負壓循環式干燥機干燥段風場分布特性

高瑞麗 車剛 萬霖 李海龍 王洪超

摘要：為研究負壓循環式干燥機內部的風場分布情況，改善氣流分布均勻性，在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔。通過測量各檢測點的風速值，分析當采用不同結構的角狀管時，干燥段內部的風場分布情況及隨測試深度變化的規律。結果表明，采用變徑變開孔率的角狀管，干燥段內的風速明顯增加0.1～0.3 m/s，機體內部的風場趨于平穩。隨著測試深度的增加，風速變化較小，而不同測量位置處的風速變化差異性也較小。同時，風速變異系數明顯降低10.43%～24.41%，布風效果良好。吧本研究為提高負壓干燥機的風場均勻性提供參考，為實際生產提供了理論依據。

關鍵詞：負壓干燥;風場均勻性;角狀管;變徑;變開孔率;風速變異系數

中圖分類號： S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）23-0257-03

負壓干燥技術最初應用于化工、食品等領域，2001年徐貴力等提出了遠紅外常壓、負壓聯合干燥香菇的方法，提高了干燥速度，而且達到了節能減排的效果[1]。同年，陳景良等提出兩級正負壓干燥玉米麩質粉，干燥后的效果較好，熱效率高[2]。直到2002年，劉雄心等研究了新型糧食干燥機，將負壓干燥技術應用于糧食干燥[3]。隨著農業機械化進程的不斷推進，我國各類干燥機的總和，平均每年以50%左右的增幅快速上升[4]。其中，負壓式谷物干燥機是發展較快的一種機型，與正壓干燥機相比，在一定程度上降低了熱能消耗，有較高的推廣應用價值，對我國谷物干燥行業的發展意義重大。

在實際生產中，由于干燥過程中風速分布不均勻，導致生產的谷物干燥不均勻、烘后谷物品質差等問題，降低了干燥效率[5]。為解決這些問題，國外一些國家如丹麥、瑞典等，大多采用變徑角狀管，使得氣流壓力沿角狀管徑向保持穩定;但相關研究表明，變徑角狀管對提高氣流分布均勻性的作用不明顯[6]。

因此，本研究在變徑角狀管結構的基礎上，在角狀管兩側側板上開設變開孔率的布風孔，從而增強風速分布的均勻性，達到均勻布風、穩定干燥的目的。通過依次采用變徑角狀管和變徑變開孔率角狀管，在空載狀態下對干燥機內風場均勻性進行了試驗研究，以期得到合理的結構布局，為實際生產提供理論依據。

1 負壓干燥機的結構及工作原理

該負壓循環式干燥機的主體部分主要由貯糧段、加熱段、緩蘇段和排糧段等構成，由于該干燥系統采用的是低溫循環干燥，故無冷卻段，其基本結構如圖1所示。

該干燥機采用負壓供熱，選用2臺負壓風機并聯放置，負壓風機和熱風管分別在干燥段的兩側。熱風經熱風管在負壓風機的作用下，向干燥系統供熱。干燥時，濕糧由斗式提升機向上提升，采用離心式卸料進入干燥機的塔頂中，直到裝滿整個干燥機，由貯糧段暫時緩存。然后，谷物依靠自重緩慢下落，進入干燥段。谷物經干燥后進入緩蘇段，停止受熱，這時由于谷物剛離開干燥段，還保持著一定的溫度，而籽粒的表面和內部存在溫差和濕差，促使內部水分向外擴散，逐漸趨于平衡。谷物進入排糧段后，在分糧板和排糧棍的共同作用下落入螺旋絞龍中，然后在螺旋葉片的輸送作用下由排料口進入斗式提升機。如此不斷循環，直到谷物水分含水達到安全水分含水。

2 配風系統的設計

負壓配風系統與正壓送風相比，解決了在干燥過程中易產生的噴塵問題，保證了安全生產[7]。該系統選用2臺負壓風機并聯放置，采用吸入式原理，即當風機葉片離心轉動時，內部壓強小于外界壓強，從而將熱介質引入角狀管，完成干燥過程。風機的選型由風量及風壓確定，主要計算過程[8]如下。

2.1 風量計算

Q=V·Whd2-d1。

式中：V表示比容，取為0.895 m3/kg;Wh表示干燥機每小時去水量，該干燥機為14.55 kg/h;d1、d2分別表示常溫介質與廢氣介質的濕含量，kg/kg;

2.2 風壓計算

風機的風壓包括動壓力和靜壓力，動壓力是根據風道的風速來計算的，靜壓力是由管道各部阻力及谷層阻力等所組成的。

hd=9.8γ·v22 g。

式中：hd表示動壓力，Pa;v表示風機出口風速，取6 m/s;g表示重力加速度，為9.8 m/s2;γ表示熱介質容重，kg/m3。

hj=hg+he+∑hs。

式中：hj表示靜壓，Pa;hg表示谷層阻力，與谷層厚度和谷層斷面的表現風速有關;he表示沿程壓力損失，與沿程阻力系數和風機直徑有關;∑hs表示各局部壓力損失之和，與局部阻力系數有關，風機入口的阻力系數取為0.5，出口為1，彎頭部分為0.3。

綜上所述，風機的風壓為

h=hd+hj。

2.3 風機選型

經計算，干燥機所需熱風量為1 302 m3/h，風壓為 188.77 Pa，則選用2臺小型中壓型風機并聯作業，其型號為Y5-47，風量為660 m3/h，轉速為2 800 r/min。配套電動機型號為Y801-4，功率為0.55 kW。

3 試驗設備及方法

3.1 設備與儀器

本試驗采用自行研制的5HSN-01型負壓循環干燥機，降水幅度為3%～4.5%，熱風溫度為38～45 ℃。該機的裝機容量為1.0 m3（水稻），主機外形尺寸（長×寬×高）為 1 000 mm×800 mm×2 600 mm，配套電機功率為0.75 kW，提升機高度為3 m。

試驗時采用管道式風速傳感器測定各測量點的風速，量程為0～30 m/s，分辨率為0.05 m/s，測定精度為±0.01 m/s，并采用可編輯邏輯控制器（PLC）自控柜觸摸屏控制，可實時記錄采集數據。

3.2 試驗方案

采用混流干燥，室內平均溫度為27.5 ℃，經測定，進風口風速為3.17～3.26 m/s，出風口風速為17～17.70 m/s。

為研究干燥機內風速分布情況，在干燥段外壁開設螺紋檢測孔，孔道密封嚴密，熱損失接近0。沿垂直進風方向開設4對測量點，具體分布情況如圖2所示，測量點1～4測量角狀管下方風場，測量點5～8則測量角狀管上方風場。傳感器測試深度取0、10、20、30 cm，主要研究當采用不同結構的角狀管時干燥段內部的風場分布情況及變化規律。在測量之前，打開控制開關使干燥機運行10～15 min，待干燥機運行穩定、機內風速達到穩定狀態后進行測量[9-10]。

為了準確描述風速分布均勻性，采用測量點的風速變異系數來反映，具體計算公式如下[11-12]。

Vh=1n∑ni=1Vi。

式中：Vh表示高度為h（cm）的平面上氣流的平均流速，m/s;n表示測量點數量，個;Vi表示第i個測量點的氣流速度，m/s。

Jh=∑ni=1（Vi-Vh）2nVh。

式中：Jh表示高度為h（cm）的平面上的風速變異系數。

4 試驗結果與分析

將試驗測量結果取平均值，并利用Matlab軟件進行插值處理[13-14]，繪制出測試深度、垂直進風方向位置和風速之間的三維圖形，以便于直觀地分析干燥機內風場分布情況。

4.1 均勻性分析

各測量點的風速均取平均值，經計算，可得到2種角狀管的測試結果（表1）。

由表1可得，在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔后，角狀管上方風場的變異系數由53.34%降低至 28.93%，下降了24.41百分點;角狀管下方風場的變異系數由 49.08% 下降到38.65%，減少了10.43百分點。采用變徑變開孔率角狀管后，干燥段內的風速也明顯提高，并且分布均勻性良好，上、下方風場的差異較小。

4.2 變徑角狀管

當測試深度為0時，即此時測量干燥機內壁處的風速，如圖3、圖4可知，不同測量位置處的風場也有所不同，具體表現為風速隨著垂直進風方向位置的增加先減小后增大，即在干燥段中心區域風速達到最小，變徑角狀管上方和下方最小風速均達到0.5 m/s;越靠近風道入口處風速越大，上方最大風速為1.44 m/s，下方最大風速為1.34 m/s。而隨著測試深度的增加，風速也逐漸升高，但干燥段中心區域風速依然較小，越靠近兩側內壁風速越高。這是由于在負壓風機的作用下，熱介質在風道內傾向于沿角狀管徑向運動，氣流壓力不穩定，促使風量主要集中在遠離風機的一側，風場分布不均勻。另外，干燥段中心區域風速低、邊緣風速高是由于干燥段內壁處的谷物空隙率大于中心區域，阻力較小，氣流流速較大[15]。

4.3 變徑變開孔率角狀管

由圖5可知，角狀管上方除進風口處風速較大，其他部分風速基本實現均勻分布，內壁處的風速與中心區域相比差別較小，氣流逐漸平緩。隨著測試深度的增加，風速變化不大，與變徑角狀管相比改善了氣流分布的不均勻性。

從圖6可以看出，角狀管下方風場相對于變徑角狀管，其風速明顯增加0.1～0.3 m/s，風速不均勻性下降。不同測量位置處的風場變化近似相同，差異性較小。

5 結論

本研究對干燥機的配風系統進行設計、計算，選用2臺負壓風機并聯供熱，在保證供風量的條件下消耗的功率較少，具有一定的推廣應用價值。

變徑角狀管對提高風場均勻分布的效果不明顯，本研究在變徑角狀管的基礎上開設變開孔率的布風孔。通過試驗對比分析可以看出，采用變徑變開孔率角狀管后，干燥段內的風速明顯增加0.1～0.3 m/s，機壁和四角區域的風速與中心區域相比差別較小，氣流逐漸平緩。隨著測試深度的增加，風速變化較小，而不同測量位置處的風速變化差異性也較小，干燥段內的風場均勻性得到了良好的改善，達到了均勻布風的目的。此外，風速變異系數顯著降低10.43%～24.41%，布風效果良好。

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收稿日期：2018-09-20

基金項目：黑龍江省應用技術研究與開發計劃重大項目（編號：GA15B402）;黑龍江省高水平大學和優勢特色學科建設項目。

作者簡介：高瑞麗（1994—），女，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事智能干燥裝備研究。E-mail：2718575670@qq.com。

通信作者：車 剛，博士，教授，博士生導師，主要從事農業工程領域，典型農產品加工技術與智能干燥裝備研究。E-mail：chegang180@126.com。