紅外玉米穗干燥試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

魏忠彩　孫傳祝　王健羽　徐海樂(lè)

摘要：基于玉米穗對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的選擇性吸收理論，研究了紅外輻射條件下玉米穗的紅外吸收特性，針對(duì)玉米穗收獲后含水率較高、直接脫粒易導(dǎo)致子粒破碎等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種傳熱效率高、能耗低、干燥均勻性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的玉米穗干燥試驗(yàn)臺(tái)，為研制紅外輻射玉米穗干燥機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該試驗(yàn)臺(tái)可以將收獲后含水率較高的玉米穗降低到18%左右的最佳脫粒含水率，這對(duì)于降低玉米穗脫粒過(guò)程中的子粒破損率、減少玉米的產(chǎn)后損失、滿足生產(chǎn)實(shí)際需要、確保玉米的豐產(chǎn)豐收具有重要意義。

關(guān)鍵詞：紅外輻射；玉米穗；干燥；試驗(yàn)臺(tái)；安全儲(chǔ)藏

中圖分類號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5740-03

Abstract：Infrared absorption characteristic of corn was studied based on infrared selective absorption theory of corn. Infrared drying experimental equipment was designed according to corns high moisture content and grain crushing easily by direct threshing， and it is characterized with high efficiency， low energy consumption， uniform drying， simple structure and reliable operation and it is a solid foundation for the development of infrared radiation corn dryer. Corncob with high water content could be reduced to about 18%. It plays a significant role in decreasing grain breakage rate of corn， reducing production losses， satisfying the production need and ensuring the good harvest.

Key words： Infrared radiation； corn； drying； test-bed； safe storage

農(nóng)產(chǎn)品干燥是農(nóng)作物收獲后加工處理的第一步，也是確保糧食顆粒歸倉(cāng)極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)糧食收獲后晾曬在公路上，既影響交通秩序帶來(lái)安全隱患，又導(dǎo)致路面材料對(duì)農(nóng)產(chǎn)品造成污染。另外，由于氣候原因，還常常會(huì)導(dǎo)致來(lái)不及曬干或未達(dá)到安全儲(chǔ)存水分的農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生霉變甚至發(fā)芽，晾曬過(guò)程中還會(huì)造成拋灑損失等，其損失可達(dá)糧食總產(chǎn)量的5%之多[1，2]。玉米是中國(guó)三大糧食作物之一，僅次于小麥和水稻[3]。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展、飼料需求量的增加以及玉米在工業(yè)原料中地位的不斷提高，玉米的種植面積逐步擴(kuò)大，產(chǎn)量逐年提高[4]。因此，如何對(duì)濕玉米穗實(shí)施干燥是保證玉米增產(chǎn)增收和產(chǎn)后品質(zhì)的關(guān)鍵。

在玉米干燥中，目前常用的方法是太陽(yáng)能干燥、熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥等。太陽(yáng)能干燥的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源，但易受自然條件的限制；人工熱風(fēng)干燥雖然可以避免自然條件的限制，但干燥時(shí)物料受熱先外后內(nèi)，易產(chǎn)生“爆腰”現(xiàn)象，影響干燥產(chǎn)品的感官品質(zhì)[5]，干燥耗時(shí)長(zhǎng)且能耗大、效率低；真空冷凍干燥工藝復(fù)雜，成本較高，用戶難以接受。另外，還有火力干燥，但設(shè)備龐大，煙氣泄露會(huì)造成產(chǎn)品污染，且耗能大、成本高[6]。因此，農(nóng)民急需一種不受自然條件限制、干燥均勻性好、工藝簡(jiǎn)單、能耗較低的玉米干燥設(shè)備，為此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在玉米干燥方面做了大量試驗(yàn)研究與探索。任麗輝等[7]設(shè)計(jì)了一種玉米熱風(fēng)薄層干燥試驗(yàn)裝置，干燥試驗(yàn)表明影響玉米干燥速率的因素主要是熱風(fēng)溫度，較低溫度干燥時(shí)熱風(fēng)流速對(duì)玉米發(fā)芽率有一定影響；熱風(fēng)溫度與玉米發(fā)芽率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，熱風(fēng)溫度超過(guò)80 ℃則玉米不會(huì)發(fā)芽。朱德泉等[8]對(duì)玉米進(jìn)行了微波干燥試驗(yàn)，研究了微波功率、干燥時(shí)間對(duì)玉米干燥特性以及能耗的影響，并確定了微波干燥條件下玉米的工藝參數(shù)和工藝流程。張鋒偉等[9]從玉米自身水分分布特點(diǎn)出發(fā)，利用太陽(yáng)能與熱風(fēng)組合技術(shù)設(shè)計(jì)了一種玉米穗分級(jí)干燥工藝試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)表明分級(jí)干燥工藝干燥時(shí)間較一次干燥工藝大大縮短，平均降水速率提高60.8%。在玉米應(yīng)力裂紋研究方面，Jyoti等[10]研究認(rèn)為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的概念可以幫助理解和深層次探討玉米干燥過(guò)程中應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生，并提出其后續(xù)試驗(yàn)研究必須在計(jì)算機(jī)模擬條件下進(jìn)行，才能將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到更廣泛的干燥條件下使用。曹崇文[11]研究玉米熱風(fēng)干燥條件下裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，分析玉米自身因素及玉米熱風(fēng)干燥工藝中各參數(shù)對(duì)玉米產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的影響，提出了裂紋檢測(cè)手段和減少裂紋的具體措施。在玉米最佳脫粒狀態(tài)研究方面，王長(zhǎng)春等[12]研究發(fā)現(xiàn)玉米子粒的最佳脫粒含水率應(yīng)為18.0%左右，當(dāng)子粒含水率高于或低于此值脫粒時(shí)，子粒破碎率都會(huì)有所升高，脫粒不凈的現(xiàn)象較易發(fā)生。

目前，關(guān)于玉米干燥技術(shù)方面的研究及應(yīng)用主要集中于利用傳統(tǒng)加熱方式進(jìn)行脫水干燥方面，且僅局限于對(duì)脫粒后的玉米子粒進(jìn)行干燥，而關(guān)于利用紅外輻射加熱技術(shù)對(duì)玉米穗干燥方面的研究鮮有報(bào)道。如果能將紅外輻射加熱技術(shù)應(yīng)用到玉米穗的干燥過(guò)程中，由于物料內(nèi)部由溫度梯度引起的水分轉(zhuǎn)移與濕度梯度引起的水分轉(zhuǎn)移的方向是一致的，因此可以加速水分的擴(kuò)散過(guò)程，即加速了干燥進(jìn)程[13，14]。本研究根據(jù)玉米穗自身特點(diǎn)以及最佳脫粒含水率等要求，將紅外輻射加熱技術(shù)應(yīng)用到玉米穗的脫水干燥中，設(shè)計(jì)了一種傳熱效率高、能耗低、干燥均勻性好的玉米穗干燥試驗(yàn)臺(tái)。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)采用保溫箱式結(jié)構(gòu)，主要由箱體、輸送裝置、輻射裝置、傳動(dòng)裝置、張緊裝置、托料裝置、出料口及料斗等組成（圖1）。長(zhǎng)方形試驗(yàn)臺(tái)頂部一端設(shè)有料斗，同端底部設(shè)有出料口，頂部和底部均有通氣孔，箱壁內(nèi)設(shè)有保溫層。箱體內(nèi)沿長(zhǎng)度方向設(shè)有帶撥料桿的雙面輸送裝置，并通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。撥料桿兩端固定在兩條鏈條向內(nèi)側(cè)伸出的彎板上，托料裝置設(shè)置在鏈條的上、下兩段水平段的下方，輻射裝置設(shè)置在輸送裝置的上方，且高低可調(diào)，單方向朝著托料裝置向下輻射紅外線。

1.2 工作原理

試驗(yàn)前，首先將試驗(yàn)臺(tái)輻射裝置通電，當(dāng)箱體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，傳動(dòng)裝置的減速電動(dòng)機(jī)通電開始工作，減速電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸送裝置的主動(dòng)軸在設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)固定在鏈條上的撥料桿向前運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)，將采摘后的濕玉米穗整齊地放入料斗內(nèi)，箱體內(nèi)的玉米穗將依次落在托料裝置上，并且位于位置最近的兩撥料桿之間。玉米穗在撥料桿的撥動(dòng)下完成邊滾邊滑的輸送過(guò)程，同時(shí)承托在托料裝置上吸收紅外輻射熱。在邊滾邊滑過(guò)程中，玉米穗均勻地吸收紅外輻射熱，使得玉米穗中子粒和玉米芯部水分向表面溢出散失。在玉米穗的輸送過(guò)程中，玉米穗到達(dá)托料裝置的邊緣時(shí)，由于玉米穗沒(méi)有任何支撐力，將通過(guò)導(dǎo)料槽落到下方離輸送裝置最近的兩撥料桿之間，承托在下方的托料裝置上，并在換向后的撥料桿的撥動(dòng)下反方向運(yùn)行。托料裝置兩端上方未設(shè)置輻射元件，玉米穗由于停止吸收輻射熱而短暫地實(shí)施緩蘇。玉米穗經(jīng)一次干燥，從出料口流出后，可再次放入料斗中重復(fù)干燥，直至玉米穗軸上子粒的含水率降至17%～19%為止。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）由于紅外輻射加熱具有一定的穿透能力，因此玉米穗在干燥過(guò)程中采用紅外輻射加熱技術(shù)，使得玉米穗內(nèi)外同時(shí)加熱[15]，不僅有利于減少溫度梯度對(duì)水分外移的阻礙作用，而且可以避免在物料表面發(fā)生強(qiáng)烈的吸收，因此能夠提高玉米穗干燥效率；

2）對(duì)新采摘的玉米穗采用的是“先干燥處理后脫粒貯藏”的工藝方案，有效地避免了由于“脫粒后再干燥處理”導(dǎo)致子粒破碎率高、脫粒不凈等問(wèn)題；

3）試驗(yàn)臺(tái)采用箱式雙面輸送結(jié)構(gòu)，玉米穗在撥料桿撥動(dòng)下，在托料裝置上均勻地吸收紅外輻射熱，保證了玉米穗各部分干燥均勻，使設(shè)備的空間利用率提高2倍；

4）在設(shè)置輻射裝置時(shí)，托料裝置兩端上方未設(shè)置輻射元件，以便玉米穗短暫停止吸收紅外輻射熱實(shí)施緩蘇。因此本試驗(yàn)臺(tái)采用加熱與緩蘇交替進(jìn)行的干燥方式，有效地提高了干燥效率和玉米穗的干燥品質(zhì)。

2 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

影響玉米穗干燥品質(zhì)的因素很多，如玉米穗自身因素，包括品種、直徑、含水率等；試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)，包括干燥時(shí)間、輸送速度、功率密度、輻射距離等。因此，本研究以降低能耗、保證玉米穗最佳脫粒含水率為目標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核，以期提高玉米穗的干燥品質(zhì)。

2.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)臺(tái)采用單層結(jié)構(gòu)方案，即試驗(yàn)過(guò)程中的玉米穗經(jīng)一層干燥，從出料口流出后，根據(jù)需要可再次加入料斗中，直至玉米穗達(dá)到最佳脫粒含水率為止。該試驗(yàn)臺(tái)速度可調(diào)，以便探索各種玉米穗的最佳輸送速度、干燥時(shí)間以及干燥溫度等參數(shù)組合。由初步試驗(yàn)得知，對(duì)新采摘的濕玉米穗在紅外輻射加熱條件下干燥至最佳脫粒含水率大約需要4～6 h，按試驗(yàn)臺(tái)輸送裝置上下兩段的總干燥時(shí)間為td=60～90 min進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

輸送鏈條的運(yùn)行速度vs=L/td，式中，L為試驗(yàn)臺(tái)單層物料輸送距離（mm）；td為試驗(yàn)臺(tái)單層干燥時(shí)間（min）。

由此得試驗(yàn)臺(tái)主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速n=vs/πd，式中，d為輸送鏈輪分度圓直徑（mm）。

計(jì)算得試驗(yàn)臺(tái)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速范圍為n=0.046～0.068 r/min。

2.2 功率計(jì)算

由于玉米穗在干燥過(guò)程中質(zhì)量變化不大，可近似認(rèn)為輸送裝置的撥料桿對(duì)玉米穗向前的撥動(dòng)力也基本不變，因此驅(qū)動(dòng)輸送鏈條所需的功率也基本恒定。

鏈條牽引力Fq=（m1+m2+m3）？滋g+fb+ft+fzc，式中，m1為托料裝置上的玉米穗質(zhì)量（kg）；m2為鏈條質(zhì)量（kg）；m3為撥料桿的總質(zhì)量（kg）；？滋為摩擦因數(shù)，取？滋=0.1；fb為撥料桿與玉米穗之間的摩擦力（N）；ft為托料裝置與玉米穗之間的摩擦力（N）；fzc為試驗(yàn)臺(tái)軸承的摩擦力，取fzc=500 N。

設(shè)計(jì)確定鏈條型號(hào)，測(cè)定玉米穗質(zhì)量后計(jì)算驅(qū)動(dòng)鏈條所需的功率為：Pd=Fq·vs=[（m1+m2+m3）？滋g+fb+ft+fzc]vs≈0.3 kW。

考慮到電動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)主動(dòng)軸之間傳動(dòng)的效率以及一定量的功率儲(chǔ)備，取P=0.55 kW。由于本試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行速度非常低，因此選用型號(hào)為BWED型二級(jí)擺線針輪減速機(jī)。

3 主要零部件設(shè)計(jì)

3.1 輸送裝置的設(shè)計(jì)

輸送裝置是整個(gè)紅外玉米穗干燥試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件，由鏈輪、從動(dòng)軸、鏈條及撥料桿等組成（圖2）。根據(jù)不同地區(qū)、不同收獲期采摘的不同含水率玉米穗的干燥時(shí)間要求，輸送裝置的運(yùn)行速度可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。各撥料桿兩端固定在輸送裝置兩鏈條向內(nèi)側(cè)伸出的彎板上，且相鄰兩撥料桿內(nèi)側(cè)表面之間的距離大于玉米穗的直徑。在鏈條的帶動(dòng)下，撥料桿向前撥動(dòng)玉米穗完成邊滾邊滑的輸送過(guò)程。

3.2 輻射裝置的設(shè)計(jì)

輻射裝置由U形槽、定向輻射器和托架等組成（圖3）。輻射器功率由玉米穗在紅外輻射加熱條件下的功率密度確定，通過(guò)計(jì)算得到各輻射器之間的水平距離。玉米穗在干燥過(guò)程中可最大限度地吸收紅外定向輻射器的輻射熱量，避免“爆腰”現(xiàn)象的發(fā)生，在降低能耗的同時(shí)保證玉米穗的干燥品質(zhì)。由于玉米穗含水率及其直徑、長(zhǎng)度等存在差異，干燥過(guò)程中對(duì)定向輻射器的輻射距離要求不一，因此本研究中輻射裝置的輻射距離高低可調(diào)。

4 結(jié)論

1）本研究設(shè)計(jì)的紅外玉米穗干燥試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)新采摘的濕玉米穗采用“先干燥處理后脫粒貯藏”的工藝方案，以解決由于“先脫粒后干燥處理”而導(dǎo)致子粒破碎率高、脫粒不凈等問(wèn)題，為研制紅外輻射玉米穗干燥機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

2）試驗(yàn)臺(tái)采用箱式雙面輸送結(jié)構(gòu)，玉米穗在撥料桿的撥動(dòng)下，在托料裝置上向前邊滾邊滑，經(jīng)兩段輸送過(guò)程，不僅有利于玉米穗均勻地吸收紅外輻射熱進(jìn)行干燥，而且使設(shè)備的空間利用率提高2倍。

3）托料裝置兩端上方未設(shè)置輻射元件，而采用加熱與緩蘇交替進(jìn)行的干燥方式，便于玉米穗短暫停止吸收紅外輻射熱實(shí)施緩蘇，有效地提高了干燥效率和玉米穗的干燥品質(zhì)。

4）紅外輻射裝置高低可調(diào)，以適用采摘后不同含水率、不同直徑的濕玉米穗對(duì)干燥參數(shù)的不同要求，符合玉米穗干燥的生產(chǎn)實(shí)際，有較高的實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 屠 晶）