糧食干燥傳遞和轉(zhuǎn)換特征及其理論表達(dá)

李長(zhǎng)友

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李長(zhǎng)友

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

干燥是不同物系間多場(chǎng)協(xié)同作用的復(fù)合系統(tǒng)，期間發(fā)生的?傳遞和轉(zhuǎn)換特征尚未揭示，工程應(yīng)用存在不同場(chǎng)間的耦合關(guān)系及其作用效果定量表達(dá)的理論空缺。為此，該文基于?分析法，解析糧食與干燥介質(zhì)間的?傳遞和轉(zhuǎn)換特征，給出熱?、流動(dòng)?，擴(kuò)散?及其?效率定量評(píng)價(jià)理論表達(dá)式，基于焓-含濕量狀態(tài)參數(shù)圖，分析干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系及相互制約關(guān)系。研究結(jié)果表明，干燥是熱?、擴(kuò)散?和流動(dòng)?同時(shí)作用的結(jié)果，熱?是水分汽化必須的有用能；擴(kuò)散?源于糧食中多余的水分，擴(kuò)散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)，在擴(kuò)散過程中，溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)同時(shí)存在，溫度梯度與水蒸汽壓差方向相反時(shí)，強(qiáng)化?效率，一致時(shí)則弱化?效率；流動(dòng)?維持了熱?和擴(kuò)散?傳遞所需的勢(shì)差，沒有流動(dòng)?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效進(jìn)行；在通風(fēng)干燥系統(tǒng)中，含濕糧食和干燥介質(zhì)是兩種不同物系，兩種物系之間存在的不平衡勢(shì)是干燥?傳遞和轉(zhuǎn)換的動(dòng)力；干燥可以歸結(jié)為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)的?傳遞和轉(zhuǎn)換的過程；指出了?及?效率都是狀態(tài)函數(shù)，在工程應(yīng)用時(shí)，引入時(shí)間坐標(biāo)，依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定系統(tǒng)中的狀態(tài)變化特性，可以揭示出?流密度及其?效率變化特征，進(jìn)而對(duì)其能量利用效果做出評(píng)價(jià)；通過系統(tǒng)的?理論表達(dá)及其?效率分析，可以清晰地呈現(xiàn)干燥系統(tǒng)最大?損部位及環(huán)節(jié)，為評(píng)價(jià)干燥系統(tǒng)能量利用水平提供了科學(xué)的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明了能量合理利用的技術(shù)途徑。

0 引 言

干燥是高耗能的單元操作，為降低能耗，基于干燥耗能的數(shù)量守恒，針對(duì)人為提供給干燥系統(tǒng)的能量利用，進(jìn)行了大量的研究并以干燥效率為主要指標(biāo)不斷地修訂相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但存在的主要缺陷之一是沒有充分體現(xiàn)自然環(huán)境因素的作用效果，評(píng)價(jià)時(shí)需要針對(duì)不同環(huán)境和糧食條件，將測(cè)得的性能指標(biāo)折算到同一個(gè)公認(rèn)的干燥條件，其次是基于能量守恒研究能量在數(shù)量上的平衡，反映的只是能的外部損失，不能從本質(zhì)上揭示干燥體系內(nèi)部存在的能量質(zhì)的貶值和損耗，所以，較難對(duì)其技術(shù)手段的有效性做出科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)。?代表了能量中“量”與“質(zhì)”統(tǒng)一的部分，解決了不同形式能量間的互比性問題，提供了評(píng)價(jià)能量的統(tǒng)一尺度，克服了現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法上的缺陷。通過?分析，能夠從理論上揭示出能量傳遞和轉(zhuǎn)換的本質(zhì)并診斷出干燥工藝過程的最大?損部位或環(huán)節(jié)，為全面辨識(shí)系統(tǒng)的用能情況和工藝過程優(yōu)化提供科學(xué)地依據(jù)[1-2]。

在卡諾1824年提出能質(zhì)概念之后的百余年間，眾多學(xué)者對(duì)此概念進(jìn)行了論證[3-4]，1956年Rant把能量分成在一定環(huán)境條件下，可轉(zhuǎn)換和不可轉(zhuǎn)換的兩個(gè)部分并把理論上可以轉(zhuǎn)換為其他任何形式能的最大數(shù)量命名為?（Exergy）[5]，此后，對(duì)?分析理論和方法的討論成了研究的熱點(diǎn)，圍繞零?參考點(diǎn)選擇，提出了許多特定環(huán)境下的評(píng)價(jià)模型[6-9]，以相對(duì)環(huán)境平衡態(tài)的勢(shì)能為基準(zhǔn)態(tài)，給出了有效能函數(shù)的表達(dá)式[10-11]。由于實(shí)際過程中的?傳遞及其傳遞的強(qiáng)度量都與過程的不可逆性有關(guān)，熵產(chǎn)強(qiáng)度是特定系統(tǒng)的特征量，所以，指導(dǎo)工程實(shí)踐，還必須按照統(tǒng)一的目標(biāo)，研究物系中勢(shì)場(chǎng)的特有屬性，確定系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及其變化規(guī)律，揭示出干燥?轉(zhuǎn)換和傳遞的特征及其理論表達(dá)，才能正確辨識(shí)最大?損部位或環(huán)節(jié)，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，?傳遞與轉(zhuǎn)換研究受到了普遍關(guān)注[12-16]，?分析正在由系統(tǒng)分析向著系統(tǒng)綜合過渡。在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域，基于?分析法，研究太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)[17-18]，流化床干燥系統(tǒng)[19-20]，建立評(píng)價(jià)特定干燥系統(tǒng)的能效分析模型[21-23]，但缺乏對(duì)干燥?傳遞和轉(zhuǎn)換特征及其理論表達(dá)的深入研究，計(jì)算模型中存在熵強(qiáng)度等籠統(tǒng)地概念，分析過程存在漏洞，對(duì)?概念的理解和起算?基準(zhǔn)點(diǎn)的把握上存在問題，使得不同學(xué)者的評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大，存在偏離工程實(shí)際較遠(yuǎn)的情況。如在基于卡諾定理，解算稻谷干燥機(jī)的?效率時(shí)，給出了水分蒸發(fā)輸出的濕?僅占人為輸入?的0.5%～1%分析結(jié)果[24-25]，雖然指出了?效率低下的主要原因在于熱能發(fā)生裝置和產(chǎn)生的熱空氣與自然介質(zhì)二次混合以及干燥機(jī)內(nèi)不可逆?zhèn)鳠岷图Z食水分不可逆蒸發(fā)導(dǎo)致的?損失極大的緣故，但未能從理論上給出定量評(píng)價(jià)的表達(dá)式，主要缺陷有：1）分析結(jié)果反映的僅僅是干燥介質(zhì)和水蒸氣受熱膨脹對(duì)環(huán)境所做的最大膨脹功的部分，基于最原始的能質(zhì)定義，沒有體現(xiàn)干燥系最大有效能利用情況，偏離了使汽化，去除水分的干燥目標(biāo)；2）抽象的是單一勢(shì)場(chǎng)系統(tǒng)，而干燥是熱、濕、流動(dòng)相關(guān)聯(lián)的復(fù)合系統(tǒng)，不能揭示出糧食干燥?特征及其傳遞規(guī)律；3）采用的?流計(jì)算式籠統(tǒng)，存在熵源強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)的定量問題，取值存在不確定性；4）沒有揭示干燥系多場(chǎng)協(xié)同作用的耦合關(guān)系，缺少唯象系數(shù)的具體表達(dá)，不能保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。

糧食干燥系統(tǒng)是具有生命特征的籽粒和流動(dòng)的介質(zhì)構(gòu)成的熱力學(xué)體系，它是以去除糧食中多余的水分為統(tǒng)一目標(biāo)，在干燥體系溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、干燥介質(zhì)中水蒸氣和糧食中水分濃度場(chǎng)和生物化學(xué)場(chǎng)共同作用下使水分運(yùn)動(dòng)、汽化并由流動(dòng)的干燥介質(zhì)帶走，其特征有別于一般的工程過程，但該物系中的?轉(zhuǎn)換與傳遞的定量評(píng)價(jià)研究非常稀缺，應(yīng)用基礎(chǔ)研究還很不完善，為此，本文基于?分析法，解析糧食與干燥介質(zhì)間的?傳遞和轉(zhuǎn)換特征，給出熱?、流動(dòng)?，擴(kuò)散?及其?效率定量評(píng)價(jià)理論表達(dá)式，基于焓-含濕量狀態(tài)參數(shù)圖，分析干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系及相互制約關(guān)系，以為評(píng)價(jià)干燥系統(tǒng)能量利用水平提供科學(xué)的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明能量合理利用的技術(shù)途徑。

1 干燥?特征及其理論表達(dá)

?是能量中能夠轉(zhuǎn)化為最大做功能力的部分，從干燥物系耗能特征看，有水分汽化消耗熱能、水分?jǐn)U散克服外力做功和介質(zhì)流動(dòng)功損3種情況，經(jīng)歷水分汽化、遷移和被介質(zhì)帶走的過程。水分汽化過程的熱能傳遞取決于溫度場(chǎng)，溫差是其動(dòng)力勢(shì)；水分遷移和介質(zhì)流動(dòng)取決于壓力場(chǎng)，壓差是驅(qū)使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力勢(shì)，其中的介質(zhì)流動(dòng)消耗的是系統(tǒng)中的流動(dòng)能，而水分?jǐn)U散依賴物系中的水蒸氣分壓力差。物系中的各種動(dòng)力勢(shì)相互關(guān)聯(lián)，以去除水分為統(tǒng)一目標(biāo)，構(gòu)成了多場(chǎng)協(xié)同作用的復(fù)合 系統(tǒng)。

從溫度場(chǎng)源的性質(zhì)看存在糧食、介質(zhì)帶入系統(tǒng)的熱能和系統(tǒng)中的物化熱（糧食的生物化學(xué)反應(yīng)熱），其中在系統(tǒng)可逆地變化到環(huán)境平衡態(tài)時(shí)，消耗在水分汽化的那部分熱能，是干燥系統(tǒng)中的最大有用熱，定義為熱?，用符號(hào)E來(lái)表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比熱?用符號(hào)e來(lái)表示，單位為kJ/kg。擴(kuò)散和流動(dòng)分別是水蒸氣分壓力差和流動(dòng)壓力差做功的表現(xiàn)形式。在此，把系統(tǒng)可逆地?cái)U(kuò)散到環(huán)境態(tài)所做的擴(kuò)散功定義為擴(kuò)散?，用符號(hào)E來(lái)表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比熱?用符號(hào)￠來(lái)表示，單位為kJ/kg；把系統(tǒng)可逆地變化到環(huán)境平衡態(tài)時(shí)消耗的最大流動(dòng)能，定義為流動(dòng)?，用符號(hào)E來(lái)表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比流動(dòng)?用符號(hào)e來(lái)表示，單位為kJ/kg。

水分汽化的現(xiàn)象（包含集態(tài)變化和擴(kuò)散）可看作是一定數(shù)量的能量遷移，物系中水分狀態(tài)變化是做功的過程[26-27]，期間發(fā)生的任何形式的傳遞現(xiàn)象，都可歸結(jié)為能量和?的傳遞與轉(zhuǎn)換[1]，以?驅(qū)動(dòng)為共同尺度，就把干燥系統(tǒng)內(nèi)，復(fù)雜的熱、質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)換統(tǒng)一成單一的干燥?傳遞和轉(zhuǎn)換，通過?分析得到干燥系統(tǒng)的理論功，然后，分析實(shí)際過程中的?消耗，基于?效率，就能科學(xué)地評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量消耗的情況。

熱?是干燥系統(tǒng)的溫度場(chǎng)由高勢(shì)位可逆地變化到環(huán)境態(tài)，所能完成的水分汽化最大有用功。自然空氣進(jìn)入干燥系統(tǒng)，接納水分后，又被排到自然環(huán)境中，回歸初態(tài)，環(huán)境介質(zhì)中蘊(yùn)含的熱能，能夠最大限度地轉(zhuǎn)化給水分汽化所作的功，是客觀的最大有用功，在此定義為客觀熱?，用符號(hào)E來(lái)表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1kg水消耗的客觀比熱?用符號(hào)e來(lái)表示,單位為kJ/kg。隨著環(huán)境介質(zhì)源源不斷地流入干燥系統(tǒng)，水分接受其中的熱能汽化又源源不斷地對(duì)外界做功，其過程并不違背熱力學(xué)平衡態(tài)的假設(shè)，服從熱力學(xué)第二定律，這是干燥系不同于一般的工程熱力過程的特征之一。于此相應(yīng)地，為強(qiáng)化干燥過程，人為提供給干燥系統(tǒng)的能量中，能夠最大限度地轉(zhuǎn)化為水分汽化所作的功，在此定義為主觀熱?，用符號(hào)E來(lái)表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的主觀比熱?用符號(hào)e來(lái)表示，單位為kJ/kg。其次生物化學(xué)反應(yīng)熱，是糧食自身的屬性，可以由生物化學(xué)能變化特征定量表達(dá)[26]。

把式（2）和式（3）帶入式（1）得到干燥系統(tǒng)中的熱?效率表達(dá)式（4）。

由于糧食表面的水蒸汽分壓力p目前還無(wú)法通過物理手段測(cè)量，而干燥介質(zhì)中的飽和水蒸氣分壓力是其溫度的單值函數(shù)，其水蒸氣分壓力可由介質(zhì)的干球溫度、濕球溫度和飽和水蒸氣分壓力得到，這樣，基于糧食的平衡含水率表達(dá)式和可逆條件，就可以計(jì)算出從糧食中蒸發(fā)水分時(shí)的有效熱能消耗量。

飽和蒸氣壓力與飽和溫度一一對(duì)應(yīng)，是溫度的單值函數(shù)，只取決于水分蒸發(fā)時(shí)的溫度，p由式（5）計(jì)算，干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓力p由式（6）計(jì)算，而糧食表面的水蒸汽分壓力p由式（7）計(jì)算[26]

式中是干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度，%。

1.2 擴(kuò)散 特征及其理論表達(dá)

式中p是溫度為t時(shí)的飽和水蒸氣分壓力，Pa，0是環(huán)境介質(zhì)中的水蒸氣分壓力，Pa；

在干燥介質(zhì)中，水蒸氣分壓力很低且在正常情況下是處于過熱狀態(tài)，比較接近理想氣體，在此，把水蒸氣在干燥介質(zhì)中的擴(kuò)散作為理想氣體來(lái)處理。那么，基于理想氣體狀態(tài)方程=，就可得到擴(kuò)散1kg水蒸氣所消耗的擴(kuò)散?微分式（11），積分后得到式（12）。

式中e是擴(kuò)散1kg水蒸氣消耗的總擴(kuò)散?；是水蒸氣的氣體常數(shù)，其單位為kJ/(kg·K)或kN·m/(kg·K)。

積分式（11），得到水蒸氣在糧食內(nèi)部和介質(zhì)中擴(kuò)散所消耗的擴(kuò)散?表達(dá)式（13）和式（14）。

式中e是1 kg水蒸氣擴(kuò)散到糧食外表面時(shí)消耗的比擴(kuò)散?，kJ/kg；T是汽化點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，K;T是糧食表面的熱力學(xué)溫度K。

式（15）表征①擴(kuò)散?效率是狀態(tài)函數(shù)，取決于水蒸氣的溫度參數(shù)；②增大T，降低T可提高擴(kuò)散?效率；③自然介質(zhì)溫度越高，其擴(kuò)散?效率相對(duì)也越高；④減小T-0值是可使擴(kuò)散?效率增大。

擴(kuò)散?源于糧食中多余的水分，擴(kuò)散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)。在擴(kuò)散過程中，溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)同時(shí)存在，共同構(gòu)成了干燥場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散是兩種場(chǎng)同時(shí)作用的結(jié)果，不能僅僅局限于水蒸氣的分壓力差，由式（13）看出，在糧食的表面溫度高于內(nèi)部水分汽化溫度時(shí)，溫差勢(shì)導(dǎo)致的擴(kuò)散?及其效率為負(fù)值，表明溫度梯度與水分?jǐn)U散方向同向時(shí)，溫度場(chǎng)給水分?jǐn)U散運(yùn)動(dòng)施加的是反向力，弱化了干燥過程，導(dǎo)致干燥系內(nèi)部?損耗。式（13）和式（15）從理論上定量評(píng)價(jià)了溫度場(chǎng)對(duì)水分?jǐn)U散?的作用及其效果。通過擴(kuò)散?分析，為強(qiáng)化干燥工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能干燥提供技術(shù)基礎(chǔ)支撐，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1.3 介質(zhì)流動(dòng) 特征及其理論表達(dá)

干燥系統(tǒng)中的流動(dòng)?是干燥介質(zhì)發(fā)生宏觀位移消耗的最大有用功，只有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)才存在，是介質(zhì)進(jìn)、出干燥系統(tǒng)與外界交換的推動(dòng)功，它不是介質(zhì)本身具有的能量，是隨著介質(zhì)的流動(dòng)向下游介質(zhì)傳遞的能量，是介質(zhì)流動(dòng)過程中攜帶的能量。它是由外部的動(dòng)力設(shè)備，如風(fēng)機(jī)提供的，一般消耗的是電能，而電能的能質(zhì)系數(shù)等于1，所以，理論上介質(zhì)流動(dòng)?應(yīng)等于干燥系動(dòng)力設(shè)備消耗的電能。

干燥系汽化的水分要由流動(dòng)的介質(zhì)帶走并維持熱?和濕?傳遞所需的勢(shì)差，如果沒有流動(dòng)?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效進(jìn)行，所以，干燥是熱?、濕?和流動(dòng)?同時(shí)作用的結(jié)果，歸屬?gòu)?fù)合系統(tǒng)。介質(zhì)穿越干燥層時(shí)的流動(dòng)?消耗，主要體現(xiàn)在增加其的流動(dòng)動(dòng)能，克服流動(dòng)阻力等做功，部分轉(zhuǎn)化為熱?和濕?，但流動(dòng)?也是物系的特征量，在穩(wěn)定流動(dòng)（介質(zhì)的狀態(tài)是位置的單值函數(shù)，在確定位置上，介質(zhì)的狀態(tài)不隨時(shí)間發(fā)生變化）的條件下，可以由驅(qū)使流動(dòng)的壓差勢(shì)，其實(shí)際消耗可按照介質(zhì)進(jìn)、出干燥系統(tǒng)的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)定量評(píng)價(jià)，比流動(dòng)?的值等于干燥系的單位氣耗量m，值為（絕干介質(zhì)（kg）/水（kg）），在進(jìn)、出入干燥系時(shí)的焓差[29-31]。在此，把每蒸發(fā)1 kg水消耗的流動(dòng)?用符號(hào)e來(lái)表示，單位為kJ/kg水，可由式（16）計(jì)算。

同樣，絕干介質(zhì)的比流動(dòng)?e也可用狀態(tài)參數(shù)焓來(lái)表示，可由式（17）計(jì)算。

式中1、2分別是介質(zhì)進(jìn)、出干燥系統(tǒng)時(shí)的比焓，kJ/kg；0是環(huán)境介質(zhì)的焓，kJ/kg。m是單位氣耗量，（kg /kg），在干燥介質(zhì)中水蒸氣自發(fā)地向上浮升，當(dāng)介質(zhì)流向與其浮升方向不一致時(shí)，浮升力的作用使水蒸氣流出干燥系的速率降低，導(dǎo)致介質(zhì)的比焓減小，那么，在相同去水目標(biāo)的前提下，逆向運(yùn)動(dòng)必然要增大m，從而導(dǎo)致流動(dòng)?內(nèi)損耗增加?？梢姡?i>m反映了風(fēng)量糧食比匹配的合理性以及水蒸氣慣性流動(dòng)情況，是與工藝方式有關(guān)的系統(tǒng)特征常數(shù)，其值等于介質(zhì)進(jìn)、出干燥系統(tǒng)時(shí)的含濕量差的倒數(shù)。即可由式（18）計(jì)算。

由式（16）、式（17）得到介質(zhì)流動(dòng)?效率η表達(dá)式（19）。

式（19）表征了以下事實(shí)：①流動(dòng)?效率是狀態(tài)函數(shù)，取決于介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)；②增大1，降低2可提高流動(dòng)?效率（如可以通過逐漸增大流道面積、合理匹配層厚度，使排氣速度降低等技術(shù)措施）③自然介質(zhì)的焓值越高，其流動(dòng)?效率相對(duì)也越高；④減小1-0值或者使2盡可能靠近0是提高流動(dòng)?效率的有效途徑。

1.4 干燥系統(tǒng) 效率的理論表達(dá)式

溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)，且各自獨(dú)立地存在于干燥系統(tǒng)中?；谑剑?）、式（15）和式（19）得到干燥系統(tǒng)?效率理論表達(dá)式（20）。

干燥系統(tǒng)中不同形式的?，其傳遞和轉(zhuǎn)換的效率存在差異。式（17）表征出了熱?、擴(kuò)散?和流動(dòng)?耦合作用效果及其物系中風(fēng)量糧食比匹配的合理性。溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)而又獨(dú)立存在。

含濕糧食和干燥介質(zhì)兩種不同的物系相遇時(shí)，產(chǎn)生了客觀?傳遞和轉(zhuǎn)換?；?分析，不僅可以揭示不同形式干燥?的最大利用效率，同時(shí)也能夠清晰的呈現(xiàn)其協(xié)同作用的效果，基于系統(tǒng)和環(huán)境的狀態(tài)參數(shù)，以干燥速率為統(tǒng)一目標(biāo)，優(yōu)化干燥?，合理地匹配相應(yīng)形式的能量，是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能干燥，科學(xué)地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的效能的主要技術(shù)途徑，應(yīng)是未來(lái)干燥研究領(lǐng)域的重要任務(wù)之一。

1.5 干燥 傳遞耦合多勢(shì)場(chǎng)唯象解析

不同形式的?，在干燥系統(tǒng)中的傳遞和轉(zhuǎn)換效率存在差異，協(xié)同作用的效果取決于?合理的匹配，溫度勢(shì)場(chǎng)既可以強(qiáng)化水分?jǐn)U散，也可以弱化水分?jǐn)U散，這取決于系統(tǒng)中的溫度梯度和水分遷移的方向，流動(dòng)?既可以強(qiáng)化傳熱、擴(kuò)散過程，影響干燥動(dòng)力勢(shì)，但其效果取決于在特定工藝系統(tǒng)中耦合作用。

由于汽化是水由液態(tài)變化為氣態(tài)的過程，而液態(tài)水汽化過程的水蒸汽壓力值等于蒸發(fā)溫度下的飽和蒸汽壓，所以，可以認(rèn)為糧食中液態(tài)水發(fā)生集態(tài)變化時(shí)的蒸汽壓，就是其位置點(diǎn)的飽和蒸汽壓p，其值可逆地變化到環(huán)境態(tài)0時(shí)，所傳遞的擴(kuò)散?可用式（13）和式（14）來(lái)表達(dá)。

在η的表達(dá)式中，把包含了三類能夠定量評(píng)價(jià)的?消耗，一類是水分汽化消耗熱?，第二類是擴(kuò)散?，第三類是為保障熱?和擴(kuò)散?的有效傳遞，去除水分必須的流動(dòng)?消耗。這三類形式的?在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，相互聯(lián)系而又獨(dú)立存在，都可以由系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)得到定量表達(dá)。在糧食中存在多余的水分（干燥中糧食的含水率狀態(tài)變化到環(huán)境平衡態(tài)時(shí)，所能去除的水分）時(shí)，干燥物系才會(huì)有水蒸氣分壓力差，無(wú)多余水分則干燥系的擴(kuò)散?和熱?效率都為零，此時(shí)，流動(dòng)?維持傳遞勢(shì)場(chǎng)只有溫度場(chǎng)，干燥系變成了無(wú)謂的傳熱，流動(dòng)?消耗也就變成了無(wú)謂的消耗。糧食的干燥特征與不同形式的?之間存在必然的理論聯(lián)系，含濕糧食是在溫差、壓差勢(shì)場(chǎng)引發(fā)的?傳遞和轉(zhuǎn)換耦合作用下實(shí)現(xiàn)干燥，期間必然存在可使系統(tǒng)?消耗最小的平衡關(guān)系，通過系統(tǒng)的?分析，可清晰地呈現(xiàn)干燥系統(tǒng)最大?損部位或環(huán)節(jié)，能夠更深刻、更本質(zhì)的為工藝和設(shè)備的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 自然通風(fēng)干燥系統(tǒng) 效率圖解

干燥?及?效率都是態(tài)函數(shù)，其值取決于系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。糧食的狀態(tài)，介質(zhì)的狀態(tài)和工藝過程的優(yōu)劣綜合體現(xiàn)在狀態(tài)參數(shù)及其變化特征。針對(duì)特定工藝系統(tǒng)勢(shì)場(chǎng)的固有屬性，按照狀態(tài)函數(shù)?及其傳遞和轉(zhuǎn)換，解析出特定系統(tǒng)狀態(tài)變化特征是?分析法工程應(yīng)用關(guān)鍵之一，也是科學(xué)、公平、合理地評(píng)價(jià)工藝裝備系統(tǒng)能量利用效果必須的技術(shù)基礎(chǔ)。為此，下面以自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)為例，分析說明糧食干燥系統(tǒng)狀態(tài)參及其變化特征并圖解干燥?效率。

2.1 自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)物理模型

自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)是由有限的糧食和自然干燥介質(zhì)兩個(gè)獨(dú)立的物系構(gòu)成。干燥初態(tài)為0，t0的含濕糧食和0,0,0的環(huán)境介質(zhì)。進(jìn)入干燥系統(tǒng)后，自發(fā)地進(jìn)行熱、質(zhì)傳遞和轉(zhuǎn)換。在這一過程中糧食消耗自身的內(nèi)能，使其自由水分汽化，溫度由t0迎著介質(zhì)的濕球溫度t降為t，于此同時(shí)，汽化后的水分在糧食表面與干燥介質(zhì)中的水蒸汽分壓力差p-p的作用下，進(jìn)入干燥介質(zhì)，而介質(zhì)中的熱能在其與糧食表面溫度差-t的作用下傳向糧食。假設(shè)糧食干燥的目標(biāo)含水率為2并在t2溫度條件下離開干燥系統(tǒng)，干燥介質(zhì)在2,2,2離開干燥系統(tǒng)，排往環(huán)境，然后完全回歸到環(huán)境態(tài)，依此，得到的干燥系統(tǒng)物理模型如圖1所示。

注：j0、t0和h分別為自然空氣的相對(duì)濕度、溫度、焓；j2、t2和h2分別為排氣的相對(duì)濕度、溫度和焓；t和j分別是干燥過程的介質(zhì)溫度和相對(duì)濕度；M0和tg0分別是糧食的初始含水率和溫度；Me和M分別是糧食的平衡含水率和干燥過程中含水率；M2和tg2分別是排糧含水率和溫度；p是干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓力, tgb為下降后的溫度，pgv-pv為蒸汽分壓力差。

2.2 自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)圖解

自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系如圖2所示。自然介質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)0受風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變化到狀態(tài)點(diǎn)1進(jìn)入干燥系統(tǒng)，此后，在接納水分的同時(shí)，向糧食傳遞熱量，在干燥過程中，水分汽化消耗糧食的內(nèi)能，其值取決于介質(zhì)傳遞給糧食的顯熱、糧食帶入系統(tǒng)的熱能及其生化反應(yīng)熱3個(gè)方面。對(duì)于充分濕的糧食，其狀態(tài)變化沿3→6→5→0的過程線。從初態(tài)點(diǎn)3，先迎著介質(zhì)的濕球溫度降溫、去濕到達(dá)6狀態(tài)點(diǎn)后，經(jīng)歷升溫、去濕過程到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)5流出干燥系統(tǒng)，然后，在環(huán)境中，完全回歸到與環(huán)境介質(zhì)所對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)0點(diǎn)，即糧食的含水率經(jīng)歷由0→2→e的狀態(tài)變化過程，于此相應(yīng)地，干燥介質(zhì)的焓在增濕過程中逐漸增大，離開干燥系后回歸到初態(tài)，經(jīng)歷從0→1→2→0點(diǎn)的狀態(tài)變化過程。

注：h、t、d、φ分別為空氣的焓、溫度、濕含量、相對(duì)濕度，下標(biāo)0、表示環(huán)境態(tài)；tg、M是糧食溫度、平衡含水率；tw是空氣的濕球溫度；he0是自然空氣在tw狀態(tài)的等焓線；0￠是介質(zhì)的零?效率狀態(tài)點(diǎn)；d4介質(zhì)最大等濕含量線；tg2是排糧溫度；t4最低排氣溫度；1、1￠和2、2￠點(diǎn)是進(jìn)、出干燥系統(tǒng)的介質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)；3、3￠點(diǎn)是糧食初態(tài)點(diǎn)；4、4￠點(diǎn)是最大排濕狀態(tài)點(diǎn)；5、5￠點(diǎn)是干糧狀態(tài)點(diǎn)；6、6￠點(diǎn)是最低糧溫和介質(zhì)最大濕含量狀態(tài)點(diǎn),下標(biāo)含義同上。

在圖2所示的干燥系狀態(tài)變化過程中，每蒸發(fā)1公斤水分，必須的有用能為2-￠2；干燥系統(tǒng)中的總?為2-h0。其中，自然介質(zhì)經(jīng)過風(fēng)機(jī)獲得的干燥?等于1-0；蒸發(fā)水分；糧食釋放的顯熱（含生化反應(yīng)熱）和蒸發(fā)出的水分的顯熱之和等于進(jìn)入干燥系統(tǒng)的介質(zhì)的焓增量，即2-0。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)干燥，系統(tǒng)的狀態(tài)僅僅是位置的函數(shù)，其狀態(tài)不隨時(shí)間發(fā)生變化，此種情況下，式（20）中的物系狀態(tài)參數(shù)全是確定的常數(shù)，于是，基于圖2解析焓?，就可把糧食在穩(wěn)定流動(dòng)干燥系(狀態(tài)確定的干燥系或?qū)?yīng)確定狀態(tài)下)的?效率表示為式（21）。

式中h0是對(duì)應(yīng)自然介質(zhì)濕含量、最低糧溫狀態(tài)下的干燥介質(zhì)的比焓，kJ/kg，2排氣的比焓，kJ/kg；￠2是對(duì)應(yīng)自然介質(zhì)濕含量和排氣溫度的干燥介質(zhì)的比焓，kJ/kg。

3 干燥系統(tǒng)狀態(tài)變化特征分析與討論

3.1 干燥系統(tǒng)狀態(tài)變化特征

在通風(fēng)干燥系，含濕糧食之所以能夠干燥，是因?yàn)楹瑵窦Z食的狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)的干燥介質(zhì)的狀態(tài)不在同一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，2種物系之間存在的不平衡勢(shì)導(dǎo)致干燥?傳遞和轉(zhuǎn)換，基于?分析和圖2，可以干燥把歸結(jié)為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)的?傳遞和轉(zhuǎn)換過程。由于干燥一般以空氣為介質(zhì)，而自然環(huán)境介質(zhì)是無(wú)窮大的物質(zhì)源和能量源，無(wú)論系統(tǒng)與環(huán)境之間有無(wú)能量或質(zhì)量交換，環(huán)境的強(qiáng)度量(溫度、壓力及組分)始終維持不變，所以，把有限的含濕糧食，長(zhǎng)期放置在無(wú)窮大的自然環(huán)境中，其狀態(tài)必然自發(fā)地趨向于與環(huán)境介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)，其含水率會(huì)自發(fā)地由0變化到e。從圖2看出，含濕糧食和自然介質(zhì)從外界進(jìn)、出干燥系統(tǒng)后、排到環(huán)境介質(zhì)中，最終完全回歸到與環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)，其中存在的熱?、擴(kuò)散?、流動(dòng)?及其?效率都是狀態(tài)函數(shù)，都可以由系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化得到理論表達(dá)。

干燥是糧食的自發(fā)行為，由介質(zhì)進(jìn)入干燥系統(tǒng)經(jīng)歷可逆過程時(shí)的各理論表達(dá)式可以看出，溫度越低，干燥介質(zhì)和糧食間的溫度差越小，糧食的平衡含水率和干燥介質(zhì)含濕量之間的差值越小，壓差越小，干燥系統(tǒng)的?損耗越少，?效率越高，也就是說，推動(dòng)干燥過程所需的各種勢(shì)差越小，對(duì)干燥?消耗越少。但由于新收獲的任何一種高濕糧食，都對(duì)應(yīng)有較嚴(yán)格的安全干燥條件和期限，超過該期限將導(dǎo)致品質(zhì)劣變，霉變，造成質(zhì)量和數(shù)量損失，需要人為地依照干燥要求，通過調(diào)控介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)來(lái)加快或延緩干燥過程?；诒疚慕o出的干燥?理論表達(dá)式，可以清晰地預(yù)測(cè)水分傳遞的方向、深度以及衡量由于過程不可逆所引起的能量貶值程度，分析出系統(tǒng)中，客觀?和主觀?的作用效果并以主觀?消耗最小、?效率最大優(yōu)化干燥工藝系統(tǒng)。

3.2 干燥 優(yōu)化分析

在干燥過程中，糧食中的水分經(jīng)歷由內(nèi)部擴(kuò)散到表面，進(jìn)入干燥介質(zhì)而被帶往機(jī)外，而單位質(zhì)量的介質(zhì)所能接納的最大水分量等于介質(zhì)進(jìn)出干燥系統(tǒng)時(shí)的含濕量差。排氣溫度越低，出口處糧食對(duì)應(yīng)的干燥介質(zhì)的平衡含濕量越低，單位氣耗量越大，相應(yīng)地介質(zhì)流動(dòng)?消耗也就越大。也就是說，如果外界提供熱?越少，溫度越低，要達(dá)到一定的干燥速度，所需的干燥介質(zhì)的流量就越大，壓差越大，外界提供的壓?就必須增大。如果外界提供的壓?越小，壓差就越小，干燥介質(zhì)的流量就越小，要達(dá)到一定的干燥速度，必須的干燥介質(zhì)溫度就越高，所需外界提供的熱?就越大。因此，在保障一定干燥速度的前提下，要使外界提供的總?達(dá)到最小，熱?和壓?必然存在一個(gè)平衡值，使他們之和達(dá)到最小。由此可見，針對(duì)特定的干燥工藝系統(tǒng)，干燥?優(yōu)化的實(shí)質(zhì)，就是在保障糧食所需干燥速率的前提下，如何控制干燥介質(zhì)的進(jìn)風(fēng)溫度和壓力，使干燥過程的總?效率最大。

3.3 討 論

糧食干燥系統(tǒng)在不同狀態(tài)點(diǎn)的?效率不同，在自然通風(fēng)干燥系，糧食與干燥介質(zhì)等溫相遇的初始點(diǎn)的熱?效率為零，僅存在擴(kuò)散?和流動(dòng)?，此點(diǎn)的?效率可表示為式（22）。

隨著糧食去水、降溫過程的進(jìn)行，排氣溫度在逐漸降低，而干燥?效率逐漸增大，當(dāng)充分濕的糧食表面（全部被水膜覆蓋）溫度降至接近介質(zhì)的濕球溫度（糧食的最低溫度）時(shí)，干燥?效率到達(dá)最大值。此后，糧食溫度和排氣溫度開始回升，干燥?效率相應(yīng)地減小。在圖2中，自然通風(fēng)干燥系統(tǒng)的最大干燥?效率發(fā)生在狀態(tài)點(diǎn)6，其可由式（23）來(lái)計(jì)算。

通風(fēng)干燥系統(tǒng)的能量消耗，可以用焓—含濕量狀態(tài)參數(shù)圖表達(dá)，但焓是導(dǎo)出量，雖然圖2能夠清晰地解析出干燥系狀態(tài)參數(shù)及其?效率變化特征，在工程應(yīng)用中，評(píng)價(jià)特定干燥系統(tǒng)的能效，還需要依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定的干燥工藝條件下的實(shí)際狀態(tài)參數(shù)值，基于式（20）來(lái)定量評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)干燥系統(tǒng)能效，優(yōu)化干燥工藝及其操作參數(shù)，需要引入時(shí)間坐標(biāo)，分析?流密度的變化特征。

在干燥過程中介質(zhì)的濕球溫度是確定的常數(shù)，其值取決于干燥系入口介質(zhì)的狀態(tài)。干燥系統(tǒng)中的水分?jǐn)U散和介質(zhì)流動(dòng)屬于質(zhì)量遷移和宏觀運(yùn)動(dòng)范疇，所消耗的能量全部為?，是實(shí)現(xiàn)干燥不可或缺的?，其值都可系統(tǒng)中的狀態(tài)參數(shù)來(lái)表達(dá)。

糧食內(nèi)部的溫度梯度影響?效率，在溫度梯度與水分遷出的方向相反時(shí)，強(qiáng)化?效率，一致時(shí)則弱化?效率。

4 結(jié) 論

1）干燥是熱?、擴(kuò)散?和流動(dòng)?同時(shí)作用的結(jié)果，熱?是水分汽化必須的有用能；擴(kuò)散?源于糧食中多余的水分，擴(kuò)散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)，在擴(kuò)散過程中，溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)同時(shí)存在，溫度梯度與水蒸氣分壓力差方向相反時(shí)，強(qiáng)化?效率，一致時(shí)則弱化?效率；流動(dòng)?維持了熱?和擴(kuò)散?傳遞所需的勢(shì)差，沒有流動(dòng)?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效地進(jìn)行。

2）在通風(fēng)干燥系統(tǒng)中，含濕糧食和干燥介質(zhì)是兩種不同物系，兩種物系之間存在的不平衡勢(shì)是干燥?傳遞和轉(zhuǎn)換的動(dòng)力。

3）干燥可以歸結(jié)為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質(zhì)狀態(tài)點(diǎn)的?傳遞和轉(zhuǎn)換的過程，干燥?評(píng)價(jià)理論模型，能夠清晰地呈現(xiàn)熱?、擴(kuò)散?、流動(dòng)?和多勢(shì)場(chǎng)協(xié)同作用及其依存關(guān)系。

4）通過系統(tǒng)的?理論表達(dá)及其?效率分析，可以清晰地預(yù)測(cè)水分傳遞的方向、深度以及系統(tǒng)內(nèi)部?損情況，評(píng)價(jià)出系統(tǒng)中客觀?和主觀?的作用效果，為評(píng)價(jià)干燥系統(tǒng)能量利用水平提供科學(xué)的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明能量合理利用的技術(shù)途徑。

5）?及?效率都是狀態(tài)函數(shù)，在工程應(yīng)用中，評(píng)價(jià)特定干燥系統(tǒng)的能效時(shí)，需要引入時(shí)間坐標(biāo)，依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定系統(tǒng)中的狀態(tài)變化特性，揭示出?流密度及其?效率變化特征，進(jìn)而就可對(duì)其能量利用效果做出科學(xué)、公平、合理的評(píng)價(jià)。

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Theoretical analysis of exergy transfer and conversion in grain drying process

Li Changyou

(510642,)

The exergy is defined as the maximum useful work possibly during a thermal dynamic process that brings the system into equilibrium. Analysis of exergy utilization provides a fair and effective method for evaluating the energy efficiency. Since drying is a comprehensive process involving complicated interaction among different materials, exergy analysis is especially helpful in rating the efficiency of different drying strategies. However, the mechanism behind the exergy transfer and conversion during drying has not yet been fully investigated and understood. At present, the lack of theoretical analysis is hindering the implementation and progress of the sophisticated applications. The theoretical difficulties include the quantitative understanding and expression of the coupling effects in different exergies. In this article, we analyzed the exergy transfer and conversion between grain and drying medium. In a drying process, the ultimate goal is to reduce the moisture content in the grain until it is in the dryness that is the same as the environment where the grain is stored. Therefore, we define exergy as zero when the system is in equilibrium with the ambientenvironment. Based on the comprehensive coupling of the potential energy difference, temperature gradient and pressure gradient, the theoretical models of thermal exergy, flow exergy, diffusion exergy and exergy efficiency are given. We also studied the relationships and restrictions of different exergies based on the enthalpy-moisture diagram. Our results revealed that drying is the result of the simultaneous action of thermal exergy, diffusion exergy and flow exergy. The conversion and transfer of thermal exergy can be directly characterized by water vaporization, which is driven by the temperature gradient in the system. Most of the thermal exergy is directly converted to the latent heat of evaporation. Regardless of the number and type of the heat sources, thermal exergy transfer is always directly related to the temperature gradient of the drying system. Diffusion exergy originates from the excess water in grain. The vapor pressure difference between the wet grain and the drying medium will naturally drive the water transfer, making the wet grain to dry medium. The temperature gradient and pressure gradient both have important effects on the diffusion process. When the temperature gradient is opposite to the vapor pressure gradient, the exergy efficiency is enhanced; otherwise, the exergy efficiency is weakened. The flow exergy maintains the potential difference necessary for the transfer of heat exergy and diffusion exergy. Without flow exergy, the transfer of heat and wet exergy cannot be effectively carried out. In a ventilation and drying system, the exergy difference between the wet grain and drying medium is the driving force behind the drying process. Drying can be summarized as the process of exergy transfer and conversion, converting physical conditions of wet grain into to conditions of the drying medium. Different from isolated systems, the thermal equilibrium of a drying process is determined by the ambient environment which is always static regardless of the size of energy and mass transfer. The drying process still follows the second law of thermodynamics. However, the entropy increase of the ambient environment is negligible. The thermal exergy, diffusion exergy and flow exergy can all be expressed in state functions. We provided time-dependent state functions of exergy and exergy efficiency to reveal the change of exergy flow density and efficiency according to the environmental conditions and the conditions of the grain. These theoretical models can be applied to make fair and reasonable evaluation on the energy utilization in practical applications. Based on the theoretical analyses of exergy and its efficiency, the largest exergy loss process can be predicted and prevented. These models provide a scientific basis for evaluating the energy utilization in a drying system, and can be used to optimize the drying process.

grain; drying; efficiency; exergy; exergy transfer; energy efficiency evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.001

TS210.1

A

1002-6819(2018)-19-0001-08

2018-07-29

2018-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（31671783，31371871）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B020207001）

李長(zhǎng)友，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究。Email：lichyx@scau.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：李長(zhǎng)友（B041100045S）

Li Changyou. Theoretical analysis of exergy transfer and conversion in grain drying process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.001 http://www.tcsae.org