一種新型混流式循環谷物干燥機的研制

李呈林，孫東旺，何立其

（中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 051430）

農業機械裝備是發展現代農業的重要物質基礎。推進農業機械裝備發展是提高農業勞動生產率、土地產出率、資源利用率的客觀要求，是支撐農業機械化發展、農業發展方式轉變、農業質量效益和國際競爭力提升的現實需要。我國年總產糧食超過6×108t。據國家糧食局統計數據顯示，我國糧食收獲后每年因氣候潮濕、寒冷來不及曬干或未達到安全水分造成霉變、發芽等儲存環節損失的糧食高達200×108kg，占生產總量的4%。谷物干燥的機械化是谷物豐產、豐收的重要保障條件。本文主要針對糧食干燥，設計開發了一種大型循環式混流谷物干燥機，以滿足谷物機械化干燥的需求。

1 產品結構及工作原理

批式循環干燥機是分批次對糧食進行烘干。糧食在烘干過程中，不斷地在設備內部循環運轉，在烘干、緩蘇的過程中，糧食內外部水分不斷向外界轉移，實現對糧食的烘干，最終達到糧食干燥的目的。

1.1 產品結構組成

循環式谷物干燥劑主要由底座、排糧機構、干燥段、緩蘇段、提升機、排塵系統、供風系統、控制系統、熱風爐等組成，其結構見圖1。

圖1 循環式谷物干燥機結構圖Fig.1 The structure diagram of circulating grain dryer

1.2 工作原理

循環式谷物干燥機工作原理為，濕糧通過提升機送入干燥機內部，過程中經過緩蘇段、干燥段、排糧機構，干燥機頂部裝有料位器，濕糧到達指定位置時自動發出警示信號，自動停止進糧。干燥作業過程中，引風機將熱干空氣送入干燥段，正壓熱風從中間風道進入兩側的干燥單元，熱風穿過角狀盒的過程中與糧食接觸，完成熱交換，將水分帶走，最后進入左右兩側的廢氣通道，在排潮風機的作用下將水分和灰塵及雜質排出。作業時，干燥機內部的濕糧不斷循環受熱，在線水分檢測儀實時檢測糧食水分，當水分達到設定值時，自動停止干燥，經過冷卻后，將糧食排出干燥機。

2 干燥機設計與計算

該產品主要針對玉米的烘干作業，兼顧水稻、小麥等作物的烘干。設計條件設定為標準大氣壓下，環境溫度15℃，相對濕度70%，批處理量Gp為50 000 kg，初設糧食初始含水率為30%、干燥處理后的目標水分為14%，批干燥處理時間為12 h，其他各項性能指標符合JB/T10268-2011要求。

2.1 主要參數計算

2.1.1 凈容積

式中：V——總容積，m3；P——批次處理量，kg；ρ——玉米堆積密度，kg/m3，

依據《谷物干燥機》（DG/T 017—2016）的基本要求規定“批處理量：干燥前按設計容量一次裝滿循環式干燥機的一批濕物料質量，以稻谷密度0.56 t/m3計算”。P取設計值50 000 kg，代入公式（1）中得：V=89.3 m3。

2.1.2 干燥能力

式中：Gt——干燥機小時干燥能力，t·1%（H2O）/h；Gp——每批干燥谷物質量，t；τ——每批干燥的干燥時間，h；M1——玉米初始含水率，%；M2——玉米干后含水率，%。

根據設計輸入條件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分別代入公式（2）得：Gt=66.7t·1%（H2O）/h。

2.1.3 蒸發水量

每小時去水量

式中：W——蒸發水量，t；Wh——干燥機去水量，t/h；τ——每批干燥的干燥時間，h。

根據設計輸入條件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分別代入公式（3）、公式（4）得：Wh=0.775 t/h。

2.1.4 空氣介質消耗量

由質量守恒定律可知，干燥過程中糧食的絕干物質和絕干熱空氣的量是不變的，其質熱平衡方程為

式中:d1，d2——熱空氣進、出干燥室時的濕含量，kg/kg（干空氣），取進入干燥室空氣溫度為外界環境溫度15℃，相對濕度70%，出干燥室的廢氣溫度為40℃，相對濕度為60%；L——絕干空氣量，kg/h。

根據設計輸入條件，查焓濕圖d1=0.007 56 kg/kg（干空氣），d2=0.029 05 kg/kg（干空氣），代入公式（5）：L=360 63 kg/h，查表知設計條件下的空氣密度為1.225 kg/m3，則空氣的體積流量為29 439 m3/h。

2.2 產品主要結構設計

2.2.1 干燥段設計

干燥段采用4 層疊加結構，中間為熱風進口，正壓送風道，兩側對稱布置干燥單元，左右兩側為排潮風道。干燥單元采用角狀盒結構、混流干燥形式，角狀盒上下交替布置，確保熱風均勻流動、熱風與谷物均勻接觸，使得糧食在干燥過程中能夠均勻受熱，避免干燥速率太快而造成品質下降及干燥后糧食水分不均現象。為減少正壓熱風造成灰塵從設備縫隙溢出，在排潮風道末端設置軸流風機，將水分及干燥過程中產生的灰塵和雜質及時排出，優化產品性能。

2.2.2 緩蘇段設計

緩蘇段主要用于干燥過程中的糧食階段性自然冷卻，實現內外部水分的有序轉移，防止糧食連續受熱，內外部水分差異過大，造成糧食破碎率、裂紋率增加，降低糧食品質。緩蘇段設計為3.6 m×3.6 m的大截面、框架式疊加結構，主要由前后側板、左右側板、拉筋、上蓋板等組成，內部采用三縱三橫拉筋布置，提高結構強度和剛度，前后側板設計視窗框，方便觀察內部糧食位置；設備頂部設計料位器，保證糧食達到裝載容量要求時，準確發出預警信號；在頂部入糧口設計分糧盤，確保糧食在設備內均勻分布。

2.2.3 排糧機構設計

排糧機構為模塊式組裝結構，主要由排糧左右側板、排糧前后側板、排糧斜撐、中間排糧前后側板組焊件，排糧六葉輪、鏈輪罩、電機等組裝而成。排糧機構整體為對稱式結構，左右兩端各設有3 個排糧六葉輪、排糧斜板60°設置，糧食在塔內同一截面排糧速度相同，確保干燥均勻。糧食在干燥段干燥完成后，進入排糧機構，排糧六葉輪在電機的帶動下旋轉，順勢進入皮帶機，在皮帶機的帶動下進入提升機進料口，開啟糧食的再次干燥。

2.2.4 提升機設計

選用斗式提升機是一種用密集排列的掛斗垂直輸送物料的提升設備，其主要有主機箱、從動機箱、提升機機筒、放糧筒等組成。主機箱設有三通閘門，可以實現糧食機內循環、放糧功能的切換；從動機箱兩側各設置一個進料斗，分別實現設備進糧和機內糧食循環；從動機箱上部的機箱上設置有在線水分檢測儀，對干燥中得糧食進行實時檢測；機筒采用雙筒形式，內部有畚斗和提升皮帶。綜合考慮該機型的批處理量、提升機提升能力冗余、非均勻性進糧等因素，提升機產能設計為55 t/h。

2.3 主要設備選型

2.3.1 風機選型

風機是干燥機的關鍵設備，工作中為干燥機提供源源不斷的動力。風機選型中主要涉及到風量、風壓、結構型式等3個方面。風機的壓力包括：風機的動壓hd及靜壓力hj（谷層阻力hg，沿程壓力阻力，管道各項壓力損失∑hs等）2部分。

動壓力

式中：γ——熱介質密度，根據20℃的γ20進行換算，γ20=1.205；V——風機出口速度，初選V=17 m/s。

將上述數據代入公式（7）中得hd=174 Pa。

谷層阻力

式中：lg——谷層厚度；μ——通過糧層的平均風速；a、b——與谷粒大小、含水率有關的系數，取a=311，b=344。

將干燥機的上述參數代入式（8）中得hg=291 Pa。

局部損失之和

式中：ξ——局部損失系數，取ξ1=0.49，ξ2=1.5。

將上述參數代入公式（10）中得∑hs=346.5 Pa。

風機的壓力為（各部分壓力均取整，另此結構下的沿程壓力阻力可以忽略不計）

根據干燥作業時介質的體積流量Q為29 439 m3/h，考慮到熱風機的風量要求，選用4-72-10C 的離心風機，流量為25 101～35 134 m3/h，壓力為1 225～970 Pa，功率為15 kW?？紤]到干燥機排濕排潮的需要，在干燥段排廢氣兩端各布置一臺排濕排潮風機，選用SWF-Ⅰ-NO7 的混流風機，其轉速為1 450 r/min，流量為18 800～11 780 m3/h，壓力329～470 Pa，功率4 kW。

2.3.2 熱源設備選型

供熱量按小時去水量和單位熱耗量計算

式中：H——熱風爐供熱量；W——小時去水量，775 kg/h；qr—干燥機單位熱耗，是指蒸發1 kg水所消耗的熱量，為經驗取值，取qr=4 300 kJ/kg·H2O。

則上述數據代入式（11）中得，熱風爐供熱量H≈7.96×105Kcal/h。

為響應國家環保要求，選用直燃式天然氣熱風爐，其熱效率通常在90%以上，考慮到市場上燃氣爐的型號，最終選用供熱量376.73×104kJ/h天然氣爐，則設備的單位耗熱量為4 860 kJ/kg·H2O。

3 結論

通過現場實際使用驗證和鑒定機構的專業鑒定可獲得以下結論。

該型號循環式干燥機滿足設計目標要求，產品性能穩定，能夠滿足谷物干燥要求，設計方法可行，對類似新產品的研發工作具有實際指導作用。

產品鑒定過程中，設備的單位耗熱量為5 360 kJ/kg·H2O，符合相關標準要求，但與理論計算值4 860 kJ/kg·H2O相比有較大出入，說明設備的實際工況條件對產品實際性能還是有較大影響，在理論設計時要盡可能貼近實際工況條件。

設備實際工況復雜多樣，不同的環境因素、作業對象、人為因素等均會對設備性能產生影響，這就需要有更加先進的設計方法、理論基礎去推動產品性能的改進，提升產品智能化、信息化水平。