糧食多場協(xié)同干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)模式應(yīng)用

鄭 菲，駱恒光，肖雄峰，李長友

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

作為世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費(fèi)國，我國2017年糧食總產(chǎn)量達(dá)到6.18億t，但目前糧食干燥機(jī)械化程度僅為18.2%[1]，糧食干燥機(jī)械化需求迫切。我國糧食種類多，地區(qū)間差異大，中原及南方糧食收獲期氣溫較高，高濕糧食不耐儲(chǔ)存，極易發(fā)芽霉變，因處理工藝方法及處理技術(shù)導(dǎo)致的糧食質(zhì)量和數(shù)量損失都很大。在東北等高寒地區(qū)，收獲的高濕糧食絕大多數(shù)是露天場地暫存，鼠害及雨雪導(dǎo)致的損失也很嚴(yán)重。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)研測算，因產(chǎn)后處置不當(dāng)農(nóng)戶每年損失糧食7%～11%[2]。因此，緊密結(jié)合糧食產(chǎn)地區(qū)域特征及農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)、高效的糧食干燥裝備，并采用適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求的技術(shù)模式，是解決這些問題的重要環(huán)節(jié)。

大量研究表明：與傳統(tǒng)干燥相比，紅外干燥具有均勻和高效的優(yōu)勢，但由于目前應(yīng)用于糧食干燥機(jī)上輻射源為電能，輻射能轉(zhuǎn)換效率低，能量消耗較高，同時(shí)由于紅外輻射的直射和反射特性，物質(zhì)被照射部分升溫快而沒有照射部分升溫慢，導(dǎo)致目前應(yīng)用于粗大或堆積物料的大批量糧食干燥時(shí)效果不理想[3-7]。

本文基于干燥系統(tǒng)熱能結(jié)構(gòu)的分析及客觀能勢的利用[8-10]，設(shè)計(jì)了一種紅外熱輻射、引風(fēng)逆混流多場協(xié)同干燥系統(tǒng)。按照遠(yuǎn)紅外→提質(zhì)、提速→強(qiáng)化傳熱→引風(fēng)→降壓→局部閃蒸→糧食降溫→質(zhì)量保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，采用雙干燥主塔聯(lián)機(jī)的形式形成干燥裝備，并運(yùn)用單機(jī)與聯(lián)機(jī)作業(yè)的技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)了糧食干燥環(huán)節(jié)的優(yōu)質(zhì)、高效和低耗。

1 干燥勢場及熱能結(jié)構(gòu)分析

自然界中的能量形式不同，其所含的火用也不同。不同類型和數(shù)量的能量作用在不同的環(huán)境和系統(tǒng)中，產(chǎn)生的效果也有明顯差異。干燥過程是火用傳遞的過程，糧食內(nèi)水分的遷移伴隨著一定數(shù)量的能量遷移。糧食利用空氣介質(zhì)干燥時(shí)，其火用的形式分為客觀火用和主觀火用，主要體現(xiàn)在其干燥勢場來源和性質(zhì)的不同。客觀火用存在于糧食顆粒內(nèi)部，糧食自身生命活動(dòng)及其狀態(tài)與外界條件存在差異時(shí)，都會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生此類火用傳遞。其主要體現(xiàn)在糧食顆粒內(nèi)部水分分布不均所產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以及糧食內(nèi)液態(tài)水分在汽化時(shí)飽和蒸汽壓力與干燥介質(zhì)中的水蒸氣分壓力之間的差異引起的質(zhì)量火用傳遞。高濕糧食初期相對攜帶的客觀干燥火用數(shù)量多，以該含水率段糧食內(nèi)部水分結(jié)合能小為表征[8]，因而其在任何自然環(huán)境中都會(huì)通過自發(fā)去水或吸濕而使其含水率達(dá)到與環(huán)境介質(zhì)對應(yīng)的平衡狀態(tài)。主觀火用是由人為提供的干燥操作行為產(chǎn)生的溫度場、濕度場、壓力場等勢場引起的火用傳遞，主要體現(xiàn)以強(qiáng)化干燥過程及提高整體干燥速率和干燥效率為目的，人為地向干燥介質(zhì)提供熱能，以提高干燥介質(zhì)的溫度、降低干燥介質(zhì)水蒸氣分壓力及提高干燥介質(zhì)在干燥過程中的流動(dòng)速度等行為的方式促進(jìn)過程中質(zhì)火用傳遞[9]。糧食干燥過程中，熱風(fēng)介質(zhì)在谷層間的流動(dòng)為系統(tǒng)輸入熱量火用和流動(dòng)火用，使糧食溫度提高、熱量火用增多，減少了對干燥介質(zhì)焓火用的需求和消耗；同時(shí)，熱風(fēng)流動(dòng)所形成的壓差勢場使得物料與靜態(tài)介質(zhì)對應(yīng)的平衡含水率均進(jìn)一步降低。這些主觀火用的作用都使客觀火用的干燥能力得到了進(jìn)一步強(qiáng)化。因此，評價(jià)糧食干燥系統(tǒng)能量利用效果，不能僅僅停留在主觀熱效率上，干燥工藝設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮干燥系統(tǒng)的主觀與客觀火用的作用[10]。

2 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在干燥系統(tǒng)內(nèi)部，糧食與熱風(fēng)接觸并自發(fā)地進(jìn)行水分交換。糧食去水的過程在熱力學(xué)范疇并不可逆，干燥過程同時(shí)存在溫差勢場、濕差勢場、壓差勢場及蒸汽壓差勢場等多種勢場，同時(shí)其品質(zhì)也收到其生物化學(xué)勢場的影響[2]。這些勢場既包含了自然界客觀存在、糧食物料自身所攜帶的客觀勢能，也包含為改變干燥速率而人為供給的主觀勢能。因此，該干燥系統(tǒng)在充分利用各種勢場的同時(shí)合理利用客觀勢能，以達(dá)到加快糧食干燥去水進(jìn)程的目的。筆者同時(shí)利用雙干燥主塔聯(lián)機(jī)的形式形成干燥裝備，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.干燥主塔1 2.提升機(jī) 3.干燥主塔2 4.儲(chǔ)糧緩蘇段 5.紅外發(fā)生裝置 6.降壓閃蒸干燥段 7.排氣角狀盒 8.進(jìn)氣角狀盒 9.排糧段 10.糧食水分在線檢測儀 11.排糧螺旋輸送器

2.1 紅外輻射輔助干燥

利用紅外輻射可以加劇糧食內(nèi)部水分子的熱運(yùn)動(dòng)，同時(shí)改善糧食干燥品質(zhì)。針對不同的材料對不同波長的電磁波的選擇性吸收，基于維恩位移定律，應(yīng)將糧食紅外輔助干燥的輻射能量集中于3～9μm這個(gè)谷物可以吸收的紅外波段。通過計(jì)算可知，與之對應(yīng)的輻射體溫度在691.2℃>t>47.8℃的范圍內(nèi)?？紤]到在正常的工況下熱風(fēng)爐煙氣經(jīng)換熱器換熱后的廢氣仍可達(dá)到70～120℃，這個(gè)溫度區(qū)間恰好在3～9μm紅外輻射波段對應(yīng)的溫度范圍內(nèi)，故可利用煙氣加熱輻射體，產(chǎn)生紅外輻射勢場[11-13]?；谶@種思路，通過煙氣加熱埋在糧食中的金屬管產(chǎn)生紅外輻射，其總輻射角系數(shù)為1，流經(jīng)輻射管的糧食可以充分獲取紅外輻射能，用于補(bǔ)充糧食內(nèi)能，加快干燥速率，提升干燥品質(zhì)。

2.2 負(fù)壓引風(fēng)及降壓閃蒸

干燥過程中，通過引風(fēng)方式可使干燥層內(nèi)的介質(zhì)壓力低于環(huán)境壓力形成負(fù)壓。由于干燥介質(zhì)的飽和蒸汽壓力與溫度一一對應(yīng)，在相同的溫度條件下，引風(fēng)作用使其水蒸氣分壓降低，而飽和蒸氣壓不變，使得介質(zhì)的相對濕度將同步降低，其接納水分的能力則相應(yīng)提高[10,14]，因此可以實(shí)現(xiàn)在相同送風(fēng)溫度條件下提高高水分段糧食去水速率的目的。引風(fēng)干燥層內(nèi)的溫度梯度與壓力梯度具有相同的方向性，在一定程度上可以彌補(bǔ)干燥層內(nèi)熱風(fēng)介質(zhì)流動(dòng)過程中因溫度降低而引起干燥能力下降的問題，干燥層內(nèi)糧食干燥的均勻性和一致性均得到提升[15]。

由于干燥機(jī)排氣角狀盒內(nèi)與上部緩蘇段的上下空氣壓差明顯，在干燥過程中自然形成顯著的降壓區(qū)域。經(jīng)過紅外輻射的糧食在連續(xù)向下流經(jīng)此段區(qū)域時(shí)經(jīng)歷了流動(dòng)降壓和連續(xù)吸收輻射能的過程。當(dāng)過程中的壓力低于其所對應(yīng)的飽和溫度時(shí)，高濕糧食內(nèi)部的自由水無法以液態(tài)形式存在，必然發(fā)生集態(tài)變化，即閃蒸；自由水發(fā)生閃蒸需要做功，而做功所需的能量來自糧食自身的內(nèi)能，糧食溫度迅速降低。通過這一過程，避免了干燥過程中糧食由于連續(xù)升溫而過熱爆腰的情況，消除了干燥系的熱慣性。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以PLC為中心控制器，搭建干燥機(jī)控制系統(tǒng)，如圖2所示。PLC控制器同時(shí)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器。水分在線與溫度檢測模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)反饋一同實(shí)時(shí)傳輸給PLC；PLC將時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理并打包傳遞給PLC上位機(jī)，作為控制算法的輸入?yún)?shù)參與運(yùn)算，上位機(jī)獲得最優(yōu)輸出結(jié)果后將輸出指令返回給PLC控制器，由PLC通過IO口控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 干燥工藝流程設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程

基于干燥勢場及熱能結(jié)構(gòu)理論，充分利用干燥過程中的多種勢場，設(shè)計(jì)了糧食多場協(xié)同干燥工藝流程，同時(shí)采用雙干燥主塔聯(lián)機(jī)的形式形成干燥裝備，工藝系統(tǒng)如圖3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(jī)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(dòng)，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(jī)內(nèi)，完成1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(dá)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(shí)現(xiàn)循環(huán)干燥；若達(dá)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(jī)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))；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(jī)和除塵裝置進(jìn)入環(huán)境，形成煙氣回路；環(huán)境態(tài)空氣在引風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jī)、除塵裝置進(jìn)入大氣，形成干燥介質(zhì)回路。

圖3 糧食多場協(xié)同干燥工藝流程

3.2 工藝原理

在緩蘇段之后干燥段之前引入紅外輻射發(fā)生裝置，除了可以充分回收煙氣中攜帶的余熱外，所產(chǎn)生的紅外輻射能可以提供給流經(jīng)其周圍的糧食，并全部被糧食種子吸收，補(bǔ)充了干燥系統(tǒng)內(nèi)糧食的內(nèi)能，用于補(bǔ)充原本單一由熱風(fēng)加熱所供給的糧食內(nèi)部水分結(jié)合能，加快水分的擴(kuò)散和蒸發(fā)。采用逆混流引風(fēng)干燥工藝，降壓閃蒸干燥段上下自然形成了較大壓差勢場，糧食種子在流經(jīng)降壓閃蒸干燥段時(shí)經(jīng)歷的是伴隨連續(xù)向下流動(dòng)降壓而連續(xù)吸收輻射能的過程。在降壓過程中，當(dāng)壓力低于糧食溫度所對應(yīng)的飽和壓力時(shí)，高濕糧食發(fā)生閃蒸，消耗自身的內(nèi)能，從而使糧食的溫度迅速降低。同時(shí)，強(qiáng)制負(fù)壓引風(fēng)作用下存在流動(dòng)火用，可使糧食和靜態(tài)介質(zhì)對應(yīng)的平衡含水率進(jìn)一步降低，客觀火用的干燥能力和降溫效果得到了進(jìn)一步加強(qiáng)[15]。

4 干燥系統(tǒng)的技術(shù)模式

不同于東北、新疆高寒地區(qū)軍墾和農(nóng)墾系統(tǒng)采用大面積集中種植的生產(chǎn)模式，我國中原及南方地區(qū)的糧食生產(chǎn)規(guī)模較小，種植模式也正在由責(zé)任制、單家獨(dú)戶的分散經(jīng)營向規(guī)模化和集約化生產(chǎn)發(fā)展，因此大型連續(xù)式集中干燥模式在這些地區(qū)并不適用。而簡單的采用小型批次循環(huán)干燥機(jī)，由于日處理能力受機(jī)內(nèi)容量限制，適應(yīng)性較差，容易導(dǎo)致收獲期的糧食不能得到及時(shí)干燥的情況；同時(shí)其年作業(yè)期短，利用率低，并不符合糧食干燥機(jī)械化可持續(xù)發(fā)展的要求。

該糧食多場協(xié)同干燥裝備屬于批次處理循環(huán)干燥機(jī)，采用雙干燥主塔聯(lián)機(jī)作業(yè)的技術(shù)模式，其單機(jī)容量為25t，采用聯(lián)機(jī)作業(yè)模式時(shí)總?cè)萘靠蛇_(dá)50t。在突破制約干燥質(zhì)量控制最本質(zhì)的工藝過程解析法及能效評價(jià)方法共性技術(shù)的基礎(chǔ)上，從糧食物性基礎(chǔ)，沿解析法、能效評價(jià)理論研究，形成了裝備系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)準(zhǔn)則，從檢測技術(shù)→自適應(yīng)控制→工藝系統(tǒng)→機(jī)械設(shè)計(jì)→除塵與能量回收→成套技術(shù)設(shè)備→形成單機(jī)與聯(lián)機(jī)作業(yè)的技術(shù)模式。該技術(shù)模式在高效節(jié)能、保證干燥品質(zhì)的基礎(chǔ)上，有效地提升了糧食多場協(xié)同干燥裝備的適應(yīng)性、通用性及處理能力的伸縮量。因此，其更能適應(yīng)分散種植的產(chǎn)業(yè)需求，可以更好地對應(yīng)中原、南方地區(qū)糧食收獲期氣溫相對較高、高濕糧食的保質(zhì)儲(chǔ)存時(shí)間短、品種多且分散收獲導(dǎo)致的日收獲量變動(dòng)巨大等情況，實(shí)現(xiàn)稻谷的及時(shí)干燥，同時(shí)達(dá)到模式節(jié)能的目的[16]，是我國中原及南方糧食產(chǎn)區(qū)適合發(fā)展的集中干燥技術(shù)模式。

5 干燥系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

本次樣機(jī)試驗(yàn)，選用安徽省蕪湖市三山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)中聯(lián)重科股份有限公司生產(chǎn)的糧食多場協(xié)同干燥系統(tǒng)作為待檢測設(shè)備，試驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示。

5.1 試驗(yàn)裝備及儀器

試驗(yàn)過程中，需要對稻谷含水率變化情況、稻谷溫度變化情況及環(huán)境溫濕度變化情況等參數(shù)進(jìn)行測量。所用測試儀器主要包括糧食水分在線監(jiān)測儀、測溫?zé)犭娕技皽貪穸葍x等。

糧食水分在線檢測采用CXR-ZX-10-40型電容式糧食水分在線實(shí)時(shí)檢測儀采用群粒在線檢測的方式，測量誤差范圍為±0.5%；可與控制平臺(tái)雙向通訊，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸[10]。

試驗(yàn)過程中，該多場協(xié)同循環(huán)干燥系統(tǒng)的相關(guān)測定數(shù)值，均通過自主研發(fā)的控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行控制并全程記錄，在確保干燥系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的同時(shí)跟蹤試驗(yàn)情況。

圖4 糧食多場協(xié)同循環(huán)干燥機(jī)

5.2 試驗(yàn)物料與現(xiàn)場環(huán)境條件

本次試驗(yàn)物料選用類珍珠稻，該批次稻谷集中收購于安徽蕪湖地區(qū)。經(jīng)實(shí)時(shí)測量，其初始平均含水率為33%w.b.左右，含水率極差接近30%w.b.，部分稻谷表面有液態(tài)水存在。

本次試驗(yàn)在安徽省蕪湖市中聯(lián)重科股份有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行，烘干時(shí)間為6h。試驗(yàn)期間，該地區(qū)為薄霧天氣，短時(shí)間伴有小雨，干燥現(xiàn)場相對濕度高達(dá)100%，環(huán)境溫度基本維持在2～7℃。

5.3 試驗(yàn)測定

試驗(yàn)前應(yīng)做好準(zhǔn)備及調(diào)試工作，確保整個(gè)循環(huán)干燥系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定。將溫度傳感器安裝在換熱器煙氣入口和出口位置以測量煙氣溫度，安裝在干燥室熱風(fēng)進(jìn)口和出口位置以測量干燥過程的熱風(fēng)溫度。測量糧溫時(shí)，應(yīng)將溫度傳感器安裝在干燥段進(jìn)氣和出氣角狀盒之間。糧食水分在線檢測儀安裝在干燥機(jī)糧食的出口位置，實(shí)時(shí)在線采集測量糧食含水率[10]。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣機(jī)試驗(yàn)干燥過程中完全依賴自重順著向下連續(xù)流動(dòng)，試驗(yàn)過程的干燥與緩蘇時(shí)間比為 1 : 5。間隔干燥時(shí)間所對應(yīng)的熱風(fēng)溫度、稻谷溫度及稻谷水分等試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)記錄表

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：整個(gè)干燥過程中，除干燥初期外，熱風(fēng)溫度維持在60℃左右，而糧食的溫度始終沒有超過36℃，與傳統(tǒng)的橫流干燥方式相比降低約11℃。由于傳統(tǒng)的橫流干燥只能通過提高熱風(fēng)溫度來提升去水速度，糧溫升高后又必須采取降低熱風(fēng)溫度的方式避免糧食過熱損傷，這種做法必然增加了干燥時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，本次干燥過程稻谷平均初始含水率為33%，完成干燥后稻谷含水率為15.81%，干燥時(shí)間為6h。可以計(jì)算得出稻谷干燥過程的平均去水速率為2.95%w.b./h，較傳統(tǒng)的橫流干燥提高2倍以上，與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)干燥相比提高30%以上。

6 結(jié)論

1)合理利用糧食干燥過程中的多種勢場，通過利用煙氣余熱引入紅外輻射輔助干燥工藝，采用逆混流引風(fēng)的方式，設(shè)計(jì)了糧食多場協(xié)同干燥系統(tǒng)。采用雙干燥主塔聯(lián)機(jī)的模式形成干燥裝備，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效及節(jié)能干燥。

2)形成降壓閃蒸干燥段，消除了干燥系熱慣性。

3)在試驗(yàn)條件下，稻谷的含水率由33%w.b.降至15.81%w.b.，平均去水速率達(dá)到2.95%w.b./h，較傳統(tǒng)的橫流干燥提高2倍以上，與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)干燥相比提高30%以上。

4)干燥過程中糧溫始終維持在35℃以下，實(shí)現(xiàn)了低溫干燥，避免了稻谷的過熱損傷，干燥爆腰增率低于1%，提高了干燥品質(zhì)。