最優(yōu)參數(shù)。

3.1 滾筒干燥機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)仿真模擬分析

以φ1.4 m×5.6 m滾筒干燥機(jī)為模型，進(jìn)風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口(Velocity_Inlet)，進(jìn)風(fēng)口的熱風(fēng)溫度設(shè)置為75 ℃[11]；出口邊界為壓力出口(Pressure-Outlet)；除去上述設(shè)置的進(jìn)口邊界和出口邊界之外的邊界為墻邊界條件。

3.1.1 溫度場(chǎng)分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的溫度場(chǎng)模擬圖如圖3所示。

圖3 X=0 m截面溫度云圖

圖3是滾筒干燥機(jī)內(nèi)流體溫度場(chǎng)的分布云圖，從圖可以看出45 ℃的濕物料從進(jìn)料口進(jìn)入后和熱風(fēng)進(jìn)行接觸。二者之間不斷地發(fā)生著熱交換，熱風(fēng)的溫度不斷下降，玉米顆粒的溫度逐漸上升，最終兩者之間達(dá)到溫度的平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食干燥的目的。

干燥筒內(nèi)從進(jìn)口到出口溫度是逐漸降低的，該過(guò)程主要分為等速干燥階段和降速干燥階段。物料和熱風(fēng)在進(jìn)口接觸，溫度的差異導(dǎo)致在此處必然發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，這一階段為等速干燥階段，緊隨其后的是降速干燥階段。但是在這2個(gè)階段之前還存在預(yù)熱階段，其主要為了提升糧食顆粒的溫度、促進(jìn)糧食顆粒內(nèi)的水分分布均勻、提高干燥筒內(nèi)的環(huán)境溫度。(因?yàn)轭A(yù)熱階段是在玉米顆粒進(jìn)入干燥筒之前，提升干燥筒內(nèi)的溫度，為后續(xù)階段提供環(huán)境基礎(chǔ)，因此并沒(méi)有在設(shè)備圖中反映)

3.1.2 速度場(chǎng)分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的速度場(chǎng)模擬如圖4所示。

圖4 X=0 m截面速度云圖

圖4反映的是氣固兩相流速度場(chǎng)的變化，其變化及分布情況和單相流模擬的情況一致。不同之處在于受到顆粒流速度的影響進(jìn)口處的速度變化劇烈，所以其Z向橫截面不在文中贅述。

3.1.3 壓力場(chǎng)分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的壓力場(chǎng)模擬如圖5所示。

圖5 X=0截面總壓云圖

圖5為氣固兩相的壓力場(chǎng)云圖，其各壓力的變化與單項(xiàng)模擬時(shí)候的結(jié)果相似，變化情況沒(méi)有明顯區(qū)別。但是由于糧食顆粒溫度和速度的影響導(dǎo)致壓力的變化發(fā)生在進(jìn)料口附近，壓力值相對(duì)減小。

3.2 基于Fluent分析的正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法是目前最通用的分析部分因子設(shè)計(jì)的主要方法，是在概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)化正交表安排試驗(yàn)方案，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，最終迅速找到優(yōu)化方案，是一種高效處理多因素優(yōu)化問(wèn)題的科學(xué)計(jì)算方法[12]。由于缺乏實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件，所以本文在Fluent流體分析的基礎(chǔ)上利用正交分析方法對(duì)風(fēng)溫、風(fēng)速、風(fēng)壓3個(gè)因素進(jìn)行分析，找出影響干燥效果的最優(yōu)參數(shù)。

從氣固兩相流模擬的溫度云圖可以看出，當(dāng)按照設(shè)計(jì)計(jì)算的邊界條件設(shè)置進(jìn)行Fluent模擬時(shí)，出料口的溫度達(dá)到了62.5 ℃，而進(jìn)口熱風(fēng)的溫度為75 ℃。此種狀況下，干燥筒內(nèi)的玉米顆粒撞擊容易發(fā)生破碎情況，從而影響玉米的質(zhì)量。所以，糧食干燥時(shí)要根據(jù)其具體特點(diǎn)，確定適合的干燥工藝，以保證在干燥時(shí)既能提高干燥速率，又能獲得較高的干燥品質(zhì)[13]。

正交試驗(yàn)方案如表1所示。正文實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

試驗(yàn)號(hào)因素ABC出口糧食溫度/℃K147.9547.77552.875K252.6551.551.5K354.12554.8553.2K456.957.552.8主次順序B>A>C優(yōu)水平A1B1C2優(yōu)組合A1B1C2

據(jù)上可得：對(duì)玉米干燥效果影響最大的因素是風(fēng)溫，其次是風(fēng)速，最后是風(fēng)壓，3個(gè)因素的最優(yōu)水平組合是A1B1C2，即風(fēng)速7 m/s，風(fēng)溫60 ℃，風(fēng)壓2 015 Pa。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了玉米清理干燥一體化設(shè)備，對(duì)主要部件技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，該玉米清理干燥一體化設(shè)備，具有移動(dòng)方便，適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)干燥筒內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果和正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)干燥工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明：對(duì)玉米干燥效果的影響最大的因素是風(fēng)溫，其次是風(fēng)速，最后是風(fēng)壓。最優(yōu)效果參數(shù)為：風(fēng)速：7 m/s，風(fēng)溫：60 ℃，風(fēng)壓：2015 Pa。

[1]任廣躍,張忠杰,朱文學(xué),段續(xù).糧食干燥技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2011(02):124-128.

[2]董殿文,李吉芬,董梅,等.東北大農(nóng)戶玉米果穗儲(chǔ)糧倉(cāng)的實(shí)倉(cāng)試驗(yàn)[J]. 糧油食品科技,2015(2):97-99.

[3]楊琴,劉清,沈瑾,謝奇珍.我國(guó)農(nóng)戶玉米產(chǎn)后損失現(xiàn)狀及原因分析[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)),2012(4):46-49.

[4]段寶林,趙 妍,袁長(zhǎng)勝,于吉淼.我國(guó)糧食干燥簡(jiǎn)況及小型干燥機(jī)發(fā)展前景[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2001(10):35-36.

[5]農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理司.農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于印發(fā)玉米生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)的通知[EB/OL]. http://www.moa.gov.cn/govpublic/NYJXHGLS/20111. Html, 2017-03-02.

[6]李凌虹,左筠然, DanielBrandenburger, Hansruedi Schuerch.布勒集團(tuán)在中國(guó)的發(fā)展[J]. 糧油食品科技,2003(4):44-45.

[7]劉廣文. 干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009:725-727.

[8]宋書中,周祖德,胡業(yè)發(fā).振動(dòng)篩分機(jī)械發(fā)展概述及新型振動(dòng)篩研究初探[J].礦山機(jī)械,2006(4):73-75.

[9]于才淵，王寶和，王喜忠.干燥裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2005：212-213.

[10]梁寶平主編.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用實(shí)用手冊(cè)[M].北京： 北方工業(yè)出版社,2011：433-435.

[11]宋小艷.基于ANSYS和FLUENT的回轉(zhuǎn)窯熱工特性分析[J]. 2013.

[12]劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,湯建.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,(9):52-55.

[13]王士軍,毛志懷,石懷志.糧食干燥工藝分析與探討[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(1):66-70.●