（热能工程专业论文）新型高效干燥器特性参数的研究.pdf

天津大学硕士论文中文摘要 摘要 本文通过实验研究与理论分析，讨论了若干特性参数对蔬菜种子在红外 辐射式振动流化床种子干燥机中干燥过程的影响。结合干燥机在实际的设计 与运行中遇到的问题，探讨了几种重要参数的确定方法与调节范围，为新型 干燥机的设计提供了理论基础。 本文重点研究了以下几个问题：1 电机振动参数对振动流化床干燥周期的 影响及对物料传热的影响。2 辐射器空间位置参数对辐射能分布的影响。3 如何对物料层的含水率进行间接的估算 本文还实验验证了大毛细管水的表面张力随温度变化规律，并且分析了 这种规律对干燥过程中内部传质的影响。定性讨论了采用升速段控制升速段 升温速率与降速段降温干燥法可优化干燥的机理。 关键词：l 玉爨黝2 振动3 辐射 4 种子活性5 含水率6 毛细管 一。一一。n 一 天津大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fs o m e s p e c i a lp a r a m e t e r so ni n f r a r e dr a d i a t i o nv i b r o n l l i d i z e d d r y i n gw a s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sw e r em a d ea l s o t h ed e f i n i n gw a ya n dr e g u l a t i o no fr a n g eo fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sw e r ei n q m r e dt os o l v et h ep r o b l e mc o n c e r n i n gt h ed e s i g n a n dr u n n i n go fd r y i n gm a c h i n e a l lo ft h e s ew i l l h a v eas i g n i f i c a n te f f e c to n d e s i g no f n e wd r y i n gm a c h i n e t h ee f f e c to f v i b r a t i o n p a r a m e t e r so nd r y i n gp e r i o da n dh e a tw a n s f e ri nd r y i n g p r o c e s sw a sa n a l y z e dd e e p l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p l a c e so fh e a t i n g a p p a r a t u sa m d i s t r i b u t i o no fr a d i a t i o ne n e r g yw 黜d e t e r m i n e d a l s ot h em o i s t u r e c a p a c i t yo f t h em a t e r i a ld r i e d m e a n t i m e ，t h ea c t i o no f v a r y i n gs u r f a c et e n s i o no ni n t e r n a lm a s st r a n s f e ro f p o r o u sm e d i aw a s i n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ： 1 d r y i n gp e r i o d 2 v i b r a t i o n3 r a d i a t i o n4 s e e d a c t i v e5 m o i s t u r e c a p a c i t y 6 c a p i l l a r y 墨苎查兰塑圭丝苎堡塞煎要 pe 皿cj 1 0b1 4e 3 个actatb且06cy 墩aa et0噩enctbmhh ek0t0pnxc06ctbehhh ix 1 7a pametp0b bn po 【l ec cecy1 1 1k1 4皿玎rxo3 丑nctbehi - 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i1 t 月 mh kp0 ty6a 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 干燥是一种历史悠久，应用广泛的单元操作，几乎所有的产业都涉及干燥技 术。从8 0 年代开始，国际上开始关注并认识到干燥的重要性，最近，对于产品 干燥质量方面越来越高的要求使人们对干燥技术产生更加浓厚的兴趣。本文研究 的干燥对象蔬菜种子属于生物材料，对干燥品质的要求很高，因此，设计、研究 干燥机的特性参数以保证种子干燥的顺利进行就显得尤为重要了。 一课题提出的背景 1 研究种子干燥的熏要性： 干燥是利用能量除去固体物料中湿分( 水分或其它溶剂) 的单元操作，是一 个复杂的传热传质过程通常，各种固体产品的含湿量都有定的标准，以便于 贮存，运输，加工和使用【i j 。干燥过程广泛存在于工、农业的各个部门，如粘土 烧结【”，木板干燥1 3 】，药材干燥等p 剖。本文研究的是蔬菜种子干燥。 种子是农业生产的基础，在发达国家已形成了完整的种子产业，而我国在这 方面还有欠缺种子工程是一项涉及多学科的大工程，种子的存贮是其中一个重 要的环节，多年来，人们一直在寻找一种既可使种子长期保存，又能保持高发芽 率的方法【6 l 。种子包衣剂可以避免虫害和促进蔬菜种子的发芽，但经包衣剂处理 后的种子仍含有较大水分，为了贮存种子就必须除去这些水分。所以说种子干燥 技术又是种子贮存前处理的一个重要环节。我国种子干燥的研究还落后于发达国 家，根据9 5 年第二届农业博览会调查表明：全国农机行业用于谷物与种子干燥 的机型贫乏，尤其是蔬菜种子干燥机尚未见到。造成这种现象的根本原因是种子 干燥较其它物料的干燥难度要大，这主要体现在以下两个方面：1 种子的形状， 大小千差万别，一粒菜豆的重量就相当于1 0 0 0 粒芹菜种子的重量。从种类上讲， 仅中国名特优蔬菜种子就有4 8 类5 0 6 个品种。所以要想设计制造一种对于各种 蔬菜种子都较适合的干燥机是有一定难度的。2 种子干燥后活性的保持。对种子 进行干燥与贮存是为了以后能继续播种，因此干燥过程本身定不能对种子的活 性造成太大的伤害，否则将出现种子不发芽或生长畸形的现象，给农业经济带来 损失。从另一方面讲，种子干燥机又是当前农业生产所急需的设备。每年收获季 节，大批的粮食，蔬菜种子由于不能得到及时的干燥而发霉，腐烂，损失很大。 而且即使种子得到干燥处理，由于干燥技术使用不当也会造成损失，有资料显 示，每年，全国各种子加工中心损失量高达1 0 | 7 1 ，对于价格较高的蔬菜种子， 这个问题就更突出了。从以上介绍中我们可以看出，研究农作物种子的干燥规 律，开发新的实用种子干燥机，研究各种干燥参数对干燥过程及物料干燥品质的 影响都是十分必要的。另外，干燥是一个典型的不稳态传热传质过程，种子干燥， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 又涉及到物料的生理活性问题，属于多学科交叉领域，所以研究种子干燥不仅是 生产实际的需要亦可促进干燥理论的发展。 本课题的研究对象就是天津大学几年以来根据以上实际情况所自行设计的 红外线振动流化床蔬菜种子干燥机。 2 种子的干燥方法概述 在介绍本文研究的干燥机型特点之前，简单介绍一些常用的种子干燥方法是 十分必要和有益的。 a 种子干燥最简单的方法是自然干燥法，直接在田间进行。其优点是简单方便， 易于操作，至今在广大农村地区仍被普遍使用。缺点是受环境的影响比较大，在 阴天和湿度比较大的天气难于进行 b 第二种干燥方法是太阳能干燥法。其实自然干燥法的能量也主要来自太阳能， 这里指的主要是利用专门的温室来进行干燥的方法。温室干燥利用温室效应，让 室外的可见光透入而阻止室内物体释放的红外线透出，从而使室内的温度高于大 气环境温度另外温室通常配有除湿系统保持室内空气干燥。由于太阳能干燥法 节能，洁净等优点目前仍是人们研究的熟点之一f i 9 j o 。太阳能干燥的缺点也是 受自然环境的影响较大。 c 第三种干燥方法是冷冻干燥即对物料中的水进行冷冻，并使固态的冰升华， 这种方法最大的问题是对于含水率较高的种子而言，种子在冻结的过程中将发生 结冰损害，对于热敏感较高的种子，含水率即使降到1 0 时仍会受到损害【“】。 d 第四种是加热干燥。这种方法最常用，将常规能源转化为热能对物料及空气加 热提供水脱离物料所需的能量和降低相对空气湿度，增加种子与空气问的水汽压 差，从而达到快速有效干燥的目的。这种干燥方法的优点是适应性强，可在任何 天气下进行，可以调节能量供给从而改变干燥速率与干燥品质适应多种干燥要 求。本文研究的干燥属于这种干燥方法。但使用加热干燥时如果干燥参数设景不 当，将对种子的活性产生较大的影响，而如何选择合理的干燥参数正是本文要讨 论的问题。 根据要求不同，种子的干燥又可分为商业用种子干燥与遗传资源种子干燥。 商业用种子的保质期是l 一3 年，含水率是( 5 _ 1 5 ) 。遗传资源种子的保质期 是2 0 - - 1 0 0 年，而且含水率在5 以下1 1 2 j ，本文研究的对象是商业用白菜种子。 4 种子干燥的设备概述 本文使用的千燥机型是红外线振动流化床，下面就结合红外线加热技术与流 化床技术的概述来介绍本文干燥机的特点。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 红外线加热方式 干燥器可按加热方式分为：对流干燥器( 如气流式，沸腾式，喷雾式等) ，传导干 燥器( 如盘架式，滚筒式等) 。辐射干燥器( 如红外线干燥器) ，介电加热器( 如微 波式) 红外线加热干燥技术属于辐射干燥技术，始于本世纪三十年代，美国福特 公司用红外线灯干燥车漆前苏联于1 9 4 1 年首先在航空工业中大量采用灯泡式 辐射干燥，并在1 9 4 3 1 9 4 4 年对面包的烘制进行了红外线干燥的研究。 红外线干燥因其工艺环节少，稳定可靠，适应物料广等诸多优点而迅速发展起 来。1 9 7 8 年国务院将红外加热与干燥列为重点推广项目1 9 8 0 年我国红外线电 热装置装机容量超过1 8 0 万k w ，应用行业超过1 3 0 余个，到了1 9 9 0 年，全国红 外线电加热装置装机功率达到了3 5 0 万k w l “j 。 目前，红外线干燥技术已经在涂装，纺织，印染，造纸，食品加工等行业广 泛应用，并且在欧美等地还以每年1 0 - 1 2 的速率在增长，这主要与能源的价 格变化和人们环保意识的增强有关i “j 。 本实验采用电加热红外辐射器主要基于以下三点原因。1 为了适应南方农 村个体和集体的生产方式，研究以电力为能源的机动灵活的适于农村的烘干机型 是有很大的实用意义的。2 电能是洁净的能源，造成的污染小符合环保要求。3 红 外线元件启、停机速度快，热惯性小，安全可靠，故非常适用于热敏物料或对湿 度温度值控制要求严格之物料的干燥，而蔬菜种子正是这样一种物料。 ( 2 ) 螺旋式振动流化床 a 几种典型的干燥设备 在生产过程中由于被千物料的形状与性质不同，生产规模或能力不同对于干 燥后的产品的要求也不同，所以干燥方法与干燥器的形式也是多种多样的。通 常对干燥器的要求为： 能保证干燥产品的质量指标要求，如含水量，强度甚至是活性。 干燥速率快，干燥周期短，干燥器尺寸小，能耗低，总之经济性要好。 控制方便，劳动条件好 为了描述各干燥器的特点，下面把几种常规干燥器的优缺点列表如下： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 f 1 】 干燥器名称优点缺点使用范围 构造简单，设备投资不能连续操作。装卸 厢式干燥器少，适应性强。物料的劳动强度大，广泛 设备利用效率低，热 效率低，产品质量不 均。 气固间的传热系数由于气速高，整个干能在气流中自由流 气流干燥器与传热面积都很大燥系统的流体阻力动的颗粒物体，且有 结构简单，易于建造大，因此动力消耗一定的耐磨性 与修改，操作稳定，便 大。 于控制。 有较高的传热传质物料粒径小于2 0 岫物料粒径在3 0 啪 效率，结构简单造价时，易产生局部勾流，6 m r n 之间的粉状，粒 气流流化床干燥器低，活动部件少，操作大于8 m m 时，需要高状物料。 维修方便与气流干流速操作要求高，要 燥器比，阻力小可调防止反流与短路适 产品的含水量。应性较差。 b 使用螺旋式振动流化床的原因 所谓流化床干燥是指使固体在沸腾的状态下进行的干燥过程。流化可以改善 设备内的气固接触条件，减小了阻力，传热传质都得到了改善。目前在工业上流 化床多是气体流化床，即利用气体使物料流态化。在固体颗粒的流化过程中，流 化系数为k = w w 。，。w 气流操作速度，吼，临界流化速度，即刚好把物料层托起的 速度“。 当k l 时，气流流速增加很多。颗粒沸腾，称为沸腾床。 气流流化床虽然有着诸多优点，但是也有定的局限性：如颗粒粒径应在一 个范围内，不然易形成勾流与滞动区：当颗粒分布宽时，夹带严重；因此麦粒等粘 性非球形颗粒不能很好的流化。所以气流流化床不适于干燥形状各异、尺寸大小 不同而且干燥过程参数要求严格的生物性材料。 而在流化床基础上的振动流化床可以较好地解决这一问题。振动流化床由于 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 其机械方面的特性有着使流化均匀、稳定的优点。它对于物料同时作用，可避免 或减少气流流化中的由于气体阻力不同而带来的流化不均的现象，因而适用面更 广。 水平振动流化床在7 0 年代由日本引进美国技术，曾广泛推广，在应用当中 发现其在生产能力一定时，烘干时间与机器槽长成正比，如果长度增加槽体易出 现弯曲。 丽在水平振动流化床基础上经过改进得到的螺旋式流化床，采用振动螺旋提 升技术，有着占地面积小，行程大，效率高，噪音低，并且提升与干燥一体化， 振幅、相位与辐射强度可调，适于多种物料等诸多优点。 基于以上原因，本文将选择红外线振动流化干燥器进行研究。 4 课题组工作总结 从1 9 9 4 年开始进行试制实验型小型干燥机到1 9 9 8 年制成有一定生产能力的 蔬菜种子实验干燥机，在此期间经过课题组老师与数届硕士博士生的努力，对于 这种新型的蔬菜种子干燥机无论在实验上还是在理论上都取得了长足的进步，这 主要表现在以下几个方面： 1 实验设备的设计与改造方面，结合螺旋振动传输技术配以辐射，对流，导 热的综合热传递方式，设计制造了红外线螺旋振动流化干燥机，并根据干燥过程 的特点设计了内简，将原来的单行程变成双行程，提高了干燥机的使用效率【1 8 l 。 2 实验研究方面： a 通过实验，发现与固定床相比，在适宜的情况下，振动流化干燥可以大大 提高物料的干燥速率，而且恒速段时间长。 b 变温干燥可以获得强化传热传质的效果。 c 通过合理地控制升速段的升温速率与降速段降温速率可以延长干燥恒速 段与降低临界含水率达到优化干燥的目的7 ”l 。 3 理论研究方面：建立了基于本机型的干燥动力学方程 1 5 j t , l s j 。 4 其它方面：与南开大学生物学专业联合对种子在不同干燥条件下种子的活 性进行了实验分析川。 通过对研究成果的学习与理解，本人认为有以下几个方面可以进一步研究。 1 将螺旋振动技术与干燥技术联合使用是本机型的特色。振动参数包括电机 的安装角度，电机激振力的比例，及电机的输入频率。振动参数的选择决定了干 燥周期的长短，是重要的特性参数，对于干燥机的设计和运行有着非常重要的意 义。在前人的工作中，对干燥周期与振动参数的关系也有过讨论“”，但并没有得 到定量的结果，对于振动参数对于燥过程中传热传质的影响讨论的也比较少。从 天津大学硕士学位论文第一章绪论 另方面讲，将螺旋振动传输技术用于干燥正是本干燥机的创新之处，螺旋振动 参数对干燥周期的影响以及对物料传热传质的影响也是由此而产生的新的研究 方向，因此为了更深入的研究，还应该就振动参数与干燥周期的关系及这种关系 对干燥过程中传热传质的影响做进一步的研究。此外对于振动对料层中种子分布 的影响，甚至对种子内部传热传质的影响与生理的影响也都可以作为深入研究的 对象，以便深入认识振动流化可优化干燥的原因。 2 在利用辐射加热器的干燥设备中，辐射加热器空间位置的设计是十分重要 的，它决定了辐射能量的分配，而能量分配的合理与否与物料的干燥效果是紧密 联系的尤其对于种子这种生物性材料，干燥，一定要保证种子的活性在干燥过 程中不被破坏，而在干燥器中种子活性的破坏往往发生在干燥器的某些危险地 区，比如接收能量相对较多的地区，因此对于种子干燥，合理的分配能量就显得 更重要了。在前人的工作中，辐射器的布置方案主要是通过实验来确定的l ”j ， 为了今后设计的方便和探讨辐射能量对物料干燥的影响，还应该对辐射能量在空 间中的分配做进一步的理论分析。 3 物料的温度与含水率是物料干燥的两个重要的内部特性参数，他们与物料 的干燥品质与产量是密切联系的。对于物料的温度，我们可以进行直接测量；而 对于物料的含水率则需要做绝干实验间接测量，而且为了测量运行中的物料含水 率，需要开机取样，这将对原有的温度场造成破坏。有没有一种可以利用直接测 量的数据来估算运行中物料含水率的办法，这也是值得研究的课题。 4 控制升温速率与采用降温干燥法可以优化干燥，这是前人在对木材等大毛 细管物料进行干燥时得到的重要实验规律。为了更好的利用这个规律还应该从机 理上进行进一步的研究。 总之，为了适应各种物料干燥的要求，相应的干燥机应该是系列产品，完全 依靠实验来确定干燥机的参数是不现实的。因此必须从理论上研究各种特性参数 的确定方法，为今后真正将干燥机用于实际生产打下良好基础。这也是本文研究 的目的。 二本课题研究内容： 本文的出发点是要通过理论分析与实验研究对干燥机的设计及其在运行中 参数调整时遇到的实际问题提出解决的办法和建议。具体包括以下几个方面： 1 对实用型干燥机进行实验研究，对不同参数下干燥效果进行对比，确定符 合生产要求的干燥工况，并进行同步的生理实验。 2 通过对干燥动力学模型的简化，寻找确定各层物料含水率的方法。 6 天津大学硕士学位论文第一章结论 3 针对辐射器对各层空间及壳体的角系数进行分析并数值计算。 4 对干燥气流的流场进行分析并将控制方程方程离散化。 5 通过适当假设，分析计算不同振动参数对于燥周期及干燥过程传热的影 响，并进行实验验证。 6 最后结合毛细管热态实验，定性分析温度梯度对物料内部传质的影响。 本文内容属于国家自然科学基金资助的范畴。 7 墨堡查兰堡主堂竺丝苎苎三烹堡垫亟些堕窒竺堑塑一 第二章振动流化床干燥实验研究 本章将结合红外线振动流化床干燥实验，介绍实验设备，总结实验规律。 2 1 实验设备简图 图2 1 干燥系统示意图 1 抽风机2 夕 筒3 内筒4 保温外罩5 辐射加热器6 振动电机 7 空气预热器8 送风机9 0 振动给料机 l0 调频器1 1 控制柜 天津大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 2 - 2 干燥过程简述 以下结合具体的干燥过程介绍图2 - l 所示的红外线振动流化床。首先将物料倒 入振动给料机的给料漏斗9 ，进入螺旋槽道后物料在振动电机6 的激振下相对于干 燥器外筒产生运动而被提升。物料在不断运动的同时，接收到来自于辐射器的辐射 加热，热空气的对流加热，在物料与螺旋体接触的时间内还得到了来自壳体的导热 热量。物料在被提升到第1 9 层后又通过导流板进入内筒3 ，内筒是由1 1 层平盘组 成，相邻两层在错开约1 6 4 的地方各开一个扇形的缺口，使物料得以从上一层平盘 落入下一层平盘，当物料走完全部行程后，由出料口排出干燥器。 干燥器的风路系统是这样工作的：首先，外界空气由送风机8 送到空气预热器 7 ，经空气预热器加热后的空气，其相对湿度降低，随之从内筒壁的小孔中喷射而出， 掠过内筒物料层，携带走了内筒物料产生的湿气。随后空气又从外简壁开的小孔流 出，掠过外筒物料层并带走外筒物料层产生的湿气并最终被抽风机l 引出干燥器。 干燥器内的温度及进风温度是控制的对象，干燥器内的辐射器温度及空气预热 器的温度将根据控制的反馈系统来调节，控制与调节系统集成在控制柜1 1 中。 控制柜顶部安装了调频装置，可以根据需要调节振动电机的电流输入频率。 2 3 新机型的特点 与以往的小型实验干燥机相比新的实验机型有如下几个新的特点： 1 实用性更强：产量可达1 0 0 k g h ，单振动电机最大激振力1 0 0 0 0 n ，外简直径 1 0 0 c m ，外筒1 8 层，内筒1 l 层。而以往的实验机单振动电机的激振力只有2 5 0 0 n 。 外筒直径7 0 c m ，内简直径2 5 c m ，外筒只有l l 层，内筒只有6 层1 1 8 l 。 2 新增加了控制系统，使准确控制干燥机参数成为了可能。 3 新增加了调频器，可以通过调节振动电机的输入频率来改变振动电机的激振 力，从而改变物料运行的周期，为进一步研究振动对干燥的影响创造了先决条件。 2 - 4 测点布置情况与实验数据测量方法 分别取第五层，第十一层与第十五层为研究对象，测点布置情况如图2 - 2 所示 9 天津大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 筒 a 4 b 衲p p c 融 ； 内筒 c 、 么 一自 种子 旋槽 图2 2 其中a 点的温度代表该处的物料温度，b 点可以测量外筒该层气流的于球温度与 湿球温度。c 点可以测量内简该层气流的干球温度与湿球温度。通过对d 点的测量 可以知道该层干燥器壳体温度。除了对上述三层温度的测量外，还要对进风的干球 温度与湿球温度以及辐射器表面的温度进行测量。温度的测量采用经2 级温度计在 恒温水域中校准过的触点式热电偶温度计，精度为1 。 对于种子含水率，很难对每层的种子含水率进行准确的即时测量。我们采用取 样做绝干的实验方法。根据国家标准g b3 5 4 3 8 3 中关于测定种子含水率的方法分 别取不同工况下物料进入干燥机，进入干燥机内筒与出干燥机时的物料，放入绝干 箱中，在5 一1 0 分钟内，将温度调节到1 0 5 ，开始计算时间，在1 0 5 士2 下，烘 干8 小时，冷却至室温后称重，以计算干燥脱水率。 2 - 5 振动流化床干燥数据的整理与分析 图2 - 3 种子温度 t i m e f m l n ) 图2 - 4 干燥器壳体温度 1 0 天津大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 t i m e ( m i n ) 图2 5 外筒干球温度图2 - 6 进风温度 time(min)time(min) 图2 7 干燥器温度图2 - 8 辐射器温度 图2 3 至图2 8 表现的是在输入频率为4 5 h z ，进风口于球温度控制在4 5 0 ( 实 测4 7 0 ) ，干燥器内温度控制在4 5 ( 2 ( 实测4 3 c ) 的情况下，白菜子干燥过程干 燥器内温度场的情况。预热十分钟后，开始加振动，在振动5 分钟后开始给料。 图2 3 所表现的是上，中，下三层种子的温度随时间的变化规律。在最初，干 燥器处于预热阶段，干燥器内没有物料。所测的值应是盘底部空气的干球温度，这 个值随时间的延长而升高；随后随着种子进入干燥器，探头触点接触到种子，测到 了种子的实际温度。随着种子依次经过下，中，上三层，温度显示值下降，并且三 条越线都出现了一段稳定状态。对于下层，该稳定值约为3 9 4 l ，对于中层，该 值约为3 8 4 0 0 ，对于上层种子温度，该值为4 1 - 4 2 c 。上，中，下三层温度差别不 天律大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 大。最后当全部种子经过该层后，该层又成为空床状态，温度继续上升。在实际应 用中，在连续操作过程中，三层种子温度应该基本保持在各自的稳定状态。 图2 - 4 表现的是上，中，下三层壳体温度；图2 5 表现的是上，中，下三层外筒 的干球温度：这两张图都有相同的走势。即在开始预热阶段温度上升，随后随着种 子进入干燥器吸收能量，其温度有所降低并出现了一段稳定状态，最后又由于物料 走完出现空床，温度又重新回升，并且上，中。下三层的温度相差不大。如果能够 实现连续操作，则所有的温度都应固定在其稳定状态。 图2 石表现的是进风温度随时闻的变化，图2 7 表现的是干燥器温度随时问的变 化，从图中，我们可以看出，除了开始的预热阶段外，温度值基本上固定在设定值 及其误差范围之内。图2 - 8 表现的是上、下两排辐射器表面温度随时间的变化情 况。辐射器的温度是由干燥器内温度决定的。 对于其它工况，( 如改变频率，改变进气温度及改变排气温度) ，我们仍然可 以画出类似于2 3 到2 8 的图。但除了具体的数值外，他们与图2 3 到图2 - 8 所反应 的规律没有什么不同，由于篇幅所限。这里就不一一列举了。 通过以上数据的分析，我们不难得到以下结论：1 该干燥机的控温系统能比较有 效的控制干燥器内的温度场。2 干燥器的温度场比较均匀，上下温差不是很大( 1 - 2 ) 。3 如果跟踪运动的干燥物料来研究，也即采用的是拉格朗日方法，则干燥是 一个典型的非稳态传热传质过程；如果以每个干燥层为研究对象，即欧拉方法，则 干燥层内的温度场可以看成是不随时间变化的，即稳态的。所以如果对每个干燥层 列能量守恒方程，不稳态项可以忽略，在第三章中还要继续讨论这个问题。 对于种子干燥，我们除了关心干燥器内的温度场外，更重要的是要知道种子在 干燥期间的最高温度，含湿量的变化以及运行时间，因为这些参数与种子的干燥品 质与产量直接相关，下面就对不同干燥条件下种子的最高温度，湿度变化以及运行 时间进行讨论。 1 2 天津大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 表2 1 电机电流干燥器进风温种子初 进内筒出内筒种子最 外循环干内循环干总脱水 输入频率内温度度含水率前含水 含水率高温度燥时间燥时间 奎 ( h z )( )( )( )率( )( )( )( m i n )( m i n )( ) 4 54 54 51 0 78 88 2 54 l2 01 02 4 5 4 55 04 58 6 46 35 84 32 01 02 8 4 4 55 54 59 3 46 36 0 84 92 01 03 2 6 4 55 05 08 9 66 4 36 0 24 62 0l o2 9 4 4 34 54 59 0 96 9 66 1 84 22 71 32 9 l 5 04 54 5 1 1 5 21 0 7 39 64 21 571 9 2 表2 1 反应的是种子的最高温度，干燥周期及种子脱水率在不同工况下的变化 情况。从表中所得到的数据中，我们得到以下结论： 1 在电机输入频率不变，进风温度不变的情况下，种子的脱水率随着干燥器内温 度的升高而升高。l 朝时种子的最高温度也随之升高。如电杌输入频率4 5 h z ，进风温 度4 5 ，当干燥器内温度分别为4 5 ，5 0 ，5 5 时，其脱水率分别为2 4 5 ， 2 8 4 ，3 2 6 ，种子的最高温度分别为4 l ，4 3 和4 9 。 2 在电机输入频率不变，干燥器内温度不变的情况下，种子的脱水率随进风温度 的提高而升高，同时，种子的最高温度随进风温度的提i 豸而提高。如电机输入频率 为4 5 h z ，干燥器内的温度为5 0 ，进风温度分别为4 5 和5 0 ，则种子的脱水率 为2 4 5 ，2 5 3 ，而种子的最高温度为4 3 ，4 6 。 3 在进风温度，干燥器温度均不变的情况下，干燥周期随电机输入频率的下降而 延长，种子脱水率随之升高，而种子最高温度则变化不大。如当干燥器温度，进风 温度分别为4 5 时，电机的输入频率由5 0 h z 变为4 5 h z 与4 3 l l z ，干燥周期分别为 2 2 m n , 3 0 r a i n , 与4 0 m n 脱水率分别为i 9 2 ，2 4 5 ，2 9 1 而种子的最高温度分别 为4 2 ，4 1 ，4 1 。 干燥周期越短，每周期脱水量越大贝产量相对会有所提高，这是我们所希望的。 但产量的提高一定要以保证种子的生理活性为前提条件，否则将失去意义，这就对 种子在干燥过程中的最高温度与终含水率提出了限制。而干燥周期与脱水率之间， 脱水率与种子最高温度之间的关系是相互制约的，合理的调配它们之间的关系以满 足生产需求正是我们的任务。对干燥特性参数研究的意义也正在于此。 实用型种予干燥机的要求是，对于干燥白菜子，产量要求达到1 0 0 公斤4 , 时， 脱水率要求为从9 ( 实际收获白菜种子的含水率) 干燥脱水3 个百分点。经过实 验选择，工况为电机输入频率为4 5 h z ，进风与干燥器内的干球温度均为5 0 时比较 合适。从表2 - 1 中我们可以看出脱水率是基本符合要求的，那麽4 6 的种子最高温 度是否会对白菜种子的生理活性有影响呢? 下面就种子的生理活性问题进行讨论。 2 6 种子的生理实验 在叙述白菜种子的生理实验结果之前，让我们先了解一下种子的生理结构及影 响种子生理活性的因素。 1 种子的宏观与细微结构 番茄种子的宏观结构见图9 ，它是由； 种皮种子的保护层 胚胚芽、胚轴、胚根、子叶 胚乳储存营养物质 图1 0 是植物细胞的显微结构立体图1 1 9 1 【。 胚报 子口卜 图9 番茄种子的结构图 种皮毛 种皮 胚乳 胚轴 图l o 植物细胞的亚显微结构立体模式图 i 细胞璧( 上面具有臆问连丝通过的孔) 2 质膜3 胞间连丝4 线粒 体5 前质体6 内质网膜7 高尔基体8 液泡9 徽管1 0 核仁il 核膜 植物细胞是由原生质构成的，它是细胞结构和生命活力的基础。一个传种接代 1 4 天津大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 的植物细胞由细胞壁、质膜、胞间连丝、线粒体、前质体、内质网、高尔基体、液 泡、微管、核仁、核膜等构成。 2 原生质的化学组成及生理活性 种子是生命材料。水是生命存在不可缺少的物质。水也是原生质数量最大的成 分，占它全重的8 5 ，见表1 ，细胞中各种代谢反应都是在水介质中进行的，如酶 的催化反应等。在细胞中水不仅以自由水形式存在，而且与许多分子结合，以结合 水( 束缚水) 形式存在。实验表明，含水率1 0 的白菜种子有4 4 4 的束缚水，实 际白菜种子的终含水率为6 ，即还有1 5 6 的自由水存在白菜种子中，脱出的自由 水即为原生质中的水。 表2 - 2 原生质的化学组成 物质名 重量( )平均分子量分子数的比值 才( 8 51 8 1 2 x 1 0 7 蛋白质1 03 6 0 0 07 0 0 0 d n a0 4 1 0 6 1 o r n a0 74 0 x 1 0 14 4 0 脂类27 0 07 0 0 0 0 糖类等其它有机物 o 42 5 0 4 0 0 0 o 无机物 1 55 5 6 8 x 1 0 4 表2 - 2 中的d n a 为脱氧核糖核酸，r n a 为核糖核酸，统称为核酸。核仁是核 内合成和储存r n a 的场所，而d n a 也主要集中在核内，因此细胞核的主要功能是 储存和传递信息，这也是细胞生理活动的中心。它对质膜、线粒体膜、叶绿体膜、 内质网膜都有控制作用，根据外界的温度与湿度信息它可以控制膜的工作。如核膜 是细胞核的门户，膜上有孔，受核仁控制可启闭，控制物质的交换，而质膜是控制 细胞与外界进行物质交换的，在合适的温度和湿度下，交换的就顺利。表皮孔的大 小随温度变化，如熟风温度为5 0 时白菜子表皮的气孔为2 0 9 个m m 2 ，但当温度为 6 0 时则为1 7 4 个m m 2 即减少2 0 ，而发芽率从1 0 0 降为8 3 ，即成活率下降了 2 0 ，且孔的尺寸也变小如升温过速表皮还会皱缩，种皮气孔全部堵塞，这时水 分移不出去，能量带不走，温度过高核仁就会死亡，各种膜与孔的作用也就失去控 制，干燥反而难以进行，因此在种子干燥中尤其在蔬菜种子干燥中因它比一般谷物 种子耐温低，尤其要控制好蔬菜种子的升温、恒温与降温过程，利用种子核仁的生 理活动使种子的自由水顺利的迁移至种皮表面，保护核仁的活性与活力，保证相对 天律大学硕士学位论文第二章振动流化床实验研究 高的发芽率。 3 影晌种子活力的因素 在干燥种子的过程中，影响种子活力的因素主要是温度，含水率，干燥时间。 干燥速率。对于含水率较高的种子，热风温度一定不要过高，否则会直接杀死种子。 关于种子的安全干燥温度，各国推荐数值不一。英国和瑞典定义入口最高空气温度 为4 3 ，而法国与德国定义入口最高空气温度为4 0 一6 8 ，同时指出终料温为3 0 - - 4 0 ，这都是对谷物种子而言。近来的研究表明，以最高料温为标准最为贴切。 如在小麦的发芽率试验中，当小麦的含水率为1 8 8 ( 湿基) ，料温超过6 4 c 时，小 麦的发芽率从9 0 显著下降，由此以平均料温来定义种予的安全干燥温度t c g 。在 m e n e l l i s t 的“s a f et e m p e r a t u r ef o rg r a i nd r y i n g ”1 2 l j 中综述了众多国家科研 成果，引证了1 8 1 篇相关文献，其中介绍了p t i t s y n 的研究成果，定义种子的临界 干燥温度t c g ( ) 与物料在热介质中的暴露的时间t ，与物料的干基含水率m ( ) 的关系为： l e g = 翮2 3 5 0 + 2 2 2 一”铀， ( ，) 按式( 1 ) 计算结果表明对于初含水率为1 0 ( 干基) 的种子，干燥5 小时，安 全温度为5 0 2 3 。而我们对白菜种子的大量试验表明，当含水率为l o ( 干基) 干燥时间为5 小时，安全温度为4 6 ，这是因为文献 2 1 中所研究的物料大都是小 麦，燕麦等谷物的缘故。蔬菜种子，其与谷物种子的生理结构不同，耐温能力较差。 我国是蔬菜大国，研究蔬菜种子的干燥有着很大的实用意义，以此为核心的研究得 到了国家自然科学基金的资助。 3 种子生理实验 本生理实验是按照国家标准g b 3 5 ( 4 3 - - 8 3 ) 农作物种子检验规定，取大白菜种 子进行发芽率实验。具体方法是从净度检验后的好种子中随机取样四份，每份1 0 0 粒，共4 0 0 粒经洗涤和消毒后，放入2 0 + 0 5 的培养箱中，七天后测其发芽率。 所得数据如下： 1 6 墨塞查兰堡主兰垡堡奎苎三兰塑垫亟些壅壅竺里壅一 ( 1 ) 未 ( 2 ) 编号1 编号2编号3编号4平均 1 0 0 9 8 9 9 9 9 9 9 耒i f - 图l l 未经干燥的白菜种子对比发芽率实验照片 编号1编号2编号3编号4 平均 1 0 0 9 8 9 7 9 9 9 8 5 千后 图1 2 干燥后的白菜种子发芽率照片 从发芽率试验的统计结果中可以看出，与未经干燥种子的发芽率相比，干燥后 的种子的发芽率降低的相对百分率为： y = ( 9 9 - 9 8 5 ) 9 9 = 0 5 从而可以得出在合理的干燥条件下，物科的生理活性受到的影响是可忽略的。 1 7 天津大学硕士学位论文第三章振动流化床干燥的理论研究 第三章振动流化床千燥的理论研究 在干燥研究中，我们只能针对某种特定情况进行实验研究，给出合理的参数。 而对于每种干燥要求都进行大量的实验是不可想象的，所以必须在实验的基础上进 行理论分析，寻找各参数之间的内在联系，从理论上对今后的实验研究进行指导。 本章将从干燥动力学的角度出发，对辐射，对流参数进行分析，进而讨论估算物料 含水率的方法。 3 1 干燥静力学与干燥动力学 干燥的理论研究包括干燥静力学研究与干燥动力学研究。干燥的静力学研究是 研究干燥外部条件( 如干燥器温度，进风温度等) 与物料的初终状态之间的关系， 进行物料衡算与热量衡算，求得干燥的热效率。静力学研究是比较宏观的研究方法， 除了初，终态外，不考虑物料在干燥器内不同时刻的状态。 干燥动力学研究则是研究物料在干燥过程中的状态与各种支配因素之间的关 系。这些因素既包括物料自身的结构，生理特性，热物理性质，也包括物料干燥的 外部条件( 如辐射器温度，辐射角系数，对流换热系数) 。干燥动力学从脱水的机 理入手，相对于静力学研究更能反应干燥过程的全貌。尤其对于种子这种生命材料 的干燥，我们更关心种子在干燥器内温，湿度的变化情况，因为这与种子的生理活 性密切相关，而这些参数的变化情况只有通过干燥动力学研究才能表现出来。本章 将主要讨论干燥动力学研究方法。 3 2 干燥动力学研究概述 1 通过建立模型来求解物料在干燥过程不同时刻的含水率与温度是相当困难 的，即便是只针对于一定物料和一定干燥方法模型的建立也不容易。这是因为干燥 是一个非常复杂的传热传质过程。 在人们对干燥过程的理论模型探索的几十年的历史中，干燥模型从最初的指数 模型到牛顿冷却模型以及扩散模型发展到雷科夫模型( 不可逆热力学模型) c ”j 逐渐 完善起来。尤其是雷科夫模型，该模型认为干燥的推动力包括浓度差，温度差，与 压力差，并考虑了三种驱动力之间的相互关系，是比较完美的理论模型。遗憾的是， 将这些模型用于实际问题时，都因为方程中的系数难以确定而无法使用。 2 红外线振动流化床干燥动力学模型 随着对红外线振动流化床干燥研究的深入，人们针对这种特定机型建立了干燥 动力学方程1 4 , 5 l ，为了后面叙述方便本文在此给予介绍。 1 8 天津大学硕士学位论文第三章振动沉化屎干燥的理论研究 物料在提升过程中接受能量而脱水。物料接收的能量为：辐射器的辐射换热q 空气掠过物料的换热q 2 ，床层导热q 3 ，振动能量q 4 ，空气中的湿蒸气的辐射换热 q 5 ，这些能量使物料升温吸热为珐，水分脱出克服结合能消耗量为q 7 ，水分汽化 吸热为q e ，由能量平衡有： 9 + q 2 + q + q + g = q 6 + q 7 + q 8( 1 ) 图3 - i 反应了这种能量平衡关系。 q lq 2q 3q 4 图3 1 物料层接收能量示意图 1 辐射器辐射换热热流q 1 ： g = 肛秭f ( 黝4 一4p ( 们 5l “j 式中： k 辐射器瞬间表面温度( k ) 五物料瞬问表面温度 ( k ) g 黑体辐射系数g = 5 6 7 w m z k 4 l 辐射器与物料的系统黑度 q 2 口厣习习 式中： 日辐射器表面的黑度 屯物料的黑度 e 物料的表面积( 小2 ) e 辐射器的表面积( m 2 ) 4 d f 对e 的角系数 ( 2 ) ( 3 ) 1 9 天津大学硕士学位论文第三章振动流化床干燥的理论研究 2 热空气对流换热热流q 2 ： q 2 = f 口。( 乃一i ) 妒( w ) f 式中： 艺空气瞬时干球温度( ) r 物体瞬时表面温度( ) a 对流换热系数( w m 2 ) 3 床层的导热热流珐： q 3 = n 孚卵( w ) 式中： a 。湿空气的导热系数( w ，m ) f 螺旋槽体的温度( ) z 物料瞬时表面温度( ) 占物料厚度( m ) 4 振动能量q ：