稻谷多場協同干燥系統設計與試驗

王潤發，方壯東，王鵬程，馬興灶，鄭 菲，李長友

(華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642)

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稻谷多場協同干燥系統設計與試驗

王潤發，方壯東，王鵬程，馬興灶，鄭 菲，李長友

(華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642)

為了提高稻谷的干燥效率、加快稻谷的干燥速率及改善稻谷的干燥品質，基于稻谷水分結合能的變化特征，設計了一種紅外線熱輻射、逆混流引風、多場協同干燥系統，能夠強化稻谷表面傳熱，實現了閃蒸降溫干燥，改善了稻谷干燥效果。試驗結果表明：紅外線熱輻射和逆混流引風干燥可使稻谷的干燥溫度較傳統的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍以上，爆腰增率可控制在1%以下。研究結果為實現稻谷優質、高效、節能干燥和工藝裝備開發提供了參考。

稻谷；紅外線熱輻射；組合干燥

0 引言

稻谷是第一大糧食作物，對我國農村經濟、農業發展及農民增收有重要影響。2015年，我國稻谷產量20 824.5萬t，占全國糧食總產量的33.51%。水稻屬于熱敏性的稻谷，在高溫、高濕環境條件下存放極易發生變質，在成熟脫水和產后的干燥過程中常常產生爆腰及表面大量的微裂紋，造成了裸露淀粉，從而促使稻谷顆粒的吸濕性增強，也增加了對病蟲害和霉菌等侵襲的敏感性，縮短了貯藏周期[1]。為此，研究人員嘗試了多種工藝及技術方案(如研究微波干燥[2-6]), 揭示了不同微波干燥工藝對稻谷品質影響的差異性，指出了微波能夠快速提高稻谷內部溫度、加快水分的蒸發、提高干燥速率、縮短干燥時間，但微波設備費昂貴、耗電量大、能質效率極低，干燥過程籽粒內溫度不均，會引起米質的理化指標劣化，因此在糧食干燥領域應用十分有限；考察紅外線輻射[7-11]，給出了基于傳熱傳質方程組的稻谷輻射干燥模型和工藝條件，預示了遠紅外熱輻射有改善稻谷組織功能的有益效果，得出了紅外線輻射能的有效利用對于提高干燥品質、降低能耗的問題不可忽視。由于稻谷屬于熱敏性物料[12]，作為其合理的干燥操作條件，應是在盡可接近其自然環境溫度條件下，能及時快速干燥。為了探索有效的非加熱干燥途徑，基于聲波[13]、超聲波[14]與媒介作用的物理效應和化學效應，大量研究在探索聲助干燥，但發生有效的超聲頻段，合理地匹配聲阻問題影響著稻谷聲助干燥技術的應用。

從稻谷干燥過程中能量消耗結構形式看[15]，稻谷水分汽化消耗的是干燥系統的熱能，稻谷水分的蒸發必然伴隨著其內能的減少。近年來，關于這方面的應用基礎理論研究獲得了重要研究進展。李長友[16]等研究人員將干燥系統中的水分遷移現象看作是一定數量的能量遷移，指出了水分結合能隨溫度、含水率變化規律，構造出了糧食水分結合能解析模型。結果表明：糧食在低含水率階段水分結合能受溫度變化影響顯著，而在高含水率階段水分蒸發過程受糧食的束縛作用很小。本文基于這一理論，設計了一種既能保證稻谷的干燥溫度不超限又能大幅度提高高濕稻谷的干燥速率紅外線熱輻射、逆混流引風協同干燥系統，為實現稻谷優質、高效、節能干燥和工藝裝備開發提供參考。

1 干燥系統設計理論

1.1 稻谷中水分的遷出特征

干燥的目的在于去除稻谷中多余的水分，使其達到便于加工與安全儲藏的標準。稻谷干燥過程中，干燥系統內的水分蒸發在任何溫度下都可以自發地進行，而且蒸發過程是熱力共同作用的結果，水分從稻谷內部遷出過程中克服沿程阻力必然要消耗來源于稻谷自身的內能。基于熱力學平衡特征，則可以把干燥過程所能蒸發出去的水分定義為自由水[16]，其遷出的速率受限于水分與稻谷的結合能，其值等同于水分蒸發過程中稻谷內部自由能的減少量。

1.2 濕稻谷自由能的理論表達

基于自由能推導得到糧食水分結合能解析模型[16]及熱能結構特征函數[17]，經理論分析其符合稻谷干燥過程中的能質轉換特征與去水特性，故可將其理論應用于稻谷干燥系統的設計與分析。

稻谷干燥過程中熱力學第一定律的微分表達式、質量遷移勢表達式和質量遷移特征函數的表達式為

(1)

(2)

(3)

其中，T為熱力學溫度(K)；S為熵(kJ/K)；U為干燥系統的內能(kJ)；p為壓力(Pa)；V為體積(m3)；μi為i組分的質量遷移勢；dmi為體系內i組分的質量微元；F為系統的自由能(kJ)。

稻谷干燥過程中，每蒸發1kg水分所需消耗內能功的計算表達式為

(4)

其中，wgz為技術功(kJ/kg)；pgv為稻谷表面水蒸氣分壓力(Pa)；psg為對應稻谷溫度的飽和蒸氣壓(Pa)；v為稻谷比容(m3/kg)；Rv為水蒸氣氣體常數，其值為0.461 9kJ/(kg·K)；Tv為水蒸氣的熱力學溫度(K)。其中，在體積V和溫度T均等于常數時，式(4)中ugv的數值等同于水與稻谷的結合能。

稻谷干燥過程中，每1kg物質的量從稻谷的外表面遷移到空氣中去的水分遷移勢表示為

(5)

其中，pv干燥介質水蒸氣分壓力(Pa)。

水分從稻谷中蒸發遷移至干燥介質中的總遷移勢表示為

(6)

將稻谷干燥過程中質量遷移看作是單一組分的水分遷移，并把式(4)代入式(1)，便得到符合稻谷可逆干燥過程中的熱力學第二定律的微分表達式，則

(7)

稻谷干燥過程中，汽化和蒸發每千克水分所需消耗的熱能q(kJ/kg)表達式為

(8)

由此，得到干燥過程中稻谷內部水分的結合能變化特征如圖1所示。

圖1 稻谷中水分結合能與含水率的關系Fig.1 The relationship between moisture binding energy

and moisture content in paddy

由圖1可以看出：稻谷干燥過程中，稻谷內部的水分結合能隨含水率和稻谷自身溫度的升高而降低。在稻谷含水率大于30%后，溫度對其水分結合能的作用非常小；在稻谷的低含水率階段，水分結合能隨稻谷的含水率的增加而快速減少。基于此原理，采用紅外線熱輻射、逆混流引風多場協同干燥工藝系統對稻谷進行干燥作業，既能保證干燥過程中稻谷溫度不過高，又能大幅度加快高濕稻谷去水速率；同時改善了稻谷的干燥品質，減小了干燥能耗。

2 干燥系統設計原理

2.1 系統設計的技術流程

系統設計的技術流程如圖2所示。

圖2 系統設計技術流程圖Fig.2 The flow chart of system design technology

2.2 稻谷多場協同干燥系統設計原理

稻谷多場協同干燥系統設計原理如圖3所示。高濕稻谷由提升機提升到干燥機的頂部，從進料口處落入干燥機本體；干燥機裝滿后，按順序開啟引風機、提升機、機下皮帶機和排糧裝置；稻谷在干燥機內完全依賴自重，順著向下緩慢流動；與此同時，熱風爐中的煙氣在引風機引力的作用下，流經換熱器、比例閥、膨脹室后，進入遠紅外線發生裝置，把其攜帶的部分余熱轉化成遠紅外輻射能。由于遠紅外線發生裝置設計在干燥機內，周圍被松散流動的稻谷所包圍，因此遠紅外線發生裝置對干燥機內稻谷的總輻射角系數等于1，即遠紅外線發生裝置外表面產生的輻射能會全部被稻谷吸收，補充了稻谷的內能，改善了稻谷的組織功能。逆混流引風方式在排氣角盒與緩蘇段間會自然形成較大的負壓差，稻谷在該段內經歷的是伴隨連續向下流動降壓的同時，連續吸收輻射能的過程。在該過程中，當壓力低于其所對應的飽和溫度時，高濕稻谷內的自由水就要消耗稻谷的內能發生閃蒸，從而使稻谷的溫度迅速降低，從而實現了高濕稻谷在遠紅外線輻射場中的降壓閃蒸干燥。這種干燥方式既能大幅度強化干燥過程，又保證稻谷自身的干燥溫度不超限；同時，也能利用遠紅外線的調節作用，改良稻谷的組織功能，提高稻谷的干燥品質。

1.提升機 2.遠紅外發生裝置 3.熱風干燥段 4.排糧斗 5.機下皮帶機 6.水分在線檢測儀 7.往復排糧裝置 8.進氣角狀盒 9.排氣角狀盒 10.降壓閃蒸干燥段 11.儲糧緩蘇段 12.塔頂圖 3 稻谷多場協同干燥系統設計原理圖Fig.3 The multi-field synergy principle diagram of the drying

system design of paddy

3 試驗驗證

為了驗證稻谷多場協同干燥系統的干燥性能以及可靠性，于2016年1月28日，在安徽蕪湖市三山經濟開發區中聯重科股份有限公司的干燥試驗現場，對其進行現場試驗驗證，如圖4所示。

圖4 稻谷多場協同干燥系統現場試驗圖Fig.4 The field test of the multi-field synergy drying system of paddy

3.1 試驗材料與方法

3.1.1 試驗材料

現場試驗的稻谷是收購于安徽蕪湖地區的類珍珠稻。該稻谷的初始濕基含水率的范圍為17%～45%，平均濕基含水率為33%左右，極差在 30%左右，稻谷的總質量約為5 000kg(濕重)。

3.1.2 試驗方法

將多場協同干燥系統調到穩定運行的狀態后，通過提升機將經過清選除雜后的稻谷輸送到干燥機本體內；稻谷裝滿后，啟動干燥機，對稻谷開始進行循環干燥。試驗過程通過鐘表記錄下干燥過程的時間；通過自主研發的糧食水分在線檢測儀測量干燥過程稻谷的含水率值；通過溫濕度儀測量干燥系統運行期間環境溫濕度變化；通過糧溫傳感器測量干燥系統內稻谷溫度變化；通過風溫傳感器測量進入干燥系統內的熱風溫度。

3.2 試驗結果與分析

在進行干燥試驗的過程中，干燥系統內的稻谷依賴自身質量緩慢連續向下流動，在流動的過程中實現緩蘇、干燥。稻谷通過干燥段的時間為10min左右，緩蘇時間50min左右，即稻谷干燥過程的緩蘇與干燥的時間比為5 ：1。試驗過程干燥參數的記錄如表1所示。

由表1數據可以看出：干燥系統試驗過程中，初期熱風溫度最高為80℃，后期基本保持在80℃以下；稻谷依靠自身質量向下緩慢流動，依次經過儲糧緩蘇段、降壓閃蒸干燥段、熱風干燥段，吸收了來源于紅外發生裝置發射的全部紅外輻射能與熱風介質的能量，同時在負壓引風的作用下，稻谷的溫度快速的上升；由于稻谷的內外表面形成了較大的溫度梯度與壓力梯度，從而加快去除稻谷的內部水分，稻谷的含水率快速降低；稻谷經過約為6h的循環干燥后，稻谷的濕基含水率降到15.81%,經計算稻谷每小時的平均濕基去水速率為2.92%；整個循環干燥過程中，稻谷的溫度基本保持在35℃以下。可見，該干燥系統具有快速去水、高效節能、低溫循環干燥的效果，實現了設計目標。

表1 干燥過程參數記錄表

現場環境溫度5℃左右，大氣相對濕度100%(雨天)。

4 結論

1)設計了一種稻谷遠紅外線熱輻射、逆混流引風多場協同干燥系統，利用回收煙氣余熱發生遠紅外線，實現了高效節能干燥。

2)在風量谷物比一定的條件下，稻谷的濕基含水率降到15.81%時，稻谷的平均濕基去水速率為2.92%。

3)在環境溫度為5℃左右、環境介質的相對濕度為100%、熱風溫度為50～80℃、排煙溫度為70℃的條件下，實現了稻谷自身溫度保持在35℃以下，較傳統的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍以上，干燥爆腰增率低于1%，改善了稻谷干燥品質，降低了干燥能耗。

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Design and Experiment of Multi-field Synergy Drying System for Paddy

Wang Runfa, Fang Zhuangdong , Wang Pengcheng, Ma Xingzao, Zheng Fei, Li Changyou

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In order to increasing paddy’s drying efficiency, accelerating drying rate and improving drying quality. This article, based on the change characteristics of paddy moisture binding energy，designed a kind of drying system with the features of infrared thermal radiation, inducing air by back-mix-flow and multi-field synergy, which could strongly transfer heat on surface , realize the cool with flash drying and improve the drying effects for paddy. The experiment results showed the infrared thermal radiation and inducing air by back-mix-flow made paddy’s drying temperature lower 11℃ than cross-flow drying, the average of dehydration rate improved more than 2 times, and also increased crack percentage was controlled under 1%.The research results offer reference to get the high quality paddy,energy-efficient drying and develop craft equipment.

paddy；infrared thermal radiation; combination drying

2016-05-04

國家自然科學基金項目(31371871)；高等學校博士學科點專項科研基金博導類項目(20114404110021)；廣東省公益研究與能力建設專項(2014B020207001)

王潤發(1987-)，男，廣東揭陽人，碩士研究生，(E-mail)853682561@qq.com。

李長友(1958-)，男，陜西蒲城人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)lichyx@scau.edu.cn。

S375；TS210.1

A

1003-188X(2017)06-0096-05