田新庆,陈武东,温海江,吴多峰,张佳丽
(黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院,黑龙江 佳木斯 154004)
粮食是国家发展的基础,同时也是保证人民生活的重要支撑,为了保障社会稳定和国民经济的稳步发展,保障粮食安全具有重要意义。谷物干燥是粮食存储的重要技术保障,可以防止粮食在存储和运输过程中发生霉变[1]。
研究过程中,谷物干燥技术存在热效率低、干燥过程难以控制及品质难以保障等问题,尤其是干燥控制技术和水分在线检测技术是谷物干燥产业的薄弱环节,主要是由于理论研究不够深入,尤其在能量控制、水分波动和工况参数不稳定等方面扰动因素十分复杂,制约了谷物干燥技术的进一步发展[2-3]。
深床干燥技术与薄层干燥存在较大的差异,深床内干燥介质及相关参数的变化无法用传统的薄层干燥理论解析,在干燥过程中大气条件、介质流动状态和工况参数变化等多种不确定因素都会影响深床干燥效率,深床干燥过程中会存在高温、高湿和高粉尘等特点[4-6],无法完全依赖物理测定技术进行干燥过程的控制,难以有效指导深床干燥系统的设计及干燥性能的评价。针对以上问题,本研究对深床干燥理论模型及状态参数变化方程进行分析,解释干燥系统特征,为谷物干燥技术的发展与控制提供理论基础。
深床干燥过程与薄层干燥过程存在较大的差异,深床干燥过程中,干燥介质在干燥层内属于连续变化状态,不能假定为稳定状态,并且干燥系统和过程存在以下典型干燥特征:1)干燥品质、能耗和干燥效率会受到粮食特征和干燥介质流动特征、物理特征和干燥操作方式的影响,如连续干燥、间歇干燥、干燥缓苏比和风量谷物比等因素都会对干燥效果产生影响;2)深床内干燥介质的流动状态受到外部通风方式、干燥系统几何结构和容积大小的影响;3)深床干燥过程参数、状态参数和工艺特征参数等相互制约、相互影响,在干燥过程中会存在非线性和多种扰动因素耦合条件,干燥内部会存在大量粉尘并且实时变动,因此很难通过物理检测方式获得精准的参数变化,实现干燥过程参数的实时调控。
2.1 干燥物理模型
深床干燥过程中,按照热风气流与粮食的流动方式可以分为顺流干燥(图1a)、逆流干燥(图1b)、横流干燥(图1c)和静置层干燥(图1d)等多种干燥方式,基本物理模型如图1所示[7]。
注:T0是进气温度,K;d0是进气含湿量,kg·kg-1;T1是排气温度,K;d1是排气含湿量,kg·kg-1;M0是进机粮含水率,%;M1是出机粮含水率,%;z是干燥层厚度坐标,m。图1 深床干燥物理模型示意图
2.2 理论表达模型
深床干燥内干燥介质处于连续变化状态,在不同位置其干燥条件也存在一定的差异性。由于深床干燥过程中粮食干燥水分汽化、蒸发及水分迁移过程都需要消耗热量。目前,构建相关模型主要是将单一谷物颗粒作为个体,其服从指数模型或者球模型。目前,研究学者开展了大量理论模型研究。总体而言,单颗谷物籽粒的干燥特性服从指数模型,存在个体差异的群体颗粒构成薄层干燥指数模型,因此,由一群薄层谷物堆积而成深层干燥特性模型也存在一定的理论意义,能够表征其综合去水特征的指数模型如式(1)所示
(1)
(2)
式中,ki为干燥系统的特征参数,是为了表征谷物干燥层内部混合物料的平均去水特征常数,主要受到粮食种类、干燥温度和湿度的影响。平衡含水率同样也是温度和湿度的函数,这些参数主要受到系统内部放热及干燥接触面积的影响,不同深床干燥系统数值都需要经过相关试验获得参数。
3.1 状态参数变化及干燥热效率
在谷物干燥过程中,干燥系统内部谷物的去水量等于干燥介质的增湿量,在定压状态下,干燥介质从干燥加热器内获取的热量全部体现在自身焓的变化,假定将环境介质从状态0等湿加热到状态1后,进入干燥系统,对谷物进行热质交换,并且在状态2的情况下排出系统,干燥自然空气在加热装置中获得的热量q-h1-h0,这部分热量损失主要为以下3个方面:
1)干燥介质经过干燥装置时的热损失,主要包括谷物升温吸收热量、机器散发热量及机器内部介质惯性流动的热损失等,表达式为qx=h1-h2;
3)排气热量损失,表达式为qp=h2-h0。
因此,谷物干燥系统热效率可以表示如式(3)所示
(3)
谷物干燥热效率是评价谷物干燥系统工作性能的重要指标,干燥热效率与干燥过程、操作参数、排粮速度和干燥时间有关。正确、合理地评价谷物干燥系统的热效率,对于实现谷物干燥机高效节能具有重要的指导意义。
3.2 排气饱和温度
设置谷物干燥进风温度为t12,干燥环境介质的定压比热为cp,根据干燥室最小热损失换算出湿料升温比热为cgz,在干燥效率极限值可以视为粮食的升温吸热,同时将干燥室内其他热损失换算成谷物升温热损失,称为干燥室热损比热,用π表示,此时深床干燥对应最大热效率ηmax时的排气温度存在以下热平衡,表达式如式(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热风的显热,cp(t1-t0)是1 kg热风携带的总热量,cgz(tg-tg0)/π是1 kg热风的显热消耗在(1/π)kg谷物上的热量。
在计算深床谷物干燥室的热损失时,采用干燥室热损比热cgz表示,cgz=cg(1+ΔS3/Δqg),ΔS3表示除谷物外的其他热损失,(ΔS3/Δqg)表示其他热损失占谷物升温热损失的热量倍数。
综上所述,得到热平衡式如式(6)所示
tw2=t12-ηmax(t12-t0)-cgz(tg-tg0)/πcp
(6)
按照比焓和含湿量计算公式,基于t12计算干燥室无热损且排气湿度为100%时的排气温度tw2。在0.1 MPa时的汽化潜热系数γ与蒸发温度t之间存在以下关系,如式(7)所示
γ=-2.42t-2 500
(7)
3.3 干燥常数
k属于系统的特征量,主要与谷物干燥室容积、干燥工艺方式、风量谷物比、谷物和介质条件(温度、湿度等)有关,主要取决于干燥系统的定性温度、定性湿度的特征量,即使谷物干燥层内介质的温度、湿度沿谷物层分布完全一致,干燥室进、排气条件参数相同,k值也会存在不同。因此,将k作为干燥系统热、湿条件参数的函数,需要通过试验获得在特定系统内的变化规律。
3.4 定性平衡含水率参数
谷物干燥的平衡含水率主要受到介质温度、湿度条件的影响,该参数是对应特定的温度、湿度条件下干燥所能进行的极限,作为界定物料中自由水分含量的基准。在深床干燥中,不同层内干燥介质都处于时刻变化过程中,在不同的深床位置,谷物的平衡含水率会存在较大的差异性,因此,干燥速率也会存在不同,在深床不同位置介质条件对应相应的数值,目前相关研究均表明,谷物干燥速率均服从扩散模型,自由水分的变化可以表达为指数模型,因此,基于相应的扩散模型和指数模型就可以得到表达深床总体平均干燥特征的定性平衡含水率,对应特定的深床干燥过程的平衡含水率得到确定的常数,称为定性平衡含水率,基于干燥常数和谷物的自由含水率,就可以确定深床干燥层内实际在相际交换水分含量,进而获得谷物深床干燥过程分析解。
3.5 定性温度和定性湿度
深床谷物干燥表现现象主要是指不同的深床位置内物料的共同去水特征,是表达深床干燥特性模型中及其量纲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随着干燥介质温度和湿度的变化而逐渐变化。由于深床干燥层内不同层深位置介质温度、湿度不同,因此谷物干燥条件也会存在较大的差异性。为了揭示深床干燥特性,需要在模型中正确输入谷物和介质条件,能够客观、真实地反映相关参数的平均值,并将其作为常数,称为定性温度和定性湿度。
本研究以谷物深床干燥为研究对象,针对深床干燥过程中由于介质流动、物料状态变化、热量传递波动即高温粉尘等多种扰动因素难以直接进行测量等问题,对深床干燥过程中关键参数模型表达进行阐述,以期为深床干燥理论模型提供参考。未来应进一步解析模型中的更多参数,如有效传质、有效换热系数等过程参数,并结合流体力学、散粒物料等运动学软件共同开展深床干燥理论分析,为谷物干燥设备的研制提供更多的方案参考。
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