花生換向通風干燥性能模擬與分析*

魏海，顏建春，游兆延，吳惠昌，徐效偉，謝煥雄

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

花生作為一種優質蛋白資源、油料和調味品，深受世界人民的歡迎與喜愛，在亞、美、澳等地廣泛種植，中國常年保持種植面積第二，產量第一[1-3]。干燥方式有一段式和兩段式干燥2種，其中一段式干燥直接將新收獲后的高水分花生攤鋪晾曬或機械催干至安全水分(8%濕基)；兩段式干燥先通過機械化挖掘翻曬，莢果朝上且不與藤蔓分離，待莢果含水率降至20%左右，采用撿拾收獲設備將花生采摘，采摘后的花生莢果繼續攤曬或機械化干燥至安全水分[3-6]。以美國為主的發達國家主要采用兩段式干燥，撿拾收獲后的花生以機械干燥為主，干燥設備為適合卡車拖掛的箱式固定床單向通風設備[5-8]。在中國2種方式并存，以一段式干燥為主，多采用場地晾曬，少量種植戶采用通用型箱式干燥設備作為應急干燥手段[9]。該類設備主要采用從底向上單向通風方式，結構簡單，投入成本低，但干燥均勻性差，能量利用率低，使用成本高昂，推廣應用難。

作者所在研究團隊針對通用型箱式干燥設備存在的水平和豎直方向上的干燥不均勻、能量利用率低的問題，提出了采用中間隔斷左右換向通風干燥的方法，結合導風勻風和余熱回收等方式改善了干燥不均勻和能量利用率低的問題[10-12]。但為了獲得更好的改善效果，仍需配套合理的干燥工藝。本文從干燥過程數值模擬出發，結合實驗驗證，分析左、右干燥室從下向上通風時間、換向干燥階段換向時間、單位體積花生通風量對干燥行為的影響，確定最優干燥作業參數，為研發的換向通風干燥設備生產作業提供依據。

1 模型與模擬

1.1 左右換向通風干燥原理

左右換向通風干燥裝置為具有中間隔斷功能的箱式干燥器，主要包括左下風室、左干燥室、上風室、右干燥室、右下風室(圖1)，其中左下風室與左干燥室連通，右下風室與右干燥室連通，左下風室與右下風室隔斷，左干燥室與右干燥室隔斷，上風室與左干燥室和右干燥室連通。當入倉的花生物料含水率較高時(≥25%濕基)，左、右兩個下風室同時進風，介質空氣自下而上穿過兩側物料層后經由上風室排入大氣，左、右兩側物料干燥狀態同步。干燥一段時間后，物料含水率稍低時(<25%濕基)，采用左、右換向通風方式干燥。左下進風室進風時，介質空氣從下向上穿過左側物料床后，在上風室充分混合，再從上向下穿過右側物料床，最后從右下風室出風口排出干燥機；干燥一段時間后，從右下風室進風，介質空氣自下而上穿過右側物料床，在上風室充分混合后，再從上向下穿過左側物料床，最后從左下風室出風口排出干燥機。干燥一段時間后再次改變介質空氣穿過物料床方向，如此周期性反復，直至干燥結束。

(a) 兩側均從下向上

(b) 左側從下向上，右側從上向下

(c) 右側從下向上，左側從上向下圖1 箱式換向通風干燥原理圖Fig. 1 Principle diagram of box-type reversingventilation drying1.右下風室 2.右干燥室 3.左干燥室4.左下風室 5.上風室

1.2 數學模型

1.2.1 花生干燥傳熱傳質模型

花生莢果由種仁和外殼組成，種仁表面有種皮，外殼內壁有白色薄膜，含水率高時種仁和外殼緊貼，隨著含水率降低，種仁與外殼之間出現間隙并逐漸增大。干燥過程傳熱傳質復雜，很難針對各組分理化特征形成單個花生莢果干燥模型，現有研究基本將花生莢果看作一個類圓柱的實體，采用半經驗方程和實驗歸納的方法，得出薄層干燥方程[13-16]。

本文為了解干燥過程左、右兩側料床不同高度位置花生的干燥狀態，將左、右兩側料床沿高度方向分成n等份，每份料層厚度為dx，左側記為1～n；右側記為(n+1)～2n，如圖2所示。干燥開始階段，兩側物料同時從下向上通風時，第i層和第2n+1-i層物料干燥狀態相同。以其中任意一層物料為研究對象，為簡化計算，對干燥過程花生與介質空氣間的傳熱傳質作以下假設：忽略單個花生莢果內部的溫度梯度；忽略花生莢果間的熱傳導；器壁絕熱，并忽略其熱容量；在足夠短的時間間隔內濕空氣和花生莢果比熱視為常量[17-21]。

圖2 左右換向通風干燥料層劃分示意圖Fig. 2 Diagram of material layer division forair flow left and right reversing drying

根據介質空氣熱平衡：介質空氣通過薄層花生前后焓值的差值+空隙內氣體在dt時間內焓的變化=對流傳遞的熱量。

(1)

化簡后如式(2)所示。

(2)

式中：ρa——干空氣密度，kg/m3；

Va——單位鋪料面積介質空氣通風量，m3/(m2h)；

S——單側料倉鋪料面積，m2；

t——干燥時間，h；

ca——干空氣比熱，J/(kg·℃)；

cv——水蒸氣比熱，J/(kg·℃)；

y——介質空氣絕對濕度，kg/kg；

T——介質空氣溫度，℃；

x——薄層花生料層位置，m；

ε——床層花生空隙率(無量綱)；

hT——花生莢果—空氣傳熱系數，J/(m2·℃)；

as——床層花生比表面積，m2/m3；

θ——薄層花生溫度，℃。

根據介質空氣質平衡：從花生中蒸發的水分+空隙內氣體濕度在dt時間內的變化=濕空氣得到的水分。

(3)

化簡后如式(4)所示。

(4)

式中：ρpb——干質花生莢果體積密度，kg/m3；

M——薄層花生干基含水率，kg/kg。

根據物料熱平衡原理：熱空氣通過對流傳遞給花生的熱量=從花生物料中蒸發所需要的熱量+使水蒸氣升溫所需要的熱量+加熱花生所需的熱量。

cv(T-θ)]+Sdx(ρpbcpb+

(5)

化簡后如式(6)所示。

(6)

式中：hga——花生莢果中水分的汽化熱，J/kg；

cpb——干質花生比熱，J/(kg·℃)；

cw——液態水比熱，J/(kg·℃)。

物料質平衡方程即為薄層花生含水率隨時間的變化關系式，即為薄層干燥方程。由于理論模型過于復雜，一般使用半經驗模型[16]，根據前期研究有

(7)

其中：a=0.752 46-0.081 968v-0.009 538 5T+0.001 824 4v·T；b=0.058 862-0.098 516v+0.002 325 5v·T；k=3.090 66+0.728 25v-0.195 85T+0.003 568 2T2。

式中：M0——初始含水率(干基)；

Me——花生平衡含水率(干基)，kg/kg；

v——介質空氣穿過薄層花生的風速，m/s；

a、b、k——干燥常數。

上述式(1)～式(7)中M(x,t)、θ(x,t)、y(x,t)、T(x,t)為未知數，均是料層位置x和干燥時間t的函數，通過對方程組的求解即可獲得任意位置任意時刻花生的干燥狀態。

1.2.2 初始條件

假設干燥前花生溫度和含水率分布均勻，令初始含水率為M0(干基)；初始溫度為θ0，℃；左右兩側料層厚度L，m。則有

(8)

1.2.3 邊界條件

設介質空氣進入料床前的溫度為Tin，℃；絕對濕度為yin，%。當左右下風室同時進風，介質空氣從下向上穿過兩側物料床，則有

(9)

式中：tbu——從下向上通風干燥的時間，h。

當左下風室進風，右下風室出風時

(10)

式中：thx——每次換向的時間間隔，h；

Nhx——換向干燥階段換向周期次數，Nhx=1、2、3…。

每個周期包括一次從左向右通風和從右向左通風，時長為2thx。

當右下風室進風，左下風室出風時

(11)

1.2.4 終止條件

當料床花生平均含水率達到安全貯藏要求時，干燥終止。

Mav≤Mf

(12)

Mf——花生安全貯藏含水率(干基)，kg/kg。

1.2.5 輔助方程

干燥過程中平衡含水率、對流換熱系數、花生中水分蒸發的汽化熱變化較大，不可視作常量，需根據干燥狀態的改變實時修正。

花生莢果平衡含水率與進入料層的溫度和相對濕度有關，可通過式(13)計算[14]。

5 ℃≤T≤45 ℃,10%≤RH≤95%

(13)

式中：RH——介質空氣相對濕度，%。

對流傳熱系數與穿過料層的濕空氣密度和平均速度有關，可以通過式(14)計算[22]。

(14)

式中：ρA——濕空氣密度，kg/m3；

μA——濕空氣穿過料層的平均速度，m/s；

hT——對流換熱系數，W/(m2·℃)。

花生莢果內部水分汽化熱與介質空氣溫濕度對應的平衡含水率有關，可以通過式(15)求解[23]。

hga=1 691.86exp(-0.002 4Me)+2 400.43

0

(15)

干空氣和水蒸氣密度、比熱、花生料層空隙率、比表面積等其余可視為常數的物理量可從相關手冊[17]和前人研究中獲得[23-24]。

1.3 評價指標

1.3.1 干燥耗時

干燥耗時即為批次干燥花生物料從初始含水率降低至安全貯藏含水率所需要的時間。在計算機模擬仿真中可通過時間單元Δt與時間方向上的最終迭代循環次數求積獲得。

1.3.2 生產率

干燥結束時花生總質量與總耗時之比記為批次干燥生產率。其中干燥結束時花生總質量可通過式(16)計算。

mf=2SLρbf

(16)

式中：ρbf——干燥結束時花生莢果的體積密度，kg/m3；

mf——干燥結束時花生莢果的總質量，kg。

則生產率

(17)

式中：tcsp——干燥總耗時，h。

1.3.3 單位質量能耗

整個干燥過程包括2個階段，左、右兩干燥室均從下向上通風階段，介質空氣穿過頂層物料后直接排入大氣，此時為干燥初始階段，熱量主要用于加熱花生物料，排出的濕空氣溫度較低，一般不用于余熱回收；在換向通風干燥階段，排出的濕空氣溫度隨時間增加越來越高，通過板翅式換熱器對其中的余熱進行回收[10]，可大幅降低供熱成本。因此批次干燥總耗能為兩部分加熱器所需提供能量的總和。

Ecsp=Ebu+Ehx

(18)

式中：Ecsp——干燥總耗能，J；

Ebu——從下向上干燥階段耗能，J；

Ehx——換向通風干燥階段耗能，J。

實際作業能耗主要為熱耗，風機及控制系統耗能較小，可忽略。根據輸入的介質空氣溫度、濕度、風量、環境溫度及加熱器供熱占比即可計算2個干燥階段的能耗。其中左、右干燥室同時從下向上通風階段耗能

(19)

換向通風干燥階段耗能

(20)

式中：qvol——單位體積花生通風量，m3/(m3h)；

Tam——環境空氣溫度，℃；

η——干燥時熱加器加熱貢獻率，%。

根據以往實驗經驗，采用板翅換熱器回收廢氣中的余熱以加熱新鮮空氣，換向通風干燥階段其加熱貢獻率約60%[10]，因此文中取空氣加熱器加熱貢獻率η=40%。

單位質量能耗為干燥總能耗和干燥后花生總質量的比值，即

(21)

式中：Epum——干燥結束后單位質量花生能耗，J/kg。

1.3.4 水分差

水分差是反應干燥均勻性的重要指標，為床層花生含水率(濕基)最高值與最低值之差。則干燥終止時刻床層花生水分差可通過式(22)獲得。

(22)

式中：MW——床層花生濕基含水率，%；

MD——床層花生水分差，%。

1.3.5 綜合評價指標

為解決最優干燥參數求解時，不同指標在仿真實驗因素考查范圍內的變化不一致，不便于數據分析的問題，采用綜合加權評分法將多個性能指標的實驗結果轉化為一個單指標的實驗結果，利用單指標實驗結果進行優化分析。

1) 確定各項指標的權值。干燥耗時、生產率、單位質量能耗、干燥均勻性是考核干燥設備作業能力的重要指標，其中干燥耗時與生產率均為反應干燥快慢程度的指標，功能上具有重復性，因此取其中之一即可。根據指標的重要性，結合生產經驗設定生產率、單位質量能耗、水分差的權重W1、W2、W3分別為0.25、0.5、0.25。

2) 統一各項指標的變化趨勢。為了保證綜合加權平均值越大越好，應將變化趨勢越小越好的指標值轉化為越大越好，為此在其值前加負號。生產率越大越好，單位質量能耗和水分差越小越好。

J=1,2,…,13

(23)

式中：Y1,J——第J號仿真實驗生產率指標值，kg/h；

Y2,J——第J號仿真實驗單位質量能耗指標值，J/kg；

Y3,J——第J號仿真實驗水分差指標值，%。

3) 統一各項指標數量級和量綱。為消除各指標數量級和量綱對其加權評分值的影響，使各指標的加權評分值具有可比性，需統一各指標的數量級和量綱。通過式(24)可得到各指標的數量級、無量綱的評分值。

I=1,2,3；J=1,2,3，…,13

(24)

4) 計算綜合加權評分。把各項指標的加權評分值相加即為“綜合加權評分值”。

(25)

WI——第I個指標的權重。

1.4 干燥過程模擬

根據介質空氣通風方向，采用有限差分法對對花生干燥狀態方程式(1)～式(7)離散化處理，通過逐時逐層計算薄層花生含水率和溫度、介質空氣溫濕度(穿過料層后)的方法對整個干燥過程進行模擬。令薄層花生厚度Δx=dx，則第i個薄層在干燥床中的位置為x=iΔx(圖2)；將干燥時間劃分成若干等分，每個等分記為一個時間單元，時間單元時長Δt=dt，則第j個時間單元對應的干燥時間為t=jΔt。

進行模擬干燥時首先根據初始條件方程式(5)確定干燥初始時刻(j=0)，任意薄層物料的含水率Mi,0，溫度θi,0。根據邊界條件方程式(9)～式(11)，確定第1個時間單元時(j=1)介質空氣進入沿通風方向的第1個料層前的溫度和濕度，雙干燥室從下向上通風和從左向右通風兩種工況時分別為T0,1，y0,1；從右向左通風工況時分別為T2n+1,1，y2n+1,1。其中第0和2n+1料層均不存在，為方便計算計數的假想層。以此為輸入參數，通過式(7)的離散方程計算第1個時間節點時第1層的物料含水率M1,1，通過式(4)的離散方程計算介質空氣穿過第1層物料后的絕對濕度y1,1，通過式(2)和式(6)的離散方程構成的方程組計算介質空氣穿過第一層物料后的物料溫度θ1,1和空氣溫度T1,1；之后以M1,1、y1,1、θ1,1、T1,1為輸入值按照上述方式計算第2層物料的干燥狀態參數M2,1、y2,1、θ2,1、T2,1，以此類推，直至Mn,1、yn,1、θn,1、Tn,1，第1個時間節點的所有料層計算完畢，采用同樣方法計算第2個時間節點所有料層的干燥狀態參數，以此類推直至jΔt>tbu，左、右干燥室同時從下向上通風干燥階段結束，進入換向通風干燥階段。

從左向右通風時，按照上述方法計算t∈[tbu+2(Nhx-1)thx,tbu+(2Nhx-1)thx]時間范圍內各料層干燥狀態，從第1層開始，從第2n層結束；從右向左通風時，計算t∈[tbu+(2Nhx-1)thx,tbu+2Nthx]時間范圍內各料層干燥狀態，從第2n層開始，第1層結束。

隨著通風方向切換，逐時逐層計算各層物料干燥狀態，直至整床物料平均含水率達到安全貯藏標準(8%濕基)[25]。模擬仿真程序流程如圖3所示。

圖3 仿真程序流程圖Fig. 3 Flowchart of simulating program

根據已有經驗和前人研究基礎[10, 26-29]，固定床花生干燥溫度一般不宜超過38 ℃，否則會因為干燥前期局部位置持續高溫高濕導致花生敗味，降低風味品質，因此仿真分析中設定通風溫度38 ℃。同時為簡化計算，參考主產區花生收獲期的平均環境溫濕度及入倉花生含水率，設定環境溫度25 ℃，環境相對濕度50%，花生初始濕基含水率40%(干基含水率0.667)。

同時設定左右兩側料床載料高度均為0.7 m，改變兩干燥室從下向上通風時長、換向時間、單位體積花生通風量，對干燥過程花生含水率、溫度變化情況及耗時、生產率、耗能、水分差等生產指標進行分析。

2 材料與方法

2.1 實驗設備與材料

為驗證干燥模擬準確性，在自行研制的5H-1.5A型箱式換向通風干燥機(圖4)上進行實驗[10-12]。

圖4 5H-1.5A型箱式換向通風干燥機Fig. 4 5H-1.5A box-type reversing ventilation dryer

該設備主要由換向通風干燥箱、燃氣熱風機、余熱回收機構、控風閥、風管等組成。干燥倉為3 m×2 m×1.3 m的箱體。內部結構如圖1所示，左、右干燥室最大載料高度0.7 m；上風室、左下風室、右下風室高度均為0.3 m。承料沖孔板將下風室和干燥室隔開，開孔率為22.7%。通風溫度在環境溫度～(環境溫度+20 ℃)范圍內可無級調節，總通風量3 000～8 000 m3/h范圍內可通過變頻器調節。

實驗選用新收獲后的花生莢果，產地為河南遂平縣，將土雜初步篩除后滿載，入倉含水率約40.7%(濕基)。烘干過程環境溫度平均值約23.6 ℃，環境相對濕度平均值約47.2%。設定通風溫度38 ℃，通風量根據3.3.2節仿真優化結果設置。

2.2 實驗過程與方法

花生莢果具有顆粒大、流動性差的特點，常用的插取式取樣器很難從料床中插取少量花生莢果以獲取料床不同高度位置含水率的情況，采用預埋取樣法，將裝滿花生的周邊和底部開有密集小孔的圓筒狀取樣器埋入料層中，取樣器底部與承料沖孔板接觸。筒狀取樣器直徑50 mm，高70 cm。將干燥室按照圖5劃分測試區域，左干燥室①～④測試區域，右干燥室⑤～⑧測試區域。在每個測試區域中心位置放置3個取樣器，分別在干燥開始后10 h、25 h及干燥結束時取出。按照物料在取樣管中的位置，將之分成上、中、下3段，采用烘箱法分別測量各段含水率[30]。取左、右干燥室各測試區域的上、中、下位置對應的物料含水率平均值作為左干燥室和右干燥室上、中、下料層的含水率。

同時為了測量干燥過程2個干燥室上、中、下層物料溫度變化情況，在各測試區域中心位置分別距離承料沖孔板12 cm、35 cm、58 cm放置1個溫度傳感器，共8×3=24個。取左、右干燥室各測試區域上、中、下位置對應的物料溫度平均值作為左干燥室和右干燥室上、中、下層物料溫度。

圖5 換向通風干燥測試區域劃分Fig. 5 Testing areas partition of reversing ventilation drying

為了解實驗測得結果與仿真分析結果的一致性，采用相關系數r衡量含水率和溫度實驗值和仿真分析值之間的差異，r越接近1則說明模型模擬對實際干燥過程描述越準確。

3 結果與分析

3.1 干燥過程物料狀態

為了解干燥過程不同位置花生溫度和含水率變化情況，設定單位體積花生通風量1 200 m3/(m3h)，雙干燥室同時從下向上通風階段時長10 h，換向干燥階段換向時間2 h，根據1.4節中自編譯程序和初值設定，對干燥過程物料狀態變化情況進行計算模擬，并將花生物料干基含水率轉化為濕基含水率，結果如圖6所示。其中0～0.7 m為左干燥室床層區域，0.7～1.4 m 為右干燥室料層區域。

(a) 溫度

(b) 含水率圖6 干燥過程物料床溫度和含水率變化Fig. 6 Changes of temperature and moisture content ofpeanut material bed during drying

干燥初始階段(0～10 h)，介質空氣從底部進入左、右2個干燥室，在從下向上穿透料層過程中，由于與低溫料層的不斷換熱，并從花生莢果表層吸取水分，介質空氣熱量不斷損失且相對濕度不斷增加，因此底層物料(0.0 m和1.4 m位置附近)溫度快速升高而頂層物料(0.7 m位置附近)升溫緩慢。干燥開始6 h后，頂層物料溫度與入倉時溫度相比仍沒有明顯變化。之后由于底部料層溫度已接近入風溫度，吸收熱量主要用于花生莢果內部水分遷移和表層水分蒸發，其吸取的熱量與加熱升溫相比較小，介質空氣流通至頂部料層位置仍有一定的溫度(并隨時間增加溫度逐漸增大)用于頂部物料的加熱升溫，至干燥10 h底層物料與頂層物料溫差約5.7 ℃。在此過程中，0～4 h頂層物料含水率幾乎沒有變化，底層物料含水率快速降低至約26%濕基；之后2 h盡管穿過頂層料層的介質空氣溫度仍然很低，與花生莢果表層溫度接近，但仍有一定的吸濕能力(相對濕度未達到與花生莢果的吸收平衡)，頂層物料含水率逐漸緩慢降低。至干燥10 h，底層物料含水率約21%濕基，頂層物料含水率約25%濕基。

干燥10 h后進入換向通風干燥階段，每隔2 h改變一次介質空氣穿過物料層的方向，此時介質空氣穿過的料層厚度為兩側料層之和，介質空氣穿過物料層的平均風速為左右兩側干燥室同時從下向上通風時的2倍。在此過程中，物料層溫度隨通風方向改變呈類波浪態變化，波動幅度逐漸減小，床層物料平均溫度逐漸升高，最終逼近介質空氣入風溫度。每次改變通風方向后，原來的進風側變為出風側，原來的出風側變為進風側，因此料層位置0.0 m和1.4 m處溫度變化最為劇烈，波動幅度最大；而料層位置0.7 m附近不管通風方向如何變化，其距離通風起點的位置變化較小甚至不變，該處溫度波動幅度最小。受通風方向及料層溫度規律性變化的影響，料層花生含水率下降速率也呈與溫度類似性變化，每次改變通風方向后原來降水速率快的位置變為降水速率慢的位置，反之原來降水速率慢的位置變為降水速率快的位置。通過如此方式控制料層不同位置區域降水速率，以達到均勻干燥的目的。至干燥結束(43.1 h)，床層花生平均含水率8%濕基，水分差1.39%。

3.2 干燥參數對指標的影響

3.2.1 從下向上通風干燥時長對干燥指標的影響

為了解左、右兩干燥室同時從下向上通風干燥階段時間長短對干燥指標的影響，設定單位體積花生通風量12 00 m3/(m3h)，換向干燥階段換向時間間隔2 h，通過1.4節中自編譯程序和初值設定，模擬了從下向上通風干燥時長4～14 h范圍內的干燥過程，計算了批次干燥耗時、生產率、單位質量花生耗能、水分差4個指標值，并繪制了該4個指標值隨從底向上通風時間變化的曲線，如圖7所示。

(a) 通風時長對干燥耗時的影響

(b) 通風時長對生產率的影響

(c) 通風時長對單位質量花生耗能的影響

(d) 通風時長對水分差的影響圖7 從底向上通風時長對干燥指標的影響Fig. 7 Effects of ventilation time frombottom-up on drying index

由圖7可知，隨著左右兩側干燥室從下向上通風時間增加，批次干燥耗時先增加后減小，對應的生產率先減小后增加，盡管均有明顯的變化趨勢改變，但兩者的變化范圍均很小，最小耗時僅比最大耗時低0.69%，最大生產率僅比最小生產率多0.48%。由此可見，從下向上通風時長的改變對降低干燥耗時增加生產率的實際意義很小。單位質量花生耗能和干燥后花生水分差均隨從底向上通風時間的增加而增加，最高能耗比最低能耗高30.9%，最高水分差比最低水分差高49.6%。

因此，縮短從底向上通風干燥階段時間對降低干燥能耗成本和提高干燥均勻性有實際意義。但對于高水分花生，花生莢果外殼水分需在干燥初始階段盡快排出，如果舍棄從底向上通風干燥階段，一開始就采用換向通風干燥，則會因介質空氣穿過的料層厚度太大，導致排濕不暢，部分物料長期處于高濕狀態，霉變風險極高。因此干燥作業中，通常當花生莢果外殼稍干(通常莢果含水率25%左右)后，再采用換向通風干燥完成后續干燥。

3.2.2 換向時間對干燥指標的影響

為了解換向通風干燥階段換向時間長短對干燥指標的影響，設定單位體積花生通風量1 200 m3/(m3h)，左、右干燥室同時從下向上通風階段時長10 h，通過章節1.4中自編譯程序和初值設定，模擬了換向時間1～5 h范圍內的干燥過程，計算了批次干燥耗時、生產率、單位質量花生耗能、水分差4個指標值，并繪制了該4個指標值隨換向時間變化的曲線，如圖8所示。

由圖8可知，換向時間為1 h時，耗時、耗能、水分差最大，這是由于通風方向頻繁改變導致了換向熱損流失過大(原來的高溫進風側轉變為出風側，物料熱量被空氣帶出)，從而減緩干燥速度，從而使耗時、耗能及水分差相比于其它換向時間略高。總體而言，換向時間對各指標的影響較小，干燥耗時最大值僅比最小值多0.93%；單位質量耗能最大值比最小值多0.51%；水分差最大值比最小值高6.5%；生產率最小值比最大值少2.0%。因此，綜合操作便捷性及換向時間過長導致的水分差不確定性(最后1～2個換向時段導致的干燥周期不平衡)，換向時間一般選取2 h或3 h。

3.2.3 通風量對干燥指標的影響

為了解單位體積花生通風量對干燥指標的影響，設定左、右干燥室同時從下向上通風階段時長10 h，換向通風干燥階段換向時間2 h，通過1.4節中自編譯程序和初值設定，模擬了單位體積通風量800～1 800 m3/(m3h)范圍內的干燥過程，計算了批次干燥耗時、生產率、單位質量花生耗能、水分差4個指標值，并繪制了該4個指標值隨單位體積花生通風量變化的曲線，如圖9所示。

(a) 換向時間對干燥耗時的影響

(b) 換向時間對生產率的影響

(c) 換向時間對單位質量花生耗能的影響

(d) 換向時間對水分差的影響圖8 換向時間對干燥指標的影響Fig. 8 Effects of reversing time on drying indexes

由圖9可知，單位體積通風量的增加，有助于干燥耗時的減少、水分差的降低和生產率的提高，但單位質量耗能的增加也提高了干燥作業能耗成本。當風量從800 m3/(m3h)增加到1 800 m3/(m3h)時，干燥耗時降低了24.5%，生產率提高了32.5%，水分差降低了44.4%，耗能增加了83.4%。由此可見，在干燥溫度確定的前提下，風量控制是實現節本增效，提高干燥質量的重要指標。

(a) 單位體積花生通風量對干燥耗時的影響

(b) 單位體積花生通風量對生產率的影響

(c) 單位體積花生通風量對單位質量花生耗能的影響

(d) 單位體積花生通風量對水分差的影響圖9 單位體積花生通風量對干燥指標的影響Fig. 9 Effect of ventilation volume per unit cubic metre peanut on drying indexes

3.3 干燥作業參數優化

3.3.1 均勻設計與模擬結果

為獲得最優的干燥作業參數，參考3.2節研究結果，同時根據不同干燥階段花生含水率下降的難易程度，將整個干燥過程劃分成3個階段：第1階段料床花生平均含水率從40%降低至25%，采用左、右干燥室同時從下向上通風方式干燥；第2階段平均含水率從25%降低至15%，采用換向通風方式干燥；第3階段平均含水率從15%降低至8%，采用換向通風方式干燥。3個干燥階段，采用不同的通風量，以期獲得最優的綜合效果。采用U13*(134)均勻設計表，開展以3個階段各自的單位體積通風量為因素，范圍均為800～1 760 m3/(m3h)，以生產率(生產率與干燥耗時均為反應干燥快慢程度的指標，功能上具有重復性，因此取其中之一即可)、單位質量能耗、水分差為指標的3因素13水平均勻設計模擬實驗，在此基礎上計算綜合加權評分值。模擬實驗結果見表1。

表1 U13*(134)均勻設計安排和模擬計算結果Tab. 1 U13*(134) uniform design test arrangement and simulation calculation results

根據模擬實驗結果，采用逐步回歸法進行三元二次逐步回歸分析，剔除不顯著項，得到綜合加權評分值與3個干燥階段通風量的回歸模型，如式(26)。判定系數、剩余標準差RMSE、F值、P值等模型質量評價指標見表2，模型各顯著項P值見表3。

Y*=10.547 8+0.056 799 9X1+10-5×

(1.072 55X2X3+0.943 902X3X1-

2.633 04X12-1.126 15X22)

(26)

由表2可知，綜合加權評分值Y*回歸方程判斷系數R2>0.98，回歸方程與模擬實驗數據擬合良好，總體顯著性檢驗P值<0.01，回歸方程可行度高。根據表3列出的回歸方程各顯著項P值，可知：各顯著項對綜合加權評分值影響大小依次為，X22>X12>X1>X2X3>X3X1，三個階段通風量均對綜合加權評分值有顯著影響，其X2和X3、X3和X1之間交互作用顯著。

表2 回歸模型質量評價Tab. 2 Quality evaluations of regression model

表3 回歸模型各顯著項P值Tab. 3 Significance level values of significant items forregression model

3.3.2 最優通風參數求解

為便于綜合加權評分Y*最大值的求解，以Y*相反數的最小值為目標函數，以3個干燥階段各自的通風量邊界范圍為約束條件，則有

目標函數

Y=min(-Y*(X1,X2,X3))

約束條件

采用MATLAB軟件“fmincon”函數求解上述多元線性約束方程，得：X1=1 394 m3/(m3h)，X2=838 m3/(m3h)，X3=1 760 m3/(m3h)時Y*值最大69.63，優于表1中的所有通風量組合。將X1、X2、X3作為輸入值，模擬花生干燥過程可得干燥耗時42.3 h、生產率21.39 kg/h、單位質量能耗1.122×106J/kg、水分差1.24%。

3.4 模擬結果與實驗結果對比

根據3.3.2節中獲得的最優通風參數開展驗證實驗，根據2.2節中的方法測取干燥過程物料濕基含水率和溫度；根據2.1節中提供的環境條件和物料初始參數，及實驗采用的通風參數進行模擬仿真，讀取干燥過程物料濕基含水率和溫度，結果如圖10所示。

(a) 左干燥室含水率

(b) 右干燥室含水率

(c) 左干燥室溫度

(d) 右干燥室溫度圖10 左、右干燥室物料含水率、溫度模擬值與實驗值對比Fig. 10 Comparison of simulation value and experimentalvalue of material moisture content andtemperature of left and right chamber

將模擬仿真結果與實驗結果比較，可得：左干燥室上、中、下層物料含水率模擬值與實驗值相關系數分別為0.996、0.997、0.996，溫度模擬值與實驗值相關系數分別為0.986、0.983、0.989；右干燥室上、中、下層物料含水率模擬值與實驗值相關系數分別為0.996、0.997、0.997，溫度模擬值與實驗值相關系數分別為0.987、0.977、0.988。結果表明，左、右干燥室各層物料含水率和溫度模擬效果良好，模型模擬可以較好地預測實際烘干生產中花生含水率和溫度變化情況。

4 結論

1) 干燥初始階段，左、右干燥室同時從下向上通風，熱量主要用于花生加熱和表層水分快速蒸發，下(底)層物料升溫干燥快速，中、上層物料相對緩慢，上、下層物料容易形成明顯的水分梯度；換向通風干燥階段，周期性改變介質空氣穿過物料層的方向，使物料層溫度以類波浪狀波動，有效控制了物料床整體干燥均勻性。

2) 左、同時右干燥室從下向上通風時長對耗時和生產率影響較小，對耗能和水分差影響較大，縮短從下向上通風時間，有助于降低耗能和水分差，但時間過短易導致料床排濕不暢而引起霉變；換向時間的改變對耗時、生產率、耗能、水分差影響較小；通風量的增加有助于干燥耗時、水分差的降低和生產率的提高，但耗能將大幅增加。

3) 均勻設計優化和綜合加權評分表明，含水率大于25%階段通風量1 394 m3/(m3h)，含水率15%～25%階段通風量838 m3/(m3h)，含水率小于15%階段通風量1 760 m3/(m3h)綜合干燥效果最優。烘干過程模擬仿真的物料溫度和含水率變化與實驗結果相符，相關系數r>0.98。