5HP-25型糧食干燥機設(shè)計與試驗

駱恒光，李長友，張永博

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

5HP-25型糧食干燥機設(shè)計與試驗

駱恒光，李長友※，張永博

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642）

為了提高干燥系統(tǒng)的能量利用效率，增強干燥機的通用性、可靠性、作業(yè)效率和年利用率，該研究圍繞增大干燥動力系數(shù)和工藝能力指數(shù)，基于糧食的物性特征，從干燥工藝方式、機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系入手，把幾何因子和運動參數(shù)有機結(jié)合，揭示了糧食在干燥機內(nèi)流動特性；按照引風(fēng)降壓，連續(xù)閃蒸降溫，強化傳熱傳質(zhì)，自適應(yīng)排糧的設(shè)計思想，研制了一款糧食通用的干燥機，實現(xiàn)了糧食在干燥機內(nèi)連續(xù)流動過程中，自發(fā)地改變流態(tài)、連續(xù)回轉(zhuǎn)換位，強化了傳熱傳質(zhì)，改善了干燥的均勻性。設(shè)計的升角為6°的變截面角狀盒，與傳統(tǒng)的橫流方法相比，可使干燥動力系數(shù)增大2～4倍，干燥稻谷時的爆腰增率可控制在1%以內(nèi)，發(fā)芽勢提高76%以上，發(fā)芽率達到95%；設(shè)計往復(fù)式差速排糧機構(gòu)，實現(xiàn)了自適應(yīng)無損排糧，有效解決了糧食架橋、堵塞問題，避免了糧種的機械損傷。設(shè)計的5HP-25型糧食干燥機，實際應(yīng)用效果顯示，在糧食平均干燥強度為1.37～2.70 %/h的條件下，干燥水分單位熱耗為2 900～4 300kJ/kg，與國標(biāo)7 400 kJ/kg相比，降低了單位熱耗量。研究結(jié)果為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能干燥工藝及裝備設(shè)計提供了參考。

干燥；機械設(shè)計；動力系數(shù)；干燥工藝；設(shè)計理論

0 引 言

干燥是典型的動態(tài)不可逆過程，影響其效果的原因，不僅有外部約束條件、工藝結(jié)構(gòu)、運動特征，還有物料自身的固有屬性與過程的熱力學(xué)機制及其相互作用的動態(tài)不可逆特征等諸多因素。外部條件主要是介質(zhì)的溫度、相對濕度、壓力、比容、物料初期含水率等宏觀狀態(tài)參數(shù)；內(nèi)部因素則集中反映在物料水分結(jié)合能、過程的物理機制、質(zhì)構(gòu)與品質(zhì)形成機理及其變化規(guī)律。為探究干燥系的設(shè)計理論與方法，研究人員圍繞干燥理論、干燥工藝、干燥技術(shù)進行大量的工作?；诟道锶~熱傳導(dǎo)方程和菲克擴散微分方程，把水分遷移假設(shè)成連續(xù)介質(zhì)流動[1]，基于時間和空間的連續(xù)函數(shù)[2-4]，采用歐拉方法[5]、拉格朗日方法[6]、體積平均方法[7]等，探索表征物系性質(zhì)和運動特征的理論，基于試驗數(shù)據(jù)，給出針對各種特定的物系的眾多計算模型，但都存在計算偏差和實際應(yīng)用困難的問題。導(dǎo)致干燥設(shè)計一直是依賴特定條件下，大量的試驗數(shù)據(jù)，憑借經(jīng)驗設(shè)計，形成了靜置層[8]，流動層[9-12]，循環(huán)式緩蘇以及紅外熱輻射[12-14]，聲波輔助[15]，接觸吸附等多種組合干燥工藝及裝備系統(tǒng)[16-17]，但現(xiàn)有設(shè)計都是基于影響干燥的單一因素或者是影響干燥現(xiàn)象的某一方面的因素設(shè)計的，且在設(shè)計時還存在諸如有效蒸發(fā)面積系數(shù)、干燥臨界點、水分擴散系數(shù)、積分熵、積分焓動態(tài)變化等諸多難以定量的問題，導(dǎo)致設(shè)計計算結(jié)果偏離實際的情況[18-20]，同一工藝方式下不同形式的干燥機的作業(yè)效能存在很大差異，實際的能量利用效率極低[21-25]，干燥機的通用性、可靠性、作業(yè)效率和年利用率難以得到保障。通過離散元仿真揭示的干燥機內(nèi)糧食的流動特征[26-27]，也缺少流動參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、干燥物性參數(shù)內(nèi)在聯(lián)系的深入分析。

為了從本質(zhì)上解決干燥設(shè)計時的基礎(chǔ)理論問題，研究人員試圖獲得深床干燥過程的分析解，van Meel基于自由液面蒸發(fā)，給出了沿一段均勻降速干燥過程的半經(jīng)驗、半理論分析解[23]；本橋圀司等基于van Meel的方法，解析了稻谷的二段降速干燥過程[28-30]。由于他們在建立基礎(chǔ)方程時，基于的是連續(xù)流，且介質(zhì)必須是對應(yīng)濕球溫度的飽和濕含量，而質(zhì)量守恒定律要求擴散流的積累和流失（隨時間的變化率）必須保持一致，同時在干燥中，還必須與糧食蒸發(fā)份數(shù)保持平衡，顯然基于理想的相際傳質(zhì)建立干燥質(zhì)平衡方程與實際情況存在明顯差異，在不能精確掌握模型中的諸多特征參數(shù)如比表面積、有效蒸發(fā)面積系數(shù)、干燥過程中的傳質(zhì)系數(shù)以及與系統(tǒng)熱損失關(guān)聯(lián)等眾多參數(shù)的情況下，難以得到較為切合實際的計算結(jié)果。致使提出的解析方法至今也未能實際應(yīng)用。

由于自然界一切過程的性質(zhì)均體現(xiàn)在其能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，而能量的傳遞和轉(zhuǎn)換是以物系的狀態(tài)變化為標(biāo)志，狀態(tài)變化又以外部的約束為條件。所以，干燥過程就是物系中各種勢差為載體，發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)化的狀態(tài)變化過程，而質(zhì)量遷移的自發(fā)過程，消耗的是物系的自由能，沒有自由能的消耗，則意味沒有汽化，所以，以水分活度為統(tǒng)一特征，以自由能消耗為統(tǒng)一尺度，李長友找到了解決干燥設(shè)計基礎(chǔ)理論問題的突破口，揭示出了物料水分結(jié)合能及其動態(tài)過程的理論表達[31-32]，給出了干燥系狀態(tài)參數(shù)圖[33]，獲得了干燥物系動態(tài)過程的分析解[34-35]，基于?效率客觀地對干燥機的能效做出了定量評價[36-37]?；谝延谐晒?，本研究圍繞增大干燥動力系數(shù)和工藝能力指數(shù)，從糧食干燥機結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝原理、幾何參數(shù)和運動參數(shù)的關(guān)系入手，把幾何因子和運動參數(shù)有機結(jié)合，揭示了糧食在干燥機內(nèi)流動特性；按照引風(fēng)降壓，局部閃蒸降溫，強化傳熱傳質(zhì)，自適應(yīng)排糧的思想，設(shè)計了5HP-25型糧食干燥機，完成了樣機的生產(chǎn)試驗，從理論和實踐兩個方面評估了技術(shù)的可行性。

1 干燥機設(shè)計

強化干燥，可以通過增強過程的驅(qū)動力和增加動力學(xué)系數(shù)的方法來實現(xiàn)。由于糧食對其干燥溫度要求比較嚴(yán)格，在提高溫度，增大干燥動力受到限制的情況下，依賴工藝方式和裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計來增大動力學(xué)系數(shù)，則是實現(xiàn)糧食優(yōu)質(zhì)、高效節(jié)能干燥的主要技術(shù)途徑。就干燥機設(shè)計而言并不一定要預(yù)先知道反映物料失水、相際蒸發(fā)等物理機制，可以通過機械設(shè)計，使物料在干燥過程中自發(fā)地改變流態(tài)、姿態(tài)、換位來降低風(fēng)阻、強化傳熱、提高有效蒸發(fā)面積系數(shù)、改善干燥的均勻性。為此，本文設(shè)計集自破物料架橋[38]、多場協(xié)同循環(huán)干燥工藝[39]、無損排糧清糧、無熱慣性干燥技術(shù)[40]于一體，按照遠紅外→提質(zhì)提速→強化傳熱→引風(fēng)→降壓→局部閃蒸→物料降溫的思路，設(shè)計的5HP-25型糧食干燥機如圖1所示。設(shè)計原理為利用遠紅外使高濕糧食在常壓、無介質(zhì)流動的條件下較快升溫，增大其自身內(nèi)能。被加熱后的糧食流經(jīng)引風(fēng)降壓干燥段時，由于其溫度已高于引風(fēng)壓力對應(yīng)的飽和溫度，必然發(fā)生閃蒸并消耗自身內(nèi)能而降溫。糧層內(nèi)干燥介質(zhì)的壓力隨糧層厚度連續(xù)變化，所以，糧食在自上而下的連續(xù)流動過程中，隨介質(zhì)壓力的連續(xù)變化，閃蒸過程也是連續(xù)的。這樣不僅大幅提高了干燥動力系數(shù)，增大了干燥速率，同時，由于壓力波傳播速度較快，在糧食表面介質(zhì)壓力分布均勻一致，也大大提高了干燥的均勻性，有效降低了干燥爆腰率。

1.1 工作原理

5HP-25型干燥機的工作過程：糧食由提升機提升到干燥機的頂部，從進料口處落入干燥機本體，干燥機裝滿后，按順序開啟引風(fēng)機、機下皮帶機、提升機和排糧裝置。糧食種子便在干燥機內(nèi)完全依賴自重向下運動，依次流經(jīng)緩蘇段、紅外輻射裝置、降壓閃蒸干燥段、排氣角狀盒、逆混流干燥段、進氣角狀盒、排糧段、排糧裝置、機下皮帶機，再回到提升機。

高濕低溫糧食在流經(jīng)紅外線發(fā)生裝置時，通過遠紅外線輻射使糧食得到均勻預(yù)熱后，落入引風(fēng)負壓閃蒸干燥段。由于糧食含水率在25%以上時，水分與糧食的結(jié)合能很小，蒸發(fā)非常接近自由態(tài)，所以，糧食在低壓介質(zhì)中，此部分水分迅速蒸發(fā)而使糧食表面的溫度迅速降低，其結(jié)果是糧食表面溫度迅速降低而形成順向傳熱（熱質(zhì)傳遞方向相同），既保證了糧食干燥溫度不超限和干燥的均勻性，又提高了糧食內(nèi)部水分的活度和動態(tài)干燥的動力勢。經(jīng)閃蒸干燥后糧食，含水率大幅度降低，在變截面角狀盒的導(dǎo)流作用下不斷改變縱向流速和橫向錯位流動，實現(xiàn)了糧食上下，左右翻滾，既保障了干燥的均勻性也大幅度提高了干燥速率。

經(jīng)過往復(fù)式排糧裝置，間歇地由排糧托板的兩側(cè)落入至機下皮帶機，再次送回提升機，再由提升機提升到干燥機的頂部，實現(xiàn)循環(huán)干燥。與此同時，熱風(fēng)爐中的煙氣，在引風(fēng)機的引力下，流經(jīng)換熱器、比例閥后，進入遠紅外線發(fā)生裝置，在遠紅外線發(fā)生裝置中把其攜帶的部分余熱轉(zhuǎn)化成遠紅外輻射能，提供給流動的糧食。由于遠紅外線發(fā)生裝置設(shè)計在干燥機內(nèi)，周圍被松散流動的糧食所包圍；所以，遠紅外線發(fā)生裝置對干燥機內(nèi)糧食的總輻射角系數(shù)等于1，即遠紅外線發(fā)生裝置表面產(chǎn)生的輻射能會全部被糧食吸收，補充了糧食的內(nèi)能，改善了糧食的組織結(jié)構(gòu)。又因為本裝置采用逆混流引風(fēng)干燥方式，所以排氣角狀盒中的空氣壓力必然遠低于緩蘇段內(nèi)的空氣壓力，這樣自然就使降壓閃蒸干燥段的上下形成了較大的空氣壓差。所以，糧食在流經(jīng)降壓閃蒸干燥段時，經(jīng)歷的是伴隨連續(xù)向下流動降壓的同時，連續(xù)吸收輻射能的過程。在該過程中，當(dāng)壓力低于其所對應(yīng)的飽和溫度時，高濕糧食上的自由水就要消耗糧食的內(nèi)能發(fā)生閃蒸，從而使糧食的溫度迅速降低。由于水分汽化只發(fā)生在濕蒸汽區(qū)，汽化壓力和汽化溫度一一對應(yīng)，當(dāng)溫度不變而壓力降低后，因壓力降低而導(dǎo)致的過熱度，必然使水發(fā)生閃蒸而降低自身的溫度。閃蒸的水分量隨糧層內(nèi)壓力而變，其過程是連續(xù)的。由此實現(xiàn)了高濕糧食在遠紅外線輻射場中的降壓連續(xù)閃蒸干燥[41]。

1.2 干燥工藝流程

干燥系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。該流程可分成糧流回路、煙氣回路和干燥介質(zhì)（熱空氣）回路。高濕糧食由提升機輸送至干燥主塔，在自身重力的作用下，糧食自上向下緩慢流動，依次經(jīng)過緩蘇段、紅外輻射干燥段、降壓閃蒸干燥段、逆混流干燥段以及糧食水分在線檢測裝置，再經(jīng)排糧裝置和輸送裝置回到提升機內(nèi)，完成一次干燥循環(huán)。在經(jīng)過水分檢測之后，判定是否干燥至目標(biāo)水分，若未達到目標(biāo)水分，則糧食繼續(xù)由提升裝置送入干燥主塔，形成糧流回路，實現(xiàn)循環(huán)干燥，若達到目標(biāo)水分則停止干燥作業(yè)，將糧食排出干燥主塔。在引風(fēng)機的作用下，外界環(huán)境態(tài)空氣與燃料反應(yīng)形成高溫?zé)煔?，?jīng)過換熱器并加熱換熱管，將能量傳遞給干燥介質(zhì)（形成熱風(fēng)），通過調(diào)整風(fēng)道中比例閥的開度，可實時調(diào)節(jié)干燥過程的煙氣熱風(fēng)比，換熱之后的煙氣經(jīng)過紅外發(fā)生裝置，將部分余熱轉(zhuǎn)化為特定波段紅外輻射，最后經(jīng)由引風(fēng)機和除塵裝置進入環(huán)境，形成煙氣回路；環(huán)境態(tài)空氣在引風(fēng)機的作用下，經(jīng)由換熱器吸收熱量，提高干燥介質(zhì)溫度和干燥能力，進入降壓閃蒸干燥段與逆混流干燥段，帶走糧食水分，最后與煙氣匯合經(jīng)由引風(fēng)機、除塵裝置進入大氣，形成干燥介質(zhì)回路[41]。

1.3 干燥機性能參數(shù)設(shè)計

糧食熱風(fēng)干燥是一個輸入能量、介質(zhì)和濕糧，排出廢氣、得到干糧的開口系統(tǒng)?；诟稍镞^程基本的物質(zhì)衡算和熱量衡算，可得到干燥系統(tǒng)各關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的理論設(shè)計值，具體參數(shù)值如表1所示。

表1 5HP-25型糧食干燥機主要技術(shù)參數(shù)

注：設(shè)計環(huán)節(jié)確定的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境態(tài)溫度28.5 ℃，相對濕度60%，壓強101.325 kPa，且環(huán)境態(tài)保持恒定。

Note: During the design process, the ambient temperature is 28.5 ℃, the relative humidity is 60%, and the pressure is 101.325 kPa. And the ambient conditions are considered to remain constant.

1.3.1 處理能力及干燥能力

單位時間系統(tǒng)物料輸入質(zhì)量為干燥機內(nèi)糧食容重與干燥時間的商值，同樣用于表示干燥機單位時間處理能力或生產(chǎn)率1，由式（1）表示。而干燥機的干燥能力W則由機內(nèi)糧食單位時間去水量來衡量與評價，可由式（2）計算得到[42]。

式中G，1，2分別為絕干糧食和干燥前后糧食的質(zhì)量流量，kg/h；1、2分別為進出干燥室的谷物含水率，%；為待干燥糧食總量，kg；為總干燥時間，h。以干燥機機內(nèi)容量25 t，每小時完成一次干燥循環(huán)，整個干燥過程共8個循環(huán)計算，干燥機單位時間處理能力1為3 125 kg/h；以干燥前糧食初始含水率1為28%，干燥后出機含水率2為14%計算，干燥能力W為508.7 kg/h。

1.3.2 單位氣耗量與介質(zhì)的質(zhì)流量的計算

式中1和2分別為進氣和排氣的濕含量，kg/kg。

濕含量是水蒸汽與絕干空氣的質(zhì)量比，在數(shù)值上等于它們的分子量比與壓力比之積。依此，即可精確計算出實際過程中的單位氣耗量，進而由式（3）計算出介質(zhì)的質(zhì)量流量。

干燥介質(zhì)流速（m/s）在干燥段體現(xiàn)為熱風(fēng)穿過待干燥糧層的表觀風(fēng)速，可在一定范圍內(nèi)強化高濕糧食的干燥過程，增大干燥速率，與進入干燥機內(nèi)介質(zhì)的體積流量及干燥段風(fēng)道的設(shè)計和布置相關(guān)聯(lián)，由式（4）計算可得。該機型干燥段設(shè)計進氣角狀盒和排氣角狀盒各18個，分為6排均勻布置，層層交錯，交替排列。

式中為進氣和排氣角狀盒數(shù)量。根據(jù)角狀盒尺寸參數(shù)（寬度和長度），如圖3所示，可計算得到干燥段糧層內(nèi)單個進氣風(fēng)道通風(fēng)面積F為0.4 m2，進氣風(fēng)道底部表觀風(fēng)速即干燥段熱風(fēng)介質(zhì)穿過糧層時的理論風(fēng)速為1 m/s，與經(jīng)驗值相符。根據(jù)計算結(jié)果選擇的引風(fēng)風(fēng)機型號為G4-73-8A。

1.3.3 有效供熱量

從干燥介質(zhì)狀態(tài)變化層面出發(fā)，干燥系統(tǒng)內(nèi)的有效供熱量（kJ/h）由其干燥能力W（kg/h）和單位去水耗熱量共同決定，如式（5）所示。

而單位去水耗熱量q(kJ/kg)與干燥過程中的水分與熱量傳遞密切相關(guān)，可基于系統(tǒng)內(nèi)干燥過程中的物料衡算和熱量衡算來予以計算。

式中c，c分別為干空氣和水蒸氣的平均比定壓熱容，kJ/(kg?K)；為空氣含濕量，kg/kg；1，2為加熱前后空氣溫度，℃；Δ為濕空氣比焓變化量，kJ/kg。將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的各參數(shù)值帶入，計算得到干燥機單位去水耗熱量q為2.86MJ/kg，有效供熱量為1 458.73MJ/h。以此為依據(jù)匹配干燥過程熱能。

1.4 干燥段結(jié)構(gòu)設(shè)計

角狀盒的結(jié)構(gòu)和布置是決定干燥段工作性能的關(guān)鍵所在，其間的糧食流動特性和氣流分布特征，將直接關(guān)系到干燥過程能耗及干燥后糧食的品質(zhì)。該干燥主塔整體設(shè)計原則采用模塊化類型、積木式結(jié)構(gòu)，整個循環(huán)干燥過程中紅外干燥段、混流干燥段和緩蘇段有機融合，加快干燥速率的同時保證干燥品質(zhì)。風(fēng)道的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計上引入負壓節(jié)能理念，通過排氣角狀盒排氣端面的離心風(fēng)機同時形成混流和負壓疊加效果。變截面角狀盒是導(dǎo)流、增加干燥動力系數(shù)的主要機械部件，其結(jié)構(gòu)及排列方式設(shè)計如圖3所示。

進氣和排氣角狀盒交替排列，層層交錯，兩者端面反向布置，下緣端面保持水平。角狀盒均采用沿長度方向變截面的形式，進氣、排氣兩類均為近風(fēng)端截面積最大，而后逐漸減小，排氣角狀風(fēng)道均位于對應(yīng)的進氣風(fēng)道上方，通風(fēng)截面積互補，保證各位置風(fēng)量的一致性；同時通過適當(dāng)減小角狀風(fēng)道截面積和間距，采用密集分布形式，均有助于氣流的均勻分布。變截面的高度尺寸設(shè)計從大端面的250 mm過渡到小端面的50 mm，使角狀盒頂線與水平方向形成約6°的夾角。與機壁連接處布置均分的半截面角狀盒，緩解糧食在機壁與中心流速差異過大的問題，避免糧流過程因風(fēng)道與機壁間距過小造成的架橋和堵塞現(xiàn)象。

進氣和排氣角狀盒縱向布置由干燥層厚決定。由糧食熱風(fēng)干燥含水率瞬態(tài)解析模型[26]，可以得到順流和逆流干燥條件下，糧食水分、干燥速率、排氣含濕量等與干燥層厚間的關(guān)系。順流干燥介質(zhì)流動過程干燥能力降低明顯，去水速率在熱風(fēng)入口位置最大。當(dāng)層厚增加到一定程度后，對干燥結(jié)果不再發(fā)生影響。逆流條件下干燥層內(nèi)存在去水速率極值點。其位置由糧食和熱風(fēng)介質(zhì)狀態(tài)共同決定?；炝鞲稍锕に囅录Z食在向下流動過程會階段性交替受到逆流和順流干燥方式，其干燥層厚的確定應(yīng)綜合考慮順流和逆流干燥兩者形式。故確定混流干燥段較優(yōu)層厚為0.6 m。由此確定角狀盒縱向布置方案。

1.5 排糧段結(jié)構(gòu)設(shè)計

糧食在干燥機內(nèi)的停留時間通過排糧裝置控制，傳統(tǒng)的排料輪在強制排料過程中，易對糧食造成機械損傷，導(dǎo)致其經(jīng)紋率、破碎率增高等品質(zhì)問題。因此，該干燥機在排糧段設(shè)計了一種往復(fù)式排糧、清糧裝置，實現(xiàn)自破架橋排糧和無損清糧。排糧段結(jié)構(gòu)如圖4所示。

排糧擋板與導(dǎo)流槽出糧口之間保持一定的間距，間距的大小視物料的流動性和顆粒的大小而定，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4b所示。設(shè)計時應(yīng)使其略大于糧食顆粒的長徑，從而即保證物料流動的可控性和順暢程度，又避免了排糧擋板往復(fù)運動過程中可能對籽粒造成的損傷。以稻谷為例，測量不同品種不同狀態(tài)下的幾何尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 不同稻谷幾何尺寸參數(shù)

可以看出從收獲期到干燥過程中，稻谷幾何尺寸隨含水率降低均有不同程度的減小，測量得到的稻谷長徑最大值為10.27 mm，可以此為基準(zhǔn)對應(yīng)將排糧擋板與導(dǎo)流槽出糧口間距進行調(diào)整，確定休止位置，以滿足不同稻種的排糧需求，實現(xiàn)自適應(yīng)無損排糧。排糧的最后階段，可通過適當(dāng)調(diào)大排糧擋板與導(dǎo)流槽出糧口間距并加快曲柄連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)速，以增大干燥機內(nèi)糧食下落速度，使機內(nèi)無糧食殘留，實現(xiàn)清塔的功能。

如圖4b所示，對于一般的谷物種子，導(dǎo)流槽出糧口的寬度可設(shè)計為該間隙的3倍，而排糧托板的端面寬度可設(shè)計為導(dǎo)流槽出糧口寬度的3倍。排糧擋板長度及其與導(dǎo)流槽出糧口間距所確定的夾角為18.43°，一般谷物自然連續(xù)下落堆積所成椎體母線與底面夾角即為休止角α，其反映了散體物料的流動和散落特性，隨含水率的降低而減小，其范圍在19°～45°。由于干燥過程設(shè)計的極限夾角始終在各類谷物的休止角以內(nèi)，保證了排糧擋板不動時稻谷堆積后的靜止?fàn)顟B(tài)。排糧擋板、滑車之間設(shè)計有調(diào)節(jié)板，通過改變調(diào)節(jié)板的厚度實現(xiàn)調(diào)整排糧托板與導(dǎo)流槽出糧口之間的間距，以控制靜態(tài)下谷物在排糧托板上的休止位置，實現(xiàn)自適應(yīng)無損排糧。排糧托板與滑車、曲柄連桿機構(gòu)鏈接為一體，滑車通過調(diào)節(jié)板與滾輪相鏈接并由滾輪承載著，在電動機、曲柄連桿機構(gòu)的作用下做錯位、差速往復(fù)運動。

其工作過程經(jīng)干燥機干燥的糧食，依賴自重落入分流槽，由導(dǎo)流槽排料口，流到排糧托板，當(dāng)滑車處在靜止?fàn)顟B(tài)時，谷物則堆積在排糧托板上并保持在自身的休止角以內(nèi)，當(dāng)電動機驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)帶動滑車、排糧托板做往復(fù)運動時，休止角位置隨之交替變化，使得分流槽中的谷物源源不斷地從排料口流出，并迫使排糧托板上的谷物與排糧板做逆向相對運動，由托板的兩側(cè)間歇排出機外。

由于糧食完全依賴自重流動，用一套曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動滑車帶動排糧托板做往復(fù)運動，使堆積在排糧托板的谷物自然休止角相對位置交替發(fā)生改變，這樣就使分流槽中的谷物源源不斷地從排料口流出而避免產(chǎn)生機械損傷，從而實現(xiàn)了無損排糧。糧食間歇地從排糧板兩側(cè)排出，則使排糧板上方不同位置的糧食間歇運動，這樣，也就實現(xiàn)了糧食自破架橋的功能。

2 糧食在干燥機內(nèi)的流動特征

系統(tǒng)穩(wěn)定運行，干燥室充滿糧食的條件下，糧食在干燥室內(nèi)依賴重力的流動狀態(tài)則完全取決于干燥室的結(jié)構(gòu)，自然流動狀態(tài)則由干燥室的純幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來表達，對應(yīng)排糧速度，糧食在不同位置上的流動速度與排糧速度一一對應(yīng)，且在確定位置上的流動速度與排糧速度成正比。在連續(xù)流動過程中，任意時刻，流經(jīng)干燥室任意橫截面上的絕干物質(zhì)數(shù)量相等，得到流速比等于面積反比。由此，基于干燥室出口流速，便可從理論上解析出糧食在干燥機內(nèi)任意位置上的流動狀態(tài)。

2.1 糧食在干燥室內(nèi)流動狀態(tài)理論表達

對應(yīng)圖3所示的干燥段結(jié)構(gòu)設(shè)計，糧食在干燥室內(nèi)，沿縱向的流動狀態(tài)，經(jīng)歷等速1、增速2到等速3，再到等速4的過程。糧食在干燥段的縱向流速分布如圖5所示?；诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)得到各段的流動速率比理論表達式。

2.1.1 糧食流經(jīng)角狀盒的三角頂面時的流速分布

糧食在干燥室內(nèi)，沿縱向的流動狀態(tài)，經(jīng)歷等速1、增速2到等速3，再到等速4的過程。由于流速比等于面積比，自上而下，通過建立流道面積變化的數(shù)學(xué)解析式，即可得到糧食在縱向不同位置的流動速率比。

根據(jù)圖3b和圖5所示位置關(guān)系所劃分的流速，在干燥室最大等截面段的流動速率為V，那么，糧食在干燥室等截面位置上的流動速率比則等于1，流經(jīng)角狀盒三角頂面時對應(yīng)等速流線的速率比則可表達為式（8）。

2.1.2 糧食在角狀盒垂直面的流動速率比

糧食在角狀盒垂直面間的流動速率比可表達為式（9）。

角狀盒的垂直面設(shè)計是三角面，糧食在該區(qū)域內(nèi)是等速流動，且流動速率比最大，其值可由式（9）計算。根據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，在不同縱斷面上的最大等速流動距離，可由式（10）計算

式中2是角狀盒的最大垂直邊長，mm；是角狀盒頂線的安裝角度，（°）；是沿角狀盒軸線方向的坐標(biāo)變量，設(shè)角狀盒的長度為，則的取值區(qū)間為[0,]。

2.2 糧食在干燥室內(nèi)流動狀態(tài)分析

以一排進氣角狀盒和一排排氣角狀盒形成的一個干燥段單元作為研究對象，采用離散單元法（DEM）進行數(shù)值模擬，假設(shè)稻谷為平均直徑為5mm球體；稻谷與稻谷間靜摩擦系數(shù)為0.3；稻谷與金屬殼體間摩擦系數(shù)為0.56；稻谷與稻谷間滾動摩擦系數(shù)為0.01；稻谷與金屬間滾動摩擦系數(shù)為0.02。仿真過程中，不考慮顆粒變形，顆粒表面也無粘結(jié)力，因此接觸模型選用 Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。當(dāng)糧食填充滿干燥腔體后，打開排糧機構(gòu)，顆粒開始流動，得到糧食顆粒運動狀態(tài)分布情況如圖6所示。角狀盒上方的糧食流動過程中受到壁面的摩擦及阻滯作用，其流速明顯低于在相鄰角狀盒中心區(qū)域的糧食流速，相鄰糧食流動過程存在速度差。

縱向不同糧流的糧食顆粒由于與角狀盒接觸時間不同而存在速度差，糧食流經(jīng)角狀盒三角頂面時的等速流線則是平行于角狀盒頂線的一群直線，把角狀盒的頂線設(shè)計成與水平面間夾角為的斜線，那么，沿角狀盒長度方向（橫向）同一水平面內(nèi)的糧食向下流動則為差速流動。差速運動使相鄰糧食顆粒產(chǎn)生內(nèi)摩擦而改變了糧食顆粒姿態(tài)，實現(xiàn)了糧食自動翻轉(zhuǎn)，均勻受熱。糧食在干燥機內(nèi)沿型相互無交叉的軌跡向下流動，在高速與低速區(qū)域不斷換位，同一水平面內(nèi)的速度差異始終存在，因而糧食的自動回轉(zhuǎn)換位貫穿于整個干燥過程。

強化干燥可以通過增大動力（即提高介質(zhì)溫度、降低濕度、增大流速）和提高動力系數(shù)的方法來實現(xiàn)，增大糧食干燥機的干燥動力系數(shù)的途徑可以通過增大糧食與介質(zhì)的接觸面積、糧食受熱位置來實現(xiàn)。該干燥機通過變截面角狀盒及進氣和排氣角盒上下錯位排列，反向安裝，實現(xiàn)了糧食在干燥機內(nèi)的流動時，在縱向和橫向的差速流動，設(shè)計的縱向流速差增大了糧食的空隙率，與橫流工藝等速流動相比，使糧食和介質(zhì)的有效接觸面積增大了2～4倍；而橫向的速度差，實現(xiàn)了糧食在流動過程中自旋轉(zhuǎn)，不斷改變受熱位置，強化了傳熱，也避免了糧食干燥過程單面受熱造成的局部熱損傷，保證了糧食種子活力，提升了干燥品質(zhì)。這樣的設(shè)計不僅使干燥動力系數(shù)提高了2～4倍，同時大幅度改善了干燥的均勻性，抑制了爆腰率。

3 干燥系統(tǒng)驗證

3.1 試驗裝置及儀器

主要測試儀器如表3所示。水分在線檢測采用CXR-ZX-Ⅰ10-40型電阻式群粒在線檢測儀。測量種子含水率范圍10%～40%，工作環(huán)境?35～80 ℃，測量誤差≤±0.5%。上位機接口RS-232C，可控制雙向通訊，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸。

表3 主要試驗儀器

實地試驗測定分別在蕪湖，湛江等不同環(huán)境條件下進行。時間2012年9月－2016年8月。試驗批次物料均為收購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的新鮮稻谷，品種為類珍珠稻及湘早秈45號，各地物料初始條件均有差異。其中試驗物料湘早秈45號初始平均含水率為24.06%，含水率極差為1.4%，含雜率小于5%；類珍珠稻初始平均含水率為 33%，含水率極差接近 30%，部分稻谷表面有液態(tài)水存在，含雜率小于5%。

3.2 試驗測定

將干燥機調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄干燥條件及環(huán)境參數(shù)、配套電動機功率、引風(fēng)量和風(fēng)壓；按照機內(nèi)容量、試驗時間和次數(shù)準(zhǔn)備試驗用稻谷，平均含水率范圍在22%～32%，含雜率小于5%，其中長莖稈（小于50 mm）質(zhì)量分數(shù)不超過1%。將送風(fēng)溫度和排氣溫度傳感器安裝在干燥機進風(fēng)口和出風(fēng)口的中間位置，環(huán)境介質(zhì)的溫濕度傳感器安裝在換熱器進風(fēng)口的中間位置，在干燥機排糧段水平面內(nèi)均布3個糧溫傳感器。水分在線測量儀安裝在干燥機排糧段。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在線測量實時記錄環(huán)境和干燥介質(zhì)溫濕度變化以及糧食的溫度、含水率變化。試驗測定過程排糧頻率設(shè)定為30 Hz，排糧量25 t/h,，此頻率下每次循環(huán)干燥時間約12min，緩蘇時間48 min，干燥緩蘇比為1:4。

從干燥能耗和干燥品質(zhì)等方面綜合評價干燥機性能。結(jié)合糧食干燥過程特性曲線，以干燥速率、干燥單位耗熱、干燥不均勻度、稻谷爆腰率、發(fā)芽勢和發(fā)芽率為指標(biāo)。干燥前后隨機取樣對稻谷的破碎率、爆腰率情況進行統(tǒng)計，每次取樣300粒。利用自制爆腰燈檢驗和計數(shù)，得到干燥過程的爆腰增率。干燥后的稻谷種子隨機取樣，由含水率極差得到干燥的不均勻度。對其發(fā)芽勢和發(fā)芽率進行檢測，得到干燥系統(tǒng)對稻谷種子活力的影響程度。

各地現(xiàn)場測試的出機糧水分數(shù)據(jù)及測試過程干燥介質(zhì)及糧食狀態(tài)參數(shù)變化如圖7所示。利用雙氧水（3%過氧化氫溶液）浸種有利于打破種子休眠，起到催芽作用，提高種子發(fā)芽率。分別用雙氧水和清水浸種兩種處理方式進行烘干后稻谷種子的發(fā)芽率對比試驗，結(jié)果如表4所示。

干燥后的糧食籽粒完整，經(jīng)取樣檢測得到干燥前后爆腰率沒有變化。干燥的水分不均勻度小于1%。實驗室環(huán)境對干燥后稻谷活力進行測試，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 稻谷發(fā)芽率對比試驗結(jié)果

注：1. 發(fā)芽勢的對比檢測所用種子分別為自然曬干稻谷種子、經(jīng)5HP-25型混流干燥機干燥稻谷種子及經(jīng)5HPS-10型順流干燥機干燥后的稻谷種子。

2. 雙氧水（過氧化氫3.0%～3.5%）和清水浸種時間為16 h。發(fā)芽勢判斷為有根有芽，發(fā)芽勢周期（包括浸種）為4 d。

3. 發(fā)芽率檢測周期（包括浸種）分別為8 d和16 d。檢測周期后段有壞種情況，種子有輕度霉氣。

Note: 1. The seeds used for the comparative detection of germination potential were paddy seeds naturally aired in the sun, paddy seeds dried by 5HP-25 type mixed flow dryer and paddy seeds dried by 5HPS-10 type downstream dryer.

2. The soaking time of hydrogen peroxide (3.0% - 3.5% H2O2) and water was 16 hours. The germination potential was judged as having roots and buds, and the period of germination potential (including seed soaking) was 4 days.

3. The detection period of germination rate (including seed soaking) was 8 days and 16 days respectively. There were bad seeds and mildly mildew in the later period of the detection period.

3.3 試驗結(jié)果分析

圖7是烘干稻谷時干燥機內(nèi)的介質(zhì)和糧食狀態(tài)變化。從圖7看出，在不同干燥環(huán)境條件下，對應(yīng)送風(fēng)溫度大范圍波動，而出機糧溫度變化相對都比較平緩，與其對應(yīng)的出機糧含水率變化近似于直線，而并非沿指數(shù)曲線降低的過程，表明變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計和引風(fēng)逆混流干燥工藝，提高了糧食干燥的動力系數(shù)，提高了糧食去水速率，減小了糧食降速干燥的幅度，避免了糧食的熱沖擊。試驗中的排氣濕度始終屬于較高水平，說明在對應(yīng)干燥條件下，系統(tǒng)風(fēng)量、溫度等匹配得當(dāng)，干燥系統(tǒng)熱效率較高?？偨Y(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)得到：5HP-25型干燥機的平均干燥速率在1.37～2.70 %/h，均處于較高水平，較傳統(tǒng)的橫流干燥0.8~1.2 %/h提高2倍以上，與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)干燥相比提高30%以上[43-44]。干燥水分的單位熱耗為2 900～4 300 kJ/kg，與國標(biāo)規(guī)定的7 400 kJ/kg，有顯著降低。干燥時間明顯縮短，干燥機作業(yè)效率由1批次/d提高到3～4批次/d，有效增大了干燥機的利用率。出機糧食爆腰率低于1%，水分不均勻度小于1%，改善了干燥品質(zhì)，表明糧食在變截面角狀盒的導(dǎo)流作用下不斷改變縱向流速和實現(xiàn)橫向錯位流動，大幅度提高了干燥的均勻性。試驗過程中的糧食溫度均未超過35 ℃，低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，與傳統(tǒng)的橫流干燥方式相比降低約11 ℃，較傳統(tǒng)的鼓風(fēng)干燥方式相比降低約10 ℃[44]，實現(xiàn)了糧食種子的低溫干燥，保證了糧食種子的高活力，雙氧水浸種后的發(fā)芽勢較傳統(tǒng)順流干燥提高76%以上，發(fā)芽率達到95%。也使該機型具有較好的通用性和可靠性。

3.4 干燥成本折算

提高干燥質(zhì)量，降低烘干成本是糧食干燥領(lǐng)域兩大基本并重要的需求。糧食干燥的主要生產(chǎn)成本分為供熱系統(tǒng)燃料費、配套動力電費、作業(yè)人工工資成本及維護保養(yǎng)和設(shè)備折舊費用等，而燃料費和電費共同構(gòu)成了糧食干燥的能耗成本。

該干燥裝備供熱系統(tǒng)以煤為燃料，與其他形式燃料相比首先可大量節(jié)約制造成本，通過在煙氣回路上增加消煙除塵裝置，也可很大程度上減少對環(huán)境的污染。干燥系統(tǒng)能耗成本可分為加熱空氣介質(zhì)所需燃煤量及其他動力設(shè)備（引風(fēng)風(fēng)機和提升、輸送、排糧等裝置匹配電機）消耗電能。單位時間燃煤量煤（kg/h）可由式（11）計算。

以一年兩季、平均每年兩個月的糧食收獲后干燥時長進行統(tǒng)計估算。結(jié)合前文計算數(shù)據(jù)，按照市場燃煤價格0.5元/kg，工業(yè)用電1.0元/(kW·h)計算，干燥系統(tǒng)的能耗成本為61.67元/h，以糧食物料層面折算的能耗成本為19.72元/t。人工成本主要負責(zé)干燥過程中供熱系統(tǒng)司爐工作、干燥過程糧食水分的抽檢以及干燥安全的監(jiān)督保障，可采用3人輪班制，每小時干燥按30元計算。

采用均衡分攤的年限平均法對干燥裝備折舊費用進行計算。機械裝備的成本投資金額以30萬元計算，年工作時長約為1 200 h（以年累計作業(yè)60 d，日作業(yè)時長20 h計算），預(yù)計使用壽命即折舊年限為15 a，預(yù)計凈殘值率5%，則可得到設(shè)備年折舊率為3.8%，折舊費為15.8元/h，折合干燥糧食的裝備折舊成本為5.06元/t。

綜合考慮能耗成本和非能量費用，可計算得到該干燥系統(tǒng)的單位生產(chǎn)成本為96.76元/h，以糧食物料層面折算的總生產(chǎn)成本為糧食30.96元/t。與曬場人工晾曬糧食生產(chǎn)成本的179元/t相比，每噸干燥成本節(jié)約超過80%，與同類機型相比干燥成本減少30%以上[39]。按照相關(guān)統(tǒng)計的糧食未能及時干燥而造成的平均霉變損失3%計算，每臺干燥設(shè)備每年可減少糧食損失約112 t，挽回相關(guān)損失約27萬元。

4 結(jié) 論

1）揭示了裝置幾何因素對糧食流動特性的影響，把幾何因子與連續(xù)流動有機結(jié)合，得到了糧食流動速率比理論表達式，實現(xiàn)了糧食在連續(xù)向下流動過程中，連續(xù)回轉(zhuǎn)換位。設(shè)計的升角為6°的變截面角盒，與傳統(tǒng)的橫流方法相比，可使干燥動力系數(shù)增大2~4倍并提高了干燥的均勻性。干燥稻谷時的爆腰增率可控制在1%以內(nèi)，發(fā)芽勢較傳統(tǒng)干燥機提高76%以上，發(fā)芽率達到95%，保障了干燥品質(zhì)和種子的活力。

2）設(shè)計的變截面角盒、往復(fù)式差速排糧機構(gòu)，實現(xiàn)了自適應(yīng)無損排糧，有效解決了糧食架橋、堵塞問題，避免了機械傷種，排糧徹底且無殘留。

3）實際應(yīng)用結(jié)果顯示，設(shè)計的5HP-25型糧食干燥機，在糧食平均干燥速率為1.37～2.70 %/h的條件下，干燥單位熱耗為2 900～4 300 kJ/kg。

4）以增大干燥動力系數(shù)為目的，從裝置幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和運動參數(shù)的關(guān)系入手，按照引風(fēng)降壓、局部閃蒸降溫、強化傳熱傳質(zhì)的設(shè)計思想，研制了5HP-25型糧食種子通用干燥機，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高效、低溫干燥。

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Design and experimental study of 5HP-25 type grain dryer

Luo Hengguang, Li Changyou※, Zhang Yongbo

(,,,510642,)

This study aims to enhance the operating efficiency and annual utilization rate in the mechanized drying of grains. Meanwhile, their versatility and reliability need to be improved. In order to strengthen the drying process, it is necessary to increase the dynamic coefficient, rather than the processing power only. A systematic investigation was made on the relationship between the geometric structural parameters and the motion parameters, in order to increase the drying dynamic coefficient for the non-destructive drying. The effects of geometric factors on grain flow characteristics were revealed using the combined geometric structure factors and motion parameters. Since the downward flow of grains depended mainly on the gravity of grains, the geometric structural parameters were used to express the natural flow state in the drying chamber. In addition, the flow speed of grain at a certain position was proportional to the speed of grain discharge. In the continuous flow process, there was an equal amount of absolutely dry matter flowing through any cross section in the drying chamber at any time, where the velocity ratio was equal to the inverse area ratio. A general-purpose grain dryer was developed, where the induced air was used to reduce pressure, while the partial flash evaporation was used to decrease the grain temperature, and a self-adaptive differential reciprocating grain discharging device was designed to strengthen the heat and mass transfer in the drying section. The dryer was widely used for many kinds of granular grains and seeds, which achieved high-quality, high-efficiency, and low-temperature drying. The heat and mass transfer were strengthened, because the grain changed the flow state spontaneously and rotated continuously during the continuous flow in the dryer. The drying uniformity was improved, further to avoid local overheating damage caused by single-side heating during the grain drying process. The variable cross-section angle box with the angle of 6° could increas the drying dynamic coefficient by 2-4 times, compared with the traditional cross flow. The temperature of grain was below 35℃, indicating lower than the glass transition temperature of grain. The dried rice seeds remained intact with high activity. The increased rate of crack and the moisture unevenness both were less than 1%. The germination potential increased by 76% than before, and the germination rate was close to 95%. The drying quality was significantly improved, compared with the concurrent flow drying. A dislocated and differential reciprocating mechanism was designed to achieve the adaptive and non-destructive grain discharge, indicating an effective bridging and blocking operation to avoid mechanical damage of grains. In the application of designed 5HP-25 type grain dryer, an optimal combination of parameters was obtained, where the average drying intensity of grain was 1.37%/h-2.70%/h, and the per-unit heat consumption of drying was 2 900-4 300 kJ/kg. Compared with the national standard 7 400 kJ/kg, the effect of energy saving was remarkable. The finding can provide a sound reference to design a high quality, high-efficiency, and energy-saving equipment for the grain drying process.

drying; machine design; dynamic coefficient; drying process; design theory

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033

TH11

A

1002-6819(2021)-01-0279-11

駱恒光，李長友，張永博. 5HP-25型糧食干燥機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(1)：279-289. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033 http://www.tcsae.org

Luo Hengguang, Li Changyou, Zhang Yongbo, et al. Design and experimental study of 5HP-25 type grain dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 279-289. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033 http://www.tcsae.org

2020-11-20

2020-12-22

國家自然科學(xué)基金（31671783，31371871）；廣東省科技計劃項目（2014B020207001）

駱恒光，博士生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品干燥和裝備技術(shù)。Email：luohengguang@stu.scau.edu.cn

李長友，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。Email：lichyx@scau.edu.cn

農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：（B041100045S）