鄭 菲，駱恒光，肖雄峰，李長友

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

作為世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費國，我國2017年糧食總產(chǎn)量達到6.18億t，但目前糧食干燥機械化程度僅為18.2%[1]，糧食干燥機械化需求迫切。我國糧食種類多，地區(qū)間差異大，中原及南方糧食收獲期氣溫較高，高濕糧食不耐儲存，極易發(fā)芽霉變，因處理工藝方法及處理技術導致的糧食質量和數(shù)量損失都很大。在東北等高寒地區(qū)，收獲的高濕糧食絕大多數(shù)是露天場地暫存，鼠害及雨雪導致的損失也很嚴重。據(jù)農(nóng)業(yè)部調研測算，因產(chǎn)后處置不當農(nóng)戶每年損失糧食7%～11%[2]。因此，緊密結合糧食產(chǎn)地區(qū)域特征及農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，設計優(yōu)質、高效的糧食干燥裝備，并采用適應產(chǎn)業(yè)需求的技術模式，是解決這些問題的重要環(huán)節(jié)。

大量研究表明：與傳統(tǒng)干燥相比，紅外干燥具有均勻和高效的優(yōu)勢，但由于目前應用于糧食干燥機上輻射源為電能，輻射能轉換效率低，能量消耗較高，同時由于紅外輻射的直射和反射特性，物質被照射部分升溫快而沒有照射部分升溫慢，導致目前應用于粗大或堆積物料的大批量糧食干燥時效果不理想[3-7]。

本文基于干燥系統(tǒng)熱能結構的分析及客觀能勢的利用[8-10]，設計了一種紅外熱輻射、引風逆混流多場協(xié)同干燥系統(tǒng)。按照遠紅外→提質、提速→強化傳熱→引風→降壓→局部閃蒸→糧食降溫→質量保護的設計理念，采用雙干燥主塔聯(lián)機的形式形成干燥裝備，并運用單機與聯(lián)機作業(yè)的技術模式，實現(xiàn)了糧食干燥環(huán)節(jié)的優(yōu)質、高效和低耗。

1 干燥勢場及熱能結構分析

自然界中的能量形式不同，其所含的火用也不同。不同類型和數(shù)量的能量作用在不同的環(huán)境和系統(tǒng)中，產(chǎn)生的效果也有明顯差異。干燥過程是火用傳遞的過程，糧食內(nèi)水分的遷移伴隨著一定數(shù)量的能量遷移。糧食利用空氣介質干燥時，其火用的形式分為客觀火用和主觀火用，主要體現(xiàn)在其干燥勢場來源和性質的不同?？陀^火用存在于糧食顆粒內(nèi)部，糧食自身生命活動及其狀態(tài)與外界條件存在差異時，都會自發(fā)地產(chǎn)生此類火用傳遞。其主要體現(xiàn)在糧食顆粒內(nèi)部水分分布不均所產(chǎn)生的擴散運動，以及糧食內(nèi)液態(tài)水分在汽化時飽和蒸汽壓力與干燥介質中的水蒸氣分壓力之間的差異引起的質量火用傳遞。高濕糧食初期相對攜帶的客觀干燥火用數(shù)量多，以該含水率段糧食內(nèi)部水分結合能小為表征[8]，因而其在任何自然環(huán)境中都會通過自發(fā)去水或吸濕而使其含水率達到與環(huán)境介質對應的平衡狀態(tài)。主觀火用是由人為提供的干燥操作行為產(chǎn)生的溫度場、濕度場、壓力場等勢場引起的火用傳遞，主要體現(xiàn)以強化干燥過程及提高整體干燥速率和干燥效率為目的，人為地向干燥介質提供熱能，以提高干燥介質的溫度、降低干燥介質水蒸氣分壓力及提高干燥介質在干燥過程中的流動速度等行為的方式促進過程中質火用傳遞[9]。糧食干燥過程中，熱風介質在谷層間的流動為系統(tǒng)輸入熱量火用和流動火用，使糧食溫度提高、熱量火用增多，減少了對干燥介質焓火用的需求和消耗；同時，熱風流動所形成的壓差勢場使得物料與靜態(tài)介質對應的平衡含水率均進一步降低。這些主觀火用的作用都使客觀火用的干燥能力得到了進一步強化。因此，評價糧食干燥系統(tǒng)能量利用效果，不能僅僅停留在主觀熱效率上，干燥工藝設計應綜合考慮干燥系統(tǒng)的主觀與客觀火用的作用[10]。

2 干燥系統(tǒng)設計

在干燥系統(tǒng)內(nèi)部，糧食與熱風接觸并自發(fā)地進行水分交換。糧食去水的過程在熱力學范疇并不可逆，干燥過程同時存在溫差勢場、濕差勢場、壓差勢場及蒸汽壓差勢場等多種勢場，同時其品質也收到其生物化學勢場的影響[2]。這些勢場既包含了自然界客觀存在、糧食物料自身所攜帶的客觀勢能，也包含為改變干燥速率而人為供給的主觀勢能。因此，該干燥系統(tǒng)在充分利用各種勢場的同時合理利用客觀勢能，以達到加快糧食干燥去水進程的目的。筆者同時利用雙干燥主塔聯(lián)機的形式形成干燥裝備，結構如圖1所示。

1.干燥主塔1 2.提升機 3.干燥主塔2 4.儲糧緩蘇段 5.紅外發(fā)生裝置 6.降壓閃蒸干燥段 7.排氣角狀盒 8.進氣角狀盒 9.排糧段 10.糧食水分在線檢測儀 11.排糧螺旋輸送器

2.1 紅外輻射輔助干燥

利用紅外輻射可以加劇糧食內(nèi)部水分子的熱運動，同時改善糧食干燥品質。針對不同的材料對不同波長的電磁波的選擇性吸收，基于維恩位移定律，應將糧食紅外輔助干燥的輻射能量集中于3～9μm這個谷物可以吸收的紅外波段。通過計算可知，與之對應的輻射體溫度在691.2℃>t>47.8℃的范圍內(nèi)?？紤]到在正常的工況下熱風爐煙氣經(jīng)換熱器換熱后的廢氣仍可達到70～120℃，這個溫度區(qū)間恰好在3～9μm紅外輻射波段對應的溫度范圍內(nèi)，故可利用煙氣加熱輻射體，產(chǎn)生紅外輻射勢場[11-13]?；谶@種思路，通過煙氣加熱埋在糧食中的金屬管產(chǎn)生紅外輻射，其總輻射角系數(shù)為1，流經(jīng)輻射管的糧食可以充分獲取紅外輻射能，用于補充糧食內(nèi)能，加快干燥速率，提升干燥品質。

2.2 負壓引風及降壓閃蒸

干燥過程中，通過引風方式可使干燥層內(nèi)的介質壓力低于環(huán)境壓力形成負壓。由于干燥介質的飽和蒸汽壓力與溫度一一對應，在相同的溫度條件下，引風作用使其水蒸氣分壓降低，而飽和蒸氣壓不變，使得介質的相對濕度將同步降低，其接納水分的能力則相應提高[10,14]，因此可以實現(xiàn)在相同送風溫度條件下提高高水分段糧食去水速率的目的。引風干燥層內(nèi)的溫度梯度與壓力梯度具有相同的方向性，在一定程度上可以彌補干燥層內(nèi)熱風介質流動過程中因溫度降低而引起干燥能力下降的問題，干燥層內(nèi)糧食干燥的均勻性和一致性均得到提升[15]。

由于干燥機排氣角狀盒內(nèi)與上部緩蘇段的上下空氣壓差明顯，在干燥過程中自然形成顯著的降壓區(qū)域。經(jīng)過紅外輻射的糧食在連續(xù)向下流經(jīng)此段區(qū)域時經(jīng)歷了流動降壓和連續(xù)吸收輻射能的過程。當過程中的壓力低于其所對應的飽和溫度時，高濕糧食內(nèi)部的自由水無法以液態(tài)形式存在，必然發(fā)生集態(tài)變化，即閃蒸；自由水發(fā)生閃蒸需要做功，而做功所需的能量來自糧食自身的內(nèi)能，糧食溫度迅速降低。通過這一過程，避免了干燥過程中糧食由于連續(xù)升溫而過熱爆腰的情況，消除了干燥系的熱慣性。

2.3 控制系統(tǒng)設計

以PLC為中心控制器，搭建干燥機控制系統(tǒng)，如圖2所示。PLC控制器同時作為數(shù)據(jù)采集平臺和執(zhí)行機構控制器。水分在線與溫度檢測模塊的實時數(shù)據(jù)及各個執(zhí)行機構的狀態(tài)反饋一同實時傳輸給PLC；PLC將時刻數(shù)據(jù)進行簡單處理并打包傳遞給PLC上位機，作為控制算法的輸入?yún)?shù)參與運算，上位機獲得最優(yōu)輸出結果后將輸出指令返回給PLC控制器，由PLC通過IO口控制各個執(zhí)行機構。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

3 干燥工藝流程設計

3.1 工藝流程

基于干燥勢場及熱能結構理論，充分利用干燥過程中的多種勢場，設計了糧食多場協(xié)同干燥工藝流程，同時采用雙干燥主塔聯(lián)機的形式形成干燥裝備，工藝系統(tǒng)如圖3所示。

該流程可分成糧流回路、煙氣回路和干燥介質(熱空氣)回路。高濕糧食由提升機輸送至干燥主塔，在自身重力的作用下，糧食自上向下緩慢流動，依次經(jīng)過緩蘇段、紅外輻射干燥段、降壓閃蒸干燥段、逆混流干燥段及糧食水分在線檢測裝置，再經(jīng)排糧裝置和輸送裝置回到提升機內(nèi)，完成1次干燥循環(huán)。在經(jīng)過水分檢測之后，判定是否干燥至目標水分。若未達到目標水分，則糧食繼續(xù)由提升裝置送入干燥主塔，形成糧流回路，實現(xiàn)循環(huán)干燥；若達到目標水分，則停止干燥作業(yè)，將糧食排出干燥主塔。在引風機的作用下，外界環(huán)境態(tài)空氣與燃料反應形成高溫煙氣，經(jīng)過換熱器并加熱換熱管，將能量傳遞給干燥介質(形成熱風)；換熱之后的煙氣經(jīng)過紅外發(fā)生裝置，將部分余熱轉化為特定波段紅外輻射，最后經(jīng)由引風機和除塵裝置進入環(huán)境，形成煙氣回路；環(huán)境態(tài)空氣在引風機的作用下，經(jīng)由換熱器吸收熱量，提高干燥介質溫度和干燥能力，進入降壓閃蒸干燥段與逆混流干燥段，帶走糧食水分，最后與煙氣匯合經(jīng)由引風機、除塵裝置進入大氣，形成干燥介質回路。

圖3 糧食多場協(xié)同干燥工藝流程

3.2 工藝原理

在緩蘇段之后干燥段之前引入紅外輻射發(fā)生裝置，除了可以充分回收煙氣中攜帶的余熱外，所產(chǎn)生的紅外輻射能可以提供給流經(jīng)其周圍的糧食，并全部被糧食種子吸收，補充了干燥系統(tǒng)內(nèi)糧食的內(nèi)能，用于補充原本單一由熱風加熱所供給的糧食內(nèi)部水分結合能，加快水分的擴散和蒸發(fā)。采用逆混流引風干燥工藝，降壓閃蒸干燥段上下自然形成了較大壓差勢場，糧食種子在流經(jīng)降壓閃蒸干燥段時經(jīng)歷的是伴隨連續(xù)向下流動降壓而連續(xù)吸收輻射能的過程。在降壓過程中，當壓力低于糧食溫度所對應的飽和壓力時，高濕糧食發(fā)生閃蒸，消耗自身的內(nèi)能，從而使糧食的溫度迅速降低。同時，強制負壓引風作用下存在流動火用，可使糧食和靜態(tài)介質對應的平衡含水率進一步降低，客觀火用的干燥能力和降溫效果得到了進一步加強[15]。

4 干燥系統(tǒng)的技術模式

不同于東北、新疆高寒地區(qū)軍墾和農(nóng)墾系統(tǒng)采用大面積集中種植的生產(chǎn)模式，我國中原及南方地區(qū)的糧食生產(chǎn)規(guī)模較小，種植模式也正在由責任制、單家獨戶的分散經(jīng)營向規(guī)模化和集約化生產(chǎn)發(fā)展，因此大型連續(xù)式集中干燥模式在這些地區(qū)并不適用。而簡單的采用小型批次循環(huán)干燥機，由于日處理能力受機內(nèi)容量限制，適應性較差，容易導致收獲期的糧食不能得到及時干燥的情況；同時其年作業(yè)期短，利用率低，并不符合糧食干燥機械化可持續(xù)發(fā)展的要求。

該糧食多場協(xié)同干燥裝備屬于批次處理循環(huán)干燥機，采用雙干燥主塔聯(lián)機作業(yè)的技術模式，其單機容量為25t，采用聯(lián)機作業(yè)模式時總容量可達50t。在突破制約干燥質量控制最本質的工藝過程解析法及能效評價方法共性技術的基礎上，從糧食物性基礎，沿解析法、能效評價理論研究，形成了裝備系統(tǒng)技術開發(fā)準則，從檢測技術→自適應控制→工藝系統(tǒng)→機械設計→除塵與能量回收→成套技術設備→形成單機與聯(lián)機作業(yè)的技術模式。該技術模式在高效節(jié)能、保證干燥品質的基礎上，有效地提升了糧食多場協(xié)同干燥裝備的適應性、通用性及處理能力的伸縮量。因此，其更能適應分散種植的產(chǎn)業(yè)需求，可以更好地對應中原、南方地區(qū)糧食收獲期氣溫相對較高、高濕糧食的保質儲存時間短、品種多且分散收獲導致的日收獲量變動巨大等情況，實現(xiàn)稻谷的及時干燥，同時達到模式節(jié)能的目的[16]，是我國中原及南方糧食產(chǎn)區(qū)適合發(fā)展的集中干燥技術模式。

5 干燥系統(tǒng)的試驗驗證

本次樣機試驗，選用安徽省蕪湖市三山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)中聯(lián)重科股份有限公司生產(chǎn)的糧食多場協(xié)同干燥系統(tǒng)作為待檢測設備，試驗樣機如圖4所示。

5.1 試驗裝備及儀器

試驗過程中，需要對稻谷含水率變化情況、稻谷溫度變化情況及環(huán)境溫濕度變化情況等參數(shù)進行測量。所用測試儀器主要包括糧食水分在線監(jiān)測儀、測溫熱電偶及溫濕度儀等。

糧食水分在線檢測采用CXR-ZX-10-40型電容式糧食水分在線實時檢測儀采用群粒在線檢測的方式，測量誤差范圍為±0.5%；可與控制平臺雙向通訊，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸[10]。

試驗過程中，該多場協(xié)同循環(huán)干燥系統(tǒng)的相關測定數(shù)值，均通過自主研發(fā)的控制系統(tǒng)平臺進行控制并全程記錄，在確保干燥系統(tǒng)運行穩(wěn)定的同時跟蹤試驗情況。

圖4 糧食多場協(xié)同循環(huán)干燥機

5.2 試驗物料與現(xiàn)場環(huán)境條件

本次試驗物料選用類珍珠稻，該批次稻谷集中收購于安徽蕪湖地區(qū)。經(jīng)實時測量，其初始平均含水率為33%w.b.左右，含水率極差接近30%w.b.，部分稻谷表面有液態(tài)水存在。

本次試驗在安徽省蕪湖市中聯(lián)重科股份有限公司廠區(qū)內(nèi)進行，烘干時間為6h。試驗期間，該地區(qū)為薄霧天氣，短時間伴有小雨，干燥現(xiàn)場相對濕度高達100%，環(huán)境溫度基本維持在2～7℃。

5.3 試驗測定

試驗前應做好準備及調試工作，確保整個循環(huán)干燥系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定。將溫度傳感器安裝在換熱器煙氣入口和出口位置以測量煙氣溫度，安裝在干燥室熱風進口和出口位置以測量干燥過程的熱風溫度。測量糧溫時，應將溫度傳感器安裝在干燥段進氣和出氣角狀盒之間。糧食水分在線檢測儀安裝在干燥機糧食的出口位置，實時在線采集測量糧食含水率[10]。

5.4 試驗結果及分析

樣機試驗干燥過程中完全依賴自重順著向下連續(xù)流動，試驗過程的干燥與緩蘇時間比為 1 : 5。間隔干燥時間所對應的熱風溫度、稻谷溫度及稻谷水分等試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)記錄表

從試驗結果可以看出：整個干燥過程中，除干燥初期外，熱風溫度維持在60℃左右，而糧食的溫度始終沒有超過36℃，與傳統(tǒng)的橫流干燥方式相比降低約11℃。由于傳統(tǒng)的橫流干燥只能通過提高熱風溫度來提升去水速度，糧溫升高后又必須采取降低熱風溫度的方式避免糧食過熱損傷，這種做法必然增加了干燥時間。根據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)，本次干燥過程稻谷平均初始含水率為33%，完成干燥后稻谷含水率為15.81%，干燥時間為6h。可以計算得出稻谷干燥過程的平均去水速率為2.95%w.b./h，較傳統(tǒng)的橫流干燥提高2倍以上，與傳統(tǒng)的鼓風干燥相比提高30%以上。

6 結論

1)合理利用糧食干燥過程中的多種勢場，通過利用煙氣余熱引入紅外輻射輔助干燥工藝，采用逆混流引風的方式，設計了糧食多場協(xié)同干燥系統(tǒng)。采用雙干燥主塔聯(lián)機的模式形成干燥裝備，實現(xiàn)優(yōu)質、高效及節(jié)能干燥。

2)形成降壓閃蒸干燥段，消除了干燥系熱慣性。

3)在試驗條件下，稻谷的含水率由33%w.b.降至15.81%w.b.，平均去水速率達到2.95%w.b./h，較傳統(tǒng)的橫流干燥提高2倍以上，與傳統(tǒng)的鼓風干燥相比提高30%以上。

4)干燥過程中糧溫始終維持在35℃以下，實現(xiàn)了低溫干燥，避免了稻谷的過熱損傷，干燥爆腰增率低于1%，提高了干燥品質。