谷物干燥機設(shè)計方案及智能控制方法

張佳麗

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

0 引言

谷物干燥是利用熱能將濕料谷物中的水分去除，以獲得可以用于儲存的固體物質(zhì)，主要目的是防止谷物在儲藏中由于水分過多造成的谷物霉?fàn)€與變質(zhì)[1]。另一方面，谷物干燥還可以改善谷物理性狀，提高谷物品質(zhì)，便于進(jìn)一步儲藏、運輸與加工。谷物干燥主要分為烘干和晾干兩種方式，烘干是基于燃料燃燒產(chǎn)生熱量進(jìn)而蒸發(fā)谷物中的水分，晾干是利用自然風(fēng)達(dá)到去除谷物水分的目的[2]。

我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)國與消費國，但是每年由于糧食烘干、儲藏不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的糧食損失量高達(dá)1 500萬t左右。因此，提高谷物干燥效率是保證我國糧食安全的重要條件之一[3]。谷物干燥機由于不受氣候條件及地域限制，在我國得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。尤其是北方寒冷地區(qū)，谷物水分過高還會造成谷物凍害問題，例如，玉米和水稻要求在外界環(huán)境溫度降低到5 ℃之前必須達(dá)到13%～15%的安全含水率，保證谷物的生命力。我國主要農(nóng)作物安全儲存水分技術(shù)要求如表1所示[4]。

表1 我國主要農(nóng)作物安全儲存水分要求 單位：%

1 典型谷物干燥機分類及應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 谷物干燥機的分類

1)按照谷物干燥操作壓強分有常壓干燥機、真空干燥機；

2)按照谷物干燥操作方法分有連續(xù)干燥機、間歇干燥機；

3)按照谷物干燥傳熱方式分有傳導(dǎo)干燥機、對流干燥機、輻射干燥機、介電加熱干燥機、聯(lián)合干燥機。

1.2 谷物干燥機的應(yīng)用優(yōu)勢

成熟后的作物在田間停留時間越長，會造成作物產(chǎn)量降低，容易發(fā)生作物倒伏[5]，采用機械化谷物干燥技術(shù)可以減少谷物田間損失。

一般農(nóng)作物收獲后，糧食含水率在15%～40%之間，但是谷物安全儲存水分要求在13%～15%之間[5]。自然曬干需要占據(jù)一定的糧食曬干場地進(jìn)行攤曬，由于干燥面積有限，谷物不能及時曬干，大量谷物在場地堆積，難以進(jìn)行干燥而導(dǎo)致谷物品質(zhì)下降。因此，谷物在收獲后須經(jīng)過干燥才能儲存，否則會出現(xiàn)霉?fàn)€與發(fā)芽，造成糧食損失。

2 典型谷物干燥設(shè)備

2.1 對流谷物干燥機

對流谷物干燥機是指干燥介質(zhì)從谷物表層穿過，從而達(dá)到谷物干燥的目的。干燥介質(zhì)采用未加熱的自然空氣，稱為自然通風(fēng)干燥，但干燥效率較低；干燥介質(zhì)采用熱氣流、熱空氣等進(jìn)行谷物干燥，稱為對流加熱干燥；根據(jù)溫度的高低又被分為高溫干燥及低溫干燥兩種方法。對流加熱干燥法干燥速率較高，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種谷物干燥方法，基本干燥原理如圖1所示。

圖1 對流加熱干燥法工作原理示意圖

2.2 輻射式谷物干燥機

輻射式谷物干燥機包括太陽能干燥機、高頻與微波干燥機和遠(yuǎn)紅外干燥機，主要是指利用輻射源的射線，將電磁能量傳遞給輻射源沒有直接接觸的谷物，促進(jìn)谷物中水分劇烈運動，水分升溫蒸發(fā)，進(jìn)而達(dá)到谷物干燥的目的。

2.3 谷物干燥機性能對比

對目前常見的幾種谷物干燥機工作性能進(jìn)行對比分析如表2所示，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行谷物干燥機的選擇。

表2 常見谷物干燥機性能對比

3 設(shè)計內(nèi)容

3.1 干燥能力

谷物干燥能力有兩種表達(dá)方式，第一個為小時去水量(kg H2O·h-1)；第二個為小時干燥能力(t·1% H2O·h-1)。

3.1.1 小時去水量計算

谷物干燥機小時去水量主要根據(jù)單位時間內(nèi)進(jìn)入干燥機的谷物物料總質(zhì)量g1(kg·h-1)與單位時間內(nèi)從谷物干燥機輸出物料總質(zhì)量g2(kg·h-1)之差確定小時去水量Wn(kg·h-1)，公式推導(dǎo)過程如式(1)～(4)

g1=gg+W1
g1=gg+W2

(1)

式中g(shù)g—單位時間干質(zhì)谷物進(jìn)入干燥機或由干燥機輸出的質(zhì)量，kg·h-1；

W1,W2—單位時間進(jìn)入干燥機及從干燥機帶出的水量，kg·h-1。

則

Wh=g1-g2

(2)

而

(3)

代入得

(4)

3.1.2 小時干燥能力gt計算

谷物干燥機的降水幅度ΔMp(%H2O)，當(dāng)濕料谷物生產(chǎn)率為g1時，谷物干燥機時干燥能力gt(t·1%H2O/h)計算公式如式(5)

gt=g1ΔM

(5)

谷物干燥機小時去水量Wh和小時干燥能力g按照平均值進(jìn)行計算，設(shè)gP1為入倉谷物質(zhì)量，gP2為出倉谷物質(zhì)量，則谷物干燥機小時去水量Wh(kg·h-1)及平均小時干燥能力g分別為

(6)

式中M1—原糧水分，%(濕基)；

M2—干燥后要求的水分，取13%～14%(濕基);

τ—每批干燥的時間，h；

ΔMp—每批干燥的降水幅度，%。

3.2 干燥參數(shù)的確定

谷物干燥時間根據(jù)谷物降水幅度ΔM及小時降水率計算，對于低溫干燥機來說，小時降水率一般為0.5%左右，對于高溫干燥機，因工作流程不同，小時降水率范圍較大，一般為(2%～5%)·h-1。當(dāng)明確谷物干燥機小時降水率及降水幅度后，干燥時間τ為

(7)

式中ΔMh—小時降水幅度，%·h-1。

3.3 熱利用率的計算

谷物干燥機工作時會有部分廢氣排出，導(dǎo)致熱量不能完全被利用，其干燥熱利用率可以根據(jù)公式(8)進(jìn)行計算

(8)

式中ηH—熱利用系數(shù)；

β—熱貯備系數(shù)；

hf—谷物的汽化熱，通常hf=2 720 kJ·(kg H2O)-1;

Wh—小時去水量，kg·h-1；

Hh—小時供熱量，kJ·h-1。

3.4 風(fēng)量計算

根據(jù)谷物干燥機中谷層風(fēng)速最佳參數(shù)范圍及去水量進(jìn)行冷風(fēng)量及熱風(fēng)量的計算，綜合進(jìn)行風(fēng)量選擇。常見的風(fēng)量選擇如表4所示。

表4 風(fēng)量比常見參數(shù)設(shè)計依據(jù)

4 谷物干燥過程智能控制技術(shù)

谷物干燥過程智能控制技術(shù)是提高谷物干燥機工作效率，降低設(shè)備耗能，減少環(huán)境污染，保證谷物烘干正常進(jìn)行的重要保證。

4.1 谷物干燥智能控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)

谷物干燥機控制精度在智能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用應(yīng)滿足以下要求：

1)控制精度應(yīng)該在±(0.5%～0.7%)，控制響應(yīng)速度較快，控制穩(wěn)定性較好，不易受到外界干擾，當(dāng)谷物水分發(fā)生變化時，可以快速做出響應(yīng)；

2)避免干燥過度或者欠干燥導(dǎo)致谷物品質(zhì)降低，增加設(shè)備損耗；

3)避免發(fā)生火災(zāi)，實現(xiàn)干燥過程最優(yōu)化。

4.2 谷物干燥智能控制方法

4.2.1 微機控制技術(shù)

微機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)各種控制算法，如PID控制算法，微機系統(tǒng)可以對多種控制方法進(jìn)行多個回路控制，實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)監(jiān)測信息變量，如熱介質(zhì)溫度、干燥濕度、干燥壓力、流量及谷物高含水率等參數(shù)控制，基本工作原理如圖2所示。

圖2 微機控制技術(shù)工作原理圖

4.2.2 模糊邏輯控制系統(tǒng)

常見的谷物干燥方法多為數(shù)學(xué)過程算法，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中會存在較多問題，如谷物干燥過程屬于一個復(fù)雜、時變及非線性的變化過程，多種干燥參數(shù)不能進(jìn)行直接測量，干燥過程模型計算需要耗費大量的時間與人力，而且在干燥過程中應(yīng)該考慮到滯后、時變等復(fù)雜問題。因此，為了克服上述問題，提出模糊邏輯控制方法，可以改善谷物干燥過程中的干燥動態(tài)特性及不確定性，工作原理圖如圖3所示。

圖3 模糊邏輯控制原理圖

5 結(jié)論

谷物干燥可以防止谷物在儲藏中由于水分過多造成霉?fàn)€與變質(zhì)，另一方面還可以改善谷物理化性狀，提高谷物品質(zhì)，便于進(jìn)一步儲藏、運輸與加工。因此，良好的谷物干燥機對于保證谷物干燥效率具有重要意義。本研究首先介紹幾種常見的谷物干燥機技術(shù)特點與應(yīng)用現(xiàn)狀，提出目前谷物干燥機設(shè)計依據(jù)及相關(guān)設(shè)計參數(shù)計算方法，并提出谷物干燥機常見的智能控制方法，研究結(jié)果對于形成完善的智能谷物干燥機提供參考。