負壓循環(huán)式干燥機干燥段風場分布特性

高瑞麗 車剛 萬霖 李海龍 王洪超

摘要：為研究負壓循環(huán)式干燥機內(nèi)部的風場分布情況，改善氣流分布均勻性，在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔。通過測量各檢測點的風速值，分析當采用不同結構的角狀管時，干燥段內(nèi)部的風場分布情況及隨測試深度變化的規(guī)律。結果表明，采用變徑變開孔率的角狀管，干燥段內(nèi)的風速明顯增加0.1～0.3 m/s，機體內(nèi)部的風場趨于平穩(wěn)。隨著測試深度的增加，風速變化較小，而不同測量位置處的風速變化差異性也較小。同時，風速變異系數(shù)明顯降低10.43%～24.41%，布風效果良好。吧本研究為提高負壓干燥機的風場均勻性提供參考，為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：負壓干燥;風場均勻性;角狀管;變徑;變開孔率;風速變異系數(shù)

中圖分類號： S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0257-03

負壓干燥技術最初應用于化工、食品等領域，2001年徐貴力等提出了遠紅外常壓、負壓聯(lián)合干燥香菇的方法，提高了干燥速度，而且達到了節(jié)能減排的效果[1]。同年，陳景良等提出兩級正負壓干燥玉米麩質(zhì)粉，干燥后的效果較好，熱效率高[2]。直到2002年，劉雄心等研究了新型糧食干燥機，將負壓干燥技術應用于糧食干燥[3]。隨著農(nóng)業(yè)機械化進程的不斷推進，我國各類干燥機的總和，平均每年以50%左右的增幅快速上升[4]。其中，負壓式谷物干燥機是發(fā)展較快的一種機型，與正壓干燥機相比，在一定程度上降低了熱能消耗，有較高的推廣應用價值，對我國谷物干燥行業(yè)的發(fā)展意義重大。

在實際生產(chǎn)中，由于干燥過程中風速分布不均勻，導致生產(chǎn)的谷物干燥不均勻、烘后谷物品質(zhì)差等問題，降低了干燥效率[5]。為解決這些問題，國外一些國家如丹麥、瑞典等，大多采用變徑角狀管，使得氣流壓力沿角狀管徑向保持穩(wěn)定;但相關研究表明，變徑角狀管對提高氣流分布均勻性的作用不明顯[6]。

因此，本研究在變徑角狀管結構的基礎上，在角狀管兩側側板上開設變開孔率的布風孔，從而增強風速分布的均勻性，達到均勻布風、穩(wěn)定干燥的目的。通過依次采用變徑角狀管和變徑變開孔率角狀管，在空載狀態(tài)下對干燥機內(nèi)風場均勻性進行了試驗研究，以期得到合理的結構布局，為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 負壓干燥機的結構及工作原理

該負壓循環(huán)式干燥機的主體部分主要由貯糧段、加熱段、緩蘇段和排糧段等構成，由于該干燥系統(tǒng)采用的是低溫循環(huán)干燥，故無冷卻段，其基本結構如圖1所示。

該干燥機采用負壓供熱，選用2臺負壓風機并聯(lián)放置，負壓風機和熱風管分別在干燥段的兩側。熱風經(jīng)熱風管在負壓風機的作用下，向干燥系統(tǒng)供熱。干燥時，濕糧由斗式提升機向上提升，采用離心式卸料進入干燥機的塔頂中，直到裝滿整個干燥機，由貯糧段暫時緩存。然后，谷物依靠自重緩慢下落，進入干燥段。谷物經(jīng)干燥后進入緩蘇段，停止受熱，這時由于谷物剛離開干燥段，還保持著一定的溫度，而籽粒的表面和內(nèi)部存在溫差和濕差，促使內(nèi)部水分向外擴散，逐漸趨于平衡。谷物進入排糧段后，在分糧板和排糧棍的共同作用下落入螺旋絞龍中，然后在螺旋葉片的輸送作用下由排料口進入斗式提升機。如此不斷循環(huán)，直到谷物水分含水達到安全水分含水。

2 配風系統(tǒng)的設計

負壓配風系統(tǒng)與正壓送風相比，解決了在干燥過程中易產(chǎn)生的噴塵問題，保證了安全生產(chǎn)[7]。該系統(tǒng)選用2臺負壓風機并聯(lián)放置，采用吸入式原理，即當風機葉片離心轉(zhuǎn)動時，內(nèi)部壓強小于外界壓強，從而將熱介質(zhì)引入角狀管，完成干燥過程。風機的選型由風量及風壓確定，主要計算過程[8]如下。

2.1 風量計算

Q=V·Whd2-d1。

式中：V表示比容，取為0.895 m3/kg;Wh表示干燥機每小時去水量，該干燥機為14.55 kg/h;d1、d2分別表示常溫介質(zhì)與廢氣介質(zhì)的濕含量，kg/kg;

2.2 風壓計算

風機的風壓包括動壓力和靜壓力，動壓力是根據(jù)風道的風速來計算的，靜壓力是由管道各部阻力及谷層阻力等所組成的。

hd=9.8γ·v22 g。

式中：hd表示動壓力，Pa;v表示風機出口風速，取6 m/s;g表示重力加速度，為9.8 m/s2;γ表示熱介質(zhì)容重，kg/m3。

hj=hg+he+∑hs。

式中：hj表示靜壓，Pa;hg表示谷層阻力，與谷層厚度和谷層斷面的表現(xiàn)風速有關;he表示沿程壓力損失，與沿程阻力系數(shù)和風機直徑有關;∑hs表示各局部壓力損失之和，與局部阻力系數(shù)有關，風機入口的阻力系數(shù)取為0.5，出口為1，彎頭部分為0.3。

綜上所述，風機的風壓為

h=hd+hj。

2.3 風機選型

經(jīng)計算，干燥機所需熱風量為1 302 m3/h，風壓為 188.77 Pa，則選用2臺小型中壓型風機并聯(lián)作業(yè)，其型號為Y5-47，風量為660 m3/h，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。配套電動機型號為Y801-4，功率為0.55 kW。

3 試驗設備及方法

3.1 設備與儀器

本試驗采用自行研制的5HSN-01型負壓循環(huán)干燥機，降水幅度為3%～4.5%，熱風溫度為38～45 ℃。該機的裝機容量為1.0 m3（水稻），主機外形尺寸（長×寬×高）為 1 000 mm×800 mm×2 600 mm，配套電機功率為0.75 kW，提升機高度為3 m。

試驗時采用管道式風速傳感器測定各測量點的風速，量程為0～30 m/s，分辨率為0.05 m/s，測定精度為±0.01 m/s，并采用可編輯邏輯控制器（PLC）自控柜觸摸屏控制，可實時記錄采集數(shù)據(jù)。

3.2 試驗方案

采用混流干燥，室內(nèi)平均溫度為27.5 ℃，經(jīng)測定，進風口風速為3.17～3.26 m/s，出風口風速為17～17.70 m/s。

為研究干燥機內(nèi)風速分布情況，在干燥段外壁開設螺紋檢測孔，孔道密封嚴密，熱損失接近0。沿垂直進風方向開設4對測量點，具體分布情況如圖2所示，測量點1～4測量角狀管下方風場，測量點5～8則測量角狀管上方風場。傳感器測試深度取0、10、20、30 cm，主要研究當采用不同結構的角狀管時干燥段內(nèi)部的風場分布情況及變化規(guī)律。在測量之前，打開控制開關使干燥機運行10～15 min，待干燥機運行穩(wěn)定、機內(nèi)風速達到穩(wěn)定狀態(tài)后進行測量[9-10]。

為了準確描述風速分布均勻性，采用測量點的風速變異系數(shù)來反映，具體計算公式如下[11-12]。

Vh=1n∑ni=1Vi。

式中：Vh表示高度為h（cm）的平面上氣流的平均流速，m/s;n表示測量點數(shù)量，個;Vi表示第i個測量點的氣流速度，m/s。

Jh=∑ni=1（Vi-Vh）2nVh。

式中：Jh表示高度為h（cm）的平面上的風速變異系數(shù)。

4 試驗結果與分析

將試驗測量結果取平均值，并利用Matlab軟件進行插值處理[13-14]，繪制出測試深度、垂直進風方向位置和風速之間的三維圖形，以便于直觀地分析干燥機內(nèi)風場分布情況。

4.1 均勻性分析

各測量點的風速均取平均值，經(jīng)計算，可得到2種角狀管的測試結果（表1）。

由表1可得，在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔后，角狀管上方風場的變異系數(shù)由53.34%降低至 28.93%，下降了24.41百分點;角狀管下方風場的變異系數(shù)由 49.08% 下降到38.65%，減少了10.43百分點。采用變徑變開孔率角狀管后，干燥段內(nèi)的風速也明顯提高，并且分布均勻性良好，上、下方風場的差異較小。

4.2 變徑角狀管

當測試深度為0時，即此時測量干燥機內(nèi)壁處的風速，如圖3、圖4可知，不同測量位置處的風場也有所不同，具體表現(xiàn)為風速隨著垂直進風方向位置的增加先減小后增大，即在干燥段中心區(qū)域風速達到最小，變徑角狀管上方和下方最小風速均達到0.5 m/s;越靠近風道入口處風速越大，上方最大風速為1.44 m/s，下方最大風速為1.34 m/s。而隨著測試深度的增加，風速也逐漸升高，但干燥段中心區(qū)域風速依然較小，越靠近兩側內(nèi)壁風速越高。這是由于在負壓風機的作用下，熱介質(zhì)在風道內(nèi)傾向于沿角狀管徑向運動，氣流壓力不穩(wěn)定，促使風量主要集中在遠離風機的一側，風場分布不均勻。另外，干燥段中心區(qū)域風速低、邊緣風速高是由于干燥段內(nèi)壁處的谷物空隙率大于中心區(qū)域，阻力較小，氣流流速較大[15]。

4.3 變徑變開孔率角狀管

由圖5可知，角狀管上方除進風口處風速較大，其他部分風速基本實現(xiàn)均勻分布，內(nèi)壁處的風速與中心區(qū)域相比差別較小，氣流逐漸平緩。隨著測試深度的增加，風速變化不大，與變徑角狀管相比改善了氣流分布的不均勻性。

從圖6可以看出，角狀管下方風場相對于變徑角狀管，其風速明顯增加0.1～0.3 m/s，風速不均勻性下降。不同測量位置處的風場變化近似相同，差異性較小。

5 結論

本研究對干燥機的配風系統(tǒng)進行設計、計算，選用2臺負壓風機并聯(lián)供熱，在保證供風量的條件下消耗的功率較少，具有一定的推廣應用價值。

變徑角狀管對提高風場均勻分布的效果不明顯，本研究在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔。通過試驗對比分析可以看出，采用變徑變開孔率角狀管后，干燥段內(nèi)的風速明顯增加0.1～0.3 m/s，機壁和四角區(qū)域的風速與中心區(qū)域相比差別較小，氣流逐漸平緩。隨著測試深度的增加，風速變化較小，而不同測量位置處的風速變化差異性也較小，干燥段內(nèi)的風場均勻性得到了良好的改善，達到了均勻布風的目的。此外，風速變異系數(shù)顯著降低10.43%～24.41%，布風效果良好。

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收稿日期：2018-09-20

基金項目：黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃重大項目（編號：GA15B402）;黑龍江省高水平大學和優(yōu)勢特色學科建設項目。

作者簡介：高瑞麗（1994—），女，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事智能干燥裝備研究。E-mail：2718575670@qq.com。

通信作者：車 剛，博士，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)工程領域，典型農(nóng)產(chǎn)品加工技術與智能干燥裝備研究。E-mail：chegang180@126.com。