李永祥，位艷芳，王明旭，王少英

(河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450009)

近年來，我國糧食收獲機械化程度快速發(fā)展，大大縮短了糧食收割時間。剛收獲的糧食含水率通常比較高，如不及時干燥容易發(fā)霉變質(zhì)，影響糧食安全[1-2]。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，每年我國糧食因為干燥不徹底及受到天氣影響而霉爛損失約200億斤[3]。目前，國內(nèi)的大型糧庫和糧食企業(yè)一般采用比較大型而且固定式的清理和干燥設(shè)備，而我國農(nóng)村糧食分布較為分散，廣大農(nóng)戶采用的自然晾曬的方式受天氣的影響較大，不能快速有效地對收獲后的玉米粒進行干燥，同時，收獲后的玉米粒中含大量的雜質(zhì)，糧庫和部分食品廠對收購的玉米只進行簡單的清理，嚴重影響到玉米的存儲安全，容易引起玉米發(fā)熱變質(zhì)[4]。因此，適應(yīng)大范圍農(nóng)戶需求的玉米清理干燥一體化設(shè)備成為制約我國糧食生產(chǎn)全程機械化的主要瓶頸[5]。

針對上述問題，本文設(shè)計了小型移動式清理干燥一體化設(shè)備[6]，借助Fluent流體動力學(xué)軟件分析了干燥筒內(nèi)部的溫度場和流場狀態(tài)，并采用正交試驗法優(yōu)化了干燥工藝參數(shù)，為設(shè)備的運行提供理論基礎(chǔ)。

1 清理干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 清理干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)

該清理干燥設(shè)備主要由引風風機、熱風爐、旋風分離器、煙囪、斗式提升機、圓筒初清篩、回轉(zhuǎn)式干燥機、車體、牽引機構(gòu)等部件組成，所有的部件都安裝在車架上，移動靈活方便。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1引風風機 2 熱風爐 3 旋風分離器 4 煙囪 5 斗式提升機 6 圓筒初清篩 7 回轉(zhuǎn)式干燥機 8 車體 9 牽引機構(gòu) 圖1 清理干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

由牽引機車通過牽引機構(gòu)9把設(shè)備運送到指定地點，工作過程中收獲后的玉米粒先進入圓筒初清篩6進行雜質(zhì)清理，隨后由斗式提升機5輸送到回轉(zhuǎn)式干燥機7中進行干燥，在內(nèi)部導(dǎo)料螺旋推動下流動到干燥機中部，中部揚料抄板將其抄起形成一層均勻的料簾，從而與熱風發(fā)生熱交換。當干燥至安全水分后，從出料口流出，完成玉米顆粒的清理干燥工作。在干燥過程中，所需要的熱風由間接加熱空氣的熱風爐2提供。

2 主要部件設(shè)計計算

2.1 物料衡算和熱量衡算

2.1.1 設(shè)計條件

技術(shù)參數(shù)：生產(chǎn)能力(濕玉米)G1：1 t/h；生產(chǎn)時間：8 h/d.

物料參數(shù)：入口濕含量W1：20%(濕基)；出口濕含量W2：14%(濕基)；入口溫度θ1：25 ℃；出口溫度θ2：35 ℃；比熱容：2.01 kJ/kg·K.

干燥介質(zhì)參數(shù)：空氣溫度t0：25 ℃；濕球溫度：20 ℃；空氣濕度H0:0.014 kg/kg絕干氣；入口溫度t1：75 ℃；出口溫度t2：45 ℃.

2.1.2 水分蒸發(fā)量

生產(chǎn)能力：

(1)

干基含水率：

(2)

由公式(2)可求得

X1=25%;X2=16.3%

若以絕對干料計，則

GC=G1(1-W1)=0.278×(1-0.2)=0.222 4 kg/s

(3)

水分蒸發(fā)量為：

W=GC(X1-X2)=0.222 4×(25%-16.3%)=0.019 3 kg/s

(4)

2.1.3 空氣消耗量

蒸發(fā)水分所需要的熱量q1[7]：

q1=W(IV-IW)=W(r0+CVt2-CWθ1)=47.906 kJ/s

(5)

物料升溫所需要的熱量q2：

q2=GC(CS+X2CW)(θ2-θ1)=5.988 kJ/s

(6)

熱損失q3：

q3=0.2(q1+q2)=10.779 kJ/s

(7)

需要的總熱量q：

q=q1+q2+q3=64.673 kJ/s

空氣消耗量L：

(8)

熱量計算所需相關(guān)參數(shù)：r0—水在0 ℃的汽化潛熱(公式中定義這個溫度為0 ℃)；r0=2 500 kJ/kg水蒸氣；CV—水蒸氣比熱容；CV=1.93 kJ/(kg·K)；CW—液態(tài)水比熱；CW=4.187 kJ/(kg·K)；GC—絕干物料的質(zhì)量流量。

2.2 回轉(zhuǎn)式干燥機主要參數(shù)計算

2.2.1 圓筒干燥機的容積計算

圓筒干燥機的容積V可近似按公式(9)[7]計算

(9)

式中：W—每小時需要蒸發(fā)的水分量，kg/h;A—水分蒸發(fā)強度，采用升舉式抄板，在實際生產(chǎn)中，A=10 Kg/m3·h

2.2.2 圓筒直徑和長度的計算

圓筒直徑D和圓筒長度Z的比例，一般采用Z/D=4～5，不大于7，圓筒直徑的D通常在1.2～2.8 m之間。

當Z=3.5D時，代入上式得

(10)

當Z=5D時，代入上式得

圓筒直徑確定后，圓筒的長度Z則可由公式(11)計算。

Z=(3.5～5)D=4.76 m～6.05 m

(11)

圓筒直徑和長度的比例Z/D=4～5，所以選擇Z=5.6 m,D=1.4 m。

2.2.3 圓筒轉(zhuǎn)速的計算

筒體轉(zhuǎn)速[7]一般為：

(12)

筒體的斜度一般取0～8°，取傾斜角α=2°，此時筒體的斜度S=tan2=0.03。

2.3 圓筒篩設(shè)計參數(shù)確定

原糧在篩筒內(nèi)跟隨篩筒旋轉(zhuǎn)的過程中，當糧食顆粒到達篩筒最高處時，糧食所受到的自身重力應(yīng)該小于因旋轉(zhuǎn)所受到的離心力。否則，糧食會隨著篩筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)最終將達不到篩分的效果。圖2為糧食旋轉(zhuǎn)的示意圖。

圖2 糧食旋轉(zhuǎn)的示意圖

根據(jù)工作過程中糧食自重應(yīng)大于所受離心力，則根據(jù)公式(13)計算轉(zhuǎn)速。

mRω2-mg<0

(13)

式中：m—糧食顆粒質(zhì)量，kg;R—篩筒半徑，mm;g—重力加速度，m/s2；ω—篩筒角速度，r/s，ω=nπ/30.

由公式(13)得出：

(14)

當原糧顆粒隨著篩筒運動至篩筒內(nèi)0°附近時，糧食顆粒的重力與所受到的離心力成90°，故此時糧食在透過篩網(wǎng)橫截面時所受到的摩擦力應(yīng)當小于所受到的離心力。所以篩筒此時存在一個最小的速度，由公式(15)[8]確定：

mRω2-mgf<0

(15)

由公式(15)推導(dǎo)得出：

(16)

由式(14)、式(16)得出：

(17)

根據(jù)設(shè)計的圓筒篩的直徑850 mm。帶入公式(17)得篩筒轉(zhuǎn)速范圍是：

0.776 114 r/s

46.56 r/min

2.4 熱風爐技術(shù)參數(shù)確定

2.4.1 加熱空氣流量的確定

加熱空氣的質(zhì)量流量[9]由式(18)計算：

(18)

式中：Ma—所需加熱空氣的質(zhì)量流，kg/h；Q—總換熱量，kJ/h；T1—出口空氣溫度，K；Cp1—T1溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；T0—進口空氣溫度，K;CP0—T0溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)。

加熱空氣的體積流量由式(19)得出：

(19)

式中：ρa—T1溫度下的空氣密度，kg/m3.

由T1=85 ℃，T0=25 ℃可得：

CP1=1.009 kJ/(kg·K)

CP0=1.005 kJ/(kg·K)

ρa=0.986 kg/m3

回轉(zhuǎn)式干燥筒所需要的熱量q=64.673 kJ/s=2.33×105kJ/h，等于熱風爐所提供得熱量?？紤]到有熱量損失，取Q=1.1q=2.56×105kJ/h。熱空氣的質(zhì)量流量可由式(18)計算得出：

Ma=

所以所需加熱得空氣體積流量由式(19)計算得出：

2.4.2 熱風爐總換熱面積及幾何參數(shù)的確定

熱風爐的總換熱面積由式(20)計算得出。

(20)

式中：Q—熱風爐總換熱量，J/s;ΔTm—有效傳熱溫差，℃；K—傳熱系數(shù)，W/(m2·K).

其有效傳熱溫差采用對數(shù)平均溫差計算

(21)

式中： ΔT1-管道進口處煙氣與工質(zhì)的溫差，K；ΔT2-管道出口處煙氣與工質(zhì)的溫差，K。

(22)

設(shè)定煙氣進口處溫度為Tyo=800 ℃，煙氣出口處溫度為Ty1=200 ℃；由上可知，加熱空氣的入口溫度和出口溫度分別是T0=25 ℃，T1=85 ℃。有效傳熱溫差由式(22)得：

查閱資料[10],傳熱系數(shù)取K=40 W/(m2·K)；

熱風爐的總換熱量為：Q=2.56×105kJ/h=71.1 kJ/s=7.11×104J/s

3 干燥工藝參數(shù)優(yōu)化分析

玉米顆粒在干燥過程中受到熱風的影響較大，熱風的速度、壓力和溫度等是影響干燥的主要參數(shù)，這些參數(shù)的優(yōu)化組合能夠得到更好的干燥效果。因此干燥筒內(nèi)流場分布和溫度分布的研究有助于確定合理的干燥參數(shù)，進一步優(yōu)化干燥工藝。借助CFD數(shù)值模擬和正交試驗相結(jié)合的方法得出在不同風溫、風速和風壓對干燥機內(nèi)部溫度場和流場分布，最終得出影響干燥效果的最優(yōu)參數(shù)。

3.1 滾筒干燥機內(nèi)部溫度場和流場仿真模擬分析

以φ1.4 m×5.6 m滾筒干燥機為模型，進風口的邊界條件設(shè)置為速度進口(Velocity_Inlet)，進風口的熱風溫度設(shè)置為75 ℃[11]；出口邊界為壓力出口(Pressure-Outlet)；除去上述設(shè)置的進口邊界和出口邊界之外的邊界為墻邊界條件。

3.1.1 溫度場分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的溫度場模擬圖如圖3所示。

圖3 X=0 m截面溫度云圖

圖3是滾筒干燥機內(nèi)流體溫度場的分布云圖，從圖可以看出45 ℃的濕物料從進料口進入后和熱風進行接觸。二者之間不斷地發(fā)生著熱交換，熱風的溫度不斷下降，玉米顆粒的溫度逐漸上升，最終兩者之間達到溫度的平衡，實現(xiàn)對糧食干燥的目的。

干燥筒內(nèi)從進口到出口溫度是逐漸降低的，該過程主要分為等速干燥階段和降速干燥階段。物料和熱風在進口接觸，溫度的差異導(dǎo)致在此處必然發(fā)生強烈的熱交換，這一階段為等速干燥階段，緊隨其后的是降速干燥階段。但是在這2個階段之前還存在預(yù)熱階段，其主要為了提升糧食顆粒的溫度、促進糧食顆粒內(nèi)的水分分布均勻、提高干燥筒內(nèi)的環(huán)境溫度。(因為預(yù)熱階段是在玉米顆粒進入干燥筒之前，提升干燥筒內(nèi)的溫度，為后續(xù)階段提供環(huán)境基礎(chǔ)，因此并沒有在設(shè)備圖中反映)

3.1.2 速度場分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的速度場模擬如圖4所示。

圖4 X=0 m截面速度云圖

圖4反映的是氣固兩相流速度場的變化，其變化及分布情況和單相流模擬的情況一致。不同之處在于受到顆粒流速度的影響進口處的速度變化劇烈，所以其Z向橫截面不在文中贅述。

3.1.3 壓力場分析

經(jīng)Fluent求解后得出氣固兩相流的壓力場模擬如圖5所示。

圖5 X=0截面總壓云圖

圖5為氣固兩相的壓力場云圖，其各壓力的變化與單項模擬時候的結(jié)果相似，變化情況沒有明顯區(qū)別。但是由于糧食顆粒溫度和速度的影響導(dǎo)致壓力的變化發(fā)生在進料口附近，壓力值相對減小。

3.2 基于Fluent分析的正交試驗

正交試驗設(shè)計分析方法是目前最通用的分析部分因子設(shè)計的主要方法，是在概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用標準化正交表安排試驗方案，并對結(jié)果進行計算分析，最終迅速找到優(yōu)化方案，是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)計算方法[12]。由于缺乏實際的實驗條件，所以本文在Fluent流體分析的基礎(chǔ)上利用正交分析方法對風溫、風速、風壓3個因素進行分析，找出影響干燥效果的最優(yōu)參數(shù)。

從氣固兩相流模擬的溫度云圖可以看出，當按照設(shè)計計算的邊界條件設(shè)置進行Fluent模擬時，出料口的溫度達到了62.5 ℃，而進口熱風的溫度為75 ℃。此種狀況下，干燥筒內(nèi)的玉米顆粒撞擊容易發(fā)生破碎情況，從而影響玉米的質(zhì)量。所以，糧食干燥時要根據(jù)其具體特點，確定適合的干燥工藝，以保證在干燥時既能提高干燥速率，又能獲得較高的干燥品質(zhì)[13]。

正交試驗方案如表1所示。正文實驗結(jié)果如表2所示。

表1 正交實驗方案

表2 正交實驗結(jié)果

續(xù)表2

試驗號因素ABC出口糧食溫度/℃K147.9547.77552.875K252.6551.551.5K354.12554.8553.2K456.957.552.8主次順序B>A>C優(yōu)水平A1B1C2優(yōu)組合A1B1C2

據(jù)上可得：對玉米干燥效果影響最大的因素是風溫，其次是風速，最后是風壓，3個因素的最優(yōu)水平組合是A1B1C2，即風速7 m/s，風溫60 ℃，風壓2 015 Pa。

4 結(jié)論

本文設(shè)計研發(fā)了玉米清理干燥一體化設(shè)備，對主要部件技術(shù)參數(shù)進行了理論計算，該玉米清理干燥一體化設(shè)備，具有移動方便，適應(yīng)性廣等特點。

通過對干燥筒內(nèi)部溫度場和流場進行了仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果和正交實驗的方法對干燥工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明：對玉米干燥效果的影響最大的因素是風溫，其次是風速，最后是風壓。最優(yōu)效果參數(shù)為：風速：7 m/s，風溫：60 ℃，風壓：2015 Pa。

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