大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

車 剛，陳武東，吳春升，李海龍，金中波，萬 霖（. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 6339；. 黑龍江省農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械化研究所，佳木斯 54004）

大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

車 剛1，陳武東2，吳春升2，李海龍1，金中波1，萬 霖1
（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)副產(chǎn)品加工機(jī)械化研究所，佳木斯 154004）

為了降低一次能源的消耗和提高玉米等糧食干燥產(chǎn)能，結(jié)合寒區(qū)高水分玉米干燥特性，以負(fù)壓干燥原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)。該機(jī)采用負(fù)壓多級(jí)順流緩蘇結(jié)合的干燥方式，將并聯(lián)式擴(kuò)張口型風(fēng)機(jī)和變徑角狀管相結(jié)合，協(xié)調(diào)冷風(fēng)配額調(diào)控機(jī)構(gòu)，應(yīng)用多傳感器實(shí)時(shí)采集在線工作參數(shù)，配合自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大宗糧食的智能保質(zhì)干燥生產(chǎn)。該文詳細(xì)進(jìn)行了干燥參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計(jì)算，可為負(fù)壓干燥機(jī)的設(shè)計(jì)和綜合評(píng)價(jià)提供。生產(chǎn)試驗(yàn)表明，該機(jī)工作性能優(yōu)良，節(jié)能顯著，烘干品質(zhì)好，單位質(zhì)量成本低，自動(dòng)化程度高。有效控制干燥機(jī)出糧水分偏差小于等于±0.5%w.b，與傳統(tǒng)正壓送風(fēng)式干燥機(jī)相比，節(jié)省能耗20%以上，降低生產(chǎn)成本12%以上。該干燥機(jī)各項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo)完全符合農(nóng)場(chǎng)集約化和規(guī)?；稍镒鳂I(yè)要求，可為開發(fā)節(jié)能糧食智能化干燥機(jī)型提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；控制；自控干燥機(jī)；負(fù)壓；試驗(yàn)

0 引 言

節(jié)能減排是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措，“十二五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗力爭(zhēng)降低30%左右，提高能源的利用效率，以降低一次能源的消耗和提高單位能耗的產(chǎn)值是干燥節(jié)能關(guān)鍵[1]。中國(guó)谷物烘干技術(shù)發(fā)展有近40多年的歷史，干燥設(shè)備行業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)入較成熟的發(fā)展階段，能夠比較好地滿足各個(gè)領(lǐng)域用戶的實(shí)際需要，但是與國(guó)外相同產(chǎn)品相比，技術(shù)含量低，自動(dòng)化水平低，而且耗能高，成熟機(jī)型不多[2]。缺乏適合農(nóng)機(jī)專業(yè)戶、種糧大戶及村組使用的大中型節(jié)能烘干機(jī)械。自2000年以來，中國(guó)在東北地區(qū)投資建設(shè)的187套糧食烘干系統(tǒng)，其中順流糧食干燥機(jī)占有一定的比重。順流干燥機(jī)具有干燥均勻，直接供熱單位熱耗低，生產(chǎn)率高的特點(diǎn)。但是對(duì)提升糧食品質(zhì)，到達(dá)節(jié)能減排要求，降低環(huán)境污染等方面存在缺陷[3-4]。因此，從高溫糧食干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)和工藝出發(fā)，實(shí)現(xiàn)糧食干燥行業(yè)節(jié)能與保質(zhì)工藝的有機(jī)結(jié)合是發(fā)展現(xiàn)代干燥技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外負(fù)壓干燥技術(shù)的應(yīng)用較局限[5-9]，本文將負(fù)壓送風(fēng)技術(shù)應(yīng)用在大型糧食干燥系統(tǒng)中。負(fù)壓干燥利用微壓原理，可以部分解決干燥過程的內(nèi)控問題。負(fù)壓技術(shù)有利于收集籽粒產(chǎn)生的粉塵，創(chuàng)造優(yōu)良生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。負(fù)壓送風(fēng)過程的靜壓和動(dòng)壓損失較小，節(jié)省電能消耗，且更易于控制風(fēng)量和調(diào)整熱風(fēng)介質(zhì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能化控制。基于上述優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并研制出大型負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 設(shè)計(jì)思想與依據(jù)

現(xiàn)代干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與制造體現(xiàn)綠色、節(jié)能、智能和高效的理念。負(fù)壓干燥機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)從三方面考慮：1）干燥工藝。適宜的工藝形式?jīng)Q定了干燥機(jī)總體結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)行質(zhì)量。2）節(jié)能效果。節(jié)能程度是衡量現(xiàn)代干燥機(jī)的重要指標(biāo)。送風(fēng)形式、自動(dòng)化程度和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化皆能提升節(jié)能優(yōu)勢(shì)。3）干后糧食品質(zhì)。糧食品質(zhì)與熱風(fēng)溫度、表現(xiàn)風(fēng)速和干燥時(shí)間等干燥參數(shù)有關(guān)，更與干燥機(jī)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)分布均勻性關(guān)系密切。干燥參數(shù)能夠通過自控系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)，但是內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的均勻性是由干燥段內(nèi)角狀管結(jié)構(gòu)及布局決定。因此，確定合理干燥工藝、保持糧食干燥品質(zhì)和節(jié)能、節(jié)本增效是干燥機(jī)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

1.1 多級(jí)順流熱風(fēng)干燥工藝

在順流干燥過程中，熱介質(zhì)始終與溫度最低、水分最大的濕谷物接觸，由于溫差較大，谷物溫度迅速達(dá)到濕球溫度，且谷物受高溫加熱時(shí)間較短，而受中溫加熱的時(shí)間較長(zhǎng)，故其干燥質(zhì)量較好。順流干燥溫度變化如圖1所示。虛線為熱介質(zhì)溫度，實(shí)線為谷物溫度。在275 ℃的熱風(fēng)順流干燥下，谷物的溫升隨厚度的增加不明顯。隨深度的增加谷物的溫度逐漸降低。因此，順流干燥易于滿足快速干燥的需求[10]。

圖1 順流干燥溫度變化Fig.1 Temperature variation of cocurrent flow drying

順流干燥須結(jié)合緩蘇干藝，才能達(dá)到內(nèi)外并濟(jì)的效果。在順流降水后，顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生水分梯度，顆粒表面水分比顆粒內(nèi)部低，如保持恒定脫水速率，導(dǎo)致谷物顆粒內(nèi)控問題嚴(yán)重。緩蘇環(huán)節(jié)實(shí)際是“保溫堆放”，使谷物顆粒內(nèi)部水分均勻一致，提高谷物進(jìn)入下一個(gè)干燥段的去水速率。多級(jí)順流干燥緩蘇結(jié)合工藝如圖2所示。

圖2 多級(jí)順流干燥緩蘇工藝原理Fig.2 Principle of multistage cocurrent flow drying and tempering process

結(jié)合北方地區(qū)玉米收獲期的生理特性（水分高達(dá)30%以上），依據(jù)順流深床降水試驗(yàn)確定5級(jí)順流緩蘇干燥工藝。玉米靠自重在機(jī)內(nèi)緩慢向下流動(dòng)，干燥介質(zhì)通過角狀管向下穿透谷層，實(shí)現(xiàn)玉米與熱風(fēng)的質(zhì)熱量交換。玉米和熱風(fēng)一直處于并行不間斷地連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)。假設(shè)玉米初始含水率為M0，玉米經(jīng)過第一級(jí)干燥段后含水率降至M1，經(jīng)過大空間的容積段緩蘇后，糧食顆粒內(nèi)部水分梯度得到緩和并趨向均勻一致。由M1的含水率狀態(tài)進(jìn)入第二級(jí)干燥段。依次經(jīng)過5段干燥和緩蘇，經(jīng)冷卻定水，到達(dá)安全水分。干燥過程中起降水作用的是高溫和低溫順流干燥段，冷卻段也能去除一小部分水分，儲(chǔ)糧段和緩蘇段不起降水作用。

1.2 負(fù)壓送熱風(fēng)節(jié)能模式

負(fù)壓送風(fēng)式結(jié)構(gòu)使干燥機(jī)主機(jī)箱體內(nèi)空氣密度低，流動(dòng)熱介質(zhì)的壓強(qiáng)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其相對(duì)濕度也會(huì)隨介質(zhì)壓力的下降而降低，從而使干燥介質(zhì)接納水分的能力增強(qiáng)，同時(shí)玉米籽粒的溫度也持續(xù)降低，進(jìn)而增強(qiáng)了玉米與介質(zhì)間的傳熱傳質(zhì)效率，利于解決干燥過程的內(nèi)控問題。該技術(shù)不僅保證玉米等熱敏性物料的干燥品質(zhì)，而且顯著降低干燥能耗，在節(jié)能減排方面效果顯著。

負(fù)壓送風(fēng)是吸入式原理，負(fù)壓總壓力包括動(dòng)壓hd和靜壓hj，動(dòng)壓hd是根據(jù)風(fēng)道的風(fēng)速大小來計(jì)算。根據(jù)測(cè)算，負(fù)壓風(fēng)機(jī)的流速低于正壓風(fēng)機(jī)，因此，動(dòng)壓較正壓小。靜壓力由風(fēng)道各部分阻力及谷層阻力等組成。其靜壓力較比正壓送風(fēng)方式小的多，這主要是由于負(fù)壓干燥的沿程壓力和局部壓力損失小。因此節(jié)省能耗。正壓式通風(fēng)的局部損失系數(shù)ψ1為0.84～0.90，負(fù)壓式局部損失系數(shù)ψ2為0.41～0.46[10]。谷層阻力hg主要由干燥機(jī)工作參數(shù)和谷物特性參數(shù)決定，沿程壓力損失和局部壓力損失由送風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)與管道材料特性決定。

式中hg為谷層阻力，Pa；he為沿程壓力損失，Pa；hs為局部壓力損失，Pa。

正壓送風(fēng)時(shí)，箱體內(nèi)部壓力大于外界大氣壓，造成粉塵較大，尤其烘干雜質(zhì)較多的谷物時(shí)，易出現(xiàn)噴塵現(xiàn)象[10]。負(fù)壓送風(fēng)解決此問題，干燥環(huán)境好，粉塵小，保證生產(chǎn)安全。基于上述節(jié)能優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)了大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

多段順流緩蘇負(fù)壓式干燥主機(jī)由儲(chǔ)糧段、四段高溫干燥段、一段低溫干燥段、冷卻段以及各干燥段之間的緩蘇段組成。大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)由主塔體、底座、熱風(fēng)爐、提升機(jī)、排糧裝置、排氣風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、輸送攪龍、集塵罩、智能控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成。其主要特點(diǎn)是無熱風(fēng)機(jī)，在多級(jí)烘干段外側(cè)布置12個(gè)排風(fēng)機(jī)，控制系統(tǒng)可以分別調(diào)節(jié)各干燥段的通風(fēng)量，使水蒸氣排放量降低，烘后糧食達(dá)到最好的烘干效果，減小了風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量，達(dá)到了省煤省電的效果，降低烘干成本。

2.2 工作原理

大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)是采用多級(jí)順流高溫烘干-緩蘇-低溫烘干-緩蘇-冷卻的復(fù)合工藝原理，干燥機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer

濕谷物（玉米）首先由提升機(jī)提升到儲(chǔ)糧段暫存，熱風(fēng)爐煙道設(shè)計(jì)從熱風(fēng)道和糧倉中通過，使儲(chǔ)糧段中稻谷預(yù)熱，提高烘干效率。大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)采用加拿大DM公司生產(chǎn)的DM510谷物水分傳感器(精度±0.2%)，分別安裝在儲(chǔ)糧段和排糧段，為自適應(yīng)控制系統(tǒng)提供前饋調(diào)節(jié)和反饋控制依據(jù)。濕谷物首先與高溫?zé)犸L(fēng)接觸，風(fēng)溫隨谷物向下流動(dòng)而下降，由于最熱的熱風(fēng)與濕谷物是瞬時(shí)接觸，所以高溫對(duì)谷物品質(zhì)影響甚微；順流烘干與大容積緩蘇結(jié)合，使谷物內(nèi)部的水分向外部轉(zhuǎn)移，降低谷物內(nèi)部的水分梯度。經(jīng)過3級(jí)高溫順流和緩蘇干燥后，玉米內(nèi)部的游離水和部分物理結(jié)合水已失去，進(jìn)入低溫順流烘干段烘干。根據(jù)玉米溫度和水分變化值，自動(dòng)調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度和負(fù)壓風(fēng)機(jī)流量。經(jīng)過4級(jí)高溫順流和1級(jí)低溫順流的烘干和緩蘇作用后，有效地預(yù)防玉米爆腰增值率，提高玉米的干后品質(zhì)。烘后玉米經(jīng)冷卻段冷卻后，由排糧段排出機(jī)外。

2.3 工作特性與指標(biāo)

該機(jī)采用負(fù)壓多級(jí)順流干燥加緩蘇的復(fù)合干燥工藝，符合谷物干燥過程中降水規(guī)律。負(fù)壓進(jìn)風(fēng)和煙氣管道余熱利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)能效果明顯，單位熱耗低。采用風(fēng)溫、風(fēng)量和糧食水分智能控制系統(tǒng)，根據(jù)入機(jī)和出機(jī)糧食水分實(shí)現(xiàn)由一個(gè)熱源供給烘干機(jī)多級(jí)干燥段所需的不同風(fēng)溫和風(fēng)量的熱空氣，保證糧食烘干品質(zhì)。干燥機(jī)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table l Technical parameters of large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer

3 負(fù)壓干燥機(jī)設(shè)計(jì)

一般情況下，谷物干燥系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)是干燥機(jī)設(shè)計(jì)的第一步，也是干燥機(jī)設(shè)計(jì)的主體思路。

本文從工藝、節(jié)能和干燥品質(zhì)三方面入手進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。遵循設(shè)計(jì)原則，首先確定干燥機(jī)性能參數(shù)。

3.1 干燥機(jī)性能參數(shù)

干燥機(jī)性能參數(shù)是負(fù)壓干燥機(jī)干燥段、緩蘇段和冷卻段容積，熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)與選型的計(jì)算依據(jù)。包括干燥能力、干燥參數(shù)、熱介質(zhì)流量、熱風(fēng)機(jī)壓力與選型等[10]。確定主要的性能參數(shù)如下。

1）干燥能力

中國(guó)谷物干燥機(jī)干燥能力，通常用小時(shí)去水量來評(píng)價(jià)。以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件為準(zhǔn)，計(jì)算小時(shí)去水量Wh，代入數(shù)據(jù)，Wh為1 627.9 kg/h。

式中g(shù)1為單位時(shí)間進(jìn)入干燥機(jī)的玉米總質(zhì)量，以10 000 kg/h計(jì)；M1為入機(jī)玉米初始水分，28%w.b計(jì)；M2為出機(jī)玉米終了水分，14%w.b計(jì)。

2）干燥參數(shù)

干燥參數(shù)包括介質(zhì)溫度、干燥時(shí)間、緩蘇時(shí)間和表現(xiàn)風(fēng)速等，系統(tǒng)專家?guī)煲汛鎯?chǔ)實(shí)際大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過自適應(yīng)控制決策實(shí)時(shí)調(diào)控干燥參數(shù)。計(jì)算總干燥時(shí)間τ，代入數(shù)據(jù)，τ為5.47 h。

式中△Mh為分鐘降水幅度，%/h，根據(jù)玉米深層干燥試驗(yàn)確定為小時(shí)降水幅度2.56%/h。

3）熱介質(zhì)流量

熱介質(zhì)流量Q是負(fù)壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量配備的重要依據(jù)，參考風(fēng)壓的計(jì)算值確定風(fēng)機(jī)的類型與數(shù)量。

式中Q為介質(zhì)體積流量，m3/h；v為介質(zhì)干燥前與干燥后的比容，m3/h，取0.90；g2為單位時(shí)間排出干燥機(jī)的玉米總質(zhì)量，kg/h；d1為熱介質(zhì)干前濕含量，kg/kg，取值0.012；d2為廢氣的濕含量，kg/kg，查表得：d2=0.033。計(jì)算得知Q為66 595.90 m3/h。

4）有效供熱量

供熱量按小時(shí)去水量和單位熱耗量計(jì)算，即：

式中H為熱風(fēng)爐供熱量；W為小時(shí)去水量，取1 627.9 kg/h；qr為單位熱耗，是指蒸發(fā)1 kg水所消耗的熱量，kJ/kg。

參照《糧食干燥試驗(yàn)方法》，考慮到測(cè)試時(shí)一般不具備標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件和規(guī)定的物料初始含水率，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果在一個(gè)熱量衡算平臺(tái)上進(jìn)行換算。單位熱耗量由式（6）計(jì)算得出。

式中v為熱介質(zhì)的比容，m3/kg干空氣；Cg為干空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；Cs為濕空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；t1-t2為介質(zhì)干燥前后溫度差，℃；d為濕含量，kg/kg干空氣；W為小時(shí)去水量，kg/h。計(jì)算單位熱耗，qr約為5.5 MJ/kg，則供熱量為8 953 MJ/h。此值作為配備熱風(fēng)爐的依據(jù)。

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1）負(fù)壓干燥段設(shè)計(jì)

遵循負(fù)壓式多級(jí)順流干燥機(jī)設(shè)計(jì)思想，將負(fù)壓節(jié)能模式植入干燥機(jī)的進(jìn)氣和排氣段結(jié)構(gòu)中，進(jìn)氣與排氣段分置設(shè)計(jì)，干燥和緩蘇工藝跨層融合，實(shí)現(xiàn)大容積緩蘇和小阻力送風(fēng)的要求。負(fù)壓調(diào)速離心風(fēng)機(jī)安裝在每個(gè)排氣段的外側(cè)壁面上，如圖3所示。分析并聯(lián)風(fēng)機(jī)的工作特性曲線[11]，在管道阻力較小時(shí)，并聯(lián)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較大。負(fù)壓排風(fēng)均勻性效果較好。因此，每個(gè)排氣段上安裝2臺(tái)3 kW調(diào)速離心風(fēng)機(jī)（如圖4所示）。根據(jù)干燥機(jī)小時(shí)去水量Wh、干燥強(qiáng)度A和有效容積系數(shù)λ，初步確定干燥段容積[11-17]。綜合考慮角狀管荷載要求，設(shè)計(jì)有效干燥段截面積尺寸為2.5 m×1.8 m。確定干燥段高度為60 cm，緩蘇段截面尺寸與干燥段相同，其高度為110 cm。

多級(jí)排氣段結(jié)構(gòu)可根據(jù)在線測(cè)定入機(jī)谷物的含水率實(shí)現(xiàn)負(fù)壓風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)分段調(diào)速。一方面，為了保持通風(fēng)量恒定，采用密集型布置角狀管。減小角狀管截面積，增加角狀管的數(shù)量為7個(gè)，減小角狀管的間距，間距為295 mm。并采用變徑角狀管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均風(fēng)排氣，干燥室內(nèi)空氣流動(dòng)狀況可大大改善；另一方面，在排氣口接盤設(shè)計(jì)上采用加接擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張角度為9°。對(duì)比測(cè)試采用9°擴(kuò)張角的出口管的體積流量比原型流量增大了約15%。結(jié)合GB/T1236-2000通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)方法，風(fēng)量與功率的三分之一次方成正比，與風(fēng)機(jī)管口的截面積的三分之二次方成正比，與空氣的密度的三分之一次方成反比[11]。核算相同風(fēng)量條件下，出風(fēng)口的面積越大的風(fēng)機(jī)，折算功率消耗越小，節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗約12%。因此，并聯(lián)負(fù)壓風(fēng)機(jī)出口采用擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，在節(jié)能方面有突出的貢獻(xiàn)。

圖4 排氣段結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of exhaust section

式中N為風(fēng)機(jī)的功率，kW；L為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h；L′為加擴(kuò)張段風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/h；F為風(fēng)機(jī)管口的截面積，m2；F′為風(fēng)機(jī)擴(kuò)張段管口的截面積。

2）負(fù)壓角狀管設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

負(fù)壓氣流的均勻性是決定干燥段工作性能的關(guān)鍵所在，將直接關(guān)系到干燥后糧食的品質(zhì)[12]。熱氣流風(fēng)場(chǎng)不均勻?qū)?dǎo)致流動(dòng)糧食的受熱程度差異性大，出現(xiàn)變色或爆裂等現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)采用變徑角狀管作為干燥機(jī)內(nèi)部進(jìn)、排氣通道，對(duì)干燥段縱向氣流分布進(jìn)行調(diào)整。為了檢驗(yàn)變截面與等截面角狀管在順流場(chǎng)的分布情況，在空載狀態(tài)下進(jìn)行不同截面角狀管風(fēng)場(chǎng)分布測(cè)定的試驗(yàn)，以期獲得合理設(shè)計(jì)布局。在排氣段的側(cè)面開設(shè)多排風(fēng)速采集孔，用于采集干燥室內(nèi)的風(fēng)速分布情況。風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)的位置如圖5所示。

圖5 風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)Fig.5 Test point of air speed

角狀管設(shè)計(jì)參照丹麥的CIMBRIA、瑞典的SVEGMA機(jī)型和《谷物干燥原理與干燥機(jī)設(shè)計(jì)》，依據(jù)角狀管的靜強(qiáng)度和剛度準(zhǔn)則，確定材料Q235，鋼板厚度為3 mm。根據(jù)風(fēng)壓和流量關(guān)系原則，設(shè)計(jì)近風(fēng)口處的通道截面大，而遠(yuǎn)風(fēng)口處的通道截面小，角狀管變截面尺寸b值高度由80遞減到40 mm，如圖6所示。

圖6 變徑角狀管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of variable diameter cornute duct

在空載條件下開啟負(fù)壓風(fēng)機(jī)，利用德國(guó)testo公司生產(chǎn)的425型熱線式熱敏風(fēng)速儀（精度±0.05 m/s），聯(lián)機(jī)測(cè)定干燥段區(qū)域內(nèi)斷層內(nèi)風(fēng)速分布情況，風(fēng)速儀探頭所在測(cè)定位置在進(jìn)、排氣角狀管的中間區(qū)域。在半個(gè)干燥區(qū)域內(nèi)讀取5×5個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)速值，取平均值為該區(qū)域風(fēng)速測(cè)試值。為了較直觀地區(qū)分應(yīng)用等截面角狀管和變徑角狀管的風(fēng)速分布對(duì)比情況，利用Matlab繪圖功能對(duì)測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)陣列進(jìn)行網(wǎng)格化和插值處理[14-16]，等截面角狀管干燥段風(fēng)場(chǎng)分布圖，如圖7a所示。在橫向測(cè)試斷面內(nèi)，沿進(jìn)風(fēng)方向的兩端測(cè)試區(qū)的風(fēng)速值較高，接近入風(fēng)口位置和四角區(qū)域的風(fēng)速明顯高于干燥段中心區(qū)，最大風(fēng)速為2.79 m/s，而最小風(fēng)速為0.47 m/s，可見等截面角狀管布置的順流干燥段橫截面風(fēng)場(chǎng)分布呈現(xiàn)較大的不均勻性。該不均勻性會(huì)導(dǎo)致干燥區(qū)域的干燥速度差異。對(duì)溫度和表現(xiàn)風(fēng)速的自動(dòng)控制造成較大的困難。

圖7 不同角狀管的風(fēng)場(chǎng)分布對(duì)比Fig.7 Comparison of air field distribution on different cornute duct

安裝變徑角狀管后的干燥段的風(fēng)速分布如圖7b所示，風(fēng)速分布區(qū)域明顯平緩，入風(fēng)口位置的風(fēng)速明顯降低，并接近于干燥段中心處的風(fēng)速，橫向風(fēng)速均勻性較好。兩側(cè)角狀管縱深區(qū)域的風(fēng)速略高在1.7～2.1 m/s，平均風(fēng)速在0.72 m/s左右。因此，同比條件下，采用變徑角狀管的干燥段的風(fēng)速較均勻。

3）冷風(fēng)配額調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

冷風(fēng)配額調(diào)節(jié)裝置如圖8所示，安裝在低溫風(fēng)道上，用于混合冷風(fēng)，增加低溫干燥段的風(fēng)量，快速調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度。本干燥機(jī)設(shè)計(jì)考慮到干燥后期糧食極易過熱而造成質(zhì)量損失，因此，采用高低溫組合調(diào)風(fēng)形式[17]。高溫?zé)犸L(fēng)溫度與Ⅲ級(jí)糧溫耦合，低溫?zé)犸L(fēng)溫度與Ⅴ級(jí)糧溫耦合，多點(diǎn)檢測(cè)溫度和出機(jī)水分信號(hào)上傳至專家系統(tǒng)，采用GALM算法調(diào)控低溫干燥段的風(fēng)量和風(fēng)溫。控制系統(tǒng)的給出優(yōu)化的調(diào)頻信號(hào)值，從而控制電動(dòng)執(zhí)行器的行程量，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)圓形拼接葉片的閉合角度。從而快速地控制干燥段內(nèi)的適宜的糧食溫度。依據(jù)螺旋均勻進(jìn)風(fēng)準(zhǔn)則，冷風(fēng)配額調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)為圓形接盤形式，尺寸為Φ360 mm，葉片轉(zhuǎn)角開度最大45°。

圖8 冷風(fēng)配額調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of cold air quota control mechanism

4）排糧段設(shè)計(jì)

根據(jù)分散排糧原則，有效控制干燥塔橫截面內(nèi)糧流的流速均勻，避免存在糧食流動(dòng)停滯的區(qū)域[18]。烘干后的玉米，靠自流進(jìn)入排糧段，通過排糧段的分糧板，將谷物均勻地分布在3個(gè)排糧葉輪上，隨排糧輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，將谷物帶入排糧斗匯集至出口。根據(jù)整機(jī)風(fēng)溫和風(fēng)量調(diào)配原則和精確排糧水分要求，采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)對(duì)排糧輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制，如圖9所示。

圖9 排糧段的整體結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure diagram of discharge section

3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

糧食干燥控制過程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，干擾量較多，如糧食入機(jī)水分、冷風(fēng)溫度、外界環(huán)境溫濕度和干燥機(jī)工況條件等都是控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量[19-23]。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在將干燥系統(tǒng)的擾動(dòng)量（進(jìn)風(fēng)溫度和環(huán)境溫濕度、入機(jī)糧食水分值等）進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)，把出機(jī)糧食水分作為反饋量提供給干燥自適應(yīng)系統(tǒng)，由自適應(yīng)系統(tǒng)通過自主學(xué)習(xí)功能來判斷糧食干燥機(jī)工況調(diào)整，并為控制器提供智能控制策略。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成如圖10所示。由各種傳感器實(shí)時(shí)采集的在線檢測(cè)參數(shù)（如風(fēng)溫、風(fēng)量、入出機(jī)糧食水分值等）經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)送到上位計(jì)算機(jī)（專家系統(tǒng)）。由自適應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)初期對(duì)干燥機(jī)內(nèi)糧食的檢測(cè)指標(biāo)值，進(jìn)行模型計(jì)算，經(jīng)過幾個(gè)干燥循環(huán)后自適應(yīng)控制系統(tǒng)的給出適應(yīng)值，經(jīng)過雙向通訊模式傳遞給上位計(jì)算機(jī)，并將自適應(yīng)參數(shù)值給控制器。通過變頻排糧優(yōu)化控制谷物的干燥品質(zhì)。

圖10 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagram of control system

該控制系統(tǒng)拓展了PID控制器參數(shù)調(diào)整知識(shí)，參照玉米干燥和氣流狀態(tài)變化特性，按照干燥工藝特性，推理并建立適應(yīng)的控制規(guī)則。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能夠按照實(shí)時(shí)的系統(tǒng)輸入值、輸出偏差變化范圍，及時(shí)調(diào)整規(guī)則的形式并存于知識(shí)庫，自行調(diào)整規(guī)則，確定控制模式和調(diào)整PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制器在線實(shí)時(shí)控制。自適應(yīng)控制流程如圖11所示。

圖11 自適應(yīng)控制流程示意圖Fig.11 Schematic diagram of process of adaptive control

在這種由前饋和反饋結(jié)合的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器作為獨(dú)立控制單元，既是數(shù)據(jù)輸出者又是數(shù)據(jù)輸入者，與上位計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，即為自適應(yīng)系統(tǒng)提供在線傳感器采集的數(shù)據(jù)，也實(shí)時(shí)地接受來自自適應(yīng)模塊的計(jì)算結(jié)果，使控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)的迎合進(jìn)風(fēng)條件和環(huán)境溫度濕度變化、進(jìn)料水分和干燥設(shè)備工況波動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，構(gòu)成一個(gè)具有高速度響應(yīng)、精確控制質(zhì)量的糧食干燥智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能強(qiáng)大，在北方冬季低溫條件下，進(jìn)行玉米室外烘干作業(yè)具有高度地計(jì)算準(zhǔn)確性[24-26]。出糧水分自學(xué)習(xí)過程測(cè)試數(shù)據(jù)如圖12所示。干燥測(cè)試前期的出糧水分偏差≤±0.5%w.b，隨自學(xué)習(xí)時(shí)間的增長(zhǎng)，輸入專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量越大，實(shí)時(shí)控制出機(jī)玉米水分與人工測(cè)水的相近度越高，經(jīng)過生產(chǎn)調(diào)試4 h，實(shí)時(shí)檢測(cè)玉米水分平均相對(duì)誤差≤0.1%。

圖12 玉米排糧水分自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Discharge grain moisture contrast of self-learning system

4 經(jīng)濟(jì)性分析

干燥機(jī)耗能量與作業(yè)成本是重要的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，干燥機(jī)的燃料消費(fèi)量和電力消費(fèi)量需適應(yīng)環(huán)境變化和原料狀態(tài)，自主控制進(jìn)料量和風(fēng)量[27-28]。負(fù)壓式自控干燥機(jī)不僅有效地控制電力和燃料的消費(fèi)量，更有效地節(jié)省了干燥機(jī)的運(yùn)行成本，提高效益。

4.1 燃煤量

本干燥機(jī)的供熱燃料采用煤，燃煤量是衡量干燥機(jī)能耗的重要尺度，計(jì)算小時(shí)耗煤量G煤

式中G煤為小時(shí)耗煤量，kg；H為熱風(fēng)爐供熱量，取8 953 MJ/h；R為煤的發(fā)熱值，22 990~25 080 kJ/kg（煤）；η為熱風(fēng)爐熱效率。η=0.65～0.75，則G煤=476.0 kg/h。

4.2 動(dòng)力配備

動(dòng)力消耗最大部分是風(fēng)機(jī)組消耗的電能[29]，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算所需熱風(fēng)量為73 020 m3/h，冷風(fēng)風(fēng)量13 500 m3/h，煙氣流量為10 690 m3/h，熱風(fēng)壓為728.7 Pa冷風(fēng)壓力869.2 Pa，煙氣壓力1 625 Pa。選用2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)作業(yè)，選用4-72-Y-100L-2-3.6A離心風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，流量為4 527 m3/h，壓力1 256 Pa。冷風(fēng)機(jī)4-72-Y-1325-4C，流量為1 9102 m3/h，壓力1 069 Pa，配套煙風(fēng)機(jī)為4-72-Y180M-4C，功率為18.5 kW，流量為12 123 m3/h，壓力2 093 Pa。提升機(jī)及其他輸送所需動(dòng)力如表2所示。合計(jì)總配套動(dòng)力為76.5 kW。

4.3 干燥成本估算

干燥生產(chǎn)成本主要包括燃料費(fèi)、電費(fèi)、工資、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)及設(shè)備折舊費(fèi)等[30-31]。以北方烘干季節(jié)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)估算。該干燥機(jī)的烘干能力為1 627.9 kg/h，每小時(shí)耗煤約476.0 kg，按照動(dòng)力煤價(jià)市價(jià)0.5元/kg計(jì)；以滿負(fù)荷計(jì)算耗電量，小時(shí)耗電76.5 kW，電費(fèi)按1.0元/ kW·h計(jì)；3人倒班操作（主要是司爐工作，兼抽檢玉米水分）每人每小時(shí)工資按30元/h計(jì)算，智能控制系統(tǒng)可以代替1名人工；機(jī)械設(shè)備投資按70萬元計(jì)算，每年累計(jì)作業(yè)60 d，每天作業(yè)20 h，機(jī)械設(shè)備的折舊年限為15 a，殘值率為5%，則其每小時(shí)設(shè)備折舊費(fèi)為36.94元，小計(jì)玉米噸成本約38.14元。表3為烘干玉米的成本折算，由表3可知，與生產(chǎn)能力相同的機(jī)型對(duì)比，雖然智能控制設(shè)備成本高，致使折舊費(fèi)用高17.3%，但是在電量消耗和人工費(fèi)用等方面合計(jì)節(jié)約39.7%。干燥玉米噸成本節(jié)省12.8%。比大型干燥機(jī)節(jié)省成本20%以上。

表2 干燥機(jī)動(dòng)力分配Table 2 Power allocation of dryer

表3 烘干玉米的成本折算Table 3 Cost conversion of drying corn

5 生產(chǎn)性試驗(yàn)與性能測(cè)試

生產(chǎn)試驗(yàn)地點(diǎn)選在黑龍江省農(nóng)墾總局二龍山農(nóng)場(chǎng)糧食收貯中心進(jìn)行試驗(yàn)，所用干燥機(jī)如圖13所示。烘干玉米品種為德美亞1號(hào)，籽粒含水率為28%～33%w.b，2015年11月聯(lián)合黑龍江省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對(duì)進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖13 大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)Fig.13 Large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer

表4 大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Performance test results of large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer

測(cè)試和實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)考核表明：大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)完全滿足寒地優(yōu)質(zhì)玉米、水稻保質(zhì)干燥的技術(shù)要求，在節(jié)能和自適應(yīng)控制方面性能顯著。對(duì)于玉米和水稻的水分檢測(cè)都有良好的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度，在谷物含水率在較高范圍時(shí)，檢測(cè)精度可達(dá)±0.3%，控制干燥機(jī)出糧水分偏差≤±0.5%w.b。烘干產(chǎn)生的粉塵濃度極低，大部分灰塵及雜質(zhì)由主機(jī)外圍的集塵罩沉降收集。完全符合中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY／T 463-2001）要求。比正壓傳統(tǒng)干燥工藝的裂紋增值率降低15.0%，與國(guó)家行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，單位耗熱節(jié)能28.1%，成本降低12%~20%。

6 結(jié)論與討論

1）本文采用負(fù)壓多級(jí)順流干燥加緩蘇的復(fù)合干燥工藝。結(jié)合寒區(qū)高水分玉米特性和干燥參數(shù)的計(jì)算過程，系統(tǒng)地設(shè)計(jì)出大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)干燥機(jī)。在結(jié)構(gòu)方面，采用并聯(lián)風(fēng)機(jī)加擴(kuò)張段引風(fēng)與變徑角狀管設(shè)計(jì)組合。在風(fēng)量調(diào)節(jié)方面，應(yīng)用冷風(fēng)配額調(diào)控機(jī)構(gòu)和風(fēng)機(jī)變頻控制相結(jié)合。在自動(dòng)控制方面，集成前饋和反饋耦合智能控制系統(tǒng)，自適應(yīng)完成高穩(wěn)定性和高精度執(zhí)行的谷物干燥過程，適合寒區(qū)高水分谷物干燥降水特性，節(jié)本增效顯著。

2）通過干燥機(jī)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析，評(píng)價(jià)了該機(jī)具的能耗量和生產(chǎn)運(yùn)行成本。并通過地方技術(shù)部門測(cè)試，檢驗(yàn)該機(jī)的生產(chǎn)性能優(yōu)良，符合中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY／T 463-2001）。較比同類產(chǎn)品節(jié)省干燥成本12%以上，單位能量消耗降低20%以上。內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)分布較均勻，充分保證玉米等熱敏性物料的干燥品質(zhì)。

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Design and experiment of large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer

Che Gang1, Chen Wudong2, Wu Chunsheng2, Li Hailong1, Jin Zhongbo1, Wan Lin1
(1. Engineering College, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. Heilongjiang Research Centre for Industry of Agriculture and Sideline Product Processing Machinery, Jiamusi 154004, China)

Large-scale grain drying technology has a nearly 50 years of development history in China. There are concurrent flow dryer, countercurrent dryer, cross flow dryer and mixed flow dryer, which meet the actual needs in various fields. But compared with the similar foreign products, there are many defects on our grain dryer, such as low manufacturing technology, low level of automation and high energy consumption. The co-current flow dryer has the characteristics of dry uniformity, low unit heat consumption and high productivity. But there are some defects, such as poor control of drying quality, high cost of drying and environmental pollution. These shortcomings are not conducive to the sustainable development of agricultural production and ecological environment. Therefore, from the perspectives of the structure and the process of the high temperature grain dryer, combining energy saving with conservation of grain quality is the key to the development of modern grain drying technology. Generally, the form of air supply in large-scale grain dryer is positive pressure, with easy maintenance and adjustment. The negative pressure air supply technology is only used for small cycle dryers. In this paper, the negative pressure technology in the large-scale grain drying system was applied for the first time. Negative pressure drying can effectively solve the internal control problems of the drying process based on the theory of micro pressure. Negative pressure is beneficial to collect the grain dust, create excellent production environment and realize safe production. The losses of static pressure and dynamic pressure are relatively small in the process of negative pressure drying, and this technology can reduce power consumption, and is easier to realize intelligent control of air volume and air medium parameters. In order to reduce primary energy consumption and improve corn drying process capacity, combined with grain drying characteristics in cold region, 5HFS-10 type negative pressure grain dryer was designed based on the principle of negative pressure drying. This drying technology combined the multi-stage concurrent flow and countercurrent flow, and a set of advanced structure and control system were applied in this drier. The parallel dilated fan was combined with variable diameter cornute duct, the cold air quota regulation agencies were coordinated, online work parameters were real-time collected with multi sensors, the adaptive control system was adopted, and all of these completed the intelligent quality-guaranteeing drying production of the staple food crop. In this paper the calculation of drying parameters and structure parameters was carried out providing the theory basis for the comprehensive evaluation and the design of negative pressure dryer. Production test shows that the machine’s work performance is good, its energy saving is significant, and it has good drying quality, unit mass of low cost, high degree of automation, and so on. The deviation of the moisture of discharged grain is less than ±0.5% w.b. Compared with the traditional positive pressure air supply dryer, this dryer saves the power by more than 20%, and reduces the production cost by more than 12%. The operating performance can perfectly meet the requirements of farm drying and large-scale drying technique. It provides the theoretical basis for the development of energy-saving intelligent grain dryer.

agricultural machinery; design; control; automatic control dryer; negative pressure; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.035

S226.6

A

1002-6819(2017)-16-0267-09

車 剛，陳武東，吳春升，李海龍，金中波，萬 霖. 大型5HFS-10負(fù)壓自控糧食干燥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：267-275.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.035 http://www.tcsae.org

Che Gang, Chen Wudong, Wu Chunsheng, Li Hailong, Jin Zhongbo, Wan Lin. Design and experiment of large-scale 5HFS-10 type automatic control negative pressure grain dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 267-275. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.035 http://www.tcsae.org

2017-02-06

2017-06-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B01)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（GA15B402）；黑龍江省農(nóng)墾總局重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（HNK125B-05-08）

車 剛，男（漢族），山東青島人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備與農(nóng)產(chǎn)品節(jié)能干燥工程。大慶 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，163319。Email：chegang180@126.com