梁 芳

武漢儀表電子學(xué)校 武漢 430074

基于正交試驗的小麥干燥機工作參數(shù)優(yōu)化

梁 芳

武漢儀表電子學(xué)校 武漢 430074

以正交試驗為基礎(chǔ)，研究了小麥烘干工藝參數(shù)麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速對小麥烘干性能指標干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度的影響，并以干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度為綜合優(yōu)化目標對麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速進行了優(yōu)化，先進行單工藝目標的優(yōu)化，然后以權(quán)重求和的形式進行了多工藝目標優(yōu)化，得出了小麥烘干最佳工藝參數(shù)組合，為小麥烘干優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供了依據(jù)。

小麥烘干 工藝參數(shù) 正交試驗 多目標 優(yōu)化

我國小麥國家標準水分規(guī)定值≤12．5%，研究認為北方小麥儲藏安全水分臨界值在13.0%左右，與美國儲糧安全水分（≤13．0%）相同。小麥水分高于這個數(shù)值則會呼吸旺盛，減少了有機成分，嚴重時甚至?xí)棺儭⑸x，喪失食用價值。隨著農(nóng)業(yè)機械化的廣泛采用，新收獲的小麥水分往往大大高于儲藏安全水分，小麥烘干是小麥收儲的重要環(huán)節(jié)，它能有效減少小麥中的水分，并殺死害蟲和霉菌，還具有促進小麥后熟等作用。

順流式烘干機是小麥烘干常用的設(shè)備，它采用熱風(fēng)作為熱介質(zhì)烘干物料。其內(nèi)部主要由熱風(fēng)管道和料槽組成。料槽里充滿物料，小麥自上而下流動，熱風(fēng)管道由進料端進入，向下方向穿過麥層，重新進入熱風(fēng)鍋爐循環(huán)利用。熱風(fēng)管道與物料進行熱量交換和水份的蒸發(fā)，熱風(fēng)管道將熱量轉(zhuǎn)給麥粒，使之溫度升高，麥粒受熱升溫，水份蒸發(fā)到空氣中，成為廢氣排出。烘干的小麥向下流動到緩蘇段，經(jīng)過緩蘇段使麥粒內(nèi)外層溫度和水份趨于平衡，達到均勻降水。小麥緩蘇后進入冷卻段，經(jīng)過冷卻，小麥降溫到儲糧溫度，之后由排料段出料。

烘干工藝參數(shù)對小麥烘干效果起著決定性的作用，優(yōu)化小麥烘干工藝參數(shù)是提高小麥品質(zhì)，降低能源消耗的重要途徑。本文利用正交試驗對小麥工藝參數(shù)進行多目標優(yōu)化，采用權(quán)重的形式對單工藝進行線性組合，將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。

1 試驗方法

試驗設(shè)備500 kg塔式試驗烘干機，風(fēng)機供風(fēng)；用風(fēng)量調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)風(fēng)量，以改變穿過物料層的風(fēng)速；電加熱器由3個電加熱管組成，升溫時3個電加熱管同時加熱，到達要求溫度時，可用任意兩個加熱管加熱，以調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度；水平風(fēng)道由兩層鐵板組成，夾層中填以石棉網(wǎng)避免散熱；網(wǎng)孔底板可以使穿過物料的風(fēng)速均勻。本研究以麥層厚度（A）、熱風(fēng)溫度（B）、熱風(fēng)風(fēng)速（C）為小麥烘干優(yōu)化工藝參數(shù)，以干燥速率（y1）、麥層阻力（麥層阻力用風(fēng)機的靜壓值來表示）（y2）、麥粒溫度（y3）為綜合優(yōu)化工藝目標，試驗設(shè)計如表1，試驗結(jié)果如表2。

表1 小麥烘干正交實驗設(shè)計

2 單工藝目標優(yōu)化

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，分別求出麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速在不同水平條件下干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度的平均值，對于效益型指標其平均值大的水平為最優(yōu)水平，對于成本型指標，其平均值小的水平為最優(yōu)水平，結(jié)果如表3～表5。

表2 小麥烘干試驗結(jié)果

表3 工藝參數(shù)不同水平下的平均干燥速率

表4 工藝參數(shù)不同水平下的平均麥層阻力

表5 工藝參數(shù)不同水平下的平均物料溫度

在小麥烘干3個工藝目標中，干燥速率為效益型指標，值越大越好，麥層阻力、麥粒溫度為成本型指標，值越小越好。

對于干燥速率，從表3可知，最佳參數(shù)組合為A1B4C4，對其影響程度由大到小的烘干工藝參數(shù)排序為：熱風(fēng)溫度、麥層厚度、熱風(fēng)風(fēng)速。

對于麥層阻力，從表4可知，最佳參數(shù)組合為A1B1C4，對其影響程度由大到小的烘干工藝參數(shù)排序為：麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速。

對于麥粒溫度，從表5可知，最佳參數(shù)組合為A4B1C1，對其影響程度由大到小的烘干工藝參數(shù)排序為：熱風(fēng)溫度、麥層厚度、熱風(fēng)風(fēng)速。

通過分析各工藝參數(shù)在不同水平下的平均工藝目標值，還可以得到麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速對干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度的影響。影響的規(guī)律如下：

①干燥速率：

隨麥層厚度的增加而減少；

隨熱風(fēng)溫度的增加而增加；

隨熱風(fēng)風(fēng)速的增加而增加。

②麥層阻力：

隨麥層厚度的增加而增加；

隨熱風(fēng)溫度的增加而增加；

隨熱風(fēng)風(fēng)速的增加而減小。

③麥粒溫度：

隨麥層厚度的增加而下降；

隨熱風(fēng)溫度的增加而上升；

隨熱風(fēng)風(fēng)速的增加而上升。

3 多工藝目標優(yōu)化

小麥烘干工藝參數(shù)優(yōu)化的目標是在保證小麥品質(zhì)的前提下有較高的烘干效果，盡量節(jié)約能源消耗，即烘干后麥粒溫度盡可能低，干燥速率盡可能高，麥層壓力盡可能小，這樣能耗就會減少。可見這是一個多目標優(yōu)化問題，但要同時使這3項工藝目標最優(yōu)是不可能辦到的，這就需要結(jié)合具體情況有所側(cè)重，根據(jù)優(yōu)化目標的重要性程度以權(quán)重加以體現(xiàn)，用權(quán)重求和的形式將各單工藝目標線性組合起來，將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。由于各單工藝目標的量綱和數(shù)量級不同，為了便于比較，需對原始單工藝目標值進行無量綱化處理。

對于效益型指標無量綱化公式為

對于成本型指標無量綱化公式為

式中，yij為工藝目標的原始值，xij為工藝目標無量綱化后的值。

則綜合工藝目標的適應(yīng)值可表示為

式中，λ1、λ2、λ3為權(quán)系數(shù)，文中取λ1=0.4、λ2= 0.35、λ3=0.25，x1、x2、x3分別為干燥速率、麥粒溫度、麥層阻力無量綱化值。

工藝目標無量綱化值及綜合工藝目標適應(yīng)值如表6所示。

表6 目標值規(guī)范化和綜合目標適應(yīng)值

由正交試驗的均衡搭配性質(zhì)可知，各參數(shù)不同水平下平均適應(yīng)值的相互比較，與其他參數(shù)無關(guān)，只反映該參數(shù)不同水平對多項工藝目標的影響程度。比較各個水平，適應(yīng)值值最高的水平為對多工藝目標綜合考量時的最優(yōu)水平。

各工藝參數(shù)在不同水平下的適應(yīng)值平均值如表7所示。

表7 工藝參數(shù)不同水平下的平均適應(yīng)值

由表7可知：

麥層厚度對小麥烘干性能的適應(yīng)值排序為

熱風(fēng)溫度對小麥烘干性能的適應(yīng)值排序為

熱風(fēng)風(fēng)速對小麥烘干性能的適應(yīng)值排序為

因此，小麥烘干最佳參數(shù)組合為A1B4C3，即麥層厚度為50 mm、熱風(fēng)溫度為80℃、熱風(fēng)風(fēng)速為0.35 m/s。

從表7中的極差我們還可以知道，3個工藝參數(shù)對小麥烘干性能響由大到小排序分別為麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速。

4 結(jié)語

小麥烘干的關(guān)鍵是生產(chǎn)中如何保證小麥的品質(zhì)和節(jié)能降耗。小麥的烘干多采用塔式烘干機，利用重力自然下落。然而，影響烘干的主要參數(shù)，如麥層厚度、熱風(fēng)溫度、穿透風(fēng)速、緩蘇時間等的確定通常憑借經(jīng)驗，缺乏有力理論依據(jù)，使小麥烘干生產(chǎn)的效率和品質(zhì)難以得到可靠的保證。本文通過正交試驗研究了小麥烘干工藝參數(shù)麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速對小麥烘干性能指標干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度的影響，并以干燥速率、麥層阻力、麥粒溫度為綜合優(yōu)化目標對麥層厚度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)速烘干工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，得出了最佳工藝參數(shù)的組合，為小麥烘干生產(chǎn)的提供了理論借鑒。

TS 211.4+1，S 226.6

A

1674-5280（2016）06-0012-03

2016-07-19

梁芳（1967—），女，湖北武漢人，高級講師，主要從事輕工機械教學(xué)與研究工作。