紫花苜蓿換向通風太陽能干燥試驗研究

錢珊珠，仝　川

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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紫花苜蓿換向通風太陽能干燥試驗研究

錢珊珠，仝川

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：針對紫花苜蓿深層干燥存在的干燥不均勻現象，在立式太陽能干燥箱內對紫花苜蓿進行換向通風干燥試驗，監測箱內草層間溫度及相對濕度的分布情況及苜蓿含水率變化情況。試驗結果表明：換向通風干燥可縮短干燥時間且能提高干燥均勻性；找出通風換向周期對干燥速率的影響關系，達到了提高干燥效率、干燥質量及節約能量目的，為進一步優化干燥工藝提供參考依據。

關鍵詞：紫花苜蓿；太陽能干燥；換向通風；均勻干燥

0引言

紫花苜蓿又名苜蓿，有“牧草之王”之美譽，其含有豐富的蛋白質和動物生長發育所需的鐵、錳微量元素等營養物質，是內蒙地區牛、羊等禽畜的優質飼料[1]。紫花苜蓿人工干燥有利于其貯藏及蛋白質保留。內蒙古地區太陽能資源豐富，利用太陽能對收割后的苜蓿進行干燥，可合理利用清潔能源，又可促進本地區的畜牧業發展，符合經濟可持續發展戰略要求[2-3]。在固定床式干燥裝置內進行的苜蓿深層干燥過程存在的缺點是：進風口處苜蓿干燥速率大，而草層中間部位及氣流出口處速率低，草層不同部位處濕含量差距大，從而影響干產品質量、降低了干燥效率、延長了干燥時間。為此，在立式雙向通風式太陽能干燥箱內進行苜蓿草的換向通風干燥試驗，研究其干燥均勻性和干燥速率，為今后試驗設備的調試與改進設計提供理論依據。

1試驗裝置及試驗方法

1.1試驗裝置

試驗是在內蒙古農業大學自行設計的立式雙向通風式太陽能干燥試驗臺上進行。試驗裝置示意圖如圖1所示。該試驗系統主要包括太陽能集熱器、離心式通風機、干燥箱及試驗所需傳感器。其中，鼓引風機作用下冷空氣經過太陽能集熱器的加熱送入干燥箱，在此處與箱體內的苜蓿進行熱質交換。由測試系統實時監測和顯示介質溫濕度、環境溫濕度及苜蓿樣品濕含量，并記錄試驗所需數據。檢測裝置參數如表1所示。考慮到物料的干燥特性，試驗臺具備以下幾個特性:

1)有效利用太陽能加熱空氣，達到牧草干燥溫度；

2)雙向立式對稱結構方便改變氣流方向調整；

3)箱內隔層結構設計可自由改變物料放置方式。

表1　檢測裝置總覽表

1.2干燥試驗指標

1)苜蓿表面空氣溫度及相對濕度。苜蓿在干燥過程中與熱空氣接觸，苜蓿內部水分蒸發的推動力來自氣流溫度和苜蓿表面溫度的溫差。在干燥過程中苜蓿表面溫度及其附近空氣的相對濕度反映了苜蓿層的干燥狀態。

2)苜蓿濕含量。干燥過程中苜蓿濕含量與諸多因素有關，苜蓿濕含量反映苜蓿在太陽能干燥過程中，苜蓿所處的狀態。該指標對于干燥方式的改進與干燥效率的提高有著重要意義。

1.3試驗方法

試驗分為單向通風和換向通風兩次進行。在風速一定、草層密度、苜蓿初始濕含量基本一致情況下進行干燥試驗。

圖1(a)為單向通風試驗設備組裝圖，熱空氣經風機由干燥箱下部接口進入箱內，經熱交換后的空氣由上方排氣口排出。圖1(a)、(b)的組合是換向通風試驗的設備組裝圖。

試驗過程中，在一定的風機轉速不變的情況下，在3個隔層托架上放置初始含水率相同、質量相等的苜蓿草，每層草中部均勻布置9個樣品及9個溫濕度傳感器；樣品初始質量 30g，傳感器測量點與樣品布置點重合；樣品每隔1h測量一次質量，傳感器采樣間隔為1min。單向通風干燥試驗和換向通風干燥試驗各一天，單次干燥試驗時間為9：00-18：00；換向通風時，換向時間間隔為4h。

圖1　試驗裝置示意圖

1.4試驗材料及試驗地點

試驗所用苜蓿是內蒙古農業大學生態學院和林格爾種植基地種植的紫花苜蓿，二茬、花期、初始含水率為76%；單次試驗所用苜蓿量為35kg，收割時間為2014年7月8日。試驗地點為內蒙古農業大學機電學院農機實驗室院內，試驗時間為2014年7月8-9日。試驗當天天氣：晴。

2試驗結果與分析

2.1干燥介質溫濕度分布分析

利用MatLab對試驗結果進行分析建立干燥箱內各草層的溫度場及濕度場分布圖。

2.1.1干燥介質溫度場的建立分析

圖2與圖3分別為單向通風和換向通風試驗中同一時間點箱體內各草層的溫度場分布圖。此時的環境溫度為(27±0.5)℃，環境相對濕度20%～22%，太陽輻射強度范圍360～420W/m2。圖2表明：在單向通風時，同一截面上的溫度場呈中間低四周高的形勢分布；在沿氣流的方向上溫度逐層減小，每層牧草的溫度分布范圍分別在30.2～36.5℃、25.3～30.4℃、22.4～22.7℃；有一側的溫度場分布明顯高于其它3側5～8℃。原因是由于這一側靠近箱門，牧草與箱門間有一定的縫隙，使得此處壓差較大，導致氣流分布不均勻，熱氣流多從這里經過，溫度較高。

圖2　單向通風溫度場

圖3　換向通風后溫度場

圖3與圖2不同的是，溫度場分布表現為中間高四周低。這是由于當熱氣流從箱體下口進入時，在重力的作用下，草層底部的密度相對較大，對氣流的阻力也相對較大，草層下部的篩網同時也會對氣流形成一定的阻力，使得氣流在向上流動的過程中向四周擴散，導致四周的溫度相對變高。當換向通風后，氣流由上向下經過草層，草層的阻力相對變低，氣流多集中在草層中部通過，使得溫度場的分布呈中間高四周低狀態。在沿氣流方向上，而各層的溫度場呈逐層下降趨勢。

2.1.2干燥介質濕度場的建立分析

圖4與圖5為兩次試驗各草層的空氣相對濕度場。各草層的濕度場與其相對應的溫度場呈負相關。沿氣流方向，各層的空氣相對濕度呈逐層上升趨勢。這說明在干燥的過程中，先與氣流接觸的草層進行熱交換，然后將濕氣帶入下一層，使得干燥效率逐層降低。單向通風試驗的濕度場中表明，第1層空氣濕度分布不均勻，濕度在20%～43%之間，適合苜蓿干燥；第2、3層空氣濕度大部分超過50%且溫度較低，所以水汽向空氣主體傳遞推動力小，緩慢干燥過程。

圖4　單向通風濕度場

圖5　換向通風后濕度場

圖6為單向通風試驗中，箱內各草層的平均含水率在一個試驗周期內的變化情況。其中，草層1的含水率變化幅度明顯高于草層2、3。當含水率降到40%左右的時候，其含水率的變化則趨于平緩，此階段蒸發的水分來自于物料的空隙或表面的游離水分。在沿氣流方向上，草層的失水速率逐層減小。

圖6　單向通風草層含水率變化

圖7為換向通風試驗中，箱內各草層平均含水率在1個試驗周期內的變化情況。當試驗進行4h后，改變箱內的風向。換向通風前，草層的平均含水率的變化幅度由草層1到草層3逐層減小；當改變風向后，各草層的平均含水率變化幅度則變為由草層3到草層1逐層減小。距離空氣入口近處牧草接觸到的總是溫度高、相對濕度低的介質,介質在通過牧草層時,與牧草發生熱質交換后, 降溫增濕,再與遠處牧草進行熱質交換,此時的溫差和分壓差都要小于近處牧草，所以水分的擴散程度明顯低于近處牧草。

2.2草層含水率

根據各草層的樣本計算該草層的平均含水率，則有

式中Hn—樣品的濕基含水率；

G0—樣品干燥前質量；

GT—樣品干燥后質量。

在一個干燥周期結束后，單向通風試驗得到的各草層的平均含水率的差值要明顯大于換向通風試驗各草層的平均含水率的差值，如表2所示。

表2　平均含水率

2.3草層的干燥均勻度

牧草經一次干燥后在同一層橫斷面的不同位置上(不少于5個點)取出5個樣品分別測定含水率，最大含水率與最小含水率之差值，即為干燥水分不均勻度，如表3所示。

表3　水分不均勻度

根據各草層的干燥水分不均勻度可以看出，單向通風試驗中，草層2、3的干燥不均勻度明顯高于草層1；而換向通風試驗過程減小了草層與草層之間的含水率差異，顯著降低各草層的干燥水分不均勻度。

3結論

1)在干燥試驗過程中，草層的同一截面上溫度場和濕度場分布不均，影響同一截面上牧草干燥的均勻性；換向通風能夠改變氣流方向，從而改變同一截面上草層溫、濕度場的分布，有效提高了同一層面牧草的干燥的均勻性，也提升了干燥牧草的品質。

2)干燥試驗過程中，各層間的干燥速率差別較大，在沿氣流方向上草層的平均含水率逐層增加。在換向通風過程中，氣流方向的改變使得上下層牧草干燥速率差別減小，有效提高了干燥過程中層與層間的干燥均勻性，提高了干燥效率，節約了能源，同時也為進一步研究換向通風的最佳換向周期提供了依據。

參考文獻：

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[9]趙艷忠,王忠江,陳立.苜蓿薄層干燥特性試驗研究[J].東北農業大學學報,2009(2):114-117.

[10]鄭先哲,蔣亦元.苜蓿干燥特性試驗研究[J].農業工程學報,2005(1):159-162.

The Reversing Ventilation in the Alfalfa Solar Drying Study

Qian Shanzhu, Tong Chuan

(Agricultural Electrification，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Aiming at the existence of deep alfalfa drying in the dry uneven phenomenon, in vertical solar oven for reversing ventilation drying experiment of alfalfa, interpass temperature monitoring in the grass and the distribution of relative humidity and the moisture content of alfalfa.Test results show that the reversing ventilation drying can shorten the drying time and can improve the drying uniformity;Find out influence on the drying rate, ventilation reversing cycle to improve the efficiency of drying, drying quality and save energy, provide reference basis for further optimization of drying process.

Key words：alfalfa； solar drying； the reversing ventilation； uniform drying

文章編號：1003-188X(2016)03-0250-04

中圖分類號：S375

文獻標識碼：A

作者簡介：錢珊珠(1964-),女，內蒙古通遼人，教授，碩士生導師，(E-mail)719725846@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(203027)

收稿日期：2015-03-09