固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化.pdf

第3 1 卷第2 2 期 2 9 2 2 0 1 5 年1 1 月 农业工程学报 T r a n s a ct io n so ft h eC h in e s eS o cie t yo fA g r icu lt u r a l E n g in e e r in g V b l3 1N o 2 2 N o v 2 0 1 5 固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化 颜建春，谢焕雄，胡志超，魏海，游兆廷，徐弘博 ( 农业部南京农业机械化研究所，南京2 1 0 0 1 4 ) 摘要：为了研究固定床上下换向通风干燥机理，确定合理烘干工艺参数，根据通风加热干燥过程中小麦和介质空气之 间热质传递关系，采用经典P D E 模型为理论基础，建立了适用于小麦固定床换向通风干燥计算机模拟的离散化模型。此 模型可计算出小麦实时干燥状态、批次小麦干燥耗时、能耗经济成本等，并能依此推算出最优作业参数。经实际验证， 模型模拟计算结果与试验结果基本相符，整床层小麦平均含水率模拟值和试验值的相关系数r 达0 9 9 5 ，模型模拟可用于 不同环境温度和相对湿度下的最优通风温度和风量分析。论文分析了换向通风干燥过程床层小麦含水率和温度变化规律； 根据小麦收获时天气状况，选择环境温度2 0 3 5 。C ，环境相对湿度2 0 8 5 范围，以批次烘干单位质量湿小麦能耗成 本最低为优化判据，确定通风温度、风量及对应单位质量小麦烘干能耗成本，为实际小麦烘干工艺参数设定提供参考。 关键词：干燥；优化；模型；换向通风 d o i：1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 - 6 8 1 9 2 0 1 5 2 2 0 4 0 中图分类号：$ 2 2 6 6文献标志码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 5 卜2 2 0 2 9 2 0 9 颜建春，谢焕雄，胡志超，魏海，游兆延，徐弘博固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化 J 农业工程学报，2 0 1 5 ， 3 1 ( 2 2 ) ：2 9 2 - - 3 0 0 d o i：1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 5 2 2 0 4 0h t t p ：w w w t cs a e o r g Y a nJ ia n ch u n ，X ieH u a n x io n g ，H uZ h ich a o ，W e iH a i，Y o uZ h a o y a n ，X u eH o n g b o S im u la t io na n dp r o ce s so p t im iz a t io no fu p w a r d a n dd o w n w a r dr e v e r s in gv e n t ila t in gd r y in gb yf ix e db e d J T r a n s a ct io n so ft h eC h in e s eS o cie t yo fA g r icu lt u r a l E n g in e e r in g ( T r a n s a ct io n s o f t h e C S A E ) ，2 0 1 5 ，3 1 ( 2 2 ) ：2 9 2 - - 3 0 0 ( in C h in e s e w it h E n g lis h a b s t r a ct ) d o i：1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 5 2 2 0 4 0 h t t p ：w w w t cs a e o r g O引 言 小麦是中国主要粮食作物之一，年产量达1 2 亿t 【l】 ( 约占全世界小麦产量的1 7 8 ) ，其中有6 0 8 0 的 小麦由农户干燥并贮存 2 】。近年来，随着大田作物机械化 收获快速发展，小麦机收水平已超过9 0 蚶3 1 ，农村有限的 晾晒设施已不能满足当前小麦机械集中化收获后及时干 燥的要求，对适用于产地干燥的机械设备需求越来越大。 大型种植农场通常配置大中型塔式、循环式干燥机对收 获后的小麦进行集中干燥，批次处理量大，但一次性投 入成本高，而分散种植农户很难接受并适应该集中烘干 作业模式【4 - 6 】，多采用固定床通风干燥机作为农产品收获 后的补充或应急干燥设备，该类设备结构简单、价格低 廉，适用于多类农产品干燥，符合中国农村生产实际 2 】， 然而该类设备多为粗放型农产品通用干燥设备，缺少适 用于农产品在不同环境条件和物料初始含水率下最优作 业参数，导致作业过程中能量损耗严重。 论文针对自行研发的5 H 2 0 A 箱式固定床换向通风 干燥机，通过理论模型模拟计算的方法，确定在不同环 收稿日期：2 0 1 5 0 8 1 3修订日期：2 0 1 5 1 0 1 5 基金项目：中国农业科学院科技创新工程( 农产品分级与贮藏装备创新团 队) ：公益性行业( 农业) 科研专项( 2 0 1 2 0 3 0 3 7 ) 作者简介：颜建春，男( 汉) ，江苏盐城人，主要从事农产品加工技术与装 备研究。南京农业部南京农业机械化研究所，2 1 0 0 1 4 。 E m a ihy a n j c f o x m a ilco r n 通信作者：谢焕雄，男( 汉) ，广西浦北人，研究员，主要从事农产品加 工技术与装备研究。南京农业部南京农业机械化研究所，2 1 0 0 1 4 。 E m a ihn f z h o n g z i 1 6 3 co m 境空气温度、相对湿度、小麦初始含水率下，使得能耗 成本最低的通风设定温度与风量组合，为研发的烘干设 备提供适用于小麦烘干，并且烘干经济成本最低的烘干 工艺提供参考。 1换向通风小麦干燥模型模拟 1 1 小麦干燥P D E 模型简介 根据前人利用偏微分方程( p a r t ia ld if f e r e n t ia le q u a t io n ) 模型模拟固定床谷物干燥过程的研究经验7 。10 1 ，为减化计 算，对固定床小麦干燥过程中的传热、传质做如下5 点 假设：忽略单个小麦籽粒内部的温度梯度；忽略小麦籽 粒间的热传导：器壁绝热，并忽略其热容量；在足够短 的时间间隔内，湿空气和小麦比热视为常量；选用精确 的小麦薄层干燥方程【1 1 】。 根据床层小麦和介质空气间热质传递基本理论，可 得空气质平衡方程、空气热平衡方程、小麦热平衡方程、 小麦质平衡方程，如式( 1 ) 一( 4 ) 所示。 O H ( x ，f ) 圪O H ( x ，f l一O M ( x ，f ) r 1 、 国s 缸 6 P a O t O T ( x , t ) + 丘 o r ( x , t ) ：一生竺终型二坐塑( 2 ) O t占融 ( ca + n cv ) 一00：1q(丁(列)一护(v)Ot P g b ( C g 坂M ( 圳r “八u “r 叶叫7 + 警( 眩+ cv ( 咐) - o ( 刈) ) ) I 第2 2 期颜建春等：固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化 2 9 3 _ O M ( x , t ) ：一( M ( x ，o ) 一M e ( x ，f ) ) k e x p ( 一幻) ( 4 ) a f k ：1 3 9 3 e x p f 一：竺堑 1 IT ( x ，f ) + 2 7 3 ) 式中，x 为单层小麦距离固定床底部的距离，m ；，为干 燥时间，m in ；M 为单层小麦平均含水率( 干基) ，； 口为单层小麦温度，；日为介质空气穿过单层小麦后的 绝对湿度；r 为介质空气穿过单层小麦后的温度，；圪 为介质空气体积流量，m 3 ( m 2 - h ) ；P z b 为小麦体积密度， k g m 3 ；P 为介质空气密度，k g m 3 ；为小麦床层空隙率； C 。为干空气比热，J ( k g K ) ；C v 为水蒸气比热，J ( 埏K ) ； c。为液态水比热，J ( k g K ) ；c。为床层小麦比热，J ( 埏K ) ； h ，为小麦空气对流传热系数，J ( m 2 - K ) ；办：为小麦中水 分的汽化潜热，J k g ；k 为干燥常数；必为小麦平衡含水 率( 干基) ，；a 为小麦床层比表面积，m 2 m 3 。s 1 2 换向通风干燥计算机模拟 1 2 1P D E 模型离散化 将固定床看成若干个沿水平方向的薄层组成，每一 个薄层作为一个节点；将烘干时间按时序分成若干等 分，每个等分作为一个节点。当从下向上通风时，模拟 从固定床底部最下层处向上开始( 从上向下通风时，模 拟从固定床顶部最上层向下开始) ，依次计算不同高度 节点处薄层小麦含水率、温度和介质空气温度、湿度， 将计算结果作为下一节点的输入值，再去计算下一节点 处的各变量值。直到床层小麦平均含水率达到贮藏要求 为止。干燥过程中料床位置节点、时间节点划分如图1 。 ( ，+ 1 ) ， d x ( i 1J1 、 f f +，r) ( f ，) 睐层厚度 V e n t ila t io nf r o mt h eb o t t o mu p B e d “”文”蚓” 页丽 两五广一 V e n t ila t io nf r o mt h et o pd o w n 注：i为料层厚度方向上的节点数，表示第i个薄层；，时间维度上的节点数， 表示第，个时间等分；m 为厚度方向的最大节点数，n 为时间维度的最大节 点数，t 为烘干时间，x 为床层厚度。 N o t e ：iist h en o d en u m b e ro f b e dt h ick n e s s w h ie hr e p r e s e n t st h ei- t ht h inla y e r ； Jist h en o d en u m b e ro ft im e ，w h ichr e p r e s e n t st h ej - t ht im ea liq u o t ；mist h e m a x im u mn o d en u m b e ro fb e dt h ick n e s s ；Hist h em a x im u mn o d en u m b e ro f t im e ；tisd r y in gt im e ；xisb e dt h ick n e s s 图1位置节点和时间节点划分示意图 F ig 1 S ch e m a t icr e p r e s e n t a t io no f p o s it io nn o d ea n dt im en o d e 将床层沿厚度方向均匀分成若干单元，每个单元厚 度为A x ，x = i A x ，总厚为m A x 。同时，将干燥时间划分 成若干段，每段时长为A t ( 取A t 为1m in ) ，t = - j A t ，料 床平均含水率值达到烘干终止含水率要求时终止模拟。 采用有限差分法，分别针对向上通风和向下通风2 种通 风干燥工况，对P D E 模型进行离散化，整理后得： 1 ) 向上通风时， H i+ l, j + I - - H f ，一 A t占 A x 互+ 1 ，一l一互+ 1 A t占 A x 一垒丝l ( 5 ) 与O tlf J + 1 呸( 1 扎p 。一谚，+ 。) 一百再丽 ( 6 ) 瞑，+ 。一谚 q ( 巧+ 1 ，“一谚，+ ) 垃 ( cg + M ，川cw ) ( 堙+ q ( 川一瞑小。) ) O M I ( 咚+ M + 。C w ) 3 t i, j + l 乳+ 1 - 地+ 1 ) t 小t e X p ( 屯- r ) f 啪叫一篇j 竺：! ：! 二堡：! 。丘竺：! ：! 二堡：生! A t占A x ( 7 ) ( 8 ) = 一石P g b O M O tli, j + l( 9 )8 p ， 丛二堡+ 丘丛二塾兰：一竺掌立二丛2 ( 1 0 ) 出占A x G P a 【C 口+ 月“+ iC yJ 盥二鱼：竺竺亟兰二丛) 出 【cg 誓川cw J ( 1 1 ) 吩( 喽+ cv ( 互, j + l- - O 一) O M ( 咚+ M 小。C w ) 西i, j + l 百O M L ，2 一( M 旷心洲) 噍川。e X p ( 一t 一 ，) ( 1 2 ) + l= m m 冲l_ 卷j 1 2 2 初始与边界条件 假设干燥前，床层小麦初始平均含水率为M o ( 干基) ， ；小麦初始温度为阮，。令烘干作业设定的介质空气 通风温度为疋，；绝对湿度为越，。则有： 初始条件： 艺，02 M o 其中o f m (13)a i瞑。= o 一。 。 边界条件，向上通风时， 肛2 其中 o (14)7 l0 。，= t 一一 向下通风时， 滗三箸蜥 。 ， l乙，= I 一一 一 1 2 3 辅助方程 模嚣! | 分析中，模拟精度主要取决于模犁中系数和参 “引引副 2 9 4 农业工程学报( h t t p ：w w w t cs a e o r g ) 2 0 15 年 数的取值，尤其是籽粒比表面积、体积密度、孔隙率、 汽化热等重要物理参数，在小麦干燥脱水过程中，伴随 籽粒体积收缩和内部水分降低不停变化，模拟计算过程 中不能将之视为常量，不然将严重影响模拟结果的精度。 国外一些学者通过试验对这些参数进行了详细研究，得 出了精确的经验或半经验公式。 S e r g io 等 1 2 1 通过试验数据线性回归分析的方法得到 了小麦床层比表面积经验公式： q = 1 7 8 1 2 8 2 0 1 M , ib ( 1 6 ) G a lla h e r 通过试验数据非线性回归分析的方法，得到 了小麦中水分汽化潜热半经验公式 1 3 ： 喽= 吆1 1 + 0 8 e x p ( 一1 8 1 蚝) J ，o 1 坞6 0 2 6 ( 1 7 ) M a j d i等【1 4 】通过对试验数据线性回归和二次回归分 析，得到了干燥过程床层小麦体积密度和空隙率随籽粒 含水率变化的经验公式： 几= 一1 0 5 7 4 虬6 + 7 2 0 1 7 ，1 0 M w 6 4 0 ( 1 8 ) 占2 1 1 旧们2 + 2 1 6 + 0 4 6 5 3 5 ，0 气6 4 0 ( 1 9 ) 式( 1 6 ) 一( 1 9 ) 中，0 s 为小麦床层比表面积，m 2 m 3 ； M d b 为小麦干基含水率； 毛b 为小麦湿基含水率，；坛 为自由液态水的蒸发潜热，J k g ；砍为小麦中水分的汽 化潜热，J k g 。 此外，G in e r 等 1 5 】简化了小麦与介质空气的对流传热 系数计算公式，并进行了试验验证，得出了小麦与介质 空气对流传热系数半经验公式： = 1 7 2 2 ( 成圪) “。 ( 2 0 ) 同时，G in e r 等 1 5 还通过非线性回归分析的方法，分 析了4 个平衡含水率理论模型，得出了小麦与介质空气 平衡含水率半经验公式【1 5 1 。 ， L 疋(x，)=。tI互ji；：；吾；糕1229 c2 ， 式中，砌为介质空气相对湿度，。 1 3 小麦干燥工艺优化 1 3 1 优化判据 小麦烘干作业中，在确保其干燥后品质的前提下， 一般最受关注的是能耗成本。论文根据前人研究经验， 选择保证小麦品质安全的烘干温度范围，以能耗成本为 工艺参数优劣的评价标准，分析选取使得能耗成本最低 的通风温度与风量。烘干耗能可分驱动风机用的电能和 加热介质空气用的液化石油气2 种。其中，驱动风机的 电能可根据介质空气穿过承料冲孔板、床层小麦的压降 及通风管道沿程压降进行计算，具体有： 吩= f7 7 ， A P ( f ) 屹( f ) S - d t ( 2 2 a P ( t ) = 峨( f ) + 蜴( f ) + 嵋( f ) ( 2 3 J 式中，弓为驱动风机配套电机所需的电能，J ；移为风机 效率；夸为烘干耗时，m in ：A P 为压降总和，P a ；吃为介 质空气体积流量，m 3 ( m 2 h ) ；S 固定床小麦的摊铺面积， m 2 ；t 为干燥时间，m in ；P g 为介质空气穿过床层小麦的 压降，P a ；A P a 为通风管沿程压降，P a ；A P f 为介质空气 穿过冲孔板的压降。查文献7 , 1 6 - 1 7 得 哦( r ) = 可2 7 x 丽1 0 4 V d ( t ) 2 L ( 2 4 ) 叱= - g 。4 p o v 2 ( 2 5 ) 呼= 1 0 7 6 ( V 以。( t ) ) ( 2 6 ) 式中，五为床层小麦厚度，m ；P 。为介质空气密度，k g m 3 ； f 为通风管固有阻力系数；0 为介质空气在通风管内的流 速，r n s ；s 为小麦床层空隙率；研为冲孔板开孔率。 烘干过程所需的热量受环境温度、烘干设定温度和 通风风量及烘干用时影响，与烘干过程中换向操作无关， 则燃烧液化石油气需获得的热能： 毛= f ，见 圪( f ) - ( ca + cv 日( f ) ) ( 乃( f ) 一乃( f ) ) S d t ( 2 7 ) 式中，毛为使介质空气升温所需的热能，J ；P 。为介质空 气密度，k g m 3 ；为介质空气体积流量，m 3 ( m 2 h ) ；c。 为干空气比热，J ( k g K ) ；巳为水蒸气比热，J ( k g K ) ；疋 为通风温度，：t 为环境温度，；S 固定床小麦的摊 铺面积，m 2 ；t 为干燥时间，m in 。 则批次烘干能耗成本即为消耗的电能和热能成本 之和： Y = 毛E ，+ 恕邑 ( 2 8 ) 式中，k 为电能成本系数，元J ；k 为热能成本系数， 元J 。按照南京当地的电能和液化石油气使用成本，电价 1 元( k W h 1 ；气价6 2 元k g ，热值4 5 4 x1 07 J k g 。可得 k l- = 2 7 7 8 x 1 0 元J ，& - - 1 3 6 6 x 1 0 元J 。 1 3 2 参数范围选取与约束条件 根据1 3 1 节可知，批次小麦烘干成本主要受环境温 湿度、通风温度、风量、耗时影响，而干燥耗时主要受 通风温度、风量及小麦初始含水率影响，而环境温湿度、 小麦初始含水率受小麦收获期天气条件和收获方式影 响，为不可控因素。因此，仅能通过调节通风温度和风 量，使得在不同环境温湿度和初始含水率条件下的小麦 烘干能耗成本达到最低。考虑各地区小麦收获季节气候 差异及阴雨天的极端天气状况，选取环境空气温度疋范 围2 0 3 5 ，环境空气相对湿度R H 。范围2 0 8 5 作 为环境条件( 环境相对湿度超过8 5 时，不宜采用换向 通风干燥) ；采用机械收割小麦以完熟初期为宜，含水 率一般在2 0 ( 湿基) 以下，选取小麦初始含水率1 6 2 0 ( 湿基) 作为分析范围；同时根据小麦烘干经验【l8 l， 新收获后的硬质小麦，表皮尚未完全成熟，为防止表皮 因干燥而硬化，阻碍水分迁移，其干燥受热温度应控制 在4 0 5 0 ，选取通风温度死范围4 0 5 0 ；同时为保 证通风风量圪充足，选取5 0 0 10 0 0m 3 ( m 2 h ) 作为分析 范围。 第2 2 期颜建春等：固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化 2 9 5 注：图中箭头t 表示从下向上通风，箭头I 表示从上向下通风：M 0 为入仓小 麦平均初始含水率( 湿基) ，：t h 为换向通风时间间隔，m in ：f 为料层厚 度方向上的节点数：，时间维度上的节点数：疋为环境温度，；R H 。为环 境相对湿度，；L 为通风温度，；圪为介质空气体积流量，m 3 m - 2 h ； M u 为料层厚度节点i时间节点，处的小麦含水率( 干基) ，；O u 为料层 厚度节点i时间节点，处的小麦温度，：t t u 为料层厚度节点i时间节点， 处的穿过物料的介质空气绝对湿度，；为料层厚度节点i时间节点，处 的穿过物料的介质空气温度，；M e 。，为料层厚度节点i时间节点，处的物 料平均含水率( 干基) ，：m 为物料层厚度的最大节点数；脑 为物料干燥 的终止含水率( 干基) ，：Y 为批次烘干能耗成本，元；E m 。为批次烘干 最低能耗成本，元；7 k ，为最优通风温度，为最优介质空气体积流 量，m 3 m - 2 h 。 N o t e ：T h ea r r o w st r e p r e s e n t sv e n t ila t io nf r o mt h eb o t t o mu pa n dt h ea r r o w s J r e p r e s e n t sv e n t ila t io nf r o mt h et o pd o w n ；M 0ist h ea v e r a g ein it ia lm o is t u r e co n t e n to fw h e a t ( w e tb a s is ) ，；t hist h ein t e r v a lt im eo fch a n g in gv e n t ila t io n d ir e ct io n ，m in ；iist h en o d en u m b e ro fb e dt h ick n e s s ；Jist h en o d en u m b e ro f t im e ；疋ist h et e m p e r a t u r eo fa m b ie n ta ir ，；R H 。ist h er e la t iv eh u m id it yo f a m b ie n ta ir ，；死ish o ta irt e m p e r a t u r e ，；吒ish o ta irv o lu m e ，m j m - 2 h 1 ； 矗J ism o is t u r eco n t e n t ( d r yb a s is ) o f w h e a ta tb e dt h ick n e s sn o d eia n dt im en o d e j ； O uist e m p e r a t u r eo fw h e a ta tb e dt h ick n e s sn o d ei a n dt im en o d ej ，；is a b s o lu t eh u m id it yo f t h r o u g h f lo wh o ta ira tb e dt h ick n e s sn o d eia n dt im en o d e j ； T uist e m p e r a t u r eo f t h r o u g h f lo wh o ta ira tb e dt h ick n e s sn o d eia n dt im en o d e j ， ；坛。ise q u ilib r iu mm o is t u r eco n t e n t ( d r yb a s is 】o fw h e a ta tb e dt h ick n e s s n o d eia n dt im en o d e j ；mist h em a x im u mn o d en u m b e ro fb e dt h ick n e s s ；尬is t h et e r m in a t io nm o is t u r eco n t e n to fw h e a t ( d r yb a s is ) ；Yise n e r g yco n s u m p t io n co s to fb a t chd r y in g ，R M B ；y m inist h elo w e s te n e r g yco n s u m p t io nco s to fb a t ch d r y in g ，R M B ；ist h eb e s th o ta irt e m p e r a t u r e ，；，ist h eb e s th o ta ir v o lu m e ，m 3 m - L h 图2 不同环境温湿度下的最优通风风温与风量求解框图 F ig 2S o lv in gd ia g r a mo f b e s tv e n t ila t io nt e m p e r a t u r ea n dv o lu m e a td if f e r e n te n v ir o n m e n tt e m p e r a t u r e sa n dr e la t iv eh u m id it ie s 此外，小麦烘干过程约束条件主要有：介质空气具 有吸湿能力和床层小麦平均含水率未达终止含水率。介 质空气在穿透床层过程中，湿度逐渐升高，且温度不断 降低，为防止介质空气湿度过高，导致薄层小麦与介质 空气的平衡含水率高于薄层小麦实际含水率，以至介质 空气内的水分向小麦籽粒内部渗透，无法达到干燥脱水 目的，因此需保证介质空气在穿透床层小麦过程中，薄 层小麦实际含水率大于对应的平衡含水率。根据国家相 关标准【19 1 ，小麦贮藏含水率不大于1 2 5 ( 湿基) ，对于 一般机械化烘干而言，烘干机停机后的余热可继续使小 麦含水率降低0 5 ，因此为避免含水率值过低而影响经 济收益，将烘干终止含水率 磊定为1 3 。 考虑实际烘干过程中温湿度传感器测量精度、温度 控制器控温精度及通过变频调速器对风机通风量的调节 精度。计算机模拟时，采用环境温度步进疋= l；环境 湿度步进A R H 。= 5 ；通风温度步进丁乒1 ；通风风量 步进A V a = 5 0m 3 ( m 2 h ) 。为保证上下床层小麦干燥均匀性， 同时考虑通风方向转换过于频繁造成的热量损失，选取 换向时间间隔t h = 6 0 m in 。分析1 6 、1 8 、2 0 这3 个初 始含水率下，小麦在不同温湿度环境条件下的最优通风 温度、风量及烘干能耗成本。程序模拟的求解框图如图2 。 2 干燥模型验证试验 2 1 试验设备与方法 为验证小麦干燥模拟结果的准确性，采用自行研制 的5 H 2 A 型箱式换向通风干燥机( 如图3 ) 进行试验。 1 热风炉2 扩风管3 软管4 换向通风机构5 连接管6 料仓7 承料板 1 H o ta irf u r n a ce2 E x p a n d in gd u ct3 F le x ib led u ct4 M e ch a n is mo fr e v e r s in g v e n t ila t io n5 C o n n e ct in gd u ct6 G r a n a r y7 P la t e 图35 H 2 0 A 箱式固定床换向通风干燥机 F ig 3 5 H 一2 0 Ab o x t y p e ds t a t icb e dr e v e r s in gv e n t ila t io nd r y e r 该机具是由燃气热风机、换向通风装置、输风管、 匀风装置、烘干箱及测控系统组成。热空气进入烘干箱 的温度在环境温度环境温度+ 4 0 。C 范围内可实现恒温 调节，精度为士l；额定通风风量为54 0 0m 3 h ，可通过 变频调速器调节电机转速实现调节，调节精度为士0 1 H z 。 烘干箱仓体铺料面积为3 6m x 2 4m = 8 6 4m 2 ，最大堆料 厚度为4 5cm ，承料冲孔板距离箱底4 0cm ，料层顶部与 箱盖间最小距离为4 0cm 。试验选用新收获后的小麦，品 种为杨麦5 5 ，产地南京溧水，烘干前的平均初始含水率 为1 9 2 ( 湿基) ，温度2 6 。烘干过程环境温度平均 值约2 6 4 ，环境相对湿度平均值约6 2 3 。设定通风温 2 9 6 农业工程学报( h t t p ：w w w t cs a e o r g ) 2 0 1 5 年 度4 0 ，通风风量54 0 0m 3 h ，即穿过每平米铺料面积的 通风风量为6 2 5m 3 ( m E - h ) 。 2 2 试验过程与方法 试验过程每隔1h 改变一次通风方向，在改变通 风方向前，烘干机需停机，并测量烘干仓内小麦含水 率、剩余液化石油气质量、烘干耗电量。自制了小麦 取样器，为有效腔体内径矽2 0m m ，长度4 5 0m m 的圆 形容器。利用该取样器按图4 测试区域划分，在各单 元测试区随机垂直取样3 次，每次将4 0cm 床层高度 的垂直取样柱由上到下等分3 段，分别收集标记为上、 中、下3 层，再采用1 0 5 烘箱法【2 0 】统一对各测试区 域采集试样进行含水率测定，确定各时段上、中、下 各层小麦含水率平均值及整床层小麦含水率平均值。 采用伯伦斯B W S T 0 2 型电子计重秤( 量程0 1 0 0k g ， 精度5g ) 测量剩余燃气和气罐总质量，采用电度表测 量烘干总耗电量。 ：n：；j：n 一一 ， 暑 ：j 、：j 、：n E 一一 、， 寸 N ：i、：五、：j 、 、， 一 36 0 0 m m 注：为测试单兀序号。 N o t e ：a r et h es e r ia ln t t m b e r so f t e s tu n it 图4 测试区域分割示意图 F ig 4 S ch e m a t ic o f t e s t in ga r e a sd is t r ib u t io n 相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的 统计指标，文中采用该指标衡量试验值和模型模拟值之 间的差异，r 值越接近1 则说明模型模拟对实际干燥过程 的描述越准确，的表达式如式( 2 9 ) 所示。 ( 测，- M 铡, j ) ( 验，一M 试验) r = 产：望二：二：一( 2 9 ) 喜( 龇一面预测) 2 喜( 蚝验，一面试验) 2 式中，M 预测，为第f 个小麦含水率模型预测值，；M 预测 为所有预测值的平均值，；M 试验，为第f 个小麦含水率 试验测得值，；M 试验为所有试验测得值的平均值，。 3 结果与分析 3 1 模拟计算与试验结果 3 1 1 烘干过程小麦含水率比较 根据验证试验采用的通风参数及试验时的环境条件 和物料初始条件，利用模型计算床层小麦烘干过程中含 水率分布及变化情况，将床层小麦沿料层厚度方向等分 为上、中、下三段，计算每段小麦平均含水率和整床层 小麦平均含水率随时间的变化情况，并将计算结果与试 验测的值进行比较，如图5 所示。上、中、下三层小麦 含水率模拟值与试验测得值的相关系数分别为0 9 9 4 、 O 9 7 3 、0 9 9 8 ，整床层平均含水率模拟值与试验测得值的 相关系数为0 9 9 5 。试验对比表明，上层和下层小麦平均 含水率模拟效果良好，中层略差，整床层小麦平均含水 率模拟效果良好，模型模拟可以较好地预测实际烘干生 产中小麦含水率变化情况。 卜层模拟值 P r e d ict e dv a lu eo f u pla y e r a 各层小麦平均含水率对比 a C o m p a r is o no f a v e r a g em o is t u r eco n t e n to f e a chla y e ro f w h e a t 嚣 b 整床小麦平均含水率对比 b C o m p a r is o no f a v e r a g em o is t u r eco n t e n to f w h o leb e do f w h e a t 图5 各层小麦和整床小麦平均含水率模拟值与试验值对比 F ig 5 C o m p a r is o no fp r e d ict e dv a lu ea n dt e s tv a lu eo fa v e r a g e m o is t u r eco n t e n to fe a chla y e ra n dw h o leb e do f w h e a t 3 1 2 烘干耗能与经济成本比较 试验前批次湿小麦总质量约24 1 8k g ，干燥总耗时约 4 5 0m in ，试验总消耗液化石油气1 4 6k g ，耗电4 4k W h ， 批次干燥总成本约9 4 9 元，单位质量湿物料能耗成本约 0 0 3 9 元k g 。模拟计算消耗热能约6 4 1 1 0 8J ，消耗电能 约1 5 8 1 0 7 J ，批次干燥总成本约9 1 9 元，单位质量湿物 料能耗成本约O 0 3 8 元k g 。实际烘干能耗成本比模拟值 高3 1 ，主要是试验设备无保温层，造成了部分热量散 失。总体而言，模拟计算可以较好地预测实际作业能耗 成本。 3 2 烘干过程床层小麦含水率和温度模拟分析 根据3 1 节中模拟计算结果，绘制床层小麦沿料层厚 度方向上的物料含水率和温度随烘干时间的变化图，如 图6 所示。床层小麦含水率总体呈逐渐降低趋势，床层 小麦温度随通风方向的周期性改变呈类周期性变化，总 体呈现波浪式升高趋势。干燥过程中改变通风方向后， 介质空气从新入风侧进入料层后，与相对低温高湿( 与 原入风侧物料相比) 的物料接触后，气流温度逐渐降低 且湿度不断增加，直至料层某一处时，其温度低于该处 料层温度，在穿透剩余料层过程中，使原高温料层温度 第2 2 期颜建春等：固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化2 9 7 逐渐降低，甚至向料层析出少量水分。在一定程度上起 到了缓苏作用，确保了烘干后小麦品质。 a 含水率变化 a C h a n g e so f m o is t u r eco n t e n t 3 3 烘干工艺优化效果分析 取环境温度3 0 ，环境相对湿度6 0 ，小麦初始含 水率2 0 ( 湿基) ，模拟计算通风温度( 4 0 5 0 ) 和 通风风量( 5 0 0 10 0 0m 3 ( m 2 h ) ) 工况下的单位质量小麦 能耗成本，结果如图7 。 结果表明：在通风风量不变时，通风温度增加，单 位时间内的热耗增加，尽管降低了烘干耗时，但耗时降 低而节省的能耗不足以抵消通风温度升高而增加的能 p 鹱 翟 耗，因此温度越低能耗成本越低；通风温度不变时，通 风风量升高增加了单位时间内的热耗和电耗，但通风风 量从5 0 0m 3 ( m 2 - h ) 增加到7 5 0m 3 ( m 2 h ) 时，烘干耗时大幅 度减少，烘干总耗能急剧减少；而当通风风量大于 7 5 0m 3 ( m 2 h ) 时，随着通风风量增加，烘干耗时降低幅度 逐渐减小，降低耗时节省的能耗不足以抵消通风风量增 加而增加的能耗成本，因此能耗成本随着通风风量增加 先降低后升高，当通风量为7 5 0m 3 ( m 2 h ) 时能耗成本最 低。以通风温度4 0 时为例，通风量7 5 0m 3 ( m 2 h ) 时的 能耗成本为0 0 3 4 8 元k g ，与风量5 0 0m 3 ( m 2 h ) 时的0 0 4 2 5 元瓜g 相比，降低了1 8 1 ；与风量10 0 0m 3 ( m 2 h ) 时的 0 0 3 8 2 元k g 相比，降低了8 9 。由此可知，烘干工艺优 化对降低烘干能耗成本作用显著。 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 通风风量V o lu m e ( r n 3 ( in 二1 1 ) 。) 注：环境温度3 0 “ C ，环境相对湿度6 0 ，小麦初始含水率2 0 ( 湿基) 。 N o t e ：A m b ie n tt e m p e r a t u r ew a s3 0 。C ，r e la t iv eh u m id 时w a s6 0 a n dt h ein it ia l m o is t u r eco n t e n to f w h e a tw a s2 0 ( w e tb a s is ) 图7 单位质量湿小麦批次能耗成本模拟计算结果 F ig 7 S im u la t io nr e s u lt so f b a t chd r y in ge n e r g yco n s u m p t io nco s t o f u n itq u a lit yw e tw h e a t 3 4 通风作业参数优化结果 小麦初始含水率为2 0 、1 8 、1 6 ( 湿基) 时，在 不同的环境温度和环境相对湿度条件下，为达到烘干能 耗成本最低，所采用的通风温度、风量及对应的能耗成 本，按照图3 的计算流程，分析结果如图8 、9 ( 以小麦 初始含水率为2 0 、1 6 ( 湿基) 为例) 和表1 所示。 a 最优通风温度 aB e s tf r e s ha irt e m p e r a t u r e b 最优通风风量c单位质量湿物料耗能成本 bB e s tf r e s ha irv o lu m eCE n e r g yco n s u m p t io nco so f u n itq u a lit yw e tw h e a td r y in g 图8 小麦初始含水率2 0 时，不同环境温度和相对湿度条件下的最优通风温度和 风量及对应的单位质量湿物料耗能成本 F ig 8 W h e nm o is t u r eco n t e n to f w h e a tw a s2 0 w e tb a s is ，b e s tf r e s ha irt e m p e r a t u r e ，v o lu m e ， u n itq u a lit yw e tw h e a td r y in ge n e r g yco n s u m p t io nco s ta td if f e r e n ta m b ie n tt e m p e r a t u r e sa n dr e la t iv eh u m id it y 加 博 m 他O 誊) o 董o o o-己10昌露D苟 | 耋 耋 啪 2 9 8农业工程学报( h t t p ：w w w t cs a e o r g ) 2 0 1 5 笠 笔 雏 皲 a a 最优通风温度 aB e s tf le s ha irt e m p e r a t u r e b 最优通风风量 bB e s tf r e s ha irv o lu m e e 单位质量湿物料耗能成本 cE n e r g yco n s u m p t io nC O So f u n itq u a lit yw e tw h e a td r y in g 图9 小麦初始含水率1 6 时，不同境温度和相对湿度条件下的最优通风温度和风量及对应的单位质量湿物料耗能成本 F ig 9 W h e nm o is t u r eco n t e n to f w h e a tw a s1 6 w e tb a s is ，b e s tf r e s ha irt e m p e r a t u r e ，v o lu m e ，u n itq u a lit yw e tw h e a td r y in ge n e r g y co n s u m p t io nco s ta td if f e r e n ta m b ie n tt e m p e r a t u r ea n dr e la t iv eh u m id it y 表1不同含水率下的最优通风风量和对应的能耗成本 T a b le1B e s tf r e s ha irt e m p e r a t u r ea n de n e r g yco n s u m p t io nco s t o fd if f e r e n tm o is t u r eco n t e n t so f w h e a t ture，lume(m量3m“Moisture co n t e n t A irv o lu m e ( mm h - 。，h 芝纂P 1 ) “_ 三_ j 5 9 0 5 8 0 0 0 3 1 0 0 2 0 3 4 1 环境温湿度对通风参数的影响 当环境相对湿度较低时，介质空气已有较强的吸湿能 力，通风温度增加对能耗成本增加的影响程度大于通风风 量，同时为保证新鲜小麦品质的烘干温度( 4 0 5 0 ) 要 求【捕1 ，因此宜采用4 0 。C 的下限温度烘干小麦以降低成本， 当环境相对湿度逐渐升高至6 0 以上时，采用4 0 的烘 干温度已难以保证介质空气对床层湿小麦的吸湿能力， 烘干耗时明显增长，导致总能耗成本剧增，需增加通风 温度或通风风量以提高单位时间内介质空气的吸湿能力， 但增加通风风量对单位时间内介质空气吸湿能力的提升 效果远不如增加通风温度，增加了烘干能耗的同时还不 能有效降低干燥时耗，难以达到使能耗成本尽可能降低 的目的，因此需大幅度增加通风温度，同时适当增加通 风风量，确保料层小麦中的水分能及时排出，较大幅度 降低烘干耗时抵消增加通风温度和风量而增加的能耗成 本，使保证批次烘干的能耗成本最低。此外，环境温度 对通风温度的选择影响相对较小，但和环境相对湿度一 样对通风风量的选择影响较大；环境温度的降低和相对 湿度的增加都会增加耗能成本。 3 4 2 小麦