谷物深床干燥技術分析

田新慶,陳武東,溫海江,吳多峰,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

糧食是國家發展的基礎,同時也是保證人民生活的重要支撐,為了保障社會穩定和國民經濟的穩步發展,保障糧食安全具有重要意義。谷物干燥是糧食存儲的重要技術保障,可以防止糧食在存儲和運輸過程中發生霉變[1]。

研究過程中,谷物干燥技術存在熱效率低、干燥過程難以控制及品質難以保障等問題,尤其是干燥控制技術和水分在線檢測技術是谷物干燥產業的薄弱環節,主要是由于理論研究不夠深入,尤其在能量控制、水分波動和工況參數不穩定等方面擾動因素十分復雜,制約了谷物干燥技術的進一步發展[2-3]。

深床干燥技術與薄層干燥存在較大的差異,深床內干燥介質及相關參數的變化無法用傳統的薄層干燥理論解析,在干燥過程中大氣條件、介質流動狀態和工況參數變化等多種不確定因素都會影響深床干燥效率,深床干燥過程中會存在高溫、高濕和高粉塵等特點[4-6],無法完全依賴物理測定技術進行干燥過程的控制,難以有效指導深床干燥系統的設計及干燥性能的評價。針對以上問題,本研究對深床干燥理論模型及狀態參數變化方程進行分析,解釋干燥系統特征,為谷物干燥技術的發展與控制提供理論基礎。

1 深床干燥過程特征

深床干燥過程與薄層干燥過程存在較大的差異,深床干燥過程中,干燥介質在干燥層內屬于連續變化狀態,不能假定為穩定狀態,并且干燥系統和過程存在以下典型干燥特征:1)干燥品質、能耗和干燥效率會受到糧食特征和干燥介質流動特征、物理特征和干燥操作方式的影響,如連續干燥、間歇干燥、干燥緩蘇比和風量谷物比等因素都會對干燥效果產生影響;2)深床內干燥介質的流動狀態受到外部通風方式、干燥系統幾何結構和容積大小的影響;3)深床干燥過程參數、狀態參數和工藝特征參數等相互制約、相互影響,在干燥過程中會存在非線性和多種擾動因素耦合條件,干燥內部會存在大量粉塵并且實時變動,因此很難通過物理檢測方式獲得精準的參數變化,實現干燥過程參數的實時調控。

2 深床干燥特性表達

2.1 干燥物理模型

深床干燥過程中,按照熱風氣流與糧食的流動方式可以分為順流干燥(圖1a)、逆流干燥(圖1b)、橫流干燥(圖1c)和靜置層干燥(圖1d)等多種干燥方式,基本物理模型如圖1所示[7]。

注:T0是進氣溫度,K;d0是進氣含濕量,kg·kg-1;T1是排氣溫度,K;d1是排氣含濕量,kg·kg-1;M0是進機糧含水率,%;M1是出機糧含水率,%;z是干燥層厚度坐標,m。圖1 深床干燥物理模型示意圖

2.2 理論表達模型

深床干燥內干燥介質處于連續變化狀態,在不同位置其干燥條件也存在一定的差異性。由于深床干燥過程中糧食干燥水分汽化、蒸發及水分遷移過程都需要消耗熱量。目前,構建相關模型主要是將單一谷物顆粒作為個體,其服從指數模型或者球模型。目前,研究學者開展了大量理論模型研究。總體而言,單顆谷物籽粒的干燥特性服從指數模型,存在個體差異的群體顆粒構成薄層干燥指數模型,因此,由一群薄層谷物堆積而成深層干燥特性模型也存在一定的理論意義,能夠表征其綜合去水特征的指數模型如式(1)所示

(1)

(2)

式中,ki為干燥系統的特征參數,是為了表征谷物干燥層內部混合物料的平均去水特征常數,主要受到糧食種類、干燥溫度和濕度的影響。平衡含水率同樣也是溫度和濕度的函數,這些參數主要受到系統內部放熱及干燥接觸面積的影響,不同深床干燥系統數值都需要經過相關試驗獲得參數。

3 深床干燥系統狀態參數變化特征

3.1 狀態參數變化及干燥熱效率

在谷物干燥過程中,干燥系統內部谷物的去水量等于干燥介質的增濕量,在定壓狀態下,干燥介質從干燥加熱器內獲取的熱量全部體現在自身焓的變化,假定將環境介質從狀態0等濕加熱到狀態1后,進入干燥系統,對谷物進行熱質交換,并且在狀態2的情況下排出系統,干燥自然空氣在加熱裝置中獲得的熱量q-h1-h0,這部分熱量損失主要為以下3個方面:

1)干燥介質經過干燥裝置時的熱損失,主要包括谷物升溫吸收熱量、機器散發熱量及機器內部介質慣性流動的熱損失等,表達式為qx=h1-h2;

3)排氣熱量損失,表達式為qp=h2-h0。

因此,谷物干燥系統熱效率可以表示如式(3)所示

(3)

谷物干燥熱效率是評價谷物干燥系統工作性能的重要指標,干燥熱效率與干燥過程、操作參數、排糧速度和干燥時間有關。正確、合理地評價谷物干燥系統的熱效率,對于實現谷物干燥機高效節能具有重要的指導意義。

3.2 排氣飽和溫度

設置谷物干燥進風溫度為t12,干燥環境介質的定壓比熱為cp,根據干燥室最小熱損失換算出濕料升溫比熱為cgz,在干燥效率極限值可以視為糧食的升溫吸熱,同時將干燥室內其他熱損失換算成谷物升溫熱損失,稱為干燥室熱損比熱,用π表示,此時深床干燥對應最大熱效率ηmax時的排氣溫度存在以下熱平衡,表達式如式(4)所示

(4)

由此可得式(5)

tw2=t1-ηmax(t1-t0)-cgz(tg-tg0)/πcp

(5)

式中,cp(t1-tw2)是1 kg熱風的顯熱,cp(t1-t0)是1 kg熱風攜帶的總熱量,cgz(tg-tg0)/π是1 kg熱風的顯熱消耗在(1/π)kg谷物上的熱量。

在計算深床谷物干燥室的熱損失時,采用干燥室熱損比熱cgz表示,cgz=cg(1+ΔS3/Δqg),ΔS3表示除谷物外的其他熱損失,(ΔS3/Δqg)表示其他熱損失占谷物升溫熱損失的熱量倍數。

綜上所述,得到熱平衡式如式(6)所示

tw2=t12-ηmax(t12-t0)-cgz(tg-tg0)/πcp

(6)

按照比焓和含濕量計算公式,基于t12計算干燥室無熱損且排氣濕度為100%時的排氣溫度tw2。在0.1 MPa時的汽化潛熱系數γ與蒸發溫度t之間存在以下關系,如式(7)所示

γ=-2.42t-2 500

(7)

3.3 干燥常數

k屬于系統的特征量,主要與谷物干燥室容積、干燥工藝方式、風量谷物比、谷物和介質條件(溫度、濕度等)有關,主要取決于干燥系統的定性溫度、定性濕度的特征量,即使谷物干燥層內介質的溫度、濕度沿谷物層分布完全一致,干燥室進、排氣條件參數相同,k值也會存在不同。因此,將k作為干燥系統熱、濕條件參數的函數,需要通過試驗獲得在特定系統內的變化規律。

3.4 定性平衡含水率參數

谷物干燥的平衡含水率主要受到介質溫度、濕度條件的影響,該參數是對應特定的溫度、濕度條件下干燥所能進行的極限,作為界定物料中自由水分含量的基準。在深床干燥中,不同層內干燥介質都處于時刻變化過程中,在不同的深床位置,谷物的平衡含水率會存在較大的差異性,因此,干燥速率也會存在不同,在深床不同位置介質條件對應相應的數值,目前相關研究均表明,谷物干燥速率均服從擴散模型,自由水分的變化可以表達為指數模型,因此,基于相應的擴散模型和指數模型就可以得到表達深床總體平均干燥特征的定性平衡含水率,對應特定的深床干燥過程的平衡含水率得到確定的常數,稱為定性平衡含水率,基于干燥常數和谷物的自由含水率,就可以確定深床干燥層內實際在相際交換水分含量,進而獲得谷物深床干燥過程分析解。

3.5 定性溫度和定性濕度

深床谷物干燥表現現象主要是指不同的深床位置內物料的共同去水特征,是表達深床干燥特性模型中及其量綱中都含有物料的干燥常熟k和平衡含水率Me。干燥常熟k和平衡含水率Me隨著干燥介質溫度和濕度的變化而逐漸變化。由于深床干燥層內不同層深位置介質溫度、濕度不同,因此谷物干燥條件也會存在較大的差異性。為了揭示深床干燥特性,需要在模型中正確輸入谷物和介質條件,能夠客觀、真實地反映相關參數的平均值,并將其作為常數,稱為定性溫度和定性濕度。

4 結論

本研究以谷物深床干燥為研究對象,針對深床干燥過程中由于介質流動、物料狀態變化、熱量傳遞波動即高溫粉塵等多種擾動因素難以直接進行測量等問題,對深床干燥過程中關鍵參數模型表達進行闡述,以期為深床干燥理論模型提供參考。未來應進一步解析模型中的更多參數,如有效傳質、有效換熱系數等過程參數,并結合流體力學、散粒物料等運動學軟件共同開展深床干燥理論分析,為谷物干燥設備的研制提供更多的方案參考。