水稻負壓混流干燥室結構優化設計與試驗

車 剛，高瑞麗，萬 霖，賴東博，王洪超，陳正發

（1. 黑龍江八一農墾大學工程學院 大慶 163319；2. 黑龍江省農機智能裝備重點實驗室 大慶 163319）

0 引 言

水稻是中國主要的主食性作物，據2019年統計表明，中國稻谷種植面積2 969萬hm2，稻谷產量已達到20 961 萬t，但因晾曬不及時或未達到安全水分而造成的損失達總產量的3%～5%[1-2]。這就要求在水稻收獲后，進行迅速干燥，減少損失。目前，水稻連續式干燥機以豎箱式為主，其中正壓送風式居多。對于谷物干燥來說，當熱風或冷風通過角狀管對谷物進行干燥或冷卻降溫時，存在著氣流分布不均勻，致使在干燥質量與干燥效率方面存在一定矛盾問題[3-4]。近年來，負壓干燥技術的研究與應用得到迅速發展。有關糧食、煙稈顆粒、筒子紗、綠茶、土豆片的負壓干燥研究結果表明，與傳統的正壓干燥方式相比，負壓干燥技術可降低物料的飽和溫度，促使在低溫條件下快速完成干燥過程，縮短干燥時間，提高干燥速率，降低能耗，在一定程度上能提高物料干燥的均勻性[5-8]。水稻干燥均勻性與干燥機內氣流的流動密切相關，箱體內角狀管的機構及布局起到關鍵作用。角狀管的型式及安裝方式多種多樣，國內干燥機制造企業以改進角狀管尺寸和結構來提高干燥均勻性；國外如丹麥、瑞典等公司，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[9-13]，變徑角狀管對提高氣流分布均勻性的作用不明顯。而開孔板會改善氣流的均布情況，變開孔率布風板大多應用于鍋爐燃燒、流化床干燥等領域，通過改變布風板的開孔率，使風速沿布風板長度方向遞減，達到布風穩定、均勻的效果[14]，但該技術在豎箱式谷物干燥方面尚未有研究。

因此，為解決氣流分布不均勻、水稻干燥爆腰等問題，本研究將以水稻負壓混流干燥工藝為主要研究對象，結合橫向送風微混流原理，設計一種變徑開孔式角狀管，利用Fluent軟件分別對空載和滿載狀態下的豎箱式干燥室內的流場進行數值模擬與試驗驗證，為水稻均勻性干燥提供理論依據。擬通過研究水稻負壓干燥的特性，優化水稻干燥參數，提高干燥速率及保存品質。

1 水稻負壓混流干燥特性模型

1.1 模型建立與解析

基于不可逆熱力學理論[15]，將干燥室看做一個整體，以順逆流組合干燥工藝為核心，從宏觀角度描述混流干燥過程，建立了配置變徑開孔式角狀管的混流干燥段的物理模型，如圖1所示。每個變徑角狀管側板均開設微孔束，增強局部微混流效果。

進入干燥系統中的熱介質溫度為T0、含濕量為d0，水稻的初始含水率為M0，則干燥段內的質量平衡方程為[15]

式中ρb為絕干水稻的堆積密度，kg/m3；Md為飽和含濕量下的水稻干基含水率，%；t為干燥時間，min；v為水稻的流動速度，m/h；z為稻谷層厚度，m，與干燥時間和水稻的流動速度有關，物料層厚度一定時，同等干燥條件下，流動速度越快，所用干燥時間越短；μ為傳質系數，kg /(h·m2)；γ為有效蒸發面積系數；a為水稻的體積比表面積，m2/m3；dmax為濕球溫度下氣流的飽和含濕量，kg /kg；f(φ)為水分比，%；g0為單位時間內通過單位干燥層面積的干燥介質的質量流量，kg/(m2·h)；d0為熱介質的初始含濕量，kg /kg；d為熱介質的含濕量，kg /kg。

水稻靠自身重力向下流動，熱風在負壓風機的作用下，被迫穿過干燥層，完成干燥。在此過程中，水稻的干燥特性受熱風流動狀態及后續水稻溫度、相對濕度的影響。v為水稻的流動速度，與干燥段的結構尺寸有關，因此，求解時可視為常量。將式（1）右側等號兩端進行變換，可得到水分比隨干燥時間變化的解析式為

式中β為層厚無量綱量，可由式（3）計算[16]。

根據谷物水分比的理論計算公式及水稻薄層干燥方程[17-18]可得

式中M0為水稻的初始含水率，%；Me為干燥到平衡狀態時的干基含水率，%；k為水稻的干燥常數。

由公式（1）兩端分式分別與公式（4）聯立可推導出水稻負壓干燥時，干燥速率隨干燥時間變化的解析式為

假設選用40 ℃的熱介質進行干燥，相對濕度為37%，含濕量為0.024 kg/kg，水稻的初始含水率為22.3%（烘箱法）。聯立公式（2）與（5）及上述解析式的定解條件，則可得到水稻負壓干燥特性解析模型為

式中Mt為水稻干燥到t時刻的干基含水率，%。

1.2 結果與分析

由于解析模型具有非線性、耦合性和統一性等特點，采用Matlab軟件進行編程計算[19]。為驗證模型的準確性和合理性，選取水稻初始含水率為22.3%（干基），熱風溫度為40 ℃，進氣管道風速為2.5～3 m/s，排糧輥轉速為2.4 r/min，熱風量為1 302 m3/h，風機風壓為1 026.56～1 180.42 Pa進行試驗，繪制水稻負壓干燥特性曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，水稻干燥特性曲線的計算值與試驗值的R2達0.972，變化規律基本一致，擬合度較高。從干燥曲線中可以看出，在干燥前期，水分比下降較快，而隨著干燥時間的增加，水分比下降得較為緩慢。這是因為在干燥初期，采用負壓干燥使得水稻水分的飽和溫度降低，稻谷內外的水分梯度大，蒸發較快，而水分比也下降地較快。到干燥后期，水稻籽粒內部的結合水很難被去除，因此，水分比下降得較為緩慢。

從干燥速率曲線可以看出，整個干燥過程大致包括預熱階段、等速階段和減速階段。由于干燥過程屬于內部控制問題，控制較低的介質溫度使谷物表面的水分蒸發速度接近內部擴散速度，有助于第一臨界點出現，從而使等速干燥階段與減速干燥階段的比例合理化。在水稻初始含水率偏低的條件下，預熱階段較短，干燥速率很快到達最高點，而且負壓環境有利于降低水稻內部水分的飽和溫度和水蒸氣分壓，促使稻谷內部濕熱場內的水蒸氣分壓更易達到飽和蒸氣壓，有益于減少內熱能消耗，而內部水分擴散勢能基本保持不變。因此，水稻干燥進程能夠保持較小比例的等速干燥階段。15 min后水稻水分由內向外遷移的速度逐漸小于表面水分蒸發速度，干燥速率開始下降，進入降速干燥階段。

2 負壓干燥室設計

2.1 干燥室結構設計

依據負壓節能工藝原理，設計負壓混流干燥室。負壓調速風機設計在出風口側。干燥室采用雙級進排氣結構，多層變徑角狀管間隔配置，干燥與緩蘇工藝相融合，實現混流均勻送風的干燥效果。根據水稻小時去水量、干燥強度和有效容積系數，設計豎箱式干燥室整體結構如圖3所示，確定干燥室容積尺寸為1 000 mm ×800 mm×1 200 mm（長×寬×高），主體由上下排氣段和中間進氣段構成，箱體外側夾裝3 cm厚保溫層。根據熱介質流量和干燥室容積設計變徑角狀管為5列，共20個角狀管，角狀管變截面尺寸如圖4。結合水稻干燥特性和變溫干燥需求，設計了雙級負壓排氣結構，可以根據在線檢測入機水稻的含水率實現分段調控風速。因此，排氣上段安裝1臺Y5-47型550 W調速離心風機，排氣下段安裝2臺Y5-47型250 W調速離心風機，并聯風機的風量較大。

角狀管設計參照丹麥CIMBRIA、瑞典SVEGMA機型與干燥技術手冊[20]，根據風壓和介質流量關系原則，設計變徑開孔式狀管，角管寬度72 mm，高度85 mm，側板高度由40 mm遞減到20 mm，如圖4所示。相關研究表明[21]，圓形不均勻布孔的干燥速率和熱效率均較高。因此，設計側板孔呈五孔束排列，利用微壓調節風場分布原理，保證干燥氣流分布均勻。確定微孔直徑為2 mm，尺寸小于水稻直徑，避免在干燥過程中產生阻塞。

2.2 角狀管優化設計

2.2.1 開孔率的設計

借鑒流化床干燥機中布風板的設計理念，結合負壓微孔送風原理，設計了變徑開孔式角狀管。豎箱式干燥機的角狀管開孔率計算公式如下[22-24]。

其中，

式中α為開孔率，%；ξ為布風阻力系數，1.5～2.5；ρg為熱空氣密度，kg/m3，經測定為0.972 kg/m3；μ1為空載氣流速度，m/s；（ΔPD）SC為布風板臨界壓降，Pa；RSC為與床層直徑D和床高L有關的參數，近似視為立式干燥機干燥段結構尺寸的相關參數；S為干燥段底部周長，mm；H為干燥段高度，mm；ΔPB為理論床層壓降，Pa；Lmf為水稻在干燥室內的靜高度，近似為谷層厚度，mm；ρs為水稻籽粒密度，為780 kg/m3；εmf為最小流化速度的孔隙率；sφ為固體顆粒的球形度，水稻籽粒為橢圓形，其球形度小于1。

依據低開孔率的原則，保證變徑角狀管的沿程阻力與微孔處的靜壓差相平衡，調節橫向風場均勻性。經計算，變徑角狀管側板適宜的開孔率為12.23%～26.04%，依據孔板占比尺寸，確定3種開孔率分別為12.23%、19.14%和26.04%，結合變徑角狀管側板尺寸范圍，設計不同開孔率所對應的微孔數量分別為60、80、100孔，變徑角狀管微孔布局如圖5所示。

2.2.2 角狀管靜力學分析

實際干燥室內充滿稻谷顆粒，變徑角狀管的受力近似均布載荷[25]。利用Ansys 2019R2軟件，對不同開孔率角狀管施加相同的載荷。依據胡克定律和靜強度、剛度準則[26-27]，確定角狀管材料Q235，鋼板厚度為3 mm。靜力學分析如圖6所示，角狀管的應力與應變大致呈線性關系，服從塑性變形規律，差異不大。變徑角狀管的主體承載力主要體現在角狀管頂端折邊區域。分析表明：在均布載荷的作用下，角狀管易產生微小彎曲變形，角狀管與箱體連接處均產生應力集中并延伸。而在變徑角狀管的側直邊處開微孔，應力變化平緩，可以減小局部應力集中的問題。因此，微孔數量80的變徑角狀管的結構特性優于其他角狀管。

2.2.3 角狀管內風速分析

為了方便更換角狀管進行對比試驗，以安裝上進氣角狀管和上排氣角狀管的干燥段為試驗單元。單獨開啟干燥室上段排氣風機來測試不同開孔數角狀管的送風效果。調節進氣通道風速，定點測試沿干燥室進風方向（Y軸）布置，風速測試方法與圖7方案一致。角狀管內風速分布趨勢如圖8所示。未開孔角狀管兩端風速高，中間位置處的風速低，風速整體分布不均勻。這是由于進風口與出風口處風壓較大所致。而熱風在變徑開孔式角狀管內流動，部分氣體可通過角狀管兩側側板上的微孔釋出，內部風速較比未開孔角狀管明顯降低0.2～0.3 m/s，趨于穩定，布風效果較好。開孔數80的變徑角狀管的優勢明顯，沿進風方向風速差異較小，最高為0.48 m/s，最低為0.41 m/s，風場均勻性較好。結合角狀管靜力學分析，可優選采用80孔的變徑開孔式角狀管作為干燥室內主體通風結構。

2.3 風速均勻性分析

2.3.1 試驗方案

為進一步研究變徑開孔式角狀管對干燥室流場均勻性的影響，現采用開孔數目為80孔的角狀管進行試驗研究。經初步測試，設定熱風溫度為40 ～45 ℃，進氣管道風速為2.5 ～3.0 m/s。在干燥室外壁開設螺紋式檢測孔，采用20個管道式風速傳感器（北京昆侖遠洋儀表科技有限公司）測定各測量點的風速。風速測試點位置如圖7所示。

為了便于測量及分析，沿垂直進風方向檢測孔距離設置為100、300、500、700、900 mm，順向進風方向檢測孔距離為100、300、500、700 mm，測試深度取0、100、200、300 mm。

2.3.2 干燥室CFD數值模擬

1）網格劃分與條件設定

假設干燥室內的介質為連續、穩定、不可壓縮牛頓流體，且具有明顯的湍流流動特性，選用工程標準k-ε模型[28]。利用UG軟件對干燥段進行實體簡化建模，選用ICEM中的Hex Dominant/Mixed，劃分非結構網格。依據干燥機的實際運行參數，設定進氣管道風速為3.0 m/s，熱介質溫度為40 ℃（313.15 K），壓力為0.95×104Pa。選擇SIMPLE算法進行數值模擬求解，采用二階迎風格式，控制殘差在10-4范圍內。為了便于分析開孔式角狀管配置的內部流場分布情況，選取干燥室代表性特征截面，沿高度方向，自上而下令Z=100、300 mm。本文采用Fluent軟件進行數值模擬與試驗驗證[29-30]，研究配置變徑開孔式角狀管的干燥室在空載和滿載情況下，負壓混流干燥區域氣流均勻性，進而檢驗新型干燥機的風場效果。

2）干燥室風速場數值模擬結果

空載速度場分析：如圖9所示，采用變徑開孔式角狀管結構的干燥室內X-Y截面速度云圖。在空載條件下，Z=100 mm截面處，除角狀管出風口處風速較高，其他區域的風速已基本實現均勻分布，平均風速在0.65～0.77 m/s。這是由于變徑開孔式角狀管側板上的微孔可以調節熱介質的風壓，從而降低了角狀管出氣端的風速。在Z=300 mm截面處，接近進風區域。熱介質流動速度在短距離內較高，但在微孔的作用下得以釋放動能，速度降低，風場趨于穩定，布風效果較好。

滿載速度場分析：將水稻層視為多孔介質區，對滿載狀態下的干燥室進行數值模擬，可得到X-Y截面速度場模擬結果。熱介質從進風口流入，經進氣角狀管向出風區域流動。較大風速主要在進風和出風處，干燥室中心區域風速較小。上風場（Z=100 mm）受負壓風機的影響，較大風速在出風口處。下風場（Z=300 mm）風速分布差異性較小，熱介質在流動過程中，也受到糧層阻力作用，風速漸漸降低?？傮w來看，干燥室內部區域已實現均勻布風，整體風速約在0.40～0.57 m/s范圍內。

2.3.3 風速場均勻性驗證

為檢驗數值模擬的科學性，以負壓干燥室為研究對象，驗證在空載和滿載條件下，采用變徑開孔式角狀管時，干燥室內的風場分布情況，具體試驗方案同2.3.1節。

1）空載時風場均勻性驗證

如圖10a所示，干燥室中心區域Z=100 mm風速明顯趨于平穩。角狀管出口區域風速較大，在0.75 m/s～0.93 m/s之間。而其他區域的風速基本實現均勻分布，平均風速為0.70 m/s左右。Z=300 mm時，干燥室下方風場變化明顯趨于平穩，最大值為0.80 m/s，最小值為0.65 m/s，并且分布均勻性良好，上、下風場的差異性較小，這與干燥室的數值模擬結果相符，驗證了數值模擬的可靠性。

2）滿載時風場均勻性驗證

如圖10b所示，滿載風場分布平均風速為0.47 m/s，相對于空載情況，其風速明顯降低，風速不均勻性下降。干燥室上風場內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近似相同，差異性也較小，干燥室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。從干燥室下風場來看，除出風口處風速較大約為0.55 m/s，各區域風速相比差別不大，糧層的孔隙度不同會造成局部風速的變化，總體來看較大程度改善了干燥室內氣流分布的不均勻性。

針對負壓條件下變徑開孔式角狀管能夠改善豎箱式干燥室內風量分配均勻性的優勢，進一步開展水稻保質干燥工藝研究，以期解決干燥效率與干后品質的問題。

3 水稻負壓干燥參數優化試驗

3.1 材料與設備

選用齊齊哈爾市龍安橋基地種植的龍粳31水稻作為試驗材料，水稻濕基含水率為21.7%～22.5%（烘箱法）。在黑龍江八一農墾大學智能干燥裝備實驗室進行干燥試驗，采用自主研制的5HSN-1型負壓循環干燥試驗機，如圖11所示。主要由提升機、儲糧室、負壓干燥室、負壓風機、排糧絞龍、加熱器、在線水分測試系統等組成。干燥時采用負壓供熱，負壓風機和熱風進氣通道分別在干燥室的兩側，熱風在負壓風機的作用下，向干燥室供熱。

檢測儀器：管道式風速傳感器和溫濕度傳感器（北京昆侖遠洋儀表科技有限公司），MTC4型溫濕度傳感器（法國KIMO公司），9000F米粒判別儀（中國CANOSCAN公司），Kett谷物水分測量儀PM-8188New（上海冠唯儀器有限公司），自制爆腰燈等。

3.2 試驗方法

每次試驗均選取850 kg水稻作為試驗樣品（可重復），試驗前，通過Kett谷物水分測量儀進行3次測量，取平均值作為水稻的初始含水率。熱風溫度與表現風速由安裝在干燥室側壁的溫濕度傳感器和風速傳感器實時反饋監控，排糧輥轉速由變頻器調控。試驗采用混流干燥，實驗室內平均溫度為17.5 ℃。試驗開始后，每隔5 min測量水稻的含水率，測量3次取平均值進行記錄，當水稻含水率達到14.0%～14.5%時，結束試驗。

結合前期試驗，以熱風溫度、表現風速、初始含水率和排糧輥轉速為試驗因素，以干燥速率、爆腰增值率為試驗評價指標，如表1所示，通過四因素五水平二次回歸正交旋轉試驗，分析熱風溫度、表現風速、排糧輥轉速和初始含水率等因素對水稻干燥速率和爆腰增值率的影響規律，建立回歸方程。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding table of factor and levels

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 試驗結果

試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Table 2 Test results

應用Design-expert 8.0軟件對試驗結果進行回歸分析，剔除不顯著項，分別獲得表現風速、熱風溫度、排糧輥轉速和初始含水率等因素與水稻干燥速率和爆腰增值率間的回歸模型

統計分析得到各因素對干燥速率和爆腰增值率間的方差分析結果，失擬項不顯著P值均大于0.05，表明回歸方程與試驗擬合較好，能正確反映x1、x2、x3、x4與y之間的關系。模型顯著性P＜0.01，表明回歸模型在P水平上極顯著相關，模型成立。

3.3.2 參數優化與驗證

為了獲得水稻負壓干燥優化參數，結合水稻干燥生產評價項目中生產率和出米率最為重要，設定水稻干燥速率和爆腰增值率為評價指標，優選編碼值-1～1為因素取值范圍[31-32]，采用線性加權法進行優化。由于干燥速率和爆腰增值率均為重要指標，取加權值η1和η2各為0.50。因目標函數各自量綱不同，為此采用線性功效系數法，將各目標函數轉化為無量綱函數，再利用各自目標回歸方程進行綜合優化。

式中P為綜合評價函數，η1，η2為加權值。

應用Design Expert軟件處理進行加權綜合優化，得到水稻負壓干燥的優化工藝參數為：表現風速為0.75 m/s，熱風溫度為40℃，排糧輥轉速為3.2 r/min，初始含水率為16.9%時，干燥速率為1.407%/h，爆腰增值率為0.574%，綜合評分為0.86。為驗證優化結果的準確性，采用上述工藝參數，重復5次干燥驗證試驗，測得平均干燥速率為1.309%/h，平均爆腰增值率為0.612%，驗證值與優化值的相對誤差為6.2%～7.4%，模型有效。

3.4 干燥品質評價

水稻干后品質分析與評價能夠較好地反映出干燥方式的優劣。因此，以龍粳31號水稻作為試驗材料，在優化的工藝參數條件下，對比配置變徑開孔式角狀管與常規角狀管干燥的水稻進行品質檢測，利用國家雜糧工程技術中心（糧食品質檢測實驗室）的儀器分析水稻品質（糙碎率、整精米率、蛋白質含量、直鏈淀粉含量、食味值）變化情況，采用Shizuoka seiki ES-1000谷粒識別儀測定整精米率及糙碎率，采用JSWL型大米食味計測定食味值、蛋白質含量以及直鏈淀粉含量。并與農業農村部食品質量監督檢驗測試中心提供的標準樣品（自然風干）進行對照，如表3所示。

可以看出，配置變徑開孔式角狀管干燥后稻谷的整精米率比配置常規角狀管提高了10.85%，較自然風干樣品提高了7.21%，而糙碎率較比常規角狀管降低約47%和自然風干相差不大。同時，稻米的蛋白質含量與配置常規角狀管干燥測試相比變化不大，與自然風干樣品接近，均在標準品質范圍內。而直鏈淀粉含量比常規角狀管降低了6.63%。配置結構優化的角狀管干燥后稻米的食味值變化不大，分值為81，略高于常規角狀管。檢驗表明：在優化干燥工藝參數條件下，采用變徑開孔式角狀管的干燥室可降低稻米糙碎率，提高整精米率，降低直鏈淀粉含量，從而增加稻米的食味值，保證了水稻烘后品質，獲得優質稻米。

表3 不同干燥型式水稻品質變化Table 3 Rice quality changes in different drying type

4 結 論

1）以不可逆熱力學為基礎，建立了水稻負壓干燥特性模型，并通過試驗準確描述了水稻水分比和干燥速率隨干燥時間變化的規律，驗證了水稻負壓干燥特性模型的可靠性。為水稻負壓干燥設備的研制、工藝參數優化提供重要的參考依據。

2）設計了一種變徑開孔式角狀管，利用Ansys軟件對不同開孔率的角狀管進行了靜力學分析，結果表明：當角狀管開孔數目為80孔時，能夠良好地反映出應力與應變的正比例關系。風速均勻性試驗結果表明：當角狀管開孔數目為80孔時，風場均勻性較好。

3）采用Fluent分析軟件，對變徑開孔式角狀管時的干燥段內的流場進行數值模擬。仿真結果表明：采用變徑開孔式角狀管后，風場均勻性得到良好改善。并且增強了熱風的流動性，實現風速場均勻分布。并通過風場試驗驗證了數值模擬的可靠性。

4）通過二次回歸正交旋轉試驗確定了水稻負壓干燥的優化工藝參數為：表現風速為0.75 m/s，熱風溫度為40 ℃，排糧輥轉速為3.2 r/min，初始含水率為16.9%時，干燥速率為1.407%/h，爆腰增值率為0.574%，驗證值與優化值的相對誤差為6.2%～7.4%，擬合良好，檢驗水稻干燥后品質指標優良。