5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機小麥產地烘干性能

謝煥雄， 顏建春， 胡志超， 顧峰瑋， 吳惠昌， 游兆延， 吳 峰

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機小麥產地烘干性能

謝煥雄， 顏建春， 胡志超， 顧峰瑋， 吳惠昌， 游兆延， 吳 峰

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

為了解自行研制的5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機小麥烘干作業性能，開展收獲后小麥于45 ℃烘干 6 h 和先于40 ℃烘干4 h再于50 ℃烘干2 h的2個批次烘干試驗，測試分析空載和滿載條件下下干燥床面風場分布、干燥床層水分分布、溫度分布、干燥機熱效率、干燥耗能、經濟性等特性。結果表明：小麥裝載過程人力踩踏對床層空隙分布影響較大，與空載時相比，滿載后床層表面風場分布發生了較大變化；換向通風干燥可根據床層小麥含水率分布梯度調整干燥介質(空氣)流動方向，改變床層小麥受熱干燥次序和溫度梯度，在干燥條件不均勻的劣勢環境下確保干燥結果的均勻性；45 ℃烘干6 h和先40 ℃烘干4 h再于50 ℃烘干2 h的2種小麥干燥工藝均可使小麥干燥終止時的干燥不均勻性達到國家標準，但后者在烘干熱效率和經濟性2個方面均優于前者，后者直接烘干成本比前者低 0.011元/kg，后者綜合評價高，更適用于小麥批量式烘干。

上下換向通風；箱式干燥機；小麥；產地干燥

小麥是我國主要的糧食作物之一，種植面積為2 410萬hm2，約占我國總耕地面積的18%，分布范圍遍及全國各省(區)，年產量達12 172.7萬t，占全世界小麥產量的17.8%[1]。此外據統計，我國目前有60%～80%的小麥由農戶保存，由于農村通常缺乏良好的干燥設施和條件，且小麥收獲后水分偏高，如不能及時干燥，會引起霉變、發芽等損失，嚴重影響小麥產量和品質[2]。近年來，隨著大田作物機械化收獲的快速發展，小麥機收水平已達87.8%[3]，農村現有干燥設施和條件已不能滿足當前小麥機械集中化收獲后及時干燥的要求，對適用于產地干燥的機械設備的需求越來越大[4-6]。目前，大型糧庫和種植農場通常配置大中型塔式、循環式干燥機，一次性投入成本高、批次處理量大，而我國農村分散種植農戶很難接受和適應這種集中烘干作業模式[7-12]，多數逐漸采用小型箱式通風干燥機(圖1)作為農產品收獲后的補充或應急干燥設備，該類設備具有結構簡單、配置靈活、價格低廉等優點，適合我國農村生產實際[2，13]，但該類設備皆采用自下而上的單向通風，上層物料干燥嚴重滯后，造成底層物料過度干燥而上層物料干燥不充分，干燥品質低、耗能成本高、干燥均勻性差。

本研究的5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機在上述設備原有結構基礎上進行了改進優化，改變了設備的通風方式，采用向上和向下交替換向通風，改變了料層固有的干燥次序，有效解決了上層物料干燥滯后的問題，提高了干燥效率和均勻性。本研究就改進后的干燥設備開展了小麥產地烘干試驗，確定了該設備對于小麥干燥性能。

1 5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機

本研究的5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機主要由燃油熱風爐、箱體、換向通風裝置、抽風機及若干通風管組成，詳見圖2。設備結構簡單、易操作、適應性強，可很好地適應我國當前農村農戶小麥生產模式。

1.1 燃油熱風爐

燃油熱風爐由送風機、燃燒機、控制系統組成，總尺寸為1 513 mm×922 mm×1 740 mm。送風機為三相軸流送風機(單段)，功率1.5 kW，通風量5 400 m3/h。燃燒機為高壓自動點火槍型噴射燃燒機，使用燃料為煤油或高級柴油，最大燃燒量7.8 L/h，所需動力50 W。控制系統可對一定范圍內的熱風溫度無級調節，調節范圍：環境溫度～(環境溫度+40 ℃)，精度±1 ℃，當設定的熱風溫度低于環境溫度時，燃燒機不開啟，此時僅為通風干燥狀態。

1.2 烘干機箱體

烘干機箱體是由若干壁板、底板、蓋板拼接而成。板與板拼接處貼有橡膠密封條，壁板與底板之間扣接；壁板與壁板連接處開有矩形孔，插銷穿過矩形孔使相鄰壁板連接緊密；壁板與蓋板之間采用連接扣夾緊。此外，箱體內部裝有篩孔板及支撐架，物料層平鋪于篩孔板之上，篩孔板與底板之間形成下風室，物料層頂部與蓋板之間形成上風室，上風室和下風室前后兩處壁板均開有通風口。具體結構見圖3，外尺寸為 3 730 mm×2 455 mm×1 310 mm，內部倉容約4.1 m3，推薦小麥裝載量2.5 t。

1.3 換向通風裝置

換向通風裝置主要由三通風管、手柄、換向葉片等組成，用于調節熱空氣進、出烘干機箱體的流動路線，改變熱空氣穿過料層的方向(從下往上或從上往下)。換向葉片位于三通風管內部，方向與手柄一致，可隨手柄繞轉動軸轉動，當換向葉片隨手柄轉動至底部時，熱空氣走上風道，當換向葉片隨手柄轉動至頂部時，熱空氣走下風道(圖4)。

1.4 抽風機

設備選用防爆軸流抽風機作為輔助通風設備，用于快速排出穿過料層后的廢熱濕空氣。抽風機口徑600 mm，額定功率0.75 kW，額定風量8 700 m3/h。

2 材料與方法

試驗原料來自南京市溧水區小麥種植地，品種為揚麥16。經聯合收割機收獲后由田間直接運送到小麥烘干場地，經初步清選去雜后分2批裝入烘干倉。根據已有的干燥經驗，試驗時第1批小麥干燥溫度設定為45 ℃；第2批小麥干燥溫度設定為前4 h 40 ℃，之后50 ℃[14-16]。同時，根據烘干機的烘干能力，2批小麥料層的厚度均為40 cm。干燥過程每隔1 h定期抽樣檢測上、中、下層小麥含水率，若測得上層含水率高于下層含水率，則在接下來的1 h采用從上往下通風干燥，反之則采用從下往上通風干燥，如此反復，直至干燥結束。采用的換向通風方案如表1所示。

表1 小麥干燥過程換向通風方案

注：箭頭表示物料層通風方向，“↑”表示從下往上通風，“↓”表示從上往下通風。

考慮到整個物料層不同區域可能存在的干燥速率差異，將物料干燥區域等面積分割成25個單元測試區(圖5)，分別對風場分布、小麥床層含水率分布、溫度分布進行測定，并記錄本試驗過程進出風口處氣流溫濕度和油箱油耗。

2.1 空載、滿載狀態風場分布測定

分別在空載、滿載狀態下開啟風機，利用華盛昌 DT-8880 型熱敏風速儀(測量精度±5%)按照圖5分別測定各個單元區域風速，風速儀探頭離網板或料層表面高度約為 5 cm，每個區域隨機讀取5個點的風速，取平均值作為該區域風速測試值。

2.2 小麥床層含水率分布測定

筆者自制了糧食取樣器，有效盛料腔體為內直徑 30 mm、長度450 mm的管形容器。利用該取樣器對小麥床層每個單元測試區隨機進行垂直取樣3次，每次將40 cm床層高度的垂直取樣柱由上到下等分為3段。分別收集并標記為上、中、下3層，再采用105 ℃烘箱法[17]統一對各個測試區域采集的上、中、下3層小麥樣品進行含水率測定，確定不同測試區域上、中、下各層的含水率分布情況。烘干試驗期間每隔1 h就按照上述方法采樣測試小麥床層的含水率分布。

2.3 烘干過程抽樣小麥含水率快速測定

烘干試驗過程每隔1 h，隨機選取料層表面3個位置并采用“2.2”節提到的自制取樣計垂直取樣，采用PT-2700型連續式單粒水分儀(測定精度0.5%濕既含水量)分別測量3份取樣柱上、中、下3層小麥含水率，并計算平均值，比較上、下2層小麥含水率大小，確定之后1 h內料層的通風方向。

2.4 小麥床層溫度分布測定

采用SM1200B-160型10通道溫度采模塊(上海搜博實業有限公司)及75個DS18B20數字溫度傳感器(測量精度±0.5 ℃)。根據使用說明將溫度傳感器接入采集模塊，模塊信號輸出接口經工業型RS232-USB2.0轉換器與計算機進行連接通信，通過上位機軟件即可實現不同采集區域的物料溫度采集與記錄。T101～T515共75個溫度傳感器平面布置位置如圖5所示，每個測試單元在中心區域依次按照下、中、上料層位置布置3個溫度傳感器(垂直布置位置如圖6所示)，可實時準確了解干燥過程小麥床層溫度變化情況。

2.5 空氣流排入、排出口溫濕度測定

試驗采用EXTECH HD500溫濕度測量儀(溫度精度為±3%，濕度精度為±2%相對濕度)定時(時間間隔1 h)測量空氣流排入、排出烘干機的溫濕度。測量時，在熱風爐入風口處、排風機排風口處分別隨機讀取5個點的溫濕度，各取平均值作為排入、排出空氣流的溫濕度測試值。

2.6 能耗測定

本干燥機能耗分為燃燒機油耗及2個風機電耗2個部分。干燥期間將油箱放在伯倫斯BWS-T02型電子計重秤(量程0～100 kg，誤差±5 g)上，可以確定干燥過程中的油耗情況，而風機電耗則通過與燃油熱風機、抽風機連接的電度表來讀取耗電量。

3 結果與分析

3.1 空載、滿載風場分布

為形象直觀地描述干燥機在空載、滿載下的風場分布情況，分別對空載、滿載2種狀態下網板或料層表面上方測得的2組5×5風速數據矩陣用MATLAB軟件繪圖功能進行網格化和插值處理，使風速分布呈三維可視化，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見，空載、滿載時干燥床面風速分布均存在較大的不均勻性。在小麥裝載及攤平過程中，局部區域因人力踩踏，物料之間相互擠壓，造成小麥床層不同區域空隙度差異較大，與空載時相比，滿載后床層表面風速較大的區域位置也發生了變化。空載、滿載時床層表面風速最大值、最小值和標準差見表2。

表2 空載、滿載時床表風速最大值、最小值和標準差

3.2 小麥床層含水率變化

2批小麥烘干時間均為6 h，根據試驗過程測得的1～6 h各測試單元上、中、下層小麥含水率，分別計算整床上、中、下3層小麥平均含水率，并計算25個測試區域合計75份樣品小麥的最高含水率與最低含水率之差，記為水分差，計算結果如圖9、圖10所示。同時為直觀了解烘干結束時床層小麥含水率分布情況，合理評價各批次小麥干燥均勻性，利用MATLAB軟件繪圖功能，分別對2批小麥烘干6 h測得的上、中、下3層小麥含水率數據進行插值處理，并以顏色表示小麥含水率，繪制床層小麥含水率分布四維切片圖(圖11、圖12)。

本研究發現，2批小麥烘干過程中各層小麥平均含水率和小麥水分差呈現相似的變化規律：入風口側小麥含水量下降最快，中間層次之，出風口側最慢；床層小麥水分差呈波浪形變化，變化幅值逐漸減小，當“向上通風”時間與“向下通風”時間不等時，水分差處于峰值，當“向上通風”時間與“向下通風”時間相等時，水分差處于谷值。

此外，2批小麥烘干前平均含水率均為16.8%，水分差分別為1.6%、1.8%。第1批小麥45 ℃烘干6 h后，上、中、下3層小麥平均含水率分別為13.0%、13.0%、12.7%，床內小麥最大水分差為0.8%(圖9)，差異極顯著(P=3.2×10-4<0.01)；第2批小麥40 ℃烘干4 h后，再于50 ℃烘干2 h后，上、中、下3層小麥平均含水率分別為12.6%、13.0%、12.9%，床內小麥最大水分差為0.9%(圖10)，差異極顯著(P=2.6×10-8<0.01)。與烘干前相比，烘干后2批小麥水分差分別降低了0.8、0.9百分點。

3.3 小麥床層溫度變化

同樣按照上、中、下3層對烘干過程所有溫度測試數據取平均值，2批小麥烘干過程各層小麥平均溫度隨干燥時間變化如圖13所示。

2批小麥烘干過程均表明：根據干燥過程上、中、下3層小麥含水率高低，調節換向通風裝置手柄，改變熱空氣穿過料層的方向，可逆轉小麥料層溫度梯度，以使在干燥條件不均勻的劣勢環境下，有效保證干燥結束時床層小麥含水率的均勻性。干燥過程中層小麥溫度單調上升，上層、下層小麥溫度均隨通風方向改變而出現較大波動，波動幅值在6～10 ℃之間。

3.4 干燥過程熱效率變化

根據干燥機的熱效率定義：干燥過程中用于水分蒸發所需要的熱量占熱源提供的熱量比例，即：

(1)

式中：ηt為干燥機的熱效率，%。

忽略熱空氣穿流過程中箱壁間的泄漏，假設同一部分熱空氣進入、穿出干燥機的時間間隔足夠短，則可根據進出干燥機空氣流的絕對濕度變化計算水分蒸發所需的熱量：

Q蒸發=ρa·Va·Δt·ΔH·hfg。

(2)

式中：ρa為干空氣密度，kg/m3；Va為干空氣體積流量，m3/h；Δt為時間間隔，s；ΔH為絕對濕度變化；hfg為小麥水分蒸發潛熱，J/kg。

根據干燥過程耗油率則可以計算熱源提供的熱量：

Q熱源=(Δm油/Δt)·Δt·qc。

(3)

式中：Δm油/Δt為耗油率，kg/h；qc為柴油熱值，J/kg。

根據2批小麥烘干過程中記錄的進出口處空氣流的溫度、相對濕度，計算進、出口空氣流絕對濕度，并根據式(1)～式(3)計算小麥烘干過程干燥機熱效率，繪制進、出口空氣流絕對濕度與熱效率變化曲線。由圖14、圖15可以看出，進口空氣濕度隨環境濕度變化而變化，無明顯的變化規律，出口空氣濕度變化趨勢與進口空氣濕度變化保持一致，在數值上比進口處高3～4 g/kg(單位質量空氣中水的質量)。2批小麥烘干過程，干燥機熱效率均呈降低趨勢。第1批小麥烘干，進風溫度恒定在45 ℃，隨著排風口處空氣流溫度的快速升高，0～4 h小麥烘干熱效率快速降低，4 h之后熱效率變化較小，相對穩定。第2批小麥烘干，0～4 h烘干機進風溫度恒定在40 ℃；0～2 h排風口處空氣流溫度與周邊環境溫度接近，熱效率很高，且變化較低；2～4 h排風口處空氣流溫度快速升高，熱效率快速降低；4～6 h烘干機進風口溫度改為恒定 50 ℃，排風口處空氣流溫度繼續升高，烘干機熱效率進一步降低。此外，對比2批小麥干燥全程熱效率，第2批小麥烘干熱效率明顯更高。

3.5 干燥能耗與運行成本

2批小麥烘干期間天氣狀況穩定，烘干過程周邊環境溫度變化范圍為30～35 ℃，平均氣溫32.4 ℃，根據烘干過程中采集的耗油量和耗電量數據，按照柴油9元/kg、電費 1元/(kW·h) 價格，計算烘干后單位質量小麥的直接烘干成本，結果見表3。

2批小麥烘干降水幅度均約為4%，根據表3結算結果，折算1 kg小麥含水率下降5%的耗能成本分別為0.080、 0.066 元，即2批小麥烘干單位物料5%降水耗能成本分別為0.080、0.066元/kg。在干燥經濟性方面，通常大型干燥機干燥小麥的單位物料5%降水能耗成本控制在 0.04元/kg 以下，與大型干燥機干燥小麥相比，本研究設備運行成本并不占優勢[17-21]。但該設備價格便宜，市場售價可控制在3萬元左右，且結構簡單、易操作、通用性好，除稻麥以外，該機型還可用于花生、玉米、果蔬等農產品干燥，批次處理量和性價比均與我國農村生產實際相符，該設備在我國農村農戶農產品干燥領域具有較好的應用前景。

表3 小麥烘干直接成本分析

4 結論

小麥裝載過程，因人力踩踏而造成的床層不同區域空隙度差異，對風場分布有較大的影響。

換向通風干燥可根據床層小麥含水率分布梯度調整干燥介質(空氣)流動方向，改變床層小麥受熱干燥次序和溫度梯度，在干燥過程不均勻的劣勢條件下，確保干燥結果的均勻性。

45 ℃烘干6 h和40 ℃烘干4 h后于50 ℃再烘干2 h，2種小麥換向通風干燥工藝均可有效控制小麥干燥均勻性，干燥不均勻度達到了相關行業標準和國家標準要求(烘干后小麥水分差≤1百分點[16])，小麥烘干性能明顯優于其他類型固定床通風干燥機[2，13]，此外，在小麥烘干過程中，2種烘干工藝相比較，前者熱效率明顯低于后者，且在烘干經濟性方面，前者直接烘干成本比后者高0.011元/kg，后者綜合評價高，更適用于小麥批量干燥。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.056

2015-11-13

公益性行業(農業)科研專項(編號：201203037)；現代農業產業技術體系建設專項(編號：CARS-14-08B)

謝煥雄(1968—)，男，廣西浦北人，碩士，研究員，主要從事農產品加工技術與裝備研究。E-mail：nfzhongzi@163.com。

胡志超，博士，研究員，博士生導師，主要從事農作物收獲及產后加工技術裝備研究。E-mail：nfzhongzi@163.com。

S226.6

A

1002-1302(2017)02-0190-05

謝煥雄，顏建春，胡志超，等. 5HG-2.5A型箱式換向通風干燥機小麥產地烘干性能[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：190-195.