〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

在棉花加工過程中籽棉含水率是非常重要的。籽棉含水率過高會(huì)影響清理或軋花的效果。一些采摘后的籽棉含水率過高，而又不進(jìn)行烘干的情況下，軋花系統(tǒng)將會(huì)因堵塞或設(shè)備損害而停止工作（休斯等人，1994）。（USDA美國農(nóng)業(yè)部）棉花加工實(shí)驗(yàn)室是為了研究如何處理軋花系統(tǒng)中高含水率籽棉而建立的，這項(xiàng)研究的成果是眾所周知的專利設(shè)備——塔式干燥機(jī)（本內(nèi)特，1932）。塔式干燥系統(tǒng)的基本工作方式是：大量的籽棉由熱空氣輸送，從而熱空氣穿過籽棉并且攜帶走多余的水分。塔式干燥機(jī)是非常成功的，以至于其成為籽棉干燥的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，直到今天仍然應(yīng)用在整個(gè)美國產(chǎn)棉地帶。除了塔式干燥機(jī)，從1930年代起為了除去籽棉中的水分，許多干燥系統(tǒng)已先后開發(fā)。當(dāng)棉花通過機(jī)械或氣力輸送穿過籽棉清理設(shè)備時(shí)，這些干燥設(shè)備利用熱空氣去除棉花中的水分。本內(nèi)特（1962），梅菲爾德（1997）和曼吉阿拉迪和安東尼（2004）對其中的許多系統(tǒng)進(jìn)行了回顧。任何干燥系統(tǒng)的目的是去除水分，使籽棉清理更加高效。其它考慮的因素是：1.避免對纖維和棉籽質(zhì)量的不利影響；2.盡量減少設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的額外能量。

干燥系統(tǒng)提供熱空氣（通常帶有風(fēng)機(jī)和燃?xì)鉅t）并在連續(xù)流動(dòng)的基礎(chǔ)上與大量籽棉混合。籽棉通常采用閉風(fēng)閥進(jìn)入到熱空氣流中，也有一些已經(jīng)開發(fā)出來的干燥系統(tǒng)不需要閉風(fēng)閥（例如熱箱式和高速滑移式）。籽棉與熱空氣混合的地方稱為混合點(diǎn)。隨著熱空氣和籽棉混合，通過傳熱從熱空氣中轉(zhuǎn)移到籽棉和蒸發(fā)的水分中（籽棉和蒸發(fā)的水分溫度增加，空氣冷卻）和潛在的傳熱（籽棉水分的蒸發(fā)導(dǎo)致籽棉干燥和空氣冷卻），熱空氣溫度顯著下降。隨著籽棉和空氣不斷流過整個(gè)干燥系統(tǒng)的長度，由于連續(xù)干燥和干燥系統(tǒng)墻板散發(fā)熱量，熱空氣溫度將會(huì)不斷下降（休斯等人，1994）。

塔式干燥機(jī)是在能源價(jià)格低廉且儲量豐富的時(shí)期（威廉等，1986）開發(fā)的（威廉等，1986），利用大量熱空氣干燥和輸送棉花（并流干燥）的干燥系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是有意義的。塔式干燥系統(tǒng)也是非常簡單和可靠的，并且其操作需要較少的維護(hù)。其他早期的籽棉干燥系統(tǒng)也曾嘗試改進(jìn)塔式干燥系統(tǒng)的籽棉干燥性能，但在處理成本方面卻沒有什么改進(jìn)，因?yàn)闆]有什么動(dòng)力去嘗試。近年來，隨著電能和干燥燃料成本的增加，開發(fā)干燥系統(tǒng)的工作也越來越多，并且是簡單的、可靠的，但更有效地利用能源。

威廉等人（1986年）提出了一種逆流式干燥機(jī)，它采用機(jī)械方式將籽棉輸送到逆向流動(dòng)的熱空氣中。干燥機(jī)的基本設(shè)計(jì)是采用14個(gè)旋轉(zhuǎn)的刺釘輥筒，機(jī)械地將籽棉從頂部逆向輸送到熱空氣流中進(jìn)行干燥，然后將干燥的籽棉從輥筒的下部和格條柵的上部穿過。這樣不僅使籽棉得到清理，熱空氣的體積也可以大大減少，因?yàn)樗鼉H用于干燥（導(dǎo)致燃料使用減少），并且較高的熱空氣穿過籽棉的相對速度將會(huì)提升干燥的效率。在混合點(diǎn)上使用93℃（200℉）的熱空氣，單次干燥，實(shí)驗(yàn)?zāi)媪魇礁稍餀C(jī)能夠?qū)⒒爻甭?5%（干基）的籽棉干燥到皮棉平均回潮率8.8%（干基）。該干燥機(jī)能夠使用相對較低溫度的干燥空氣；然而，該干燥機(jī)的設(shè)計(jì)使一些潮濕的籽棉縮短了干燥路徑，導(dǎo)致干燥不均勻。其他研究人員試圖擴(kuò)展威廉等人（1986年）的研究成果，在干燥工藝的最后增加除稈機(jī)，以便更好地清理和減少繞過干燥路徑的籽棉（阿伯內(nèi)西等人，1988年）。但是，由阿伯內(nèi)西等人（1988年）測試的實(shí)驗(yàn)干燥清理機(jī)，從來沒有能夠達(dá)到與當(dāng)時(shí)在用的塔式干燥機(jī)相等的籽棉干燥效率。

在這些實(shí)驗(yàn)室測試之后，對其它非傳統(tǒng)的干燥系統(tǒng)進(jìn)行了評估，這些干燥系統(tǒng)當(dāng)時(shí)正被用于商業(yè)軋花廠。阿伯內(nèi)西等人（1989年）對被稱為高速吹箱式和噴動(dòng)式干燥機(jī)進(jìn)行了評估。軋花廠中測試的每一種干燥系統(tǒng)出現(xiàn)在了不只一道干燥中，其中包括熱空氣傾斜清理式、其它吹箱式和附加的籽棉清理設(shè)備。阿伯內(nèi)西等人的綜合結(jié)論是：1.與其它干燥系統(tǒng)相比，塔式干燥機(jī)有更好的或相同的低溫干燥潛力；2.達(dá)到其他干燥系統(tǒng)的干燥效果，吹箱式干燥系統(tǒng)需要更高的空氣溫度和更多的能量；3.相比其他被測試的干燥系統(tǒng)，噴動(dòng)式干燥系統(tǒng)需要較少的空氣動(dòng)力。

另外，為了根據(jù)前文所述的干燥塔和試驗(yàn)性的非傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)前期測試結(jié)果確定給定干燥系統(tǒng)的干燥效率，阿伯內(nèi)西等嘗試開發(fā)一個(gè)計(jì)算模型。干燥效率是干燥設(shè)備使空氣飽和的能力，并不一定與干燥成本有關(guān)。干燥效率是由下面的方程定義的：

式中：

E—干燥效率（%）；

Mi—初始棉纖維回潮率（%，干基）；

Mf—最終棉纖維回潮率（%，干基）。

Mc—與進(jìn)氣平衡后的棉纖維估算回潮率（%，干基）。

阿伯內(nèi)西等得出的一些一般性結(jié)論（1989年）是：1.干燥效率可以成為評估各種各樣的籽棉干燥機(jī)性能的可靠工具，并且不依賴于空氣溫度；2.塔式干燥機(jī)的干燥效率從53%到68%不等；3.塔式干燥系統(tǒng)相比高速吹箱式或傾斜清理系統(tǒng)更加有效；4.噴動(dòng)式干燥系統(tǒng)取得了合理的干燥效率；5.多轉(zhuǎn)籠式調(diào)濕系統(tǒng)（威廉等，1986年）即便有操作問題，也取得了較好的干燥效率值，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上面提到的在商業(yè)軋花廠現(xiàn)場測試過的干燥機(jī)。這些結(jié)果說明了為什么在原始開發(fā)80年后，塔式干燥機(jī)仍然是軋花廠使用的主要干燥系統(tǒng)之一。然而，他們也表明，考慮到工程參數(shù)的正確選擇，開發(fā)更加高效和經(jīng)濟(jì)的干燥系統(tǒng)的潛力仍然存在。

這篇文章的作者確定，在美國棉花加工行業(yè)中，至少有16種不同種類的籽棉干燥系統(tǒng)在使用中，從塔式干燥系統(tǒng)、改進(jìn)塔式干燥系統(tǒng)到多輥筒式干燥系統(tǒng)。這些不同系統(tǒng)的開發(fā)的部分原因是干燥成本的變化和整個(gè)美國棉花產(chǎn)業(yè)帶不同地區(qū)的干燥需求。瓦爾科等（2009）人指出，美國平均用電成本（部分運(yùn)行的干燥系統(tǒng)）和籽棉干燥機(jī)燃料平均成本分別為3.89美元/包和1.84美元/包。然而，不同的地區(qū)，用電成本從東南部的3.47美元/包到西部的5.13美元/包不等。同樣地，籽棉干燥燃料成本產(chǎn)品從南部的1.70美元/包到西部的3.21美元/包不等。考慮到每個(gè)軋季平均軋花重量29 000包，每包成本的差異（從2007年的最新調(diào)查來看）表現(xiàn)出總能源成本的顯著差異。能源成本繼續(xù)上升，目前的能源成本（現(xiàn)在是2011年），在其他因素如天氣和生長季節(jié)相同的情況下，都將更高。

不論什么樣的干燥系統(tǒng)應(yīng)用在多么特殊的軋花廠，一種有效的操作方法是系統(tǒng)控制要有合適的位置和溫度設(shè)置。美國農(nóng)業(yè)和生物工程師學(xué)會(huì)（ASABE）已經(jīng)制定了一個(gè)關(guān)于籽棉干燥系統(tǒng)的加熱控制器的安裝位置和溫度設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)（ASABE標(biāo)準(zhǔn)，2010）。該標(biāo)準(zhǔn)建議對加熱器使用兩個(gè)溫度控制傳感器，主溫度傳感器置于籽棉和熱空氣混合后（混合點(diǎn)的下游）的氣流中，最大溫度控制傳感器置于混合點(diǎn)前（混合點(diǎn)上游）。為了確定主傳感器的位置，該標(biāo)準(zhǔn)將籽棉干燥系統(tǒng)分為四種類型，包括：1.塔式干燥系統(tǒng)；2.機(jī)械輸送式干燥系統(tǒng)；3.吹箱式或無塔式干燥系統(tǒng)；4.噴動(dòng)式或其他短時(shí)干燥系統(tǒng)。

主傳感器的目的是使系統(tǒng)能夠?qū)ψ衙蘖髁康淖兓妥衙匏值淖兓龀龇磻?yīng)，從而使籽棉清理和軋花獲得更加均勻的水分（休斯等，1994）。例如，如果其中一個(gè)軋花機(jī)不工作或發(fā)生堵塞，那么籽棉流量就會(huì)減少，而混合點(diǎn)后的溫度會(huì)上升，除非主傳感器在恰當(dāng)?shù)奈恢靡员３挚諝鉁囟群愣?。這就防止了籽棉過度干燥，并且減少軋花和皮棉清理對棉纖維的損傷。該標(biāo)準(zhǔn)允許軋花工人選擇任何水平的主控制器溫度設(shè)置，以達(dá)到最好的效果；然而，主溫度傳感器的位置是由標(biāo)準(zhǔn)指定的。

最大溫度的控制對于限制熱空氣的溫度是必要的，從而避免了系統(tǒng)中籽棉的燒焦和點(diǎn)燃的可能性（倫納德，1964和格里芬，1977）。他們指出，棉纖維有時(shí)會(huì)在232℃（450°F）下焦化和變色，并且總是在260℃（500°F）下焦化。關(guān)于火災(zāi)，棉花有時(shí)會(huì)在232℃（450°F）下長時(shí)間暴露后點(diǎn)燃，并在288℃（550°F）溫度下瞬間點(diǎn)燃。暴露在高干燥溫度下也會(huì)增加棉纖維的脆性。ASABE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大溫度傳感器設(shè)置為177℃或更低，并且最大溫度傳感器的位置在混合點(diǎn)上游的3 m或小于3 m。

多年實(shí)地研究的開展，對目前在美國軋花行業(yè)使用的籽棉干燥系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)測，并記錄干燥系統(tǒng)的控制位置，以及所有相關(guān)的籽棉控制系統(tǒng)和操作參數(shù)。

一、目的

本研究的目的是檢查被選定的軋花廠使用的空氣溫度控制系統(tǒng)，從而確定自愿標(biāo)準(zhǔn)遵從性，確定不同干燥機(jī)類型的氣流流量和壓力損失的常見范圍，并確定干燥的空氣能量需求，對不同的干燥系統(tǒng)每包的能源利用和系統(tǒng)干燥效率。

二、材料和方法

在德克薩斯州軋花廠協(xié)會(huì)奧斯汀和加利福尼亞州軋花廠、棉農(nóng)協(xié)會(huì)弗雷斯諾的幫助下，合作的軋花廠定于德克薩斯州、新墨西哥州、亞利桑那州及加利福尼亞州的圣華金河谷。這23個(gè)軋花廠包括16個(gè)鋸齒軋花廠、5個(gè)皮輥軋花廠和2個(gè)鋸齒皮輥混合軋花廠，這些廠是基于自愿合作和干燥系統(tǒng)的類型而被選擇的，所以盡可能多的干燥系統(tǒng)將會(huì)被調(diào)查。在2007年、2008年、2009年和2010年軋花季期間，現(xiàn)場調(diào)查了23個(gè)廠的73個(gè)干燥機(jī)。這73個(gè)干燥系統(tǒng)被分成15種類型（表1）。在某些情況下，兩個(gè)干燥系統(tǒng)共享同一燃?xì)鉅t的所有加熱空氣。收集的數(shù)據(jù)包括：清理道數(shù)、溫度控制設(shè)置和位置、氣流流量、軋花速率、產(chǎn)量、空氣與籽棉比率和每臺干燥機(jī)的壓力損失，同樣包括干燥前后的水分含量。

通過干燥系統(tǒng)的氣流由軋花季之前在軋花廠測量或者在氣流管道中間通過比托管測量決定。皮棉產(chǎn)量通過軋花記錄獲得。軋花速率（每小時(shí)包數(shù)）是根據(jù)在不發(fā)生斷流時(shí)大約0.5 h～2 h的時(shí)間內(nèi)加工的棉包數(shù)量確定。下面的公式是為了通過氣流流量、皮棉產(chǎn)量及軋花速率來計(jì)算輸送用空氣的體積和籽棉質(zhì)量的比率，假設(shè)使用的棉包重量是227 kg（500磅）：

式中：

RatioAir：SeedCotton—?dú)饬鞯捏w積流量與籽棉質(zhì)量流量的比值（m3/kg的籽棉，ft3/lb的籽棉）；

Airflow—籽棉輸送氣流的流量（m3/s或ft3/min）；

Turnout—在給定籽棉時(shí)的皮棉產(chǎn)量（%）（衣分率）；

C1—單位轉(zhuǎn)換系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)國際單位取6.31，美國常用標(biāo)準(zhǔn)單位取833.3）；

RateGinning—包重227 kg或500 lb時(shí)，每小時(shí)包數(shù)。

其他數(shù)據(jù)記錄包括空氣溫度控制的位置和它們的設(shè)置值、從管道到干燥設(shè)備進(jìn)口的過度管道的尺寸、熱源形式和穿過干燥設(shè)備的壓力損失，同樣包括此后所述的含水率。在貝克（2008）和貝克（2009）中可以發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)。

在每次實(shí)驗(yàn)中，每15分鐘采集一次大約60 g（0.13 lb）的籽棉樣品，其中兩份來自棉?；蛎弈５奈沽陷斔蛶?，另外兩份來自軋花機(jī)或軋花機(jī)的溢流棉箱。收集到的籽棉樣品在收集后五分鐘之內(nèi)稱重。在干燥前后收集的每一分樣品中，有兩份被儲存并運(yùn)到位于新墨西哥州麥色拉公園的美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究局（ARS）西南棉花加工研究實(shí)驗(yàn)室，并采用改良的Shepherd烘箱法干燥（Shepherd，1972）。其它的棉樣采手工清理并稱重后，立即在40 cm（16英寸）的小型便攜式皮輥軋花機(jī)上加工。棉樣軋花后得到的棉籽被收集、稱重和儲存后運(yùn)送到美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究局（ARS）的西南棉花加工研究實(shí)驗(yàn)室烘箱干燥。由于皮棉的含水率變化較快，棉樣軋花后得到的皮棉被丟棄。下面的公式是為了從籽棉含水率、棉籽含水率及初始籽棉樣品和棉籽樣片重量計(jì)算棉樣中皮棉含水率：

式中：

MC—指定的皮棉、棉籽或籽棉含水率（濕基）；

WT—指定的以g為單位的棉籽或籽棉的重量。

輸送用空氣比能被定義為加工單位皮棉，籽棉輸送氣流中包含的能量；但是，對于帶式和大傳筒式干燥機(jī)，由于這些系統(tǒng)中的籽棉采用機(jī)械式輸送，所以它是熱空氣流中的能量。值得注意的是，這僅僅是空氣流中的能量，并不包括任何額外的運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的機(jī)械能，例如帶式、傳筒式、立式、熱空氣清理式、高速滑移式或熱箱式干燥機(jī)。輸送用空氣比能采用該公式計(jì)算：

式中：

EnergyAir—加工單位質(zhì)量皮棉消耗的空氣流的能量（kJ/kg或Btu/bale）；

C2—單位轉(zhuǎn)化系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)國際單位取3600，美國常用標(biāo)準(zhǔn)單位取0.000158）；

Airflow—籽棉輸送空氣體積流量（m3/s或ft3/min）；

ΔP—穿過干燥塔的壓力損失（kPa或in.w.c.）；

RateGinning—每小時(shí)加工皮棉的質(zhì)量（kg或每包500 lb）。

表1 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間軋花干燥系統(tǒng)中觀察到的干燥設(shè)備類型的定義

系統(tǒng)干燥輸送用空氣能量是每一個(gè)軋花干燥系統(tǒng)輸送空氣比能量之和來計(jì)算的。我們需要注意，當(dāng)籽棉流分流時(shí)，為確保整個(gè)籽棉流動(dòng)被考慮在內(nèi)，對于這些干燥設(shè)備輸送空氣的能量增加了一倍或兩倍。

燃料使用是給定的干燥系統(tǒng)干燥棉花需要燃料的總和。燃料使用定義為通過燃料燃燒空氣增加的熱量除以籽棉流中去除的水分的量。燃料燃燒放出的熱量是通過空氣溫升、空氣流量和空氣密度、空氣比熱的和單位轉(zhuǎn)換的系數(shù)相乘來計(jì)算的（標(biāo)準(zhǔn)國際單位取1.21，美國常用標(biāo)準(zhǔn)單位取1.08）。

式中：

Heat—通過燃料的燃燒空氣增加的熱量（kJ或Btu）；

C3—單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，包含空氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下比熱和密度（標(biāo)準(zhǔn)國際單位取1.21，美國常用標(biāo)準(zhǔn)單位取1.08）；

Airflow—籽棉輸送的氣流體積流量（m3/s或ft3/min）；

ΔT—?dú)饬鞯臏囟炔睿ā婊颞H）。

利用籽棉水分含量的變化（干基）和絕對干籽棉物料質(zhì)量流量之積，計(jì)算去除水分的質(zhì)量。

式中：

ΔM—從籽棉中除去的水分的質(zhì)量（kg/h或lb/h）；

SeedCottonFlowdm—絕對干籽棉物料質(zhì)量流量（kg/h或lb/h）；

mci—初始籽棉回潮率（%，干基）；

mcf—最終籽棉回潮率（%，干基）。

三、結(jié)果與討論

（一）溫度控制

在調(diào)查的73臺干燥機(jī)中，有54個(gè)獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)在使用中。并不是所有的干燥機(jī)都有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，因?yàn)橐恍┫到y(tǒng)（總共16個(gè)）串聯(lián)起來一起使用，并且三管式干燥系統(tǒng)使用的空氣是從之前的干燥系統(tǒng)中過濾后的。串聯(lián)起來一起使用的系統(tǒng)包括：首先是熱箱式、高速滑移式或者管道式干燥塔，緊隨其后的是熱空氣清理式、豎直流式、噴射流式或一些塔式和對撞式干燥機(jī)。許多軋花廠經(jīng)營者在干燥機(jī)上沒有采用推薦的雙重溫度控制系統(tǒng)。總的來說，48%的被調(diào)查的干燥機(jī)遵循了對熱源采用雙重溫度控制系統(tǒng)（包括主控和最大溫度控制）的推薦（表2）。只有主溫度控制的干燥機(jī)占總數(shù)的26%，并且只有最高溫度控制的干燥機(jī)也占總數(shù)的26%。干燥是否置于任何清理之前（一道清理）或某道清理之后（二道或三道清理），幾乎沒有什么區(qū)別。管道式、高速滑移式及噴動(dòng)和對撞式干燥機(jī)相比整體情況下遵循推薦的比例更高，然而，塔式、熱擱板式、帶式和大傳筒式干燥機(jī)相比整體情況下遵循推薦的比例較低。最大溫度控制傳感器都位于干燥空氣和籽棉混合點(diǎn)之前的3 m（10 ft）之內(nèi)。主溫度控制傳感器設(shè)置于混合點(diǎn)之后的3-50 m（10 to 164 ft）之間的距離上。

表2 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間觀察到的軋花干燥設(shè)備中溫度控制系統(tǒng)的概要[a]

[a]每種干燥機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)量（百分比）。需要注意的是，由于大容量塔式干燥機(jī)、立式干燥機(jī)、熱風(fēng)清理式干燥機(jī)和噴射流式干燥機(jī)，它們總是直接跟隨另一個(gè)控制的干燥機(jī)而運(yùn)轉(zhuǎn)，所以沒有列出。[b]NA-沒有對應(yīng)情況的調(diào)研。

最高溫度控制器的設(shè)定值從52℃到232℃（126°F 到 450°F）（表3）。39個(gè)最大溫度控制（13%）中有5個(gè)超過了177℃（350°F）的最大溫度設(shè)置，僅有一個(gè)超過了204℃（400°F）。主控制的溫度設(shè)定值從38℃到176℃（100°F到348°F）。橫流式和高速滑移式干燥機(jī)相比其他干燥機(jī)往往需要更高的溫度設(shè)定；然而，為了適應(yīng)不同的初始含水率和其他干燥參數(shù)，總的來說溫度設(shè)定有很大的差異。就絕大部分而言，軋花廠經(jīng)營者似乎遵循了溫度控制的設(shè)定的建議。雖然有少數(shù)為了達(dá)到更干燥的程度，稍微超過了推薦值，但是只有一個(gè)（橫流式干燥機(jī)）看起來嚴(yán)重超過了推薦值。

（二）氣流

總體上，干燥機(jī)內(nèi)輸送每千克籽棉的氣流流量平均為1.6 m3，氣流流量范圍是0.3 m3/kg-3.2 m3/kg（平均：26 ft3/lb，范圍：輸送每磅籽棉的空氣流量5-51 ft3/lb）（表4）。帶式和傳筒式干燥機(jī)的氣流流量最低，分別是0.34 m3/kg和0.72 m3/kg（5和12 ft3/lb）。熱擱板式干燥機(jī)氣流流量平均是1.1 m3/kg（17 ft3/lb）。噴射式、管道式、熱箱式、熱風(fēng)清理式和短塔式干燥機(jī)的平均氣流流量是1.4-1.5 m3/kg（23-25 ft3/lb）。立式和標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的平均氣流流量是1.8 m3/kg（28-29 ft3/lb）。橫流式、高速滑移式、對撞式和噴動(dòng)式干燥機(jī)氣流流量平均是1.9-2.1 m3/kg（30-33 ft3/lb）。平均氣流流量最高的是大容量塔式干燥機(jī)，其平均氣流流量值為2.8 m3/kg（46 ft3/lb）。

表3 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間觀察到的軋花干燥設(shè)備中溫度控制系統(tǒng)設(shè)置的概要列出的是每個(gè)類別的攝氏溫度設(shè)置范圍

[a]NA-沒有對應(yīng)情況的調(diào)研。[b]最上面的一行是一道籽棉清理階段的干燥機(jī)，下面的一行是二道或三道籽棉清理階段中使用的干燥機(jī)。

表4 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間調(diào)查的73臺棉花干燥設(shè)備的空氣流量和壓力損失的測量均值和范圍

[a]m3/kg-輸送每千克籽棉的空氣的立方米數(shù)。[b]靜壓力。[c]NA-沒有對應(yīng)情況的調(diào)研。

40個(gè)一道干燥機(jī)的平均氣流流量（1.7 m3/kg或27 ft3/lb）相比33個(gè)二道和三道干燥機(jī)（1.5 m3/kg或23.7 ft3/lb）的平均氣流流量高出14%。大多數(shù)干燥機(jī)類型和整體平均水平都是如此，例外是二道干燥的熱擱板式和高速滑移式干燥機(jī)略高。噴動(dòng)式干燥機(jī)一道和二道干燥的氣流流量分別是3.2和0.92 m3/kg（51和15 ft3/lb），一道干燥相比二道干燥要高出三倍以上。在噴動(dòng)式干燥機(jī)中，需要高速氣流才能將濕棉花注射到干燥機(jī)有效距離內(nèi)。

（三）壓力損失

在調(diào)查過程中，遇到的壓力損失的范圍較大，所有干燥機(jī)的平均壓力損失1.6 kPa（6.4英寸水柱），但從0.2到4.5 kPa（0.8到18英寸水柱）（表4）。帶式干燥機(jī)的壓力損失為0.2 kPa（0.8英寸水柱）。橫流式、熱空氣清理式和立式干燥機(jī)的平均壓力損失為0.5-0.6 kPa（1.9-2.5英寸水柱）。傳筒式和熱箱式干燥機(jī)的平均壓力損失是0.8 kPa（3.2和3.4英寸水柱）。對撞式和大容量塔式干燥機(jī)的平均壓力損失為1.0和1.2 kPa（4.1和4.7英寸水柱）。噴射式和噴動(dòng)式干燥機(jī)的平均壓力損失為1.4 kPa（5.6和5.7英寸水柱）。短塔式、熱擱板式和高速滑移式干燥機(jī)平均壓力損失為1.7-1.8 kPa（6.7-7.4英寸水柱）。管道式干燥機(jī)的平均壓力損失為2.0 kPa（8.1英寸水柱）。如預(yù)期的那樣，標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的平均壓力損失是4.2 kPa（17英寸水柱），是其他任何干燥機(jī)的兩倍多。由于與其他干燥機(jī)類型相比，管道式干燥機(jī)的長度和配置變化較多，所以其壓力損失變化最大，變化范圍在1.0-3.7 kPa（3.9-15英寸水柱）。短塔式干燥機(jī)也有相當(dāng)多的變化；然而，其中兩種被轉(zhuǎn)變成熱擱板式干燥機(jī)，并且這兩臺干燥機(jī)在短塔式干燥機(jī)中壓力損失最小，這是由于熱擱板式干燥機(jī)中用于改變籽棉流動(dòng)方向的彎道相比典型的短塔式干燥機(jī)有更大的半徑。忽略這兩臺干燥機(jī)，短塔式干燥機(jī)的平均壓力損失變?yōu)?.8 kPa（7.4英寸水柱），而總體的壓力損失平均值為1.7 kPa（6.7英寸水柱），變化范圍為1.1-2.7 kPa（4.5-1.1英寸水柱）。由于隔層數(shù)量的減少（轉(zhuǎn)向次數(shù)和流動(dòng)距離）和隔層間尺寸的增加，短塔干燥機(jī)的壓力損失損失顯著降低。

對于高速滑移式干燥機(jī)，八臺干燥機(jī)中有六臺干燥機(jī)有很長的熱空氣入口管道，其正好在同樣長的籽棉和干燥空氣出口管道的下方（通常被稱為大J干燥機(jī)）。這6個(gè)高速滑移式干燥機(jī)的平均壓力損失為2.2 kPa（8.7英寸水柱），而整體壓力損失平均值1.8 kPa（7.4英寸水柱），變化范圍為2.0-2.4 kPa（7.9-9.5英寸水柱）。其他兩個(gè)則是沒有進(jìn)口和出口管道，但是包括由避風(fēng)閥喂料的流量減速裝置。這兩個(gè)高速滑移式干燥機(jī)的平均壓力損失是0.8 kPa（3.3英寸水柱），變化范圍是0.77-0.84 kPa（3.1-3.4英寸水柱）。兩個(gè)熱擱板式干燥機(jī)其中之一的安裝高度被縮短了兩層隔板的距離，其壓力損失是1.5 kPa（6.0英寸水柱），從而相比壓力損失為2.0 kPa（8.2英寸水柱）的標(biāo)準(zhǔn)高度的熱擱板式，其壓力損失更低。

一道干燥的平均壓力損失1.4 kPa（5.5英寸水柱），相比二道和三道干燥的平均壓力損失1.9 kPa（7.5英寸水柱）的差異的主要原因是每道干燥所使用的干燥機(jī)類型，所有壓力損失較低的熱箱式和熱風(fēng)清理式干燥機(jī)在一道干燥中使用，大多數(shù)的壓力損失較大的標(biāo)準(zhǔn)塔式塔式和管道式干燥機(jī)在二道和三道干燥中使用。

（四）輸送用空氣比能

輸送用空比能范圍同樣廣泛，其平均值為7.7 kJ/kg（加工單位質(zhì)量皮棉）（0.64 hp-h/bale，每包皮0棉中500 lb），但是范圍是 0.21-28.1 kJ/kg（0.017-2.33 hp-h/bale）（表5）。由于低風(fēng)速和低壓力損失，帶式干燥機(jī)需要最少的輸送能量，其值為0.21 kJ/kg（0.017 hp-h/bale）（表5）。大傳筒式、熱空氣清理式和橫流式干燥機(jī)的平均值為1.7-2.7 kJ/kg（0.14-0.22 hp-h/bale）。立式、熱箱式和熱擱板式平均值為 3.4-4.6 kJ/kg（0.28-0.38 hp-h/bale）。對撞式、噴射式、短塔式和管道式干燥機(jī)平均值為6.3-8.7 kJ/kg（0.52-0.72 hp-h/bale）。噴動(dòng)式、高速滑移式和大容量式干燥機(jī)平均值為9.7-10.8 kJ/kg（0.80-0.89 hp-h/bale）。最高的是標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)，平均值為21.4 kJ/kg（1.77 hp-h/bale），幾乎是其它干燥機(jī)的兩倍。

管道式干燥機(jī)輸送用空氣的能量變化最大，主要是由于長度的變化，變化范圍是4.7-20.2 kJ/kg（0.39-1.67 hp-h/bale）。輸送能量與管道式干燥機(jī)的系統(tǒng)長度有顯著的相關(guān)性（r=0.92）。短塔干燥機(jī)也有相當(dāng)大的變化；然而，其中兩個(gè)是被轉(zhuǎn)變成熱擱板式干燥機(jī)，并且在短塔式干燥機(jī)中這兩個(gè)的輸送能量是最少的，這主要是由于之前討論的壓力損失降低。這兩臺干燥機(jī)輸送用空氣比能平均為3.6 kJ/kg（0.30 hp-h/bale），而其余9臺短塔式干燥機(jī)的輸送用空氣比能平均為9.9 kJ/kg（0.82 hp-h/bale），范圍是從 5.9-18.2 kJ/kg（0.49-1.51 hp-h/bale）。一道干燥的噴動(dòng)式干燥機(jī)相比二道噴動(dòng)式干燥機(jī)的輸送用空氣比能要大得多，其值分別為15.9 kJ/kg（1.32 hp-h/bale）和3.3 kJ/kg（0.27 hp-h/bale），這主要是因?yàn)檫@兩個(gè)干燥機(jī)的氣流流量有很大的差異。對于高速滑移式干燥機(jī)，八臺中有六臺是大J干燥機(jī)。這六臺干燥機(jī)的輸送用空氣比能平均為11.5 kJ/kg（0.95 hp-h/bale），而整體平均值為 9.8 kJ/kg（0.81 hp-h/bale）。這六臺大J型高速滑移式干燥機(jī)的輸送用空氣比能范圍是 7.6-19.7 kJ/kg（0.63-1.63 hp-h/bale）。另外兩臺則是沒有入口和吃口管道系統(tǒng)，而是由由避風(fēng)閥喂料的流量減速裝置。這兩臺干燥機(jī)的輸送用空氣比能平均為4.7 kJ/kg（0.39 hp-h/bale），其范圍是4.0-5.4 kJ/kg（0.33-0.45 hp-h/bale），相比六臺大J型高速滑移式干燥機(jī)的平均水平低59%。

表5 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間調(diào)查的73臺棉花干燥設(shè)備的輸送用空氣比能均值和范圍

（五）系統(tǒng)干燥空氣的能量

每個(gè)軋花廠系統(tǒng)干燥空氣的能量變化范圍也很廣泛，平均值為28.0 kJ/kg（加工單位質(zhì)量皮棉）（2.32 hp-h/bale），但范圍是2.8-80.6 kJ/kg（0.23-6.67 hp-h/bale）（表6）。每個(gè)軋花廠的所有干燥設(shè)備的測量值與該軋花廠的每一種干燥機(jī)類型的平均計(jì)算值的總和相比較，值與值之間有很高的相關(guān)性（r=0.92）。因此，輸送用空氣能量需求較高的干燥系統(tǒng)（例如標(biāo)準(zhǔn)塔式、大容量塔式、高速滑移式和管道式（長度超過15m或50ft）），系統(tǒng)干燥空氣的能量需求就高，尤其是軋花廠中有兩個(gè)或更多個(gè)這些類型的干燥設(shè)備。

表6 2007-2010秋季軋花干燥調(diào)研期間調(diào)查的23個(gè)棉花干燥系統(tǒng)輸送用空氣比能、燃料使用和干燥效率

[a]標(biāo)粗的是現(xiàn)場調(diào)研的帶有熱量增加的干燥系統(tǒng)。[b]基于包重227kg。

（六）燃料的使用

燃料的使用與氣流流量和溫升呈正相關(guān)（分別為r=0.58和0.59）。因此，高氣流流量和/或高溫的系統(tǒng)比其他系統(tǒng)使用更多的燃料。去除每千克水分的附加熱量均值為19.7 MJ（MJ/kg）（每磅水分的附加熱量是 8470 Btu），范圍是 8.89-40.45 MJ/kg（3820-17390 Btu/lb），最大值與最小值之間的差值為4倍。噴動(dòng)式和對撞式干燥系統(tǒng)有良好的、較低的附加熱值，平均為10.8 MJ/kg，其是總體平均值的55%，這是由于它們通過使用“skimmer”（漏勺）重復(fù)利用干燥空氣。帶式、傳筒式、噴射式和熱氣流清理式干燥系統(tǒng)的附加熱值也較低，平均值為的13.0 MJ/kg，其是總體平均值的66%，這是由于低空氣流量和干燥空氣與籽棉接觸時(shí)間較長。高速滑移式干燥系統(tǒng)的附加熱均值接近19.1 MJ/kg（8210 Btu）或總體平均值的97%。橫流式和大容量塔式干燥系統(tǒng)的附加熱值較高，平均為34.1 MJ/kg（14640 Btu/lb），其是總體平均值的173%，這是由于這些干燥系統(tǒng)使用的溫度和氣流流量相比其他普遍使用的干燥機(jī)類型較高。剩余的干燥系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)塔式、短塔式、熱擱板式、立式、管道式和熱箱式）的附加熱值差別較大，很難分類。

為了將熱附加值正確地以每包為單位，并達(dá)到比較的目的，必須設(shè)置初始和最終水分含量，并提供產(chǎn)量值（衣分率）。假設(shè)籽棉的初始回潮率11.1%，最終回潮率8.7%，均為干基，衣分率為34.5%，每包去除13.5 kg（31.5lb）的水分。在這些條件下，最低熱附加值9.0 MJ/kg時(shí)將使用129 MJ/bale（122 000 Btu/bale），這相當(dāng)于 5.15 L（1.36 gal）的液化石油氣。在同樣條件下，最高熱附加值39.0 MJ/kg時(shí)將使用558 MJ/bale（528 000 Btu/bale），這相當(dāng)于22.2 L（5.87 gal）液化石油氣，相當(dāng)于效率更高的干燥系統(tǒng)的四倍。

（七）系統(tǒng)干燥效率

系統(tǒng)的干燥效率與棉纖維初始回潮率呈正相關(guān)（r=0.58）。因此，干燥初始回潮率高的棉纖維時(shí)，干燥系統(tǒng)具有較高的干燥效率。系統(tǒng)干燥效率的平均值46%和范圍是26%-67%。由于系統(tǒng)干燥效率受初始回潮率的影響，為了便于分析，干燥系統(tǒng)分成兩組，初始回潮率低于9.0%的干燥系統(tǒng)和初始回潮率高于9.0%的干燥系統(tǒng)。低回潮率的系統(tǒng)的平均系統(tǒng)干燥效率為37.9%，而高回潮率的系統(tǒng)的平均系統(tǒng)干燥效率為51.6%。正常工作的干燥系統(tǒng)的數(shù)量（測試過程中有附加熱量）與高初始棉纖維回潮率的干燥系統(tǒng)的干燥效率呈正相關(guān)（r=0.57），但對于那些低初始回潮率的干燥系統(tǒng)（r=-0.22）則不是這樣。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥系統(tǒng)是使用中最有效的系統(tǒng)之一。干燥效率是干燥系統(tǒng)使干燥空氣飽和的能力，并不一定與干燥成本有關(guān)。

（八）總結(jié)與結(jié)論

2007年、2008年、2009年和2010年的軋花季節(jié)，在德克薩斯州、新墨西哥州、亞利桑那州和加州圣華金河谷的23個(gè)軋花廠進(jìn)行了實(shí)地考察。被調(diào)查的干燥系統(tǒng)被分為15中類型：標(biāo)準(zhǔn)塔式、短塔式、熱擱板式、大容量塔式、帶式、傳筒式、立式、熱風(fēng)清理式、管道式、橫流式、熱箱式、高速滑移式、噴射式、噴動(dòng)式和對撞式干燥系統(tǒng)。這73臺干燥機(jī)有54個(gè)不同的溫度控制系統(tǒng)。收集的數(shù)據(jù)包括：清理階段、溫度控制設(shè)置和安裝位置、空氣流流量、軋花速率、產(chǎn)量和每臺干燥機(jī)的壓力損失，以及干燥前后的回潮率。計(jì)算了每臺干燥設(shè)備的空氣籽棉混合比和輸送用空氣能量。計(jì)算了每個(gè)軋花廠的干燥系統(tǒng)的干燥空氣能量、燃料使用指數(shù)和系統(tǒng)干燥效率。

四、結(jié)論包括

1.48%的干燥機(jī)采用了美國農(nóng)業(yè)和生物工程師學(xué)會(huì)（ASABE）推薦的雙重溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，26%的干燥機(jī)只有一個(gè)主溫度控制，26%的干燥機(jī)只有最高的溫度控制。

2.所有現(xiàn)有的最大溫度控制都位于混合點(diǎn)之前的3 m（10 ft）之內(nèi)或更短。主溫度控制的位置在混合點(diǎn)之后的3-50 m（10-164 ft），其中一些比推薦的更遠(yuǎn)離混合點(diǎn)。

3.如推薦的，87%的最高溫度控制設(shè)定值在177℃（350°F）或更少。

4.氣流流量一般在建議的范圍之內(nèi)。帶式和大傳筒式干燥機(jī)的氣流流量最低，其次分別是熱擱板式、噴射式、管道式、熱箱式、熱風(fēng)清理式、短塔式、立式、標(biāo)準(zhǔn)塔式、橫流式、高速滑移式、對撞式和噴動(dòng)式，然后是大容量塔式干燥機(jī)。

5.一道干燥的氣流流量比二道和三道干燥要高一些。一道干燥的噴動(dòng)式干燥機(jī)的氣流流量比二道干燥的噴動(dòng)式干燥機(jī)的要大得多。

6.帶式干燥機(jī)的壓力損失最小，其次分別是橫流式、熱風(fēng)清理式、立式、大傳筒式、熱箱式、對撞式、大容量塔式、噴射式、噴動(dòng)式、短塔式、熱擱板式、高速滑移式、管道式和標(biāo)準(zhǔn)塔式。標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的壓力損失是其他任何干燥機(jī)的兩倍以上。

7.管道式、短塔式和高速滑移式干燥機(jī)的單位壓力的壓力損失變化最大。

8.一道干燥的壓力損失低于二道和三道干燥，主要是因?yàn)槊康栏稍锏母稍餀C(jī)類型不同。

9.由于低氣流流量和低壓力損失，帶式干燥機(jī)需要的輸送用空氣的能量最低，其次分別是大傳筒式、熱風(fēng)清理式、橫流式、立式、熱箱式、熱擱板式、對撞式、噴射式、短塔式、管道式、噴動(dòng)式、高速滑移式、大容量塔式和標(biāo)準(zhǔn)塔式。

10.管道式干燥器輸送用空氣能量具有較高的可變性，主要是因?yàn)閱蝹€(gè)干燥單元的長度的變化。輸送用空氣的能量與管道式干燥機(jī)的長度有顯著的相關(guān)性（r=0.92）。短塔式和高速滑移式干燥機(jī)也有顯著的變化。

11.每個(gè)軋花廠系統(tǒng)干燥空氣的能量分布廣泛。每個(gè)軋花廠的所有干燥系統(tǒng)消耗總能量與該廠內(nèi)每種干燥機(jī)類型的計(jì)算平均值的總和相關(guān)。

12.燃料的使用與氣流流量和溫度上升呈正相關(guān)。

13.帶有噴動(dòng)式和對撞式干燥機(jī)的系統(tǒng)燃料使用良好，具有較低燃料使用值（占總體提平均水平的55%），因?yàn)樗鼈冎貜?fù)使用了干燥空氣。

14.帶有帶式、大傳筒式、噴射式和熱風(fēng)清理式干燥機(jī)的系統(tǒng)也具有較低的燃料使用值（占總體平均水平的66%），原因是氣流流量較低，以及籽棉接觸干燥空氣的時(shí)間較長。

15.相比其他通常使用的干燥機(jī)，帶有橫流式和大容量塔式的干燥系統(tǒng)使用了較高的溫度和大的氣流流量，所以其具有較高的燃料使用值（占總體提平均水平的173%）。

16.系統(tǒng)干燥效率與初始棉纖維回潮率呈正相關(guān)（r=0.58）。帶有標(biāo)準(zhǔn)塔式干燥機(jī)的系統(tǒng)是在用干燥系統(tǒng)中最有效的系統(tǒng)之一。

17.在測試時(shí)，正常工作中的干燥系統(tǒng)的數(shù)量與高初始回潮率的干燥系統(tǒng)的系統(tǒng)干燥效率呈正相關(guān)（r=0.57），但對于那些初始回潮率低的干燥系統(tǒng)（r=0.22）則不是這樣。

致謝

非常感謝凱利·格林、德克薩斯州棉花軋花廠協(xié)會(huì)、羅杰·艾森、凱西·克里默、加利福尼亞州棉農(nóng)和軋花工人協(xié)會(huì)的幫助以及在尋找合作的軋花廠的過程中馬丁·邁赫納、塞繆爾·杰克遜公司、羅斯·盧瑟福、拉瑪斯公司以及約翰·法比安、金博爾棉花加工機(jī)械的幫助。同時(shí)感謝合作的軋花廠的幫助以及保羅·德爾加多和科克·、技術(shù)人員協(xié)助數(shù)據(jù)收集。