大型熱泵糧食烘干塔結構特性分析

孫椰望，王冠斌，楊秋娟，李偉釗

(1.中國科學院理化技術研究所，北京100190； 2.北京理工大學，北京100081； 3.河南省中科院科技成果轉移轉化中心，河南 鄭州450016； 4.北京北特圣迪科技發展有限公司，北京100028)

0 引言

我國是世界人口最多的國家，糧食安全供應一直是關乎民生的大事。糧食烘干與保存是糧食生產的關鍵環節，但是我國糧食收獲后的干燥能力較低，每年因不能及時干燥或者處理方法不當造成的糧食霉變、發芽等數量損失占糧食總產量的5%左右，相當于少產2 500萬t糧食。由于干燥裝備技術水平落后，我國有80%的糧食入庫品質和水分不達標。另外，糧食干燥主要依賴煤燃料進行烘干，造成資源浪費和環境污染[1-2]。隨著我國構建和諧社會和可持續發展的迫切要求，為了解決燃燒資源帶來的環境污染和能源損失過大問題，鑒于傳統烘干糧食過程的熱能大量排放浪費，采用熱泵糧食烘干系統是糧食烘干的有效途徑。熱泵烘干技術的顯著特點在于熱能的循環利用、能源高效利用和無污染[3-5]。目前，以中國科學院理化技術研究所為代表的熱泵烘干技術已經廣泛應用于蔬菜、大棗、枸杞、葡萄干、小白杏和煙葉烘干等領域，市場實踐表明熱泵烘干技術具備省力、可控、高效、節能和減排的優異性能[6-8]。另外，為了確保熱泵糧食烘干塔系統的可靠性運行，同時鑒于烘干塔體積大、高度大和質量大的特點，熱泵烘干塔結構強度和烘干塔體動態穩定性是熱泵烘干塔系統研究的關鍵內容。

1 熱泵烘干塔結構設計

熱泵糧食烘干塔系統基于熱泵系統的電能高效利用和烘干循環風的閉式循環能量回收，并且能夠通過補風結構和智能控制系統實現能量的充分節能和高效控制，從而達到環保、節能、高效和控制精確的糧食烘干目的，實現糧食的高效、高質烘干。

熱泵烘干塔采用連續式結構設計。圖1所示為課題組于2015年在國內率先設計完成，并成功應用于生產的50 t烘干塔系統。該烘干塔采用14節設計，烘干風室由預熱段、烘干段和冷卻段組成，其中烘干段和預熱段采用自調節設計。根據熱泵烘干塔系統的原理和結構特點，烘干塔的優化設計、結構強度和結構穩定性是熱泵烘干塔的關鍵內容。

2 烘干塔結構強度分析

根據圖1所示烘干塔進行三維建模與分析，建模過程充分考慮烘干塔的角狀盒特征，烘干塔的三維模型如圖2所示。

該糧食烘干系統位于我國最大的糧食轉運基地黑龍江省牡丹江市穆棱地區，該地區受到臺風影響造成的最大風速為8～9級(18～24 ms)[9-11]。因此，分析過程采用風速為25.7 ms(400 Pa)對烘干塔模型進行極端載荷約束，得到結構強度參數如圖3所示。

由圖3可知，烘干塔按照極端風速工況進行約束，獲得的最大結構應力為9.48 MPa，遠小于材料屈服應力210 MPa，且結構應力較大區域主要集中在烘干塔下部，結構強度好。此外，極端風速工況下烘干塔的最大位移量為0.85 mm，進一步說明烘干塔在極端天氣環境下具備很好的強度和剛度性能。

3 結構固有動態特性分析

烘干塔結構動態穩定性分析主要包括烘干塔固有動態模態分析和抗振性響應分析，且兩者分析過程屬于關聯性方式，對烘干塔模型進行模態分析，結果如圖4和表1所示。

表1 烘干塔固有模態參數

烘干塔模態分析結果表明，烘干塔的前6階固有振動模態屬于低階模態，且振形體現在中上部振動和中下部振動，共振的薄弱環節主要體現在底部區，特別是低頻振動載荷的影響是重點研究對象。由于牡丹江穆棱下城子烘干塔地基屬于Ⅲ類，該地區歷史上發生過的最大地震是7級左右的深源地震，所以采用7級淺源地震譜載荷對烘干塔進行保守性振動響應分析[12-13]。利用反應譜理論得到地震譜如表2所示。

表2 Ⅲ級地基的淺源型地震位移譜

Tab.2 Shallow seismic displacement spectrum of grade Ⅲ foundation

振動頻率∕Hz幅值∕mm0.300.0130.500.0181.250.0432.500.0803.500.0805.000.0808.300.08010.000.08012.500.07125.000.05450.000.045

根據表1和表2可知地震載荷與烘干塔固有振動參數具備頻率耦合性，地震容易引起烘干塔的共振響應，因此地震強度的大小對烘干塔的影響突出。

4 烘干塔響應分析

根據表2載荷特點分析烘干塔的結構振動響應，結果如圖5所示。

由圖5可知，烘干塔的振動響應最大振動位移為0.065 mm，最大應力為3.25 MPa，相對于烘干塔水平精度要求1 mm和屈服強度210 MPa，烘干塔能夠滿足區域性抗震要求。

5 極端環境適應性驗證

結構強度試驗需要環境載荷驗證，烘干塔于2015年7月30日在牡丹江市下城子鎮國管糧庫安裝完成，臺風“天鵝”從2015年8月26日夜間到28日影響到黑龍江省牡丹江市穆棱地區，臺風率先進入到牡丹江東部地區，逐漸向西移動，穆棱暴雨，風力達到8級。臺風過后，烘干塔完全正常，結構具備抵御惡劣天氣的足夠強度。

2016年1月2日12時22分在牡丹江市林口縣(北緯44.8°，東經129.9°)發生6.4級地震，震源深度580 km，地震過后，烘干塔無任何異樣，其結構穩定性良好。

6 結論

(1)經牡丹江市極端環境驗證，糧食熱泵烘干塔系統具備可靠的運行性能。

(2)采用極端載荷邊界條件的有限元分析方法能夠較好地實現大型糧食烘干塔的結構強度和動態載荷的有效分析，從而很大程度地解決了烘干塔實體結構太大造成實際工況試驗分析困難的問題。