谷物干燥機設計方案及智能控制方法

張佳麗

(黑龍江省農業機械工程科學研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

谷物干燥是利用熱能將濕料谷物中的水分去除，以獲得可以用于儲存的固體物質，主要目的是防止谷物在儲藏中由于水分過多造成的谷物霉爛與變質[1]。另一方面，谷物干燥還可以改善谷物理性狀，提高谷物品質，便于進一步儲藏、運輸與加工。谷物干燥主要分為烘干和晾干兩種方式，烘干是基于燃料燃燒產生熱量進而蒸發谷物中的水分，晾干是利用自然風達到去除谷物水分的目的[2]。

我國是世界上最大的糧食生產國與消費國，但是每年由于糧食烘干、儲藏不當等導致的糧食損失量高達1 500萬t左右。因此，提高谷物干燥效率是保證我國糧食安全的重要條件之一[3]。谷物干燥機由于不受氣候條件及地域限制，在我國得到了廣泛的應用與發展。尤其是北方寒冷地區，谷物水分過高還會造成谷物凍害問題，例如，玉米和水稻要求在外界環境溫度降低到5 ℃之前必須達到13%～15%的安全含水率，保證谷物的生命力。我國主要農作物安全儲存水分技術要求如表1所示[4]。

表1 我國主要農作物安全儲存水分要求 單位：%

1 典型谷物干燥機分類及應用優勢

1.1 谷物干燥機的分類

1)按照谷物干燥操作壓強分有常壓干燥機、真空干燥機；

2)按照谷物干燥操作方法分有連續干燥機、間歇干燥機；

3)按照谷物干燥傳熱方式分有傳導干燥機、對流干燥機、輻射干燥機、介電加熱干燥機、聯合干燥機。

1.2 谷物干燥機的應用優勢

成熟后的作物在田間停留時間越長，會造成作物產量降低，容易發生作物倒伏[5]，采用機械化谷物干燥技術可以減少谷物田間損失。

一般農作物收獲后，糧食含水率在15%～40%之間，但是谷物安全儲存水分要求在13%～15%之間[5]。自然曬干需要占據一定的糧食曬干場地進行攤曬，由于干燥面積有限，谷物不能及時曬干，大量谷物在場地堆積，難以進行干燥而導致谷物品質下降。因此，谷物在收獲后須經過干燥才能儲存，否則會出現霉爛與發芽，造成糧食損失。

2 典型谷物干燥設備

2.1 對流谷物干燥機

對流谷物干燥機是指干燥介質從谷物表層穿過，從而達到谷物干燥的目的。干燥介質采用未加熱的自然空氣，稱為自然通風干燥，但干燥效率較低；干燥介質采用熱氣流、熱空氣等進行谷物干燥，稱為對流加熱干燥；根據溫度的高低又被分為高溫干燥及低溫干燥兩種方法。對流加熱干燥法干燥速率較高，是目前應用較為廣泛的一種谷物干燥方法，基本干燥原理如圖1所示。

圖1 對流加熱干燥法工作原理示意圖

2.2 輻射式谷物干燥機

輻射式谷物干燥機包括太陽能干燥機、高頻與微波干燥機和遠紅外干燥機，主要是指利用輻射源的射線，將電磁能量傳遞給輻射源沒有直接接觸的谷物，促進谷物中水分劇烈運動，水分升溫蒸發，進而達到谷物干燥的目的。

2.3 谷物干燥機性能對比

對目前常見的幾種谷物干燥機工作性能進行對比分析如表2所示，應根據實際情況進行谷物干燥機的選擇。

表2 常見谷物干燥機性能對比

3 設計內容

3.1 干燥能力

谷物干燥能力有兩種表達方式，第一個為小時去水量(kg H2O·h-1)；第二個為小時干燥能力(t·1% H2O·h-1)。

3.1.1 小時去水量計算

谷物干燥機小時去水量主要根據單位時間內進入干燥機的谷物物料總質量g1(kg·h-1)與單位時間內從谷物干燥機輸出物料總質量g2(kg·h-1)之差確定小時去水量Wn(kg·h-1)，公式推導過程如式(1)～(4)

g1=gg+W1
g1=gg+W2

(1)

式中gg—單位時間干質谷物進入干燥機或由干燥機輸出的質量，kg·h-1；

W1,W2—單位時間進入干燥機及從干燥機帶出的水量，kg·h-1。

則

Wh=g1-g2

(2)

而

(3)

代入得

(4)

3.1.2 小時干燥能力gt計算

谷物干燥機的降水幅度ΔMp(%H2O)，當濕料谷物生產率為g1時，谷物干燥機時干燥能力gt(t·1%H2O/h)計算公式如式(5)

gt=g1ΔM

(5)

谷物干燥機小時去水量Wh和小時干燥能力g按照平均值進行計算，設gP1為入倉谷物質量，gP2為出倉谷物質量，則谷物干燥機小時去水量Wh(kg·h-1)及平均小時干燥能力g分別為

(6)

式中M1—原糧水分，%(濕基)；

M2—干燥后要求的水分，取13%～14%(濕基);

τ—每批干燥的時間，h；

ΔMp—每批干燥的降水幅度，%。

3.2 干燥參數的確定

谷物干燥時間根據谷物降水幅度ΔM及小時降水率計算，對于低溫干燥機來說，小時降水率一般為0.5%左右，對于高溫干燥機，因工作流程不同，小時降水率范圍較大，一般為(2%～5%)·h-1。當明確谷物干燥機小時降水率及降水幅度后，干燥時間τ為

(7)

式中ΔMh—小時降水幅度，%·h-1。

3.3 熱利用率的計算

谷物干燥機工作時會有部分廢氣排出，導致熱量不能完全被利用，其干燥熱利用率可以根據公式(8)進行計算

(8)

式中ηH—熱利用系數；

β—熱貯備系數；

hf—谷物的汽化熱，通常hf=2 720 kJ·(kg H2O)-1;

Wh—小時去水量，kg·h-1；

Hh—小時供熱量，kJ·h-1。

3.4 風量計算

根據谷物干燥機中谷層風速最佳參數范圍及去水量進行冷風量及熱風量的計算，綜合進行風量選擇。常見的風量選擇如表4所示。

表4 風量比常見參數設計依據

4 谷物干燥過程智能控制技術

谷物干燥過程智能控制技術是提高谷物干燥機工作效率，降低設備耗能，減少環境污染，保證谷物烘干正常進行的重要保證。

4.1 谷物干燥智能控制系統的基本目標

谷物干燥機控制精度在智能控制系統的設計及應用應滿足以下要求：

1)控制精度應該在±(0.5%～0.7%)，控制響應速度較快，控制穩定性較好，不易受到外界干擾，當谷物水分發生變化時，可以快速做出響應；

2)避免干燥過度或者欠干燥導致谷物品質降低，增加設備損耗；

3)避免發生火災，實現干燥過程最優化。

4.2 谷物干燥智能控制方法

4.2.1 微機控制技術

微機控制系統可以實現各種控制算法，如PID控制算法，微機系統可以對多種控制方法進行多個回路控制，實現動態、靜態監測信息變量，如熱介質溫度、干燥濕度、干燥壓力、流量及谷物高含水率等參數控制，基本工作原理如圖2所示。

圖2 微機控制技術工作原理圖

4.2.2 模糊邏輯控制系統

常見的谷物干燥方法多為數學過程算法，在實際生產應用中會存在較多問題，如谷物干燥過程屬于一個復雜、時變及非線性的變化過程，多種干燥參數不能進行直接測量，干燥過程模型計算需要耗費大量的時間與人力，而且在干燥過程中應該考慮到滯后、時變等復雜問題。因此，為了克服上述問題，提出模糊邏輯控制方法，可以改善谷物干燥過程中的干燥動態特性及不確定性，工作原理圖如圖3所示。

圖3 模糊邏輯控制原理圖

5 結論

谷物干燥可以防止谷物在儲藏中由于水分過多造成霉爛與變質，另一方面還可以改善谷物理化性狀，提高谷物品質，便于進一步儲藏、運輸與加工。因此，良好的谷物干燥機對于保證谷物干燥效率具有重要意義。本研究首先介紹幾種常見的谷物干燥機技術特點與應用現狀，提出目前谷物干燥機設計依據及相關設計參數計算方法，并提出谷物干燥機常見的智能控制方法，研究結果對于形成完善的智能谷物干燥機提供參考。