5H-1.5A型花生換向通風干燥機研制

顏建春，謝煥雄，魏 海，吳惠昌，高景魁，徐弘博

5H-1.5A型花生換向通風干燥機研制

顏建春，謝煥雄※，魏 海，吳惠昌，高景魁，徐弘博

（農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014）

為了解自行研發的5H-1.5A型花生換向通風干燥機作業性能，該文介紹了研發設備總體結構、工作原理及烘干箱體、導風組件、換向通風機構、余熱回收裝置等關鍵部件，并開展了整機作業性能試驗研究，對比了空載工況下有無導風組件時，介質空氣穿過承料板后的風場分布特性，測得有導風組件時承料板上方10 cm處風速均在0.68～0.73 m/s范圍內，水平方向介質空氣通風均勻性顯著提高。測試了雙入風口并行通風干燥10 h和單入風口換向通風干燥38 h過程中床層物料溫度變化及干燥終止含水率分布情況：0～10 h，底層物料溫度快速升高，上層物料溫度上升緩慢，物料層溫差先快速增大后逐漸縮小；10 h后，上、中、下物料層溫度呈類波浪式升落，波動幅度逐漸減小，物料層溫度逐漸逼近設定干燥溫度；干燥終止時，左、右2個干燥半區最大含水率差值分別為1.42%、1.74%，為左、右干燥區含水率總降幅的4.1%、5.1%，干燥均勻性良好。測試并評估了余熱回收裝置對整機加熱貢獻率、熱效率、能耗成本等的影響：余熱回收裝置在換向通風階段對干燥系統的加熱貢獻率約為61%，系統熱效率提高至80%以上，批次干燥能耗成本降低48.7%。與傳統固定床干燥設備相比，可節省能耗成本約64.7%，干燥不均勻度降低約82.6%。研究結果可為設備的改進熟化及推廣應用提供技術支撐。

農產品；干燥；機械化；花生；換向通風；余熱回收

0 引 言

花生是優勢優質油料作物和重要食品蛋白資源，中國的花生產量和種植面積穩居世界前列[1-2]。近年來，受務農人口轉移、土地流轉、機械化收獲快速推進等因素影響，農村現有花生干燥能力與收獲效率脫節，因干燥不及時導致的霉變時有發生；缺少一種切實可用于花生產后快速干燥的機械設備。花生種植為勞動密集型產業，發達國家中僅美國、澳洲等實現了少許規模化種植，干燥過程分田間帶蔓晾曬和莢果裝車集中干燥2個階段[3]。裝車干燥時花生莢果含水率20%左右，采用固定床單向通風干燥，干燥結束時，底層與頂層花生仁果含水率差異約4%[4]，干燥不均勻性嚴重。此外，為提高干燥效率，確保干燥后花生品質和口感，抑制干燥過程霉菌及黃曲霉毒素的滋生，國外大量研究表明，花生通風溫度一般在環境溫度的基礎上增加8～11 ℃，但不超過38 ℃[3-13]，根據批次干燥量和初始含水率的差異，通風量亦有相應的執行標準[3-4]。而在中國農村，為趕種下茬作物，很少有時間田間晾曬，收獲以鮮花生為主，干燥降水幅度大，進一步增加了產后花生干燥的難度[14-16]。少量種植大戶采用通用型固定床干燥設備作為補充或應急干燥手段，但該類設備為降低生產成本，通風室及結構設計欠合理[17]，同批次物料水平方向和豎直方向均存在嚴重的干燥不均勻性，高含水率滿載時干燥不均勻度甚至達10%左右，且熱量利用率低，以干燥后的花生質量計算，干燥成本高達1.1元/kg。

作者所在研究團隊針對中國花生收獲模式和物料特性設計研發5H-1.5A型花生換向通風干燥機[18-19]，通過周期性切換通風方向，改變固定床物料固有的通風次序，提高了干燥均勻性，并通過余熱回收技術，提高了熱能利用率，降低了干燥能耗成本。本文針對該設備干燥作業過程物料溫度、含水率變化、干燥均勻性、熱能利用率、能耗成本等，開展了作業性能分析與試驗研究，以期為該設備的進一步改進熟化及推廣應用提供技術支撐。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

5H-1.5A型花生換向通風干燥機主要由烘干箱、換向通風裝置、余熱回收裝置、燃氣熱風機、風管等部件組成，如圖1所示。作業過程通風量恒定，通風溫度可無級調節，整機結構及技術參數見表1。

1. 烘干箱 2. 換向通風裝置 3. 熱回收裝置 4. 燃氣熱風機 5. 風管

表1 5H-1.5A型花生換向通風干燥機結構與技術參數

1.2 工作原理

5H-1.5A型花生換向通風干燥機采用分段干燥原理：底部向上單向通風和換向通風2個干燥階段。花生物料含水率較高（≥30%濕基）時，烘干箱蓋板敞開，位于底部通風室兩側的通風閥閉合，換向通風葉片置于中位，2個入風口同時進風，空氣穿過物料層后直接排出（如圖2所示），余熱不回收；當物料平均含水率降低到30%左右時，蓋板閉合，調節換向通風葉片工位和余熱回收裝置排風閥門，使得經過加熱后的介質空氣從單入風口進入烘干箱，從底部向上穿過單側物料層，在箱蓋與物料層頂部形成的空間充分混合后，從頂部向下穿過另一側物料層，最后經排風口進入余熱回收裝置的通風管道，廢熱空氣通過板翅式換熱器與新鮮的冷空氣進行熱交換，最后從余熱回收裝置高溫側出風口排出；新鮮空氣經過換熱器加熱升溫后，經由通風管道進入燃氣熱風機，進一步加熱升溫至干燥設定溫度。待干燥一段時間后，調節換向葉片和排風閥門，改變熱空氣穿過物料層的路徑，如此反復，直到干燥結束。

2 主要作業部件

2.1 烘干箱組件

烘干箱是由底板、壁板、蓋板、隔板、承料板等若干板件和支撐架、導風板拼接而成，其結構如圖3所示。隔板將箱體分成左右2個烘干室，導風板固定在支撐架上，承料板將箱體上下隔開，物料平鋪在承料板上，箱體底部與承料板之間形成左右2個下風室，物料層頂部與蓋板之間形成氣流混合室，熱空氣通過氣流混合室在箱體兩邊自由流動。結合已有研究基礎[3]，最大裝料高度設為700 mm，以1.5 t濕花生為滿載量確定烘干箱尺寸。具體結構如圖3所示，外尺寸為3 100 mm × 2 100 mm × 1 310 mm，額定倉容約4.2 m3。參考相關技術標準[20]，通過式（1）可得2個入風口同時通風時介質空氣穿過物料層后的壓降約47.8 Pa，單入風口通風時介質空氣依次穿過兩側物料層后的壓降約318.1 Pa。

式中Δ為物料層導致的壓降，Pa；為料床厚度，m；為氣流穿過承料板單位鋪料面積的流量，m3/(s·m2)；、為花生床層特征常數，查詢文獻[20]獲取。

1. 左半區物料2. 左側排風門3. 左進風口4. 右進風口5. 右側排風門6. 右半區物料7. 箱蓋

1. Left half material 2. Left air exhaust door 3. Left air inlet 4. Right air inlet 5. Right air exhaust door 6. Right half material 7.Cover

注：圖中箭頭表示空氣流動方向

Note: Arrow in fig indicate the direction of air flow

圖2 花生換向通風干燥工作原理示意圖

Fig.2 Working principle diagram of peanut reversing ventilation drying

2.2 導風板組件

采用熱空氣分流、引流原理，在烘干箱2個通風室分別等距安裝4塊導風板，導風板長度為990 mm，寬度遞次增加，分別為150 、200 、250 和300 mm。根據國內外已有的研發設計基礎[3-5,21]，導風板以45°角度傾斜，實現對入射進入的介質空氣逐層、逐次分流，如圖4所示。該方案可有效解決入風口附近床層風量小、入風口對面側附近床層風量大的風場分布不均勻問題，提高干燥床水平面內的通風均勻性。

1. 上前板2. 承料板3. 隔板4. 蓋板5. 上側板6. 下側板7. 底板 8. 支撐架9.導風板10.下前板

圖4 導風板組結構及布局

2.3 換向通風裝置

換向通風裝置用于控制介質空氣在物料層中的流動方向，主要是由Y型通風管、換向葉片、轉動軸、手柄等組成，結構如圖5所示。換向通風裝置有1個進風口，2個出風口，換向葉片方向與手柄方向一致，可通過調節手柄實現不同的通風方向控制。手柄調至位置B，2個出風口同時通風，調至位置A，出風口Ⅱ通風，調至位置C，出風口Ⅰ通風。

1. 手柄2. Y型通風管3. 換向葉片4. 轉動軸

1. Handle 2. Y type ventilation pipe 3. Reversing blade 4. Rotating shaft

注：A、B、C表示換向手柄調節位置

Note: A B and C indicate adjustable station of reversing handle

圖5 換向通風裝置結構圖

Fig.5 Structure of revering ventilation device

2.4 余熱回收裝置

根據介質空氣在烘干箱內的流動路徑，余熱回收裝置通過4處風門控制進入板翅式換熱器芯體的廢熱空氣走向，其主要由換熱器芯體、回路控制三通、管道、風門等組成[18]，結構如圖6所示。

1. 風門2 左過渡風管3. 回路控制三通4. 三通風門5. 塑布彈性通風管6. 換熱器芯體7. 機架8. 右過渡風管

2.4.1 換熱器芯體結構和技術參數確定

余熱回收裝置的熱回收效率，主要和換熱器芯體的結構、材質、總傳熱面積有關。采用長六邊形棱柱結構的逆流換熱器，主要工作區域的新鮮空氣和廢熱空氣逆向不混合流動，材質為親水性鋁箔，傳熱板片厚度0.1 mm，尺寸和結構見圖7。為了盡可能增加總傳熱面積同時避免換熱器對新鮮空氣產生較大的壓損，相鄰傳熱板的間距取6 mm，總傳熱面積約178 m2。通過式（2）～（5）計算換熱器芯體熱傳遞效率，式（6）～（10）計算空氣流穿過換熱器芯體后的壓降[22-23]。

圖7 換熱器芯體結構與技術參數

式（2）～（5）中，為換熱器效率，%；1為廢熱空氣比熱，J/(kg·℃)；2為新鮮空氣比熱，J/(kg·℃)；m1為廢熱空氣質量流，kg/s；m2為新鮮空氣質量流，kg/s；R為兩股氣體熱容量之比；為換熱器實際換熱面積，m2；為換熱面積有效系數；A為有效換熱面積，m2。為總傳熱系數，W/(m2·℃)；NTU為傳熱單元數。

換熱器芯體壓降通過式（5）求解。

其中

式（6）～（8）中，Δcore為換熱器芯體總壓降，Pa；Δ′為芯體進口的壓力損失，Pa；Δef為芯體內的壓力損失，Pa；Δ為芯體出口的壓力回升，Pa；m為質量流速，kg/(m2·s)；′為芯體進口處流體比體積，m3/kg；為換熱器芯體的孔度；′為進口壓力損失系數；為芯體出口處流體比體積，m3/kg；為出口壓力損失系數；為范寧摩擦因子；為流動長度，m；e為水力直徑，m；m為沿流動長度的平均比體積，m3/kg。

依據設計手冊[22]，計算換熱器芯體換熱效率約78%，空氣流穿過換熱器芯體后的壓力損失約236 Pa。

2.5 燃氣熱風機

2.5.1 風機選擇

采用軸流防暴風機作為強制通風設備，位于熱風爐機體上部。參考國內外現有的花生干燥通風量在不同裝載量及初始含水率下的推薦值[3-4]，選配的軸流風機通風量約5 300 m3/h，考慮氣流在風道、料層、換熱器芯體內的壓損，風機風壓≥850 Pa。

2.5.2 燃燒機選擇

為適應不同主產區花生收獲期環境溫度差異，及兼用于其它物料干燥需求，滿足空氣流40 ℃的加熱溫升。根據式（10）可得燃燒機熱功率≥76.9 kW，選用利雅路FS1燃氣式燃燒機，熱功率調節范圍42～112 kW，通過壓力閥和恒溫調節器雙重調節。

式中為燃燒機熱功率，W；為空氣比熱，J/(kg·℃)；為空氣密度kg/m3；為空氣體積流量，m3/s；Δ為空氣溫升，℃。

3 試驗方法與指標

3.1 試驗原料與設備

試驗原料來自江蘇百年蘇花花生種植基地，產地為江蘇泗陽八集鎮，品種為天府3號。經半喂入聯合收獲機2017年10月26日收獲后由田間直接運送到花生烘干場地，經初步清選、去雜后裝入烘干倉。裝料高度70 cm，滿載。隨機取少量物料，測得初始濕基含水率43.2%。試驗設備為上述自行研制的5H-1.5A型花生換向通風干燥機，如圖8所示。

圖8 5H-1.5A型花生換向通風干燥機樣機及試驗圖片

3.2 試驗環境與條件

試驗在2017年 10月26日～28日進行，試驗期間環境變化平穩，日均環境溫度和相對濕度接近，環境溫度范圍12～24 ℃，相對濕度范圍40%～70 %，多云無雨。試驗過程中，采用HSTL-10TH型溫濕度變送器（精度±0.5 ℃，±2% RH），每隔2 h自動記錄1次環境溫濕度，如圖9所示。

圖9 花生干燥過程外部環境變化情況

3.3 試驗過程與方法

由于物料初始含水率較高，為43.2%。試驗分2個階段進行。第一階段，雙入風口同時通風，介質空氣自底部向上穿出物料層后直接排入大氣，余熱不回收，干燥執行時間為0～10 h。第二階段，單入風口交替入風，每隔2 h切換物料層通風路徑，回收排出物料層后的廢氣余熱，干燥執行時間為10～48 h。參考國內外現有研究基礎[3-14]，整個干燥過程，通風溫度設定為38 ℃，通風量為5 300 m3/h。

考慮到整個物料層不同區域可能存在的干燥速率差異，為測評烘干機通風和作業性能，將干燥區域等面積分割成30個單元測試區（圖10a），1～15測試單元為干燥箱左半區，16～30測試單元為干燥箱右半區。分別對風場分布、花生床層含水率、溫度分布進行測定，并記錄試驗過程各風口及風門位置的溫濕度值和燃氣消耗。

3.3.1 空載狀態下風場分布測定

為測定導風板組件對水平層通風均勻性的改善效果，分別在安裝導風板組件和不安裝導風板組件2種狀態下開啟風機，利用TSI－9565A型熱敏風速儀（測量精度±0.015m/s）按照圖10a分別測定各個單元區域風速，風速儀探頭離承料板表面高度約為10 cm，每個區域隨機讀取5個點的風速，取平均值作為該區域風速測試值[17]。

注：A～E為沿入風方向測試單元序號；a～f為垂直于入風方向的測試單元序號；T101～T615為溫度傳感器序號。

3.3.2 花生床層含水率分布測定

自制了花生莢果取樣器，為底部和壁面密集開孔的圓柱形薄壁容器，開孔率為35.4%，介質空氣可從底部和側壁自由進出容器。取樣筒直徑55 mm，高70 cm，試驗前取90個取樣器，裝滿待測花生物料，每個測試區域放置3個取樣器并做好標記，取樣器底部與烘干機承料板接觸，垂直放置并埋于物料層中，分別在烘干10、20 h和干燥結束時，于各測試區域中取出1根取樣器，并將取樣器上端開口傾斜倒置，并向后拖動使樣品物料緩慢沿長條狀流出，沿流出方向將物料等分為上、中、下3段。每段沿長度方向均勻取適量物料3份，采用105 ℃烘干法[24]測定含水率，并取平均值。共測得30×3=90個測試點的含水率。

3.3.3 花生床層溫度分布測定

采用SM1200B－160 型10 通道溫度采模塊（上海搜博實業有限公司）及90個DS18B20 數字溫度傳感器（測量精度±0.5 ℃）。根據使用說明將溫度傳感器接入采集模塊，模塊信號輸出接口經RS232－USB2.0轉換器與計算機進行連接通信，通過上位機軟件即可實現不同采集區域的物料溫度采集與記錄。T101～T615 共90個溫度傳感器平面布置位置如圖10a所示，每個測試單元在中心區域依次按照下、中、上料層位置布置3 個溫度傳感器如圖10b所示。

3.3.4 入風和排風口溫濕度測定

采用HSTL-10TH型溫濕度變送器（精度±0.5 ℃，±2%RH），放置于干燥箱體和板翅式換熱器各出入風口位置，變送器信號輸出接口經RS232－ USB2.0 轉換器與計算機進行連接通信，通過上位機軟件對各出入風口溫濕度的采集與記錄。

3.3.5 能耗測定

本干燥機能耗分為燃燒機燃氣消耗、風機和控制系統電耗2部分。干燥期間將液燃氣（液化石油氣）罐放在數顯地秤上，確定干燥過程燃氣消耗情況。風機電耗通過與干燥機連接的電表讀取耗電度數。

3.4 干燥過程熱效應分析

3.4.1 整機熱效率

根據濕焓定義：1 kg干空氣及其攜帶的水蒸氣焓值之和。經過加熱后進入干燥箱的介質空氣濕焓為[25-30]

介質空氣在穿過物料層、風道及換熱器的過程中，熱量不斷散失，含濕量也隨著物料層內蒸發出的水分混入而增加，但作為供熱源的仍然是進入物料層前的那部分和干空氣。因此，對應的排出干燥系統的介質空氣濕焓[25-30]為

式（11）～（12）中io分別為介質空氣進入干燥箱和排出干燥系統的濕焓，J/kg；da為絕干空氣比熱容，J/(kg·℃)；v為水蒸氣比熱容，J/( kg·℃)；aiao分別為介質空氣進入干燥箱和排出干燥系統時的溫度，℃；sat@T為溫度時水的汽化潛熱，kJ/kg；ai為進入干燥箱前介質空氣的含濕量，kg/kg，可根據介質空氣相對濕度和對應溫度下的飽和蒸氣壓計算得出[25]

式中為介質空氣相對濕度，%；s為對應溫度下的飽和蒸氣壓，Pa；為實際大氣壓，Pa。

實際作用于干燥系統的熱量為

介質空氣從環境溫度升溫至設定的入口溫度所需熱量為

則熱效率為[25-30]

式中EN為整機熱效率，%。

3.4.2 換熱器和燃燒機加熱貢獻率

在雙入風口同時通風階段，介質空氣自下向上穿過物料層后直接排入大氣，因該階段換熱器不工作，環境空氣的升溫所需熱量全部來自燃氣燃燒機，此時換熱器加熱貢獻率為0，燃燒機加熱貢獻率為100%。在換向通風階段，新鮮空氣的加熱升溫分2段完成，分別為換熱器回收廢氣余熱對新鮮空氣進行第一次加熱，此后介質空氣再次經過燃燒機加熱升溫至設定溫度后進入干燥箱。在此過程中，換熱器和燃燒機對新鮮空氣加熱至設定溫度的貢獻率采用式（16）、式（17）計算。

式（16）～（17）中HCRe為換熱器加熱貢獻率，%；HCRb為燃燒機加熱貢獻率，%；eo為新鮮空氣經過換熱器加熱后的溫度，℃；T為設定的介質空氣通入干燥箱的溫度，℃。

4 結果與分析

4.1 干燥過程物料狀態變化

4.1.1 花生物料層平均溫度

試驗測得了30個測試區域的各區域上、中、下3個測試點共計90個測試點的溫度，分別將左半區物料和右半區物料各15個測試區域按上、中、下分類求和取平均值，表示上、中、下3個水平層物料的平均溫度，時間間隔取2 h，物料層平均溫度隨時間變化如圖11。

干燥開始至10 h，左右2個半區物料同時通風干燥，干燥箱蓋板敞開，介質空氣自底部向上穿過物料層，底層物料被迅速加熱升溫至接近設定溫度，隨著熱空氣溫度逐漸降低，熱傳導能力逐漸降低，中層、上層升溫速度逐次遞減，物料層溫差先增大后減小，4 h時溫差達最大值，約10.5 ℃，之后底層物料溫度接近設定熱風溫度，吸取熱空氣的熱量減少，中、上層物料溫度逐漸升高，物料層溫差逐漸降低。干燥10 h時，左半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為31.8、35.2、38.1 ℃；右半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為32.0、35.5、38.2 ℃。此后，干燥箱蓋板閉合，單風口交替入風，且每2 h改變1次通風方向，熱空氣先從底部向上穿過入風側物料層，經過頂部混風室充分混合后，從頂部向下穿過另一側物料層后從側邊出風口排出干燥箱。干燥20 h時，左半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為36.9、37.3、37.9 ℃；右半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為36.3、36.1、35.9 ℃。干燥結束時，左半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為37.6、38.0、38.1 ℃；右半區物料上、中、下3層物料平均溫度分別為37.3、37.4、37.2 ℃。此階段物料層溫度呈類波浪狀逐漸升高至設定溫度，下層物料溫度波動幅度較大（左半區5.4℃，右半區7.8℃），中層物料次之（左半區4.9℃，右半區6.6℃），上層物料溫度波動幅度最小（左半區3.7℃，右半區5.6℃）。

圖11 物料層平均溫度隨干燥時間的變化

4.1.2 花生物料層平均含水率

試驗測得了花生物料初始濕基含水率和30個測試區域干燥10、20、48 h（結束時）上、中、下物料層的濕基含水率，分左半區物料和右半區物料各15個測試區按上、中、下層求和取平均值，表示上、中、下3個水平層物料平均濕基含水率，如圖12所示。0～10 h，左右2個入風口同時通風干燥，介質空氣自底向上穿透料層的過程中，其溫度逐漸降低，相對濕度逐漸增加，對上層物料的加熱吸濕能力逐漸降低，上、下層物料含水率差值逐漸增大。干燥10 h之后，采用單入風口換向通風干燥工藝，周期性改變介質空氣沿豎直方向穿過物料層的先后順序，上、中、下層物料平均含水率差值逐漸縮小，至干燥結束，左半區物料上、中、下3層物料平均濕基含水率分別為9%、8.6%、8.3%，差值為0.7%；右半區物料上、中、下3層物料平均濕基含水率分別為9.3%、8.8%、8.5%，差值為0.8%。因此，換向通風干燥工藝可有效解決固定床干燥沿豎直方向上的干燥不均勻問題。

圖12 物料層平均含水率隨干燥時間變化

4.2 花生干燥均勻性分析

4.2.1 風場分布均勻性分析

試驗測得了采用導風板組件和不采用導風板組件2種情況下空載狀態的承料（沖孔）板上方10 cm處風場分布，并采用MATLAB軟件繪制等值線圖，如圖13。

圖13 承料板上方10 cm處風速等值線圖

由圖13可知，烘干箱底部風室未安裝導風板組件時，入風口對側風速最高，入風口側風速最小，風速分布范圍0.5～1.0 m/s；安裝導風板后，風速最大處在沿箱體長度方向2 000～2 500 mm區域半側干燥室中間位置，風速分布范圍為0.68～0.73 m/s。由此可見，采用導風板可以有效解決入口對面側附近床層風量過大的風場分布不均勻問題，提高固定床水平方向上的干燥均勻性。

4.2.2 花生物料層溫度分布特性分析

分別選取干燥5、20和40 h代表干燥過程前、中、后3個階段，各測試單元上、中、下3層物料溫度如圖14。雙入風口同時入風干燥5 h后，左半區上、中、下 3層物料平均溫度分別為26.5、31.0和37.3 ℃，同層溫度極差分別為2.9、2.5和1.7 ℃；右半區上、中、下 3層物料平均溫度分別為27.0、30.7和37.4 ℃，同層溫度極差分別為2.4、2.7和2.1 ℃。此時，沿豎直方向物料層呈現明顯的溫度差異（0～10.8℃），沿水平方向物料層溫度差異相對較小（最大僅2.9℃）。

干燥20 h后，進入換向通風干燥階段10 h，完成第3次“左進右出”通風干燥，即將切入“右進左出通風干燥，此時左半區上、中、下3層物料平均溫度分別為37.0、37.3和37.9 ℃，極差分別為1.0、0.8和1.1 ℃；右半區上、中、下3層物料平均溫度35.8、35.7和35.4 ℃，極差分別為1.4、1.5和1.6 ℃。此時，沿豎直方向物料層溫度差異已較小（0～0.9℃），但左半區和右半區物料溫度高低存在明顯差異（平均溫度差值約1.8℃）。

干燥40 h后，左半區上、中、下3層物料平均溫度分別為37.5、37.8和38.0 ℃，同層溫度極差分別為1.0、1.1和1.0 ℃；右半區上、中、下3層物料平均溫度37.2、37.0和36.9 ℃，同層溫度極差分別為2.0、1.9和2.3 ℃。左半區和右半區物料平均溫度差異減小（差值約0.7℃），但入風側物料溫度分布均勻性明顯優于出風側（入風側溫度分布范圍36.9～38.4℃，出風側溫度分布范圍35.8～38.3℃）。

圖14 干燥5、20和40 h后的物料層溫度分布

4.2.3 花生干燥均勻性分析

干燥結束的各測試區域上、中、下3層各測試點物料含水率測量結果如圖15所示。左半區物料平均含水率8.63%，含水率降幅34.57%，含水率最大差值（即干燥不均勻度）1.42%，為含水率降幅的4.1%；右半區物料平均含水率8.87%，含水率降幅34.33%，含水率最大差值1.74%，為含水率降幅的5.1%，優于行業標準[31]，明顯優于國內外同類技術產品[3-14]。由此可見，采用換向通風干燥方法可保證良好的干燥均勻性。

圖15 干燥結束后物料層含水率分布

4.4 干燥過程的熱效應分析

4.4.1 整機熱效率

根據試驗測得的0～10 h介質空氣穿過物料層后直接排入大氣時的溫度和相對濕度，10～48 h測得的介質空氣經由箱體側出風口和排出換熱器時的溫度和相對濕度，根據式（5），以換熱器廢氣排出口為介質空氣最終排出口，計算得到余熱回收情況下的整機熱效率；以烘干箱側出風口為介質空氣最終排出口（即相當于直接排入大氣），計算得到余熱不回收情況下的整機熱效率，如圖16。

圖16 干燥過程整機熱效率變化

由圖16可知，余熱不回收時，隨著干燥過程物料溫度升高，排出干燥箱體的介質空氣溫度亦逐漸升高，整機熱效率快速降低，干燥10 h后，熱效率已經降低至25%以下，排出干燥箱的介質空氣溫度約32.5 ℃，比環境溫度高18.2 ℃。因此可知，在干燥中后期，花生物料層已經被加熱至較高的溫度，排出物料層和干燥箱的介質空氣已經接近設定的干燥溫度，此時整機熱效率僅有5%～15%，若直接排入大氣，熱量浪費嚴重。干燥10 h后，花生外殼表面已無明顯水漬，若將排出干燥箱的廢熱空氣通入余熱回收裝置，可顯著提高整機熱能利用率，盡管熱效率會隨環境溫濕度的變化而波動，但始終保持在80%以上。

4.4.2 換熱器器余熱回收功能評估

根據試驗測得的板翅式換熱器廢熱空氣進口、出口的風溫和新鮮空氣進口、出口的風溫，計算換熱器和燃燒機對新鮮空氣的加熱升溫幅度；繪制換熱器和燃燒器對新鮮空氣加熱貢獻率如圖17所示。

由圖17可知，由于0～10 h采用雙入風口同時通風干燥工藝，介質空氣穿過物料層后，直接排入大氣，余熱不回收，換熱器不工作，加熱新鮮空氣的熱量全部由燃燒器提供。因采用恒溫干燥模式，并且該階段環境溫度先升高后降低，因此升溫幅度先降低和升高，該階段燃燒器對新鮮空氣的加熱貢獻率為100%。

10～48 h階段，采用換向通風干燥工藝，介質空氣穿過物料層和干燥箱后，排出的濕熱空氣經由通風管道，進入板翅式換熱器高溫側多層板翅區域，與進入低溫側多層板翅區域的新鮮空氣進行熱交換，最后排入大氣。新鮮空氣穿過換熱器，經過濕熱空氣余熱加熱升溫后，再進入熱風機由燃燒器加熱升溫至設定溫度。在此階段換熱器對新鮮空氣加熱升溫幅度受排出物料層的濕熱空氣溫度和環境空氣溫度的影響。隨著干燥過程的進行，排出物料層的濕熱空氣溫度逐漸升高，并且接近設定的干燥溫度，換熱器加熱升溫能力隨之增強，但隨著干燥過程環境溫度的變化，當環境溫度升高時（16～26 h，38～48 h），排出物料層的濕熱空氣和環境空氣溫度的差值降低，換熱器對新鮮空氣的加熱升溫幅度降低，然而由于設定干燥溫度恒定38 ℃，加熱升溫幅度總值降低，燃燒器加熱升溫幅度亦隨之降低，當干燥至26和48 h時升溫幅度處于谷底，這2個時間點的環境溫度分別為22.5和21.7 ℃，均處于當天的最高氣溫；當環境溫度逐漸降低時（10～16 h，26～38 h），新鮮空氣需加熱升溫幅度總值亦升高，排出物料層的濕熱空氣與環境空氣溫度差值迅速升高，換熱器加熱升溫幅度逐漸升高，但由于該階段排出物料層后的濕熱空氣溫度相對平穩，燃燒器加熱升溫的幅度變化較小。根據換熱器和燃燒器對新鮮空氣的加熱升溫幅度，計算各自對新鮮空氣加熱升溫的加熱貢獻率，可以看出加熱貢獻率變化相對平穩，干燥28 h后，換熱器加熱貢獻率有小幅提升，燃燒器加熱貢獻率有小幅降低。在整個換向通風干燥階段，換熱器的加熱貢獻率平均值約為61%，燃燒器加熱貢獻率約為39%。因此，采用余熱回收系統每小時可節省燃料消耗約61%（換向通風干燥階段）。

圖17 換熱器和燃燒器對介質空氣加熱升溫幅度及貢獻率對比

4.5 干燥經濟性分析

干燥總耗時48 h，消耗燃氣40.5 kg，電能86.4 kW·h，干燥后花生總質量為926 kg。按照當前液化氣價格7.8元/kg、農業用電0.5元/(kW·h)的價格計算，平均每公斤干花生能耗成本約0.388元/ kg。通過換熱器和燃燒器加熱貢獻率推算，若不采用余熱回收裝置，該批次花生干燥試驗約需液化石油氣78.9 kg，采用余熱回收裝置可節省能耗約48.7%。與傳統固定床干燥設備相比，可節省能耗成本約64.7%，降低干燥不均勻度約82.6%。

盡管采用換向通風干燥和余熱回收技術大幅度節省了花生干燥能耗成本，但對于普通農戶仍然偏高，設備大型化、余熱回收裝置結合熱泵機組供熱將是下一步的研究方向。

5 結 論

1）采用左右換向通風干燥工藝，交替改變介質空氣穿過物料層的方向，物料層溫度呈類波浪狀逐漸升高至設定溫度，干燥終止時左、右半區干燥不均勻度分別為1.42%和1.74%，干燥均勻性好，明顯優于國內外同類技術。

2）采用導風板對穿過入風口的介質空氣分流引流，將承料板上方10 cm處風速分布范圍從0.5～1.0 m/s降低至0.68～0.73 m/s，有效提高了水平方向上的通風和干燥均勻性。

3）采用余熱回收裝置及板翅式換熱器芯體，回收了干燥中后期排出干燥箱的濕熱空氣余熱，整機熱能利用率提高至80%以上，批次干燥能耗降低約48.7%。

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Development of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer

Yan Jianchun, Xie Huanxiong※, Wei Hai, Wu Huichang, Gao Jingkui, Xu Hongbo

(210014)

This paper introduces the general structure and working principle and key components of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer including drying box, air guide components, reversing ventilation mechanism and waste heat recovery device. In order to understand the performance of the dryer, performance analysis and experimental study were carried out under two kinds of working condition, with no peanut material loading and full peanut material loading. Under the no loading condition, the air velocity distribution at 10 cm above material supporting perforated plate was measured and compared when the wind deflectors was installed or not respectively. The results showed that installation of wind deflectors could effectively improve the uniformity of air field distribution. When the medium air passed through the material supporting perforated plate, the air velocity distribution ranged from 0.68 m/s to 0.73 m/s with wind deflectors installing, while ranged from 0.5 m/s to 1 m/s with no wind deflectors installed. Under the full load condition, a drying test was completed. 1.5 t fresh peanut, Tianfu No.3 variety, just after mechanized harvesting was used as the experimental material, which initial moisture content was 43.2%. The drying process was carried out in two stages. In the first stage, both the left and right air chambers were ventilated with hot air, and the medium air was discharged into the atmosphere after passing through the peanut material layer from bottom to top without waste heat recovery. The execution time of this stage was 10 h. During this period, the temperature of the bottom material increased rapidly while that of the upper material increased slowly. In the second stage, single air inlet alternate ventilation drying process was adopted. The medium air entered the drying box from one of the two air inlets, and passed through the peanut material layer of this side from bottom to top. Then the medium air mixed in the top space of drying box fully, and passed through the peanut material layer of the other side from top to bottom, finally, the medium air was discharged from the air outlet downwind chamber of this side. The ventilation direction was changed every 2 h. During this period, the temperature of the upper, middle and lower peanut material layers rose and fell wavelike. The fluctuation range of temperature of peanut layers decreased gradually and temperature of all peanut layers approximated the setting drying temperature. At the end of drying operation, the maximum difference of moisture content of peanut material in the left and right drying chamber was 1.42% and 1.74% respectively, which was 4.1% and 5.1% of total reduction of moisture content. The drying uniformity of the peanut bed was good in both horizontal direction and vertical direction. In the second stage, the waste heat recovery device was adopted, and its influence on the heating contribution rate, energy utilization rate and energy consumption cost of the total drying system were tested and evaluated. The results showed that the heating contribution rate of waste heat recovery device to the drying system was about 61% and energy utilization rate of the drying system was increased to more than 80%. The energy consumption cost of batch drying was reduced by 48.7%. The research results provide data support for the improvement and application of the equipment.

agricultural products; drying; mechanization; peanut; reversing ventilation; waste haste recovery

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002

S226.6

A

1002-6819(2019)-10-0009-10

2018-12-03

2019-01-24

中國農業科學院基本科研業務費專項（S201808）；江蘇省農機三新工程（NJ2018-10）；中國農業科學院科技創新工程（農產品分級與貯藏裝備創新團隊）

顏建春，助理研究員，主要從事農產品加工技術與裝備研究。Email：yan.jc@Foxmail.com

謝煥雄，研究員，主要從事農產品加工技術與裝備研究。Email：nfzhongzi@163.com

顏建春，謝煥雄，魏海，吳惠昌，高景奎，徐弘博.5H-1.5A型花生換向通風干燥機研制[J]. 農業工程學報，2019，35(10)：9－18. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002 http://www.tcsae.org

Yan Jianchun, Xie Huanxiong, Wei Hai, Wu Huicang, Gao Jingkui, Xu Hongbo.Development of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 9－-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002 http://www.tcsae.org