谷物深床干燥技術(shù)分析

田新慶,陳武東,溫海江,吳多峰,張佳麗

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

糧食是國家發(fā)展的基礎(chǔ),同時也是保證人民生活的重要支撐,為了保障社會穩(wěn)定和國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展,保障糧食安全具有重要意義。谷物干燥是糧食存儲的重要技術(shù)保障,可以防止糧食在存儲和運輸過程中發(fā)生霉變[1]。

研究過程中,谷物干燥技術(shù)存在熱效率低、干燥過程難以控制及品質(zhì)難以保障等問題,尤其是干燥控制技術(shù)和水分在線檢測技術(shù)是谷物干燥產(chǎn)業(yè)的薄弱環(huán)節(jié),主要是由于理論研究不夠深入,尤其在能量控制、水分波動和工況參數(shù)不穩(wěn)定等方面擾動因素十分復雜,制約了谷物干燥技術(shù)的進一步發(fā)展[2-3]。

深床干燥技術(shù)與薄層干燥存在較大的差異,深床內(nèi)干燥介質(zhì)及相關(guān)參數(shù)的變化無法用傳統(tǒng)的薄層干燥理論解析,在干燥過程中大氣條件、介質(zhì)流動狀態(tài)和工況參數(shù)變化等多種不確定因素都會影響深床干燥效率,深床干燥過程中會存在高溫、高濕和高粉塵等特點[4-6],無法完全依賴物理測定技術(shù)進行干燥過程的控制,難以有效指導深床干燥系統(tǒng)的設(shè)計及干燥性能的評價。針對以上問題,本研究對深床干燥理論模型及狀態(tài)參數(shù)變化方程進行分析,解釋干燥系統(tǒng)特征,為谷物干燥技術(shù)的發(fā)展與控制提供理論基礎(chǔ)。

1 深床干燥過程特征

深床干燥過程與薄層干燥過程存在較大的差異,深床干燥過程中,干燥介質(zhì)在干燥層內(nèi)屬于連續(xù)變化狀態(tài),不能假定為穩(wěn)定狀態(tài),并且干燥系統(tǒng)和過程存在以下典型干燥特征:1)干燥品質(zhì)、能耗和干燥效率會受到糧食特征和干燥介質(zhì)流動特征、物理特征和干燥操作方式的影響,如連續(xù)干燥、間歇干燥、干燥緩蘇比和風量谷物比等因素都會對干燥效果產(chǎn)生影響;2)深床內(nèi)干燥介質(zhì)的流動狀態(tài)受到外部通風方式、干燥系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和容積大小的影響;3)深床干燥過程參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和工藝特征參數(shù)等相互制約、相互影響,在干燥過程中會存在非線性和多種擾動因素耦合條件,干燥內(nèi)部會存在大量粉塵并且實時變動,因此很難通過物理檢測方式獲得精準的參數(shù)變化,實現(xiàn)干燥過程參數(shù)的實時調(diào)控。

2 深床干燥特性表達

2.1 干燥物理模型

深床干燥過程中,按照熱風氣流與糧食的流動方式可以分為順流干燥(圖1a)、逆流干燥(圖1b)、橫流干燥(圖1c)和靜置層干燥(圖1d)等多種干燥方式,基本物理模型如圖1所示[7]。

注:T0是進氣溫度,K;d0是進氣含濕量,kg·kg-1;T1是排氣溫度,K;d1是排氣含濕量,kg·kg-1;M0是進機糧含水率,%;M1是出機糧含水率,%;z是干燥層厚度坐標,m。圖1 深床干燥物理模型示意圖

2.2 理論表達模型

深床干燥內(nèi)干燥介質(zhì)處于連續(xù)變化狀態(tài),在不同位置其干燥條件也存在一定的差異性。由于深床干燥過程中糧食干燥水分汽化、蒸發(fā)及水分遷移過程都需要消耗熱量。目前,構(gòu)建相關(guān)模型主要是將單一谷物顆粒作為個體,其服從指數(shù)模型或者球模型。目前,研究學者開展了大量理論模型研究?？傮w而言,單顆谷物籽粒的干燥特性服從指數(shù)模型,存在個體差異的群體顆粒構(gòu)成薄層干燥指數(shù)模型,因此,由一群薄層谷物堆積而成深層干燥特性模型也存在一定的理論意義,能夠表征其綜合去水特征的指數(shù)模型如式(1)所示

(1)

(2)

式中,ki為干燥系統(tǒng)的特征參數(shù),是為了表征谷物干燥層內(nèi)部混合物料的平均去水特征常數(shù),主要受到糧食種類、干燥溫度和濕度的影響。平衡含水率同樣也是溫度和濕度的函數(shù),這些參數(shù)主要受到系統(tǒng)內(nèi)部放熱及干燥接觸面積的影響,不同深床干燥系統(tǒng)數(shù)值都需要經(jīng)過相關(guān)試驗獲得參數(shù)。

3 深床干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化特征

3.1 狀態(tài)參數(shù)變化及干燥熱效率

在谷物干燥過程中,干燥系統(tǒng)內(nèi)部谷物的去水量等于干燥介質(zhì)的增濕量,在定壓狀態(tài)下,干燥介質(zhì)從干燥加熱器內(nèi)獲取的熱量全部體現(xiàn)在自身焓的變化,假定將環(huán)境介質(zhì)從狀態(tài)0等濕加熱到狀態(tài)1后,進入干燥系統(tǒng),對谷物進行熱質(zhì)交換,并且在狀態(tài)2的情況下排出系統(tǒng),干燥自然空氣在加熱裝置中獲得的熱量q-h1-h0,這部分熱量損失主要為以下3個方面:

1)干燥介質(zhì)經(jīng)過干燥裝置時的熱損失,主要包括谷物升溫吸收熱量、機器散發(fā)熱量及機器內(nèi)部介質(zhì)慣性流動的熱損失等,表達式為qx=h1-h2;

3)排氣熱量損失,表達式為qp=h2-h0。

因此,谷物干燥系統(tǒng)熱效率可以表示如式(3)所示

(3)

谷物干燥熱效率是評價谷物干燥系統(tǒng)工作性能的重要指標,干燥熱效率與干燥過程、操作參數(shù)、排糧速度和干燥時間有關(guān)。正確、合理地評價谷物干燥系統(tǒng)的熱效率,對于實現(xiàn)谷物干燥機高效節(jié)能具有重要的指導意義。

3.2 排氣飽和溫度

設(shè)置谷物干燥進風溫度為t12,干燥環(huán)境介質(zhì)的定壓比熱為cp,根據(jù)干燥室最小熱損失換算出濕料升溫比熱為cgz,在干燥效率極限值可以視為糧食的升溫吸熱,同時將干燥室內(nèi)其他熱損失換算成谷物升溫熱損失,稱為干燥室熱損比熱,用π表示,此時深床干燥對應最大熱效率ηmax時的排氣溫度存在以下熱平衡,表達式如式(4)所示

(4)

由此可得式(5)

tw2=t1-ηmax(t1-t0)-cgz(tg-tg0)/πcp

(5)

式中,cp(t1-tw2)是1 kg熱風的顯熱,cp(t1-t0)是1 kg熱風攜帶的總熱量,cgz(tg-tg0)/π是1 kg熱風的顯熱消耗在(1/π)kg谷物上的熱量。

在計算深床谷物干燥室的熱損失時,采用干燥室熱損比熱cgz表示,cgz=cg(1+ΔS3/Δqg),ΔS3表示除谷物外的其他熱損失,(ΔS3/Δqg)表示其他熱損失占谷物升溫熱損失的熱量倍數(shù)。

綜上所述,得到熱平衡式如式(6)所示

tw2=t12-ηmax(t12-t0)-cgz(tg-tg0)/πcp

(6)

按照比焓和含濕量計算公式,基于t12計算干燥室無熱損且排氣濕度為100%時的排氣溫度tw2。在0.1 MPa時的汽化潛熱系數(shù)γ與蒸發(fā)溫度t之間存在以下關(guān)系,如式(7)所示

γ=-2.42t-2 500

(7)

3.3 干燥常數(shù)

k屬于系統(tǒng)的特征量,主要與谷物干燥室容積、干燥工藝方式、風量谷物比、谷物和介質(zhì)條件(溫度、濕度等)有關(guān),主要取決于干燥系統(tǒng)的定性溫度、定性濕度的特征量,即使谷物干燥層內(nèi)介質(zhì)的溫度、濕度沿谷物層分布完全一致,干燥室進、排氣條件參數(shù)相同,k值也會存在不同。因此,將k作為干燥系統(tǒng)熱、濕條件參數(shù)的函數(shù),需要通過試驗獲得在特定系統(tǒng)內(nèi)的變化規(guī)律。

3.4 定性平衡含水率參數(shù)

谷物干燥的平衡含水率主要受到介質(zhì)溫度、濕度條件的影響,該參數(shù)是對應特定的溫度、濕度條件下干燥所能進行的極限,作為界定物料中自由水分含量的基準。在深床干燥中,不同層內(nèi)干燥介質(zhì)都處于時刻變化過程中,在不同的深床位置,谷物的平衡含水率會存在較大的差異性,因此,干燥速率也會存在不同,在深床不同位置介質(zhì)條件對應相應的數(shù)值,目前相關(guān)研究均表明,谷物干燥速率均服從擴散模型,自由水分的變化可以表達為指數(shù)模型,因此,基于相應的擴散模型和指數(shù)模型就可以得到表達深床總體平均干燥特征的定性平衡含水率,對應特定的深床干燥過程的平衡含水率得到確定的常數(shù),稱為定性平衡含水率,基于干燥常數(shù)和谷物的自由含水率,就可以確定深床干燥層內(nèi)實際在相際交換水分含量,進而獲得谷物深床干燥過程分析解。

3.5 定性溫度和定性濕度

深床谷物干燥表現(xiàn)現(xiàn)象主要是指不同的深床位置內(nèi)物料的共同去水特征,是表達深床干燥特性模型中及其量綱中都含有物料的干燥常熟k和平衡含水率Me。干燥常熟k和平衡含水率Me隨著干燥介質(zhì)溫度和濕度的變化而逐漸變化。由于深床干燥層內(nèi)不同層深位置介質(zhì)溫度、濕度不同,因此谷物干燥條件也會存在較大的差異性。為了揭示深床干燥特性,需要在模型中正確輸入谷物和介質(zhì)條件,能夠客觀、真實地反映相關(guān)參數(shù)的平均值,并將其作為常數(shù),稱為定性溫度和定性濕度。

4 結(jié)論

本研究以谷物深床干燥為研究對象,針對深床干燥過程中由于介質(zhì)流動、物料狀態(tài)變化、熱量傳遞波動即高溫粉塵等多種擾動因素難以直接進行測量等問題,對深床干燥過程中關(guān)鍵參數(shù)模型表達進行闡述,以期為深床干燥理論模型提供參考。未來應進一步解析模型中的更多參數(shù),如有效傳質(zhì)、有效換熱系數(shù)等過程參數(shù),并結(jié)合流體力學、散粒物料等運動學軟件共同開展深床干燥理論分析,為谷物干燥設(shè)備的研制提供更多的方案參考。