小型移動式玉米清理干燥一體化設備研究及優化分析

李永祥，位艷芳，王明旭，王少英

(河南工業大學，河南 鄭州 450009)

近年來，我國糧食收獲機械化程度快速發展，大大縮短了糧食收割時間。剛收獲的糧食含水率通常比較高，如不及時干燥容易發霉變質，影響糧食安全[1-2]。據有關部門統計，每年我國糧食因為干燥不徹底及受到天氣影響而霉爛損失約200億斤[3]。目前，國內的大型糧庫和糧食企業一般采用比較大型而且固定式的清理和干燥設備，而我國農村糧食分布較為分散，廣大農戶采用的自然晾曬的方式受天氣的影響較大，不能快速有效地對收獲后的玉米粒進行干燥，同時，收獲后的玉米粒中含大量的雜質，糧庫和部分食品廠對收購的玉米只進行簡單的清理，嚴重影響到玉米的存儲安全，容易引起玉米發熱變質[4]。因此，適應大范圍農戶需求的玉米清理干燥一體化設備成為制約我國糧食生產全程機械化的主要瓶頸[5]。

針對上述問題，本文設計了小型移動式清理干燥一體化設備[6]，借助Fluent流體動力學軟件分析了干燥筒內部的溫度場和流場狀態，并采用正交試驗法優化了干燥工藝參數，為設備的運行提供理論基礎。

1 清理干燥設備的結構和工作原理

1.1 清理干燥設備的結構

該清理干燥設備主要由引風風機、熱風爐、旋風分離器、煙囪、斗式提升機、圓筒初清篩、回轉式干燥機、車體、牽引機構等部件組成，所有的部件都安裝在車架上，移動靈活方便。結構如圖1所示。

1引風風機 2 熱風爐 3 旋風分離器 4 煙囪 5 斗式提升機 6 圓筒初清篩 7 回轉式干燥機 8 車體 9 牽引機構 圖1 清理干燥設備結構示意圖

1.2 工作原理

由牽引機車通過牽引機構9把設備運送到指定地點，工作過程中收獲后的玉米粒先進入圓筒初清篩6進行雜質清理，隨后由斗式提升機5輸送到回轉式干燥機7中進行干燥，在內部導料螺旋推動下流動到干燥機中部，中部揚料抄板將其抄起形成一層均勻的料簾，從而與熱風發生熱交換。當干燥至安全水分后，從出料口流出，完成玉米顆粒的清理干燥工作。在干燥過程中，所需要的熱風由間接加熱空氣的熱風爐2提供。

2 主要部件設計計算

2.1 物料衡算和熱量衡算

2.1.1 設計條件

技術參數：生產能力(濕玉米)G1：1 t/h；生產時間：8 h/d.

物料參數：入口濕含量W1：20%(濕基)；出口濕含量W2：14%(濕基)；入口溫度θ1：25 ℃；出口溫度θ2：35 ℃；比熱容：2.01 kJ/kg·K.

干燥介質參數：空氣溫度t0：25 ℃；濕球溫度：20 ℃；空氣濕度H0:0.014 kg/kg絕干氣；入口溫度t1：75 ℃；出口溫度t2：45 ℃.

2.1.2 水分蒸發量

生產能力：

(1)

干基含水率：

(2)

由公式(2)可求得

X1=25%;X2=16.3%

若以絕對干料計，則

GC=G1(1-W1)=0.278×(1-0.2)=0.222 4 kg/s

(3)

水分蒸發量為：

W=GC(X1-X2)=0.222 4×(25%-16.3%)=0.019 3 kg/s

(4)

2.1.3 空氣消耗量

蒸發水分所需要的熱量q1[7]：

q1=W(IV-IW)=W(r0+CVt2-CWθ1)=47.906 kJ/s

(5)

物料升溫所需要的熱量q2：

q2=GC(CS+X2CW)(θ2-θ1)=5.988 kJ/s

(6)

熱損失q3：

q3=0.2(q1+q2)=10.779 kJ/s

(7)

需要的總熱量q：

q=q1+q2+q3=64.673 kJ/s

空氣消耗量L：

(8)

熱量計算所需相關參數：r0—水在0 ℃的汽化潛熱(公式中定義這個溫度為0 ℃)；r0=2 500 kJ/kg水蒸氣；CV—水蒸氣比熱容；CV=1.93 kJ/(kg·K)；CW—液態水比熱；CW=4.187 kJ/(kg·K)；GC—絕干物料的質量流量。

2.2 回轉式干燥機主要參數計算

2.2.1 圓筒干燥機的容積計算

圓筒干燥機的容積V可近似按公式(9)[7]計算

(9)

式中：W—每小時需要蒸發的水分量，kg/h;A—水分蒸發強度，采用升舉式抄板，在實際生產中，A=10 Kg/m3·h

2.2.2 圓筒直徑和長度的計算

圓筒直徑D和圓筒長度Z的比例，一般采用Z/D=4～5，不大于7，圓筒直徑的D通常在1.2～2.8 m之間。

當Z=3.5D時，代入上式得

(10)

當Z=5D時，代入上式得

圓筒直徑確定后，圓筒的長度Z則可由公式(11)計算。

Z=(3.5～5)D=4.76 m～6.05 m

(11)

圓筒直徑和長度的比例Z/D=4～5，所以選擇Z=5.6 m,D=1.4 m。

2.2.3 圓筒轉速的計算

筒體轉速[7]一般為：

(12)

筒體的斜度一般取0～8°，取傾斜角α=2°，此時筒體的斜度S=tan2=0.03。

2.3 圓筒篩設計參數確定

原糧在篩筒內跟隨篩筒旋轉的過程中，當糧食顆粒到達篩筒最高處時，糧食所受到的自身重力應該小于因旋轉所受到的離心力。否則，糧食會隨著篩筒繼續旋轉最終將達不到篩分的效果。圖2為糧食旋轉的示意圖。

圖2 糧食旋轉的示意圖

根據工作過程中糧食自重應大于所受離心力，則根據公式(13)計算轉速。

mRω2-mg<0

(13)

式中：m—糧食顆粒質量，kg;R—篩筒半徑，mm;g—重力加速度，m/s2；ω—篩筒角速度，r/s，ω=nπ/30.

由公式(13)得出：

(14)

當原糧顆粒隨著篩筒運動至篩筒內0°附近時，糧食顆粒的重力與所受到的離心力成90°，故此時糧食在透過篩網橫截面時所受到的摩擦力應當小于所受到的離心力。所以篩筒此時存在一個最小的速度，由公式(15)[8]確定：

mRω2-mgf<0

(15)

由公式(15)推導得出：

(16)

由式(14)、式(16)得出：

(17)

根據設計的圓筒篩的直徑850 mm。帶入公式(17)得篩筒轉速范圍是：

0.776 114 r/s

46.56 r/min

2.4 熱風爐技術參數確定

2.4.1 加熱空氣流量的確定

加熱空氣的質量流量[9]由式(18)計算：

(18)

式中：Ma—所需加熱空氣的質量流，kg/h；Q—總換熱量，kJ/h；T1—出口空氣溫度，K；Cp1—T1溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；T0—進口空氣溫度，K;CP0—T0溫度下空氣的比熱容，kJ/(kg·K)。

加熱空氣的體積流量由式(19)得出：

(19)

式中：ρa—T1溫度下的空氣密度，kg/m3.

由T1=85 ℃，T0=25 ℃可得：

CP1=1.009 kJ/(kg·K)

CP0=1.005 kJ/(kg·K)

ρa=0.986 kg/m3

回轉式干燥筒所需要的熱量q=64.673 kJ/s=2.33×105kJ/h，等于熱風爐所提供得熱量。考慮到有熱量損失，取Q=1.1q=2.56×105kJ/h。熱空氣的質量流量可由式(18)計算得出：

Ma=

所以所需加熱得空氣體積流量由式(19)計算得出：

2.4.2 熱風爐總換熱面積及幾何參數的確定

熱風爐的總換熱面積由式(20)計算得出。

(20)

式中：Q—熱風爐總換熱量，J/s;ΔTm—有效傳熱溫差，℃；K—傳熱系數，W/(m2·K).

其有效傳熱溫差采用對數平均溫差計算

(21)

式中： ΔT1-管道進口處煙氣與工質的溫差，K；ΔT2-管道出口處煙氣與工質的溫差，K。

(22)

設定煙氣進口處溫度為Tyo=800 ℃，煙氣出口處溫度為Ty1=200 ℃；由上可知，加熱空氣的入口溫度和出口溫度分別是T0=25 ℃，T1=85 ℃。有效傳熱溫差由式(22)得：

查閱資料[10],傳熱系數取K=40 W/(m2·K)；

熱風爐的總換熱量為：Q=2.56×105kJ/h=71.1 kJ/s=7.11×104J/s

3 干燥工藝參數優化分析

玉米顆粒在干燥過程中受到熱風的影響較大，熱風的速度、壓力和溫度等是影響干燥的主要參數，這些參數的優化組合能夠得到更好的干燥效果。因此干燥筒內流場分布和溫度分布的研究有助于確定合理的干燥參數，進一步優化干燥工藝。借助CFD數值模擬和正交試驗相結合的方法得出在不同風溫、風速和風壓對干燥機內部溫度場和流場分布，最終得出影響干燥效果的最優參數。

3.1 滾筒干燥機內部溫度場和流場仿真模擬分析

以φ1.4 m×5.6 m滾筒干燥機為模型，進風口的邊界條件設置為速度進口(Velocity_Inlet)，進風口的熱風溫度設置為75 ℃[11]；出口邊界為壓力出口(Pressure-Outlet)；除去上述設置的進口邊界和出口邊界之外的邊界為墻邊界條件。

3.1.1 溫度場分析

經Fluent求解后得出氣固兩相流的溫度場模擬圖如圖3所示。

圖3 X=0 m截面溫度云圖

圖3是滾筒干燥機內流體溫度場的分布云圖，從圖可以看出45 ℃的濕物料從進料口進入后和熱風進行接觸。二者之間不斷地發生著熱交換，熱風的溫度不斷下降，玉米顆粒的溫度逐漸上升，最終兩者之間達到溫度的平衡，實現對糧食干燥的目的。

干燥筒內從進口到出口溫度是逐漸降低的，該過程主要分為等速干燥階段和降速干燥階段。物料和熱風在進口接觸，溫度的差異導致在此處必然發生強烈的熱交換，這一階段為等速干燥階段，緊隨其后的是降速干燥階段。但是在這2個階段之前還存在預熱階段，其主要為了提升糧食顆粒的溫度、促進糧食顆粒內的水分分布均勻、提高干燥筒內的環境溫度。(因為預熱階段是在玉米顆粒進入干燥筒之前，提升干燥筒內的溫度，為后續階段提供環境基礎，因此并沒有在設備圖中反映)

3.1.2 速度場分析

經Fluent求解后得出氣固兩相流的速度場模擬如圖4所示。

圖4 X=0 m截面速度云圖

圖4反映的是氣固兩相流速度場的變化，其變化及分布情況和單相流模擬的情況一致。不同之處在于受到顆粒流速度的影響進口處的速度變化劇烈，所以其Z向橫截面不在文中贅述。

3.1.3 壓力場分析

經Fluent求解后得出氣固兩相流的壓力場模擬如圖5所示。

圖5 X=0截面總壓云圖

圖5為氣固兩相的壓力場云圖，其各壓力的變化與單項模擬時候的結果相似，變化情況沒有明顯區別。但是由于糧食顆粒溫度和速度的影響導致壓力的變化發生在進料口附近，壓力值相對減小。

3.2 基于Fluent分析的正交試驗

正交試驗設計分析方法是目前最通用的分析部分因子設計的主要方法，是在概率論、數理統計和實踐經驗的基礎上，利用標準化正交表安排試驗方案，并對結果進行計算分析，最終迅速找到優化方案，是一種高效處理多因素優化問題的科學計算方法[12]。由于缺乏實際的實驗條件，所以本文在Fluent流體分析的基礎上利用正交分析方法對風溫、風速、風壓3個因素進行分析，找出影響干燥效果的最優參數。

從氣固兩相流模擬的溫度云圖可以看出，當按照設計計算的邊界條件設置進行Fluent模擬時，出料口的溫度達到了62.5 ℃，而進口熱風的溫度為75 ℃。此種狀況下，干燥筒內的玉米顆粒撞擊容易發生破碎情況，從而影響玉米的質量。所以，糧食干燥時要根據其具體特點，確定適合的干燥工藝，以保證在干燥時既能提高干燥速率，又能獲得較高的干燥品質[13]。

正交試驗方案如表1所示。正文實驗結果如表2所示。

表1 正交實驗方案

表2 正交實驗結果

續表2

試驗號因素ABC出口糧食溫度/℃K147.9547.77552.875K252.6551.551.5K354.12554.8553.2K456.957.552.8主次順序B>A>C優水平A1B1C2優組合A1B1C2

據上可得：對玉米干燥效果影響最大的因素是風溫，其次是風速，最后是風壓，3個因素的最優水平組合是A1B1C2，即風速7 m/s，風溫60 ℃，風壓2 015 Pa。

4 結論

本文設計研發了玉米清理干燥一體化設備，對主要部件技術參數進行了理論計算，該玉米清理干燥一體化設備，具有移動方便，適應性廣等特點。

通過對干燥筒內部溫度場和流場進行了仿真分析，結合仿真結果和正交實驗的方法對干燥工藝參數進行了優化，優化結果表明：對玉米干燥效果的影響最大的因素是風溫，其次是風速，最后是風壓。最優效果參數為：風速：7 m/s，風溫：60 ℃，風壓：2015 Pa。

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