粮食干燥机外文翻译

.混流式粮食干燥机中水分含量和停留时间分布德国莱布尼茨农业工程研究所农收技术部，德国马格德堡大学热过程工程学院匈牙利Szent Istvan大学物理过程控制部文章信息：文献历史 2011年1月21日收到文献，2011年4月19日收到修改后版本，2011年5月31日在网络上发表。混流式粮食干燥机的不合理设计会导致不恰当的局部干燥条件不同，最终，产生非均匀干燥。为了研究设计单元和不同空调排管安排的影响，停留时间实验，谷物干燥实验和离散单元模拟均是在试点以工业生产规模下进行的。这些调查表明目前的干燥设计给出宽泛的停留时间分布，含水率和谷物温度。这是由于各个谷物的干燥过程是不同的所导致的。不同的干燥过程主要受到风管布置位置的影响，同时也会受到机构和操作参数的影响。由于不均匀干燥的存在，使混流式粮食干燥机对高架能量的要求仍然相对较高。未来的目标就是对混流式粮食干燥机的改进设计。版权冠名权：2011年由IAGRE出版社代理发表并拥有所有版权。1. 简介混流式干燥机在农业中有着广泛的应用，以保障大量谷物的干燥。同时，在工业中也有一定的作用。尽管粮食对流干燥技术已经建立起来了，我们仍然有必要在干燥过程和装置方面进行优化。不当的设计元素可以引起停留时间分布广，干燥条件不同，最终导致不均匀干燥。因此，在实践中有相当大部分的过干燥谷物。这些不必要的脱水造成较高的能耗，成本增加并且降低了质量。所以，从物理的角度理解流量控制过程，使谷物在这样的干燥设备中保证质量的干燥，并减少能源浪费，优化干燥过程是十分重要的。在混流式粮食干燥机方面发表的研究论文大部分集中在通过优化干燥机以提高干燥机的性能和保障产品质量。1984年布鲁斯通过计算机，应用并行设计和逆流元素进行了干燥机模拟。采用该模型成功预测了干燥机的一般行为和干燥操作变量对干燥性能的影响。McFarlane 和Bruce在1991年通过这种动态的形式开发自动干燥机控制器。不同的混流式干燥机控制策略相继发展起来，例如科特伊斯等人进行的基于模型的控制。 相对小的各种独立过程研究结果已经发表，例如混流式粮食干燥机中空气流动和谷物流动的研究。1990年Cenkowski,Miketinac和 Kelm模拟并测量了大规模传统混流式干燥机中空气流的模式和压力。通过有限元方法导出不同的系统微分方程。尽管管道关系是基于一个静态的床等到的，作者得到了一个与方程相对一致的测量结果。作者报道横流元素占据干燥机大约30%的体积，因此，他们应该被重视。1992年Chaabouni, Flick,和Techasena基于彩色示踪剂的停留时间，对混流式干燥机中的颗粒流进行了调查。作者应用了平面二维水流数学模型，这种模型是基于连续性方程和粒子横向位移概率建立的。结果表明该模型给出了一个良好的示踪层变形预测和停留时间分布参数估计。然而，数值计算与测量的粒子轨迹并不相同。 为了模拟工业中混流式玉米干燥机的热量和质量交换，在1992年Sun,Arnaud, and Fohr在一个静态的粮食床中开发了一个二维模型，这个床是在干燥机进出空调风管的一个小位置。在兼顾颗粒轨迹的情况下，该模型结合了风量，热量和湿气在空气和颗粒间的交换。使用有限元方法求解不同的微分方程，作者通过浅纹线显示了影响域中流线，压力，温度和水分分布的数值结果。结果表明在风管的边缘下有一个高密度的流线，也就是说此处有较高的气流速度。作者认为这些边缘周围的进口空气管的热量导致了过干燥。然而无法对测量和预测结果进行计较。Giner, Bruce,和Mortimore在1998年开发了一个二维仿真模型来预测水分和温度分布，以及粮食床的损耗程度。刨开干燥机，它在方向上被分割成许多小块，每一块组成并行床，柜台床和横流床。通过这种模块方式，使这个模型可以区分谷物是从干燥机的进口还是出口风管附近流下的。Giner和 Bruce在实验干燥机上应用该模型实验，实验分为十一组，综合评估。对于给定的进口和出口粮食，二维模型对干燥上部。位置谷物水分含量和谷物质量发展趋势预测相当好。然而，接近进口出口管的小区间水分差异易低估，而出口空气温度通常高估。 最近，有许多关于混流式粮食干燥机的基础研究论文。曹，杨和刘使用仿真模型探讨了结构性因素和操作参数对性能和干燥能耗的影响。这个仿真实验是基于先前研发的二维模型进行的。作者着重研究结构性参数的影响，例如：风管的形状和尺寸，风管间距，风管的行数和列数，高度等。他们的研究表明小通风管道要优于大的。Mellmann, Richter, 和 Maltry相继研发了一个进行耦合热质传递过程的模型，在实验试点应用新鲜农场小麦进行检验。这项工作主要针对研发一种基于干燥机控制的概念模型。为了使谷物流动，一个小的插流方式被使用。丁小平报道在对风管和侧墙对粮食流动的影响实验中发现。粒子速度和质量流动分布在一个配备了透明丙烯酸树脂的干燥测试站的墙上被测量出来。结果表明，颗粒流动通过中心时的速度比在干燥器壁区域要快。为了模拟粒子在干燥机中的运动，lroba等人开发了一种基于离散单元法的二维模型。为了验证该模型并测试由于设计问题产生的涡流中颗粒的流动，作者应用示踪粒子分析干燥机中的停留时间。结果表明，在干燥机中有两种流区存在，靠近墙壁的低速区和中部区域的高速区。墙壁摩擦对粒子运动影响很大。在墙壁区域主要是墙壁摩擦作用而在中心主要是粒子间作用力，所以谷物在干燥机中的垂直速度不同，导致停留时间不同。 仿真和实验进行比较，结果表明，离散单元法可以充分预测颗粒流的主要特点。基于粒子轨迹的分析，Iroba,Mellmann,Weigler,Metzger和Tsotsas发现放置在干燥机侧墙一半的空气管都会对谷物的自由流动产生阻碍。正如仿真和实验中可以看到的，在半角风管角落存在死角，粒子在此处停留极长时间，因此，谷物流到近墙区域有被过干燥的危险。Mellmann和Teodorov开发出配有排放门的干燥机中固体流动基本方程。基于对流量特性实验，作者发现一个基于中断水流状态的固体颗粒流动方程。 尽管先前对许多空气，谷物流动过程和连续性模型的研究，混流式干燥机还是存在许多相关问题，导致粮食在出口处水分分布不均匀。这项研究的主要目的是调查设计元素和不同风管位置对干燥机干燥的影响。由于在干燥过程中他们的密切联系，停留时间和水分含量分布都要被调查。为了评价干燥的平均效果。测定谷物水分和温度分布分别在试点和工业规模下进行。2. 材料与方法2.1 对谷物水分，温度和停留时间分布的实验为了研究谷物的停留时间，水分，温度分布和流动特点干燥实验是在试点和工业规模下分别进行的。工业混流式干燥机大多数是在有间断的连续条件下工作的，在主要的干燥期间，粮食床不懂，只是进行垂直方向断断续续的运输（当放电装置被打开时）。以这样的方式，谷物在重力的作用下从干燥机顶端到底部。在干燥试验中，干燥操作是在实际断流的状态进行的。 干燥机中粒子流动方式不同，发展出两种操作模式，间断流和连续流。连续流可以看做是特殊的间断流，既放电时间无限长的间断流。放电装置平稳打开，谷物流出自由且连续。它可以达到固体流出的最大流量率。尽管连续流并不是实际的状态，但它对颗粒流动的理论研究有很大作用。在连续流中粒子的行为更容易调查。这是由于流动只依赖于床材料的几何和物理性能的影响。 因此，离散单元法模拟粒子流动采用连续流。与间断流相比连续流计算时间和资源是可以被保留的。与离散单元法相反，连续流在停留时间实验中不可以被采纳。这是有干燥机的尺寸和材料处理决定的。在连续流条件下无法正确收集大量谷物和示踪剂粒子的排放和再干燥。因此，采用间断流。只对放电时间进行测量，假设连续流发生在此时。 图1是对德国波茨坦农业工程，研究所干燥机的说明。测试站有两部分组成，分别平行垂直，一个用于谷物流动研究，一个用于干燥实验。干燥机由一个电梯将谷物运输到顶部。它连接到一个空调控制系统和以计算机为基础的测量控制系统。干燥轴约两米高，总共有26根进出口空气管道，它们在干燥机深度方向水平对齐摆放。 实验干燥机配有气动门，实现分批释放粮食。为了控制质量流动，提供一个粮食横截面流动部分。在干燥机轴的两侧可以使用锁模块改变风管位置。因此，单独的进气和出口空气管可以分别关闭和开启。为了在干燥放电时测量谷物水分和温度分布在放电结束使用40个取样盒。图2是试验中使用的测试盒子。2.2.离散单元模型对停留时间的仿真 模拟实验中，干燥机配有排泄门。在设定好边界条件和初始条件下，离散单元法计算了一定时间的颗粒流动数值模拟。相互作用力模型被应用与粒子作用和粒子于墙作用，然而，墙又被严格定义，在相互作用中没有位移和运动。 图三展示试验和仿真中的干燥机尺寸。实际形态的小麦近椭球面。这种形状的粒子曾经被用来模拟打桩问题。作者应用一种模型构成椭球面颗粒，然而，非球面的粒子需要更先进的计算方法，对于模型就更困难了。因此，模拟中使用球形粒子。这项工作中使用线性接触，因为它最简单，单一和接触的最快。颗粒足够大到范德华力不会产生影响。因此正常的刚度和剪切刚度相等。等效球形小颗粒相对小麦的平均直径和体积密度是从实验中测得的，其它性能有文献中得到。 模拟中粒子流动的假设条件如下：1. 干燥器在几何形状上是在深度方向不断堆积的，因此，采用二维模型。2. 测试干燥机是真实干燥机几何宽度二分之一的比例下进行模拟的。3. 实验中的流动长度是真实长度的四分之一。4. 单粒小麦视为球面形状的粒子。5. 实验采用连续流动形式。6. 假设没有空气流动。 节省计算机计算时间，只有一小部分采用真实干燥机几何尺寸。为了监控剖面区域粒子速度计算，模拟是摆在放电装置上面进行的。见图3.空气管的截面部分和底部的放电设备的尺寸严格复合真正的测试干燥机。为了简化模型和节省计算时间和资源，单颗粒小麦简化为球面形颗粒。同样，模拟粒子流动采用连续流动方式。两种流动方式的定义和说明在2.1节。在离散单元试验中，气流的影响被忽略了。更多关于离散模拟的说明到丁小平的文献中寻找。3. 结果与讨论3.1.停留时间分布 在示踪粒子的帮助下，干燥机中，近墙壁和中部粒子运动的详细差异得以确定。示踪粒子在设备的顶部引进。颗粒在干燥机中流下的停留时间是关于它们在干燥机中截面位置的函数。3.1.1.仿真模拟 在离散仿真试验中400个分散的涂黄颜色的小麦被用作示踪粒子。干燥机的几何形状和模拟开始阶段示踪粒子的位置在图3,4中说明。 释放谷物时间，垂直方向上示踪粒子从起始位置到几何位置花7.36秒。对黄色示踪粒子Y方向位置随时间变化进行监控。图4描述在仿真过程中示踪粒子的工作过程。如图示，由于自由运动摩擦制约流动，颗粒通过中心区域的速度快与侧墙位置。 释放示踪粒子的数量和粒子从顶部位置到底部位置花费的时间分别进行监测和计算。这个时间代表粒子在干燥机中的停留时间。图6给出了停留时间的计算方法。为了很好地比较停留时间分布情况，将仿真和试验中的坐标转化为无量纲的变量。突破时间，即第一个示踪粒子离开干燥机的时间，2.25秒。仿真结束，99%用于停留时间研究的黄色示踪粒子得到了回收。然而还有1%留在了干燥机中。 计算式中等于0.1秒，最终计算得到Tm等于2.97秒。丁小平跟踪示踪粒子对离散粒子的流动行为和流动障碍物的分析进行了进一步的研究。3.1.2.实验 首先，测试干燥机通过电梯到第一水平排风管的出口充满小麦。见图3.干燥机的顶端大约有0.36米高。床面是水平并平滑的。相当小心，水平层2400个红色示踪粒子被放在床的上面，接近透明玻璃前面的墙上。这一层从宽度上覆盖了整个干燥机，有0.6米宽，0.02米高，厚度0.01米。示踪层在干燥机的前面是可见的。如图5.试验中示踪粒子的流动长度是2.095米。通过计算排放粮食样品中示踪粒子的数量来测量停留时间分布。实验通过数码相机记录。图5展示了示踪层在实验中的变化。开启和关闭释放装置是排放的谷物质量通过天平称量。每个释放样品中示踪粒子的数量是在一条很宽的平坦托盘中计数的。 连续用这种单过渡方式释放谷物直到73%的示踪粒子离开干燥机。试验中干燥机被不断填满。通过这种方式停留时间分布如图6被测量出来。突破时间测得为24.3秒。通过公式1，当等于0.3秒时Tm为32.6秒。 计算是基于释放样品中搜集的73%的示踪粒子。其余的27%的示踪粒子被困在干燥机侧墙和空气管半角里。应该指出的是，收集过73%的示踪粒子后，继续使用试验干燥机，在接下来的样品中依然可以发现示踪粒子。这意味着这些示踪粒子在整个谷物干燥实验中不断停留在干燥轴角落里。可以预计，在真实干燥工艺中，这些谷物会发生过度干燥。 为了直接的比较仿真和实验中停留时间分布情况，将他们的坐标转化为无量纲的释放量和时间。图6可以清晰的说明。测量和计算结果十分接近。模拟和实验中粒子的流动十分相似。峰值代表在中心区域的示踪粒子流动是具有更高的速度和较低的摩擦作用。长长的低谷表明谷物流动受到墙壁摩擦和空气管的直接作用。这些粒子的垂直速度较低，由于较高的摩擦影响。导致谷物在干燥机中有不同的停留时间。这会导致干燥过程中水分的不均匀分布和提高干燥后储存的质量损失风险。谷物速度过快会产生不充分干燥，相反会产生过度干燥。过度干燥通常有一下三种后果： 过多的缩水，导致一部分质量无法进入市场。 需要消耗过多的能量来干燥，提高干燥成本。 可能出现热损伤。3.2.谷物的水分和温度分布。 除了粒子流动，干燥过程也受到结构设计的影响，例如风管的位置和侧墙。在对粮食水分和温度测量中机构的影响将会展现出来。这些资料是从干燥试验中得到的，实验无论在仿真技术或工业规模下均是在稳态条件下进行的。Kocsis等人已经等到第一批研究结果。 在混流式干燥机中，空气和谷物以顺溜，逆流和横流方式同时被引导通过干燥机轴。为了将干燥空气与谷物分开，通常干燥机轴和空气管道是按照特定方式排列的。通常，是在干燥机深度上水平放置的。 在图7中，两个主要空气管道的位置被展示出来，其中“+”表示进气管道，“-”表示排气管道。风管是典型的对称形式排列。风管的安装位置是从进口空气侧观测得到的。图7a展示了传统的风管排列方式，而图7b展示一种新兴的方式，现在正被广泛使用。在新的形势下，水平方向上进出口风管交替排列。两种方式各有优缺点，将通过实验进行比较。3.2.1试点实验 为了比较经典水平和对角线风管安排，进行了各种各样的实验。实验中的设置如表1.当达到稳态后，用手将测量盒子举到释放端的末尾。一次释放的谷物将都被收集到盒子里。两组选定实验结果在图8中展示。水分含量是在宽度上得到的。测量结果是由深度方向上五个测量点的平均结果。如图中所示，水分含量在宽度方向上产生强烈的波动。实验1中水平放置条件下，水分含量从10.2%变化到15.2%在整个截面方向上。同样，在进出口处产生4.0%的差异。风管位置的不同导致了这种正弦式的变化，如图8所示。这些结果是在适宜温度条件下实验得到的，图9展示了热成像相机拍摄的照片，该照片是从释放装置下方的测试盒子处得到的。与实验1对比，水分含量最小处分布和温度分布一致。反之亦然。3.2.2.工业条件下实验 风管位置对粮食水分的影响在工业领域已经开始研究了。这些实验的目的是观测工业条件下干燥不均匀性的尺度。实验结果如图10所示。水分分布是在宽度方向上排开的。反过来，测量值均是神度方向上各测量点的平均值。图中可见，粮食水分在宽度方向上有很大的波动，进口处有7个最小值，出口处有8个最大值。再一次，最小值出现在垂直风管暖风入口处。反之亦然。利用校正功能，转换测量粒子，再应用高斯定理得到100个样品的水分分布情况。单粒粒子水分分布的结果如图11所示，该数据是有工业条件下得到的。实验干燥机应用风管水平 布置。两条曲线代表干燥机进出口处正常的水分分布。随着干燥机的发展，干燥工艺受到除了风管位置以外其它的一些结构和操作因素影响。4. 总结水分分布和停留时间的观测可以应用于研究设计元素对干燥过程的影响，同时，更好的理解粮食在干燥机中的运动。通过干燥机中停留时间分布的研究，比较仿真和实验，得到应用离散单元法可以预测粒子的运动。实验得到干燥机中存在两种区域，中心高速区和近墙壁处低速区。空气半管处会阻碍自由粒子的运动，延长停留时间。为了研究结构元素的影响各种稳态下试点和工业条件下的实验分别进行。为了这个目的，在粮食释放阶段分别测量谷物水分和温度分布。两主要风管的水平和斜放置的影响也被观测出来了。谷物和粒子的水分和温度分布在截面方向上产生强烈的波动。导致不均匀干燥。这些均是在