水稻負壓混流干燥室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

車 剛，高瑞麗，萬 霖，賴東博，王洪超，陳正發(fā)

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院 大慶 163319；2. 黑龍江省農(nóng)機智能裝備重點實驗室 大慶 163319）

0 引 言

水稻是中國主要的主食性作物，據(jù)2019年統(tǒng)計表明，中國稻谷種植面積2 969萬hm2，稻谷產(chǎn)量已達到20 961 萬t，但因晾曬不及時或未達到安全水分而造成的損失達總產(chǎn)量的3%～5%[1-2]。這就要求在水稻收獲后，進行迅速干燥，減少損失。目前，水稻連續(xù)式干燥機以豎箱式為主，其中正壓送風(fēng)式居多。對于谷物干燥來說，當(dāng)熱風(fēng)或冷風(fēng)通過角狀管對谷物進行干燥或冷卻降溫時，存在著氣流分布不均勻，致使在干燥質(zhì)量與干燥效率方面存在一定矛盾問題[3-4]。近年來，負壓干燥技術(shù)的研究與應(yīng)用得到迅速發(fā)展。有關(guān)糧食、煙稈顆粒、筒子紗、綠茶、土豆片的負壓干燥研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的正壓干燥方式相比，負壓干燥技術(shù)可降低物料的飽和溫度，促使在低溫條件下快速完成干燥過程，縮短干燥時間，提高干燥速率，降低能耗，在一定程度上能提高物料干燥的均勻性[5-8]。水稻干燥均勻性與干燥機內(nèi)氣流的流動密切相關(guān)，箱體內(nèi)角狀管的機構(gòu)及布局起到關(guān)鍵作用。角狀管的型式及安裝方式多種多樣，國內(nèi)干燥機制造企業(yè)以改進角狀管尺寸和結(jié)構(gòu)來提高干燥均勻性；國外如丹麥、瑞典等公司，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(guān)研究表明[9-13]，變徑角狀管對提高氣流分布均勻性的作用不明顯。而開孔板會改善氣流的均布情況，變開孔率布風(fēng)板大多應(yīng)用于鍋爐燃燒、流化床干燥等領(lǐng)域，通過改變布風(fēng)板的開孔率，使風(fēng)速沿布風(fēng)板長度方向遞減，達到布風(fēng)穩(wěn)定、均勻的效果[14]，但該技術(shù)在豎箱式谷物干燥方面尚未有研究。

因此，為解決氣流分布不均勻、水稻干燥爆腰等問題，本研究將以水稻負壓混流干燥工藝為主要研究對象，結(jié)合橫向送風(fēng)微混流原理，設(shè)計一種變徑開孔式角狀管，利用Fluent軟件分別對空載和滿載狀態(tài)下的豎箱式干燥室內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬與試驗驗證，為水稻均勻性干燥提供理論依據(jù)。擬通過研究水稻負壓干燥的特性，優(yōu)化水稻干燥參數(shù)，提高干燥速率及保存品質(zhì)。

1 水稻負壓混流干燥特性模型

1.1 模型建立與解析

基于不可逆熱力學(xué)理論[15]，將干燥室看做一個整體，以順逆流組合干燥工藝為核心，從宏觀角度描述混流干燥過程，建立了配置變徑開孔式角狀管的混流干燥段的物理模型，如圖1所示。每個變徑角狀管側(cè)板均開設(shè)微孔束，增強局部微混流效果。

進入干燥系統(tǒng)中的熱介質(zhì)溫度為T0、含濕量為d0，水稻的初始含水率為M0，則干燥段內(nèi)的質(zhì)量平衡方程為[15]

式中ρb為絕干水稻的堆積密度，kg/m3；Md為飽和含濕量下的水稻干基含水率，%；t為干燥時間，min；v為水稻的流動速度，m/h；z為稻谷層厚度，m，與干燥時間和水稻的流動速度有關(guān)，物料層厚度一定時，同等干燥條件下，流動速度越快，所用干燥時間越短；μ為傳質(zhì)系數(shù)，kg /(h·m2)；γ為有效蒸發(fā)面積系數(shù)；a為水稻的體積比表面積，m2/m3；dmax為濕球溫度下氣流的飽和含濕量，kg /kg；f(φ)為水分比，%；g0為單位時間內(nèi)通過單位干燥層面積的干燥介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/(m2·h)；d0為熱介質(zhì)的初始含濕量，kg /kg；d為熱介質(zhì)的含濕量，kg /kg。

水稻靠自身重力向下流動，熱風(fēng)在負壓風(fēng)機的作用下，被迫穿過干燥層，完成干燥。在此過程中，水稻的干燥特性受熱風(fēng)流動狀態(tài)及后續(xù)水稻溫度、相對濕度的影響。v為水稻的流動速度，與干燥段的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，因此，求解時可視為常量。將式（1）右側(cè)等號兩端進行變換，可得到水分比隨干燥時間變化的解析式為

式中β為層厚無量綱量，可由式（3）計算[16]。

根據(jù)谷物水分比的理論計算公式及水稻薄層干燥方程[17-18]可得

式中M0為水稻的初始含水率，%；Me為干燥到平衡狀態(tài)時的干基含水率，%；k為水稻的干燥常數(shù)。

由公式（1）兩端分式分別與公式（4）聯(lián)立可推導(dǎo)出水稻負壓干燥時，干燥速率隨干燥時間變化的解析式為

假設(shè)選用40 ℃的熱介質(zhì)進行干燥，相對濕度為37%，含濕量為0.024 kg/kg，水稻的初始含水率為22.3%（烘箱法）。聯(lián)立公式（2）與（5）及上述解析式的定解條件，則可得到水稻負壓干燥特性解析模型為

式中Mt為水稻干燥到t時刻的干基含水率，%。

1.2 結(jié)果與分析

由于解析模型具有非線性、耦合性和統(tǒng)一性等特點，采用Matlab軟件進行編程計算[19]。為驗證模型的準(zhǔn)確性和合理性，選取水稻初始含水率為22.3%（干基），熱風(fēng)溫度為40 ℃，進氣管道風(fēng)速為2.5～3 m/s，排糧輥轉(zhuǎn)速為2.4 r/min，熱風(fēng)量為1 302 m3/h，風(fēng)機風(fēng)壓為1 026.56～1 180.42 Pa進行試驗，繪制水稻負壓干燥特性曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，水稻干燥特性曲線的計算值與試驗值的R2達0.972，變化規(guī)律基本一致，擬合度較高。從干燥曲線中可以看出，在干燥前期，水分比下降較快，而隨著干燥時間的增加，水分比下降得較為緩慢。這是因為在干燥初期，采用負壓干燥使得水稻水分的飽和溫度降低，稻谷內(nèi)外的水分梯度大，蒸發(fā)較快，而水分比也下降地較快。到干燥后期，水稻籽粒內(nèi)部的結(jié)合水很難被去除，因此，水分比下降得較為緩慢。

從干燥速率曲線可以看出，整個干燥過程大致包括預(yù)熱階段、等速階段和減速階段。由于干燥過程屬于內(nèi)部控制問題，控制較低的介質(zhì)溫度使谷物表面的水分蒸發(fā)速度接近內(nèi)部擴散速度，有助于第一臨界點出現(xiàn)，從而使等速干燥階段與減速干燥階段的比例合理化。在水稻初始含水率偏低的條件下，預(yù)熱階段較短，干燥速率很快到達最高點，而且負壓環(huán)境有利于降低水稻內(nèi)部水分的飽和溫度和水蒸氣分壓，促使稻谷內(nèi)部濕熱場內(nèi)的水蒸氣分壓更易達到飽和蒸氣壓，有益于減少內(nèi)熱能消耗，而內(nèi)部水分?jǐn)U散勢能基本保持不變。因此，水稻干燥進程能夠保持較小比例的等速干燥階段。15 min后水稻水分由內(nèi)向外遷移的速度逐漸小于表面水分蒸發(fā)速度，干燥速率開始下降，進入降速干燥階段。

2 負壓干燥室設(shè)計

2.1 干燥室結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)負壓節(jié)能工藝原理，設(shè)計負壓混流干燥室。負壓調(diào)速風(fēng)機設(shè)計在出風(fēng)口側(cè)。干燥室采用雙級進排氣結(jié)構(gòu)，多層變徑角狀管間隔配置，干燥與緩蘇工藝相融合，實現(xiàn)混流均勻送風(fēng)的干燥效果。根據(jù)水稻小時去水量、干燥強度和有效容積系數(shù)，設(shè)計豎箱式干燥室整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，確定干燥室容積尺寸為1 000 mm ×800 mm×1 200 mm（長×寬×高），主體由上下排氣段和中間進氣段構(gòu)成，箱體外側(cè)夾裝3 cm厚保溫層。根據(jù)熱介質(zhì)流量和干燥室容積設(shè)計變徑角狀管為5列，共20個角狀管，角狀管變截面尺寸如圖4。結(jié)合水稻干燥特性和變溫干燥需求，設(shè)計了雙級負壓排氣結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)在線檢測入機水稻的含水率實現(xiàn)分段調(diào)控風(fēng)速。因此，排氣上段安裝1臺Y5-47型550 W調(diào)速離心風(fēng)機，排氣下段安裝2臺Y5-47型250 W調(diào)速離心風(fēng)機，并聯(lián)風(fēng)機的風(fēng)量較大。

角狀管設(shè)計參照丹麥CIMBRIA、瑞典SVEGMA機型與干燥技術(shù)手冊[20]，根據(jù)風(fēng)壓和介質(zhì)流量關(guān)系原則，設(shè)計變徑開孔式狀管，角管寬度72 mm，高度85 mm，側(cè)板高度由40 mm遞減到20 mm，如圖4所示。相關(guān)研究表明[21]，圓形不均勻布孔的干燥速率和熱效率均較高。因此，設(shè)計側(cè)板孔呈五孔束排列，利用微壓調(diào)節(jié)風(fēng)場分布原理，保證干燥氣流分布均勻。確定微孔直徑為2 mm，尺寸小于水稻直徑，避免在干燥過程中產(chǎn)生阻塞。

2.2 角狀管優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 開孔率的設(shè)計

借鑒流化床干燥機中布風(fēng)板的設(shè)計理念，結(jié)合負壓微孔送風(fēng)原理，設(shè)計了變徑開孔式角狀管。豎箱式干燥機的角狀管開孔率計算公式如下[22-24]。

其中，

式中α為開孔率，%；ξ為布風(fēng)阻力系數(shù)，1.5～2.5；ρg為熱空氣密度，kg/m3，經(jīng)測定為0.972 kg/m3；μ1為空載氣流速度，m/s；（ΔPD）SC為布風(fēng)板臨界壓降，Pa；RSC為與床層直徑D和床高L有關(guān)的參數(shù)，近似視為立式干燥機干燥段結(jié)構(gòu)尺寸的相關(guān)參數(shù)；S為干燥段底部周長，mm；H為干燥段高度，mm；ΔPB為理論床層壓降，Pa；Lmf為水稻在干燥室內(nèi)的靜高度，近似為谷層厚度，mm；ρs為水稻籽粒密度，為780 kg/m3；εmf為最小流化速度的孔隙率；sφ為固體顆粒的球形度，水稻籽粒為橢圓形，其球形度小于1。

依據(jù)低開孔率的原則，保證變徑角狀管的沿程阻力與微孔處的靜壓差相平衡，調(diào)節(jié)橫向風(fēng)場均勻性。經(jīng)計算，變徑角狀管側(cè)板適宜的開孔率為12.23%～26.04%，依據(jù)孔板占比尺寸，確定3種開孔率分別為12.23%、19.14%和26.04%，結(jié)合變徑角狀管側(cè)板尺寸范圍，設(shè)計不同開孔率所對應(yīng)的微孔數(shù)量分別為60、80、100孔，變徑角狀管微孔布局如圖5所示。

2.2.2 角狀管靜力學(xué)分析

實際干燥室內(nèi)充滿稻谷顆粒，變徑角狀管的受力近似均布載荷[25]。利用Ansys 2019R2軟件，對不同開孔率角狀管施加相同的載荷。依據(jù)胡克定律和靜強度、剛度準(zhǔn)則[26-27]，確定角狀管材料Q235，鋼板厚度為3 mm。靜力學(xué)分析如圖6所示，角狀管的應(yīng)力與應(yīng)變大致呈線性關(guān)系，服從塑性變形規(guī)律，差異不大。變徑角狀管的主體承載力主要體現(xiàn)在角狀管頂端折邊區(qū)域。分析表明：在均布載荷的作用下，角狀管易產(chǎn)生微小彎曲變形，角狀管與箱體連接處均產(chǎn)生應(yīng)力集中并延伸。而在變徑角狀管的側(cè)直邊處開微孔，應(yīng)力變化平緩，可以減小局部應(yīng)力集中的問題。因此，微孔數(shù)量80的變徑角狀管的結(jié)構(gòu)特性優(yōu)于其他角狀管。

2.2.3 角狀管內(nèi)風(fēng)速分析

為了方便更換角狀管進行對比試驗，以安裝上進氣角狀管和上排氣角狀管的干燥段為試驗單元。單獨開啟干燥室上段排氣風(fēng)機來測試不同開孔數(shù)角狀管的送風(fēng)效果。調(diào)節(jié)進氣通道風(fēng)速，定點測試沿干燥室進風(fēng)方向（Y軸）布置，風(fēng)速測試方法與圖7方案一致。角狀管內(nèi)風(fēng)速分布趨勢如圖8所示。未開孔角狀管兩端風(fēng)速高，中間位置處的風(fēng)速低，風(fēng)速整體分布不均勻。這是由于進風(fēng)口與出風(fēng)口處風(fēng)壓較大所致。而熱風(fēng)在變徑開孔式角狀管內(nèi)流動，部分氣體可通過角狀管兩側(cè)側(cè)板上的微孔釋出，內(nèi)部風(fēng)速較比未開孔角狀管明顯降低0.2～0.3 m/s，趨于穩(wěn)定，布風(fēng)效果較好。開孔數(shù)80的變徑角狀管的優(yōu)勢明顯，沿進風(fēng)方向風(fēng)速差異較小，最高為0.48 m/s，最低為0.41 m/s，風(fēng)場均勻性較好。結(jié)合角狀管靜力學(xué)分析，可優(yōu)選采用80孔的變徑開孔式角狀管作為干燥室內(nèi)主體通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

2.3 風(fēng)速均勻性分析

2.3.1 試驗方案

為進一步研究變徑開孔式角狀管對干燥室流場均勻性的影響，現(xiàn)采用開孔數(shù)目為80孔的角狀管進行試驗研究。經(jīng)初步測試，設(shè)定熱風(fēng)溫度為40 ～45 ℃，進氣管道風(fēng)速為2.5 ～3.0 m/s。在干燥室外壁開設(shè)螺紋式檢測孔，采用20個管道式風(fēng)速傳感器（北京昆侖遠洋儀表科技有限公司）測定各測量點的風(fēng)速。風(fēng)速測試點位置如圖7所示。

為了便于測量及分析，沿垂直進風(fēng)方向檢測孔距離設(shè)置為100、300、500、700、900 mm，順向進風(fēng)方向檢測孔距離為100、300、500、700 mm，測試深度取0、100、200、300 mm。

2.3.2 干燥室CFD數(shù)值模擬

1）網(wǎng)格劃分與條件設(shè)定

假設(shè)干燥室內(nèi)的介質(zhì)為連續(xù)、穩(wěn)定、不可壓縮牛頓流體，且具有明顯的湍流流動特性，選用工程標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[28]。利用UG軟件對干燥段進行實體簡化建模，選用ICEM中的Hex Dominant/Mixed，劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。依據(jù)干燥機的實際運行參數(shù)，設(shè)定進氣管道風(fēng)速為3.0 m/s，熱介質(zhì)溫度為40 ℃（313.15 K），壓力為0.95×104Pa。選擇SIMPLE算法進行數(shù)值模擬求解，采用二階迎風(fēng)格式，控制殘差在10-4范圍內(nèi)。為了便于分析開孔式角狀管配置的內(nèi)部流場分布情況，選取干燥室代表性特征截面，沿高度方向，自上而下令Z=100、300 mm。本文采用Fluent軟件進行數(shù)值模擬與試驗驗證[29-30]，研究配置變徑開孔式角狀管的干燥室在空載和滿載情況下，負壓混流干燥區(qū)域氣流均勻性，進而檢驗新型干燥機的風(fēng)場效果。

2）干燥室風(fēng)速場數(shù)值模擬結(jié)果

空載速度場分析：如圖9所示，采用變徑開孔式角狀管結(jié)構(gòu)的干燥室內(nèi)X-Y截面速度云圖。在空載條件下，Z=100 mm截面處，除角狀管出風(fēng)口處風(fēng)速較高，其他區(qū)域的風(fēng)速已基本實現(xiàn)均勻分布，平均風(fēng)速在0.65～0.77 m/s。這是由于變徑開孔式角狀管側(cè)板上的微孔可以調(diào)節(jié)熱介質(zhì)的風(fēng)壓，從而降低了角狀管出氣端的風(fēng)速。在Z=300 mm截面處，接近進風(fēng)區(qū)域。熱介質(zhì)流動速度在短距離內(nèi)較高，但在微孔的作用下得以釋放動能，速度降低，風(fēng)場趨于穩(wěn)定，布風(fēng)效果較好。

滿載速度場分析：將水稻層視為多孔介質(zhì)區(qū)，對滿載狀態(tài)下的干燥室進行數(shù)值模擬，可得到X-Y截面速度場模擬結(jié)果。熱介質(zhì)從進風(fēng)口流入，經(jīng)進氣角狀管向出風(fēng)區(qū)域流動。較大風(fēng)速主要在進風(fēng)和出風(fēng)處，干燥室中心區(qū)域風(fēng)速較小。上風(fēng)場（Z=100 mm）受負壓風(fēng)機的影響，較大風(fēng)速在出風(fēng)口處。下風(fēng)場（Z=300 mm）風(fēng)速分布差異性較小，熱介質(zhì)在流動過程中，也受到糧層阻力作用，風(fēng)速漸漸降低。總體來看，干燥室內(nèi)部區(qū)域已實現(xiàn)均勻布風(fēng)，整體風(fēng)速約在0.40～0.57 m/s范圍內(nèi)。

2.3.3 風(fēng)速場均勻性驗證

為檢驗數(shù)值模擬的科學(xué)性，以負壓干燥室為研究對象，驗證在空載和滿載條件下，采用變徑開孔式角狀管時，干燥室內(nèi)的風(fēng)場分布情況，具體試驗方案同2.3.1節(jié)。

1）空載時風(fēng)場均勻性驗證

如圖10a所示，干燥室中心區(qū)域Z=100 mm風(fēng)速明顯趨于平穩(wěn)。角狀管出口區(qū)域風(fēng)速較大，在0.75 m/s～0.93 m/s之間。而其他區(qū)域的風(fēng)速基本實現(xiàn)均勻分布，平均風(fēng)速為0.70 m/s左右。Z=300 mm時，干燥室下方風(fēng)場變化明顯趨于平穩(wěn)，最大值為0.80 m/s，最小值為0.65 m/s，并且分布均勻性良好，上、下風(fēng)場的差異性較小，這與干燥室的數(shù)值模擬結(jié)果相符，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

2）滿載時風(fēng)場均勻性驗證

如圖10b所示，滿載風(fēng)場分布平均風(fēng)速為0.47 m/s，相對于空載情況，其風(fēng)速明顯降低，風(fēng)速不均勻性下降。干燥室上風(fēng)場內(nèi)角區(qū)域的風(fēng)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(fēng)速變化較小，而不同測量位置處的風(fēng)速變化近似相同，差異性也較小，干燥室內(nèi)的風(fēng)場均勻性得到了良好的改善，達到了均勻布風(fēng)的目的。從干燥室下風(fēng)場來看，除出風(fēng)口處風(fēng)速較大約為0.55 m/s，各區(qū)域風(fēng)速相比差別不大，糧層的孔隙度不同會造成局部風(fēng)速的變化，總體來看較大程度改善了干燥室內(nèi)氣流分布的不均勻性。

針對負壓條件下變徑開孔式角狀管能夠改善豎箱式干燥室內(nèi)風(fēng)量分配均勻性的優(yōu)勢，進一步開展水稻保質(zhì)干燥工藝研究，以期解決干燥效率與干后品質(zhì)的問題。

3 水稻負壓干燥參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 材料與設(shè)備

選用齊齊哈爾市龍安橋基地種植的龍粳31水稻作為試驗材料，水稻濕基含水率為21.7%～22.5%（烘箱法）。在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)智能干燥裝備實驗室進行干燥試驗，采用自主研制的5HSN-1型負壓循環(huán)干燥試驗機，如圖11所示。主要由提升機、儲糧室、負壓干燥室、負壓風(fēng)機、排糧絞龍、加熱器、在線水分測試系統(tǒng)等組成。干燥時采用負壓供熱，負壓風(fēng)機和熱風(fēng)進氣通道分別在干燥室的兩側(cè)，熱風(fēng)在負壓風(fēng)機的作用下，向干燥室供熱。

檢測儀器：管道式風(fēng)速傳感器和溫濕度傳感器（北京昆侖遠洋儀表科技有限公司），MTC4型溫濕度傳感器（法國KIMO公司），9000F米粒判別儀（中國CANOSCAN公司），Kett谷物水分測量儀PM-8188New（上海冠唯儀器有限公司），自制爆腰燈等。

3.2 試驗方法

每次試驗均選取850 kg水稻作為試驗樣品（可重復(fù)），試驗前，通過Kett谷物水分測量儀進行3次測量，取平均值作為水稻的初始含水率。熱風(fēng)溫度與表現(xiàn)風(fēng)速由安裝在干燥室側(cè)壁的溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器實時反饋監(jiān)控，排糧輥轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)控。試驗采用混流干燥，實驗室內(nèi)平均溫度為17.5 ℃。試驗開始后，每隔5 min測量水稻的含水率，測量3次取平均值進行記錄，當(dāng)水稻含水率達到14.0%～14.5%時，結(jié)束試驗。

結(jié)合前期試驗，以熱風(fēng)溫度、表現(xiàn)風(fēng)速、初始含水率和排糧輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以干燥速率、爆腰增值率為試驗評價指標(biāo)，如表1所示，通過四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗，分析熱風(fēng)溫度、表現(xiàn)風(fēng)速、排糧輥轉(zhuǎn)速和初始含水率等因素對水稻干燥速率和爆腰增值率的影響規(guī)律，建立回歸方程。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of factor and levels

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果Table 2 Test results

應(yīng)用Design-expert 8.0軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析，剔除不顯著項，分別獲得表現(xiàn)風(fēng)速、熱風(fēng)溫度、排糧輥轉(zhuǎn)速和初始含水率等因素與水稻干燥速率和爆腰增值率間的回歸模型

統(tǒng)計分析得到各因素對干燥速率和爆腰增值率間的方差分析結(jié)果，失擬項不顯著P值均大于0.05，表明回歸方程與試驗擬合較好，能正確反映x1、x2、x3、x4與y之間的關(guān)系。模型顯著性P＜0.01，表明回歸模型在P水平上極顯著相關(guān)，模型成立。

3.3.2 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為了獲得水稻負壓干燥優(yōu)化參數(shù)，結(jié)合水稻干燥生產(chǎn)評價項目中生產(chǎn)率和出米率最為重要，設(shè)定水稻干燥速率和爆腰增值率為評價指標(biāo)，優(yōu)選編碼值-1～1為因素取值范圍[31-32]，采用線性加權(quán)法進行優(yōu)化。由于干燥速率和爆腰增值率均為重要指標(biāo)，取加權(quán)值η1和η2各為0.50。因目標(biāo)函數(shù)各自量綱不同，為此采用線性功效系數(shù)法，將各目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為無量綱函數(shù)，再利用各自目標(biāo)回歸方程進行綜合優(yōu)化。

式中P為綜合評價函數(shù)，η1，η2為加權(quán)值。

應(yīng)用Design Expert軟件處理進行加權(quán)綜合優(yōu)化，得到水稻負壓干燥的優(yōu)化工藝參數(shù)為：表現(xiàn)風(fēng)速為0.75 m/s，熱風(fēng)溫度為40℃，排糧輥轉(zhuǎn)速為3.2 r/min，初始含水率為16.9%時，干燥速率為1.407%/h，爆腰增值率為0.574%，綜合評分為0.86。為驗證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用上述工藝參數(shù)，重復(fù)5次干燥驗證試驗，測得平均干燥速率為1.309%/h，平均爆腰增值率為0.612%，驗證值與優(yōu)化值的相對誤差為6.2%～7.4%，模型有效。

3.4 干燥品質(zhì)評價

水稻干后品質(zhì)分析與評價能夠較好地反映出干燥方式的優(yōu)劣。因此，以龍粳31號水稻作為試驗材料，在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下，對比配置變徑開孔式角狀管與常規(guī)角狀管干燥的水稻進行品質(zhì)檢測，利用國家雜糧工程技術(shù)中心（糧食品質(zhì)檢測實驗室）的儀器分析水稻品質(zhì)（糙碎率、整精米率、蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量、食味值）變化情況，采用Shizuoka seiki ES-1000谷粒識別儀測定整精米率及糙碎率，采用JSWL型大米食味計測定食味值、蛋白質(zhì)含量以及直鏈淀粉含量。并與農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心提供的標(biāo)準(zhǔn)樣品（自然風(fēng)干）進行對照，如表3所示。

可以看出，配置變徑開孔式角狀管干燥后稻谷的整精米率比配置常規(guī)角狀管提高了10.85%，較自然風(fēng)干樣品提高了7.21%，而糙碎率較比常規(guī)角狀管降低約47%和自然風(fēng)干相差不大。同時，稻米的蛋白質(zhì)含量與配置常規(guī)角狀管干燥測試相比變化不大，與自然風(fēng)干樣品接近，均在標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)范圍內(nèi)。而直鏈淀粉含量比常規(guī)角狀管降低了6.63%。配置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角狀管干燥后稻米的食味值變化不大，分值為81，略高于常規(guī)角狀管。檢驗表明：在優(yōu)化干燥工藝參數(shù)條件下，采用變徑開孔式角狀管的干燥室可降低稻米糙碎率，提高整精米率，降低直鏈淀粉含量，從而增加稻米的食味值，保證了水稻烘后品質(zhì)，獲得優(yōu)質(zhì)稻米。

表3 不同干燥型式水稻品質(zhì)變化Table 3 Rice quality changes in different drying type

4 結(jié) 論

1）以不可逆熱力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了水稻負壓干燥特性模型，并通過試驗準(zhǔn)確描述了水稻水分比和干燥速率隨干燥時間變化的規(guī)律，驗證了水稻負壓干燥特性模型的可靠性。為水稻負壓干燥設(shè)備的研制、工藝參數(shù)優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。

2）設(shè)計了一種變徑開孔式角狀管，利用Ansys軟件對不同開孔率的角狀管進行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：當(dāng)角狀管開孔數(shù)目為80孔時，能夠良好地反映出應(yīng)力與應(yīng)變的正比例關(guān)系。風(fēng)速均勻性試驗結(jié)果表明：當(dāng)角狀管開孔數(shù)目為80孔時，風(fēng)場均勻性較好。

3）采用Fluent分析軟件，對變徑開孔式角狀管時的干燥段內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明：采用變徑開孔式角狀管后，風(fēng)場均勻性得到良好改善。并且增強了熱風(fēng)的流動性，實現(xiàn)風(fēng)速場均勻分布。并通過風(fēng)場試驗驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

4）通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗確定了水稻負壓干燥的優(yōu)化工藝參數(shù)為：表現(xiàn)風(fēng)速為0.75 m/s，熱風(fēng)溫度為40 ℃，排糧輥轉(zhuǎn)速為3.2 r/min，初始含水率為16.9%時，干燥速率為1.407%/h，爆腰增值率為0.574%，驗證值與優(yōu)化值的相對誤差為6.2%～7.4%，擬合良好，檢驗水稻干燥后品質(zhì)指標(biāo)優(yōu)良。