微振擾動式農用干燥機的研究與關鍵部件設計

劉 玨，劉啟覺

(武漢輕工大學，武漢 430048)

0 引言

農產品收獲后的水分含量較高，不及時干燥將發生霉爛、變質，造成較大損失。干燥技術的優劣與農產品的干燥品質[1-2]以及干燥效率、干燥費用等密切相關[3-4]。為了改善農產品的烘后品質、提高設備的使用效率，廣大農機科技人員進行了大量的研究和實踐，如以函數擬合、近紅外檢測及發芽率測定，研究稻谷熱風、微波干燥的去水性能及其蛋白質、直鏈淀粉含量與出芽品質；進行干燥過程動態跟蹤和調控，在線解析稻谷逆流干燥水分變化，以獲得高濕稻谷逆流干燥層內的水分分布，并對干燥過程進行在線控制[5-6]；通過優化干燥工藝[7-8]以及干燥過程工作參數[9-10]，保質干燥并提高干燥效率以及干燥機的利用率。與此同時，將干燥工藝研究與干燥設備研制相結合，取得保質節能的功效[11-12]。除稻谷等大宗農產品外，干燥技術的研究已經普及到如雙孢菇、紅棗及枸杞等特色農產品[13-15]。

研究表明：稻谷烘后的裂紋增加率及干燥物料烘后的水分不均度等與干燥機的結構和工作參數是緊密相關的：如物料在干燥網帶上分布的均勻性，橫流循環式烘干機氣流分布均勻性等，都將直接影響物料的干燥品質[16-17]。但到目前為止，有關干燥作業中物料在進料口易產生自動分級和布料不均勻及干燥室出料口斷面處質量流量和水分不均勻等問題的研究，少有報道。針對干燥機進料口進料分布不均勻及出料口物料速度不均勻而產生的物料水分不均勻的現象，基于對流干燥機理，應用微振擾動干燥技術，以提高干燥過程中干燥室出料口物料質量流量的均勻度；并設計振動控料排料機構，旨在提高干燥物料的水分均勻度和干燥品質，探索適應不同粒徑物料的“一機多用”的途徑。

1 微振擾動技術

1.1 農產品對流干燥機理

農產品的種類繁多，性能、特征各異，為適應不同物料特性和產量需求，所開發的農產品干燥機種類也很多，如流化床、振動床、塔式、倉式、隧道式和網帶式等。對于顆粒大小、形狀較均勻的農產品，如玉米、小麥、稻谷、大豆、油菜籽、雜糧、油茶籽、花生(帶殼)、板栗及蓮子等，因收獲時間較集中，且產量、規模較大，需要干燥機有較大的處理量，多采用對流干燥的方式。

對流干燥的機理如圖1所示。干燥倉內裝有需要干燥的物料層，熱風經進風角狀盒進入料層，在物料顆粒間滲流流動，然后進入排風角狀盒排出；熱風穿過料層時，加熱物料，使物料溫度升高，同時帶走物料表面的水分，使物料顆粒表層的水分降低，并使物料顆粒中部水分向水分較低的表層轉移，然后表層水分又被熱風帶走。所以，熱風帶走物料表面水分和物料中部水分向表層轉移的過程為對流干燥過程。設干燥過程中的某一時刻t，物料的平均水分為w1，物料的平均溫度為C1，熱風的風溫為C2，物料表面水蒸氣的分壓力為P1，熱風氣流中水蒸氣的分壓力P2，物料表層水分蒸發的速度為dw2，物料中部的水分向表層轉移的速度為dw1，則在干燥過程中，需滿足下列關系，即

C2≥C1

(1)

P1≥P2

(2)

dw1≥dw2

(3)

式(1)說明在對流干燥作業中，熱風的風溫應大于等于物料溫度。當C1>C2時，物料將熱量傳給對流空氣，使物料溫度降低，為對流冷卻過程。式(2)說明物料表面水蒸氣的分壓力應大于等于熱風氣流中水蒸汽的分壓力，使物料表面水分向熱風氣流中擴散，當P2>P1時，物料將從對流空氣中吸收水分，或稱為吸潮。式(3)說明物料顆粒內部的水分應能及時補充物料顆粒表面已蒸發的水分，當dw2>dw1時，物料表面水分蒸發較快，而顆粒內部水分尚不能及時補充到位，將使顆粒表層過干，產生焦結、裂紋及熱損傷，使干燥品質下降。所以，干燥作業需同時滿足上述3個條件。

1.干燥倉 2.進風角狀盒 3.排風角狀盒 4.物料 5.干燥氣流

1.2 微振擾動技術特點

微振擾動式農用干燥機如圖2所示。依據對流干燥機理，要求干燥室內氣流與物料的相對速度基本相同，同時要求物料向下移動的速度亦基本相同，即在某一時刻，處于干燥室內某一水平面上的物料在另一時刻亦基本保持水平狀態，說明該水平面內的任一顆粒物料，在干燥作業過程中的下落速度基本相同，物料的受熱時間基本相同、物料顆粒表面水分的蒸發量亦基本相同。但在干燥過程中，實際情況與對流干燥的理想狀態存在較大的差異，其原因有以下3點：① 在干燥作業中，物料顆粒的大小、形狀不同，且物料的形狀與球形物料有較大差別。所以，物料顆粒之間的間隙大小、形狀存在很大差異，物料的流動性差異則更大。② 由于不同物料顆粒之間的間隙大小、形狀存在差異，則熱風氣流在料層中做滲流流動時的速度大小、速度分布等參數亦存在較大差異。③ 由于不同物料之間的流動性存在較大差別，而當物料中雜質含量、雜質成分、水分大小等情況不同時，物料之間的流動性差別亦較大，特別是物料與變化的剛性邊壁之間，如干燥室的角狀盒、集料斗及出料口等。

1.振動排料機構 2.出料口 3.集料斗 4.導料桿 5.前后置角狀盒 6.左右置角狀盒 7.提升機 8.彈性吊座 9.進料口 10.平料柵 11.干燥室 12.振動電機 13.彈性支座 14.機架

當干燥帶殼花生、油茶籽、板栗和稻谷等粒徑大小不規則、物料形狀不規則、物料之間流動性較差的農產品時，由于干燥室橫斷面上各處物料向下移動的速度大小差別較大，導致下移速度較大的局部物料因與熱空氣接觸時間較短，獲得的熱量較少，失水較少；下移速度較慢的局部物料，因與熱空氣接觸時間較長，獲得的熱量較多，失水較多；另外，由于剛性邊壁的影響，熱風在這些局部的流速較慢，亦影響剛性邊壁附近物料的降水。特別是存在死角的地方，物料移動的速度很小，熱風在死角處的風速亦很小，所以在死角處的物料降水很少。

為了提高干燥效率和品質，需改善物料在干燥室內的流動性，并使熱風氣流沿干燥室橫斷面分布均勻，在農用干燥機中設計了微振擾動機構。該微振擾動機構主要由平料柵、導料桿、振動排料機構及彈性吊座等組成。當振動排料機構在振動電機的帶動下振動排料時，計量塊帶動導料桿振動，導料桿將振動力傳遞給干燥室內的物料。同時，振動電機的振動力亦經導料桿傳遞給平料柵和彈性吊座。由于振動電機的振動頻率較高，振幅較小，導料桿的振動使干燥室內的物料產生擾動，有利于改善干燥室內物料的流動性。平料柵的振動，亦對平料柵上部和下部的物料產生擾動，有利于改善進料口物料向四周的流動性，防止進料口物料的自動分級，亦有利于干燥室內物料的流動性。

2 微振擾動式農用干燥機關鍵部件設計

微振擾動式農用干燥機主要由干燥室、微振擾動系統、風網系統、物料循環系統和控制系統等組成，如圖2和圖3所示。

1.排料口 2.振動排料機構 3.振動電機 4.計量塊

其中，振動排料機構安裝在彈性支座上，彈性支座安裝在機架上，且彈性支座可上下調節，從而調節計量塊與干燥室出料口之間的間隙大小。當干燥物料為油菜籽、稻谷時，將振動排料機構向上調節，減小計量塊與干燥室出料口之間的間隙；當干燥帶殼花生、油茶籽、核桃等物料時，將振動排料機構向下調節，增加計量塊與干燥室出料口之間的間隙。通過振動排料機構安裝位置的變化，適應不同粒徑大小農產品的干燥。

微振擾動系統主要由振動排料機構、平料柵、導料桿、彈性吊座及彈性支座等組成。平料柵的上方連接彈性吊座，彈性吊座固定在干燥室頂部，導料桿上端鉸鏈連接平料柵，導料桿下端安裝在振動排料機構的計量塊上，亦采用鉸鏈連接。風網系統由左右置角狀盒、前后置角狀盒、熱風進風管道、尾氣排風管道及風機等組成。將熱風進風角狀盒與尾氣排風角狀盒采用左右布置與前后布置，減少了布置在干燥室邊壁上的半角狀盒，使干燥室四周邊壁平直，減少了干燥室內物料下移運動過程中半角狀盒的阻力與物料在半角狀盒處速度重新分布產生的質量流量不均勻的問題。其它部件與一般農用干燥機相似：由提升機拋料端連接干燥室進料口，由振動排料機構的排料口連接提升機的進料口，形成物料經提升機進入干燥室，再從干燥室經振動排料機構，再進入提升機的物料循環系統；控制系統及熱源系統均為外協配置。

當干燥室內的物料受自身重力作用向下移動時，干燥室四周的剛性邊壁與物料之間存在摩擦力，且剛性邊壁對物料的摩擦力大于干燥室中物料之間的摩擦力，影響干燥室四周邊壁物料的移動速度。特別是在出料口附近，因干燥室橫斷面積比出料口有效斷面積大得多，故出料口附近邊壁將收縮，使邊壁阻力增加較快，并使物料移動速度重新分布，產生附加阻力，影響出料口排料量和排料量的均勻度。振動排料機構上部的開口斷面積較大，約為干燥室斷面積的85%～95%，有利于減少干燥室倉壁的收縮角度，有利于物料從上到下的均勻流動及干燥室內物料均勻受熱。在干燥室下部設計多個集料斗，使干燥室內的物料在均勻向下移動的同時，順利落入各自的集料斗中。而一般糧食干燥機的排料通道較少，且出料口的橫斷面積更小，出料口斷面物料流量實際有效斷面積一般只占干燥室斷面積的2%～5%。振動排料機構采用振動排料控料技術，整個計量塊的有效面積都是振動排料的有效摩擦面，也是干燥機出料口的有效橫斷面。在振動排料機構中，各計量塊有效面積之和，亦為干燥機出料口物料料流的有效斷面積之和。在設計中，各計量塊有效面積之和約為干燥室斷面積的15%～20%，比一般糧食干燥機出料口物料流量實際有效斷面積大得多。所以，采用振動排料機構，增大了出料口物料流動實際流動通道，有利于減小運動物料之間因碰撞、擠壓、變道等產生的附加阻力。

3 微振擾動式農用干燥機性能試驗測試

3.1 試驗基本條件

2017年10月29日至11月3日,在湖北鄂州華苑糧油有限公司干燥車間,進行了晚稻黃花粘的干燥試驗。當地大氣溫度在10～21℃之間，相對濕度在60%～85%之間。使用湖北天和機械有限公司制造的HX-30型微振擾動農用干燥機, 按照國標GB/T6970-2007糧食干燥機試驗方法及GB/T21015-2007稻谷干燥技術規范，測定試樣的含水率、水分不均勻度及爆腰增加率等。稻谷原始水分26.8%，初始裂紋率1.8%,取樣時間為5s。

試驗先測量進料口稻谷水分值，待稻谷自然下落滿倉后，再測量干燥機頂層稻谷錐頂角。試驗過程中，在振動排料機構排糧口測量稻谷質量流量；在圖3所示的測點，測量稻谷質量流量；計算質量流量平均值、不均勻度等參數。

3.2 試驗結果與分析

利用湖北當地晚稻黃花粘進行微振擾動式農用干燥機性能測試及對比試驗，結果如表1和表2所示。

表1 不同水分狀態下干燥機頂層稻谷錐頂角測試

表2 測點質量流量、水分、裂紋增率統計

表1主要測試微振擾動系統對物料裝滿干燥室的功效，錐頂角增加，物料在干燥室內的充滿度增加;錐頂角越接近180°時，即越接近理想狀態。表2主要測試干燥室內物料向下移動的運動情況。XH-30型農用干燥機干燥室的橫斷面是3m×3m的正方形，每個測點是100mm×100mm的正方形,每次取樣時間為5s。由質量守恒理論知：振動排料機構排出的物料質量流量，即為干燥室橫斷面的質量流量。所以，存在式(4)所述的關系,即

(4)

式中m1—干燥室任一橫斷面上物料的質量流量(kg/s)；

m2—振動排料機構排料口物料的質量流量(kg/s)；

m3—振動排料機構檢測取樣口物料的質量流量(kg/s)；

A1—干燥室任一橫斷面面積(m2)；

A2—振動排料機構排料口橫斷面面積(m2)；

A3—振動排料機構檢測取樣口橫斷面面積(m2)；

v1—干燥室任一橫斷面上物料的流速(m/s)；

v2—振動排料機構排料口物料的流速(m/s)；

v3—振動排料機構檢測取樣口物料的流 速(m/s)；

ρ—物料的密度(kg/m3)。

由圖2和圖3知：當振動排料機構停止工作時，平料柵處于靜止狀體，稻谷在進料口以自由下落狀態進入干燥室內，頂層稻谷的錐頂角為82°～99°；隨著水分降低，稻谷的流動性增強，錐頂角逐漸增大。當振動排料機構工作時，平料柵和導料桿產生振動，并對干燥室內稻谷產生擾動。干燥室頂層稻谷的錐頂角為154°～173°，隨著含水率的降低，稻谷的流動性增強，錐頂角亦逐漸增大。由表1知：在含水率相同時，干燥室頂層稻谷的錐頂角有明顯差異；當有振動和擾動時，錐頂角比無振動擾動狀態時大得多，表明振動擾動系統改善了干燥室內稻谷的流動性。

表2測試數據說明：當振動排料機構工作時，各測點稻谷的質量流量變化的不均勻度小于20%，完全滿足工程要求，且質量流量變化的不均勻度隨著稻谷水分降低而減小，說明稻谷水分降低，稻谷的流動性改善，有利于稻谷布滿整個振動排料機構的計量塊。由試驗條件知：每個測點的斷面積均為1dm2，是干燥室斷面積的1/900。將各測點的平均質量流量乘以900，與振動排料機構排料口實際質量流量相比較，均小于5%，說明振動排料機構和振動擾動系統改善了干燥室內稻谷的流動性。且表2的數據顯示:微振擾動式農用干燥機干燥稻谷時，可以保證稻谷干燥品質。

4 結論

1)設計了振動排料機構和多個集料斗，減小了干燥室與集料斗之間剛性邊壁變化對物料流動的影響。采用計量塊振動控料排料，使出料口物料流動有效斷面積達到干燥室斷面積的15%～20%，有利于干燥室內物料整體流動。試驗測試表明：振動排料機構各取樣點質量流量的不均勻度小于20%，滿足工程要求，且平均質量流量與排料口實際質量流量的誤差小于5%，優于傳統干燥機的排料機構，用于干燥稻谷時，其干燥品質優于國家標準。

2)振動排料機構與干燥室集料斗出料口的間隙可以調節，可用于干燥帶殼花生、油茶籽、板栗等不同粒徑的農產品，有利于“一機多用”，提高干燥機使用效率。

3)設計微振擾動系統，有利于改善干燥室內物料的流動性。干燥室頂層物料錐頂角在微振擾動狀態下明顯增大，有利于落料橫向移動及防止物料下落時產生的自動分級，可提高物料的烘后品質，并降低水分的不均勻度。