一種新型混流式循環(huán)谷物干燥機的研制

李呈林，孫東旺，何立其

（中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 051430）

農(nóng)業(yè)機械裝備是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。推進農(nóng)業(yè)機械裝備發(fā)展是提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率、資源利用率的客觀要求，是支撐農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展、農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和國際競爭力提升的現(xiàn)實需要。我國年總產(chǎn)糧食超過6×108t。據(jù)國家糧食局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國糧食收獲后每年因氣候潮濕、寒冷來不及曬干或未達到安全水分造成霉變、發(fā)芽等儲存環(huán)節(jié)損失的糧食高達200×108kg，占生產(chǎn)總量的4%。谷物干燥的機械化是谷物豐產(chǎn)、豐收的重要保障條件。本文主要針對糧食干燥，設(shè)計開發(fā)了一種大型循環(huán)式混流谷物干燥機，以滿足谷物機械化干燥的需求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

批式循環(huán)干燥機是分批次對糧食進行烘干。糧食在烘干過程中，不斷地在設(shè)備內(nèi)部循環(huán)運轉(zhuǎn)，在烘干、緩蘇的過程中，糧食內(nèi)外部水分不斷向外界轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)對糧食的烘干，最終達到糧食干燥的目的。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

循環(huán)式谷物干燥劑主要由底座、排糧機構(gòu)、干燥段、緩蘇段、提升機、排塵系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、熱風(fēng)爐等組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 循環(huán)式谷物干燥機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of circulating grain dryer

1.2 工作原理

循環(huán)式谷物干燥機工作原理為，濕糧通過提升機送入干燥機內(nèi)部，過程中經(jīng)過緩蘇段、干燥段、排糧機構(gòu)，干燥機頂部裝有料位器，濕糧到達指定位置時自動發(fā)出警示信號，自動停止進糧。干燥作業(yè)過程中，引風(fēng)機將熱干空氣送入干燥段，正壓熱風(fēng)從中間風(fēng)道進入兩側(cè)的干燥單元，熱風(fēng)穿過角狀盒的過程中與糧食接觸，完成熱交換，將水分帶走，最后進入左右兩側(cè)的廢氣通道，在排潮風(fēng)機的作用下將水分和灰塵及雜質(zhì)排出。作業(yè)時，干燥機內(nèi)部的濕糧不斷循環(huán)受熱，在線水分檢測儀實時檢測糧食水分，當水分達到設(shè)定值時，自動停止干燥，經(jīng)過冷卻后，將糧食排出干燥機。

2 干燥機設(shè)計與計算

該產(chǎn)品主要針對玉米的烘干作業(yè)，兼顧水稻、小麥等作物的烘干。設(shè)計條件設(shè)定為標準大氣壓下，環(huán)境溫度15℃，相對濕度70%，批處理量Gp為50 000 kg，初設(shè)糧食初始含水率為30%、干燥處理后的目標水分為14%，批干燥處理時間為12 h，其他各項性能指標符合JB/T10268-2011要求。

2.1 主要參數(shù)計算

2.1.1 凈容積

式中：V——總?cè)莘e，m3；P——批次處理量，kg；ρ——玉米堆積密度，kg/m3，

依據(jù)《谷物干燥機》（DG/T 017—2016）的基本要求規(guī)定“批處理量：干燥前按設(shè)計容量一次裝滿循環(huán)式干燥機的一批濕物料質(zhì)量，以稻谷密度0.56 t/m3計算”。P取設(shè)計值50 000 kg，代入公式（1）中得：V=89.3 m3。

2.1.2 干燥能力

式中：Gt——干燥機小時干燥能力，t·1%（H2O）/h；Gp——每批干燥谷物質(zhì)量，t；τ——每批干燥的干燥時間，h；M1——玉米初始含水率，%；M2——玉米干后含水率，%。

根據(jù)設(shè)計輸入條件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分別代入公式（2）得：Gt=66.7t·1%（H2O）/h。

2.1.3 蒸發(fā)水量

每小時去水量

式中：W——蒸發(fā)水量，t；Wh——干燥機去水量，t/h；τ——每批干燥的干燥時間，h。

根據(jù)設(shè)計輸入條件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分別代入公式（3）、公式（4）得：Wh=0.775 t/h。

2.1.4 空氣介質(zhì)消耗量

由質(zhì)量守恒定律可知，干燥過程中糧食的絕干物質(zhì)和絕干熱空氣的量是不變的，其質(zhì)熱平衡方程為

式中:d1，d2——熱空氣進、出干燥室時的濕含量，kg/kg（干空氣），取進入干燥室空氣溫度為外界環(huán)境溫度15℃，相對濕度70%，出干燥室的廢氣溫度為40℃，相對濕度為60%；L——絕干空氣量，kg/h。

根據(jù)設(shè)計輸入條件，查焓濕圖d1=0.007 56 kg/kg（干空氣），d2=0.029 05 kg/kg（干空氣），代入公式（5）：L=360 63 kg/h，查表知設(shè)計條件下的空氣密度為1.225 kg/m3，則空氣的體積流量為29 439 m3/h。

2.2 產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 干燥段設(shè)計

干燥段采用4 層疊加結(jié)構(gòu)，中間為熱風(fēng)進口，正壓送風(fēng)道，兩側(cè)對稱布置干燥單元，左右兩側(cè)為排潮風(fēng)道。干燥單元采用角狀盒結(jié)構(gòu)、混流干燥形式，角狀盒上下交替布置，確保熱風(fēng)均勻流動、熱風(fēng)與谷物均勻接觸，使得糧食在干燥過程中能夠均勻受熱，避免干燥速率太快而造成品質(zhì)下降及干燥后糧食水分不均現(xiàn)象。為減少正壓熱風(fēng)造成灰塵從設(shè)備縫隙溢出，在排潮風(fēng)道末端設(shè)置軸流風(fēng)機，將水分及干燥過程中產(chǎn)生的灰塵和雜質(zhì)及時排出，優(yōu)化產(chǎn)品性能。

2.2.2 緩蘇段設(shè)計

緩蘇段主要用于干燥過程中的糧食階段性自然冷卻，實現(xiàn)內(nèi)外部水分的有序轉(zhuǎn)移，防止糧食連續(xù)受熱，內(nèi)外部水分差異過大，造成糧食破碎率、裂紋率增加，降低糧食品質(zhì)。緩蘇段設(shè)計為3.6 m×3.6 m的大截面、框架式疊加結(jié)構(gòu)，主要由前后側(cè)板、左右側(cè)板、拉筋、上蓋板等組成，內(nèi)部采用三縱三橫拉筋布置，提高結(jié)構(gòu)強度和剛度，前后側(cè)板設(shè)計視窗框，方便觀察內(nèi)部糧食位置；設(shè)備頂部設(shè)計料位器，保證糧食達到裝載容量要求時，準確發(fā)出預(yù)警信號；在頂部入糧口設(shè)計分糧盤，確保糧食在設(shè)備內(nèi)均勻分布。

2.2.3 排糧機構(gòu)設(shè)計

排糧機構(gòu)為模塊式組裝結(jié)構(gòu)，主要由排糧左右側(cè)板、排糧前后側(cè)板、排糧斜撐、中間排糧前后側(cè)板組焊件，排糧六葉輪、鏈輪罩、電機等組裝而成。排糧機構(gòu)整體為對稱式結(jié)構(gòu)，左右兩端各設(shè)有3 個排糧六葉輪、排糧斜板60°設(shè)置，糧食在塔內(nèi)同一截面排糧速度相同，確保干燥均勻。糧食在干燥段干燥完成后，進入排糧機構(gòu)，排糧六葉輪在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，順勢進入皮帶機，在皮帶機的帶動下進入提升機進料口，開啟糧食的再次干燥。

2.2.4 提升機設(shè)計

選用斗式提升機是一種用密集排列的掛斗垂直輸送物料的提升設(shè)備，其主要有主機箱、從動機箱、提升機機筒、放糧筒等組成。主機箱設(shè)有三通閘門，可以實現(xiàn)糧食機內(nèi)循環(huán)、放糧功能的切換；從動機箱兩側(cè)各設(shè)置一個進料斗，分別實現(xiàn)設(shè)備進糧和機內(nèi)糧食循環(huán)；從動機箱上部的機箱上設(shè)置有在線水分檢測儀，對干燥中得糧食進行實時檢測；機筒采用雙筒形式，內(nèi)部有畚斗和提升皮帶。綜合考慮該機型的批處理量、提升機提升能力冗余、非均勻性進糧等因素，提升機產(chǎn)能設(shè)計為55 t/h。

2.3 主要設(shè)備選型

2.3.1 風(fēng)機選型

風(fēng)機是干燥機的關(guān)鍵設(shè)備，工作中為干燥機提供源源不斷的動力。風(fēng)機選型中主要涉及到風(fēng)量、風(fēng)壓、結(jié)構(gòu)型式等3個方面。風(fēng)機的壓力包括：風(fēng)機的動壓hd及靜壓力hj（谷層阻力hg，沿程壓力阻力，管道各項壓力損失∑hs等）2部分。

動壓力

式中：γ——熱介質(zhì)密度，根據(jù)20℃的γ20進行換算，γ20=1.205；V——風(fēng)機出口速度，初選V=17 m/s。

將上述數(shù)據(jù)代入公式（7）中得hd=174 Pa。

谷層阻力

式中：lg——谷層厚度；μ——通過糧層的平均風(fēng)速；a、b——與谷粒大小、含水率有關(guān)的系數(shù)，取a=311，b=344。

將干燥機的上述參數(shù)代入式（8）中得hg=291 Pa。

局部損失之和

式中：ξ——局部損失系數(shù)，取ξ1=0.49，ξ2=1.5。

將上述參數(shù)代入公式（10）中得∑hs=346.5 Pa。

風(fēng)機的壓力為（各部分壓力均取整，另此結(jié)構(gòu)下的沿程壓力阻力可以忽略不計）

根據(jù)干燥作業(yè)時介質(zhì)的體積流量Q為29 439 m3/h，考慮到熱風(fēng)機的風(fēng)量要求，選用4-72-10C 的離心風(fēng)機，流量為25 101～35 134 m3/h，壓力為1 225～970 Pa，功率為15 kW?？紤]到干燥機排濕排潮的需要，在干燥段排廢氣兩端各布置一臺排濕排潮風(fēng)機，選用SWF-Ⅰ-NO7 的混流風(fēng)機，其轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，流量為18 800～11 780 m3/h，壓力329～470 Pa，功率4 kW。

2.3.2 熱源設(shè)備選型

供熱量按小時去水量和單位熱耗量計算

式中：H——熱風(fēng)爐供熱量；W——小時去水量，775 kg/h；qr—干燥機單位熱耗，是指蒸發(fā)1 kg水所消耗的熱量，為經(jīng)驗取值，取qr=4 300 kJ/kg·H2O。

則上述數(shù)據(jù)代入式（11）中得，熱風(fēng)爐供熱量H≈7.96×105Kcal/h。

為響應(yīng)國家環(huán)保要求，選用直燃式天然氣熱風(fēng)爐，其熱效率通常在90%以上，考慮到市場上燃氣爐的型號，最終選用供熱量376.73×104kJ/h天然氣爐，則設(shè)備的單位耗熱量為4 860 kJ/kg·H2O。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場實際使用驗證和鑒定機構(gòu)的專業(yè)鑒定可獲得以下結(jié)論。

該型號循環(huán)式干燥機滿足設(shè)計目標要求，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，能夠滿足谷物干燥要求，設(shè)計方法可行，對類似新產(chǎn)品的研發(fā)工作具有實際指導(dǎo)作用。

產(chǎn)品鑒定過程中，設(shè)備的單位耗熱量為5 360 kJ/kg·H2O，符合相關(guān)標準要求，但與理論計算值4 860 kJ/kg·H2O相比有較大出入，說明設(shè)備的實際工況條件對產(chǎn)品實際性能還是有較大影響，在理論設(shè)計時要盡可能貼近實際工況條件。

設(shè)備實際工況復(fù)雜多樣，不同的環(huán)境因素、作業(yè)對象、人為因素等均會對設(shè)備性能產(chǎn)生影響，這就需要有更加先進的設(shè)計方法、理論基礎(chǔ)去推動產(chǎn)品性能的改進，提升產(chǎn)品智能化、信息化水平。