花生換向通風(fēng)干燥性能模擬與分析*

魏海，顏建春，游兆延，吳惠昌，徐效偉，謝煥雄

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

花生作為一種優(yōu)質(zhì)蛋白資源、油料和調(diào)味品，深受世界人民的歡迎與喜愛，在亞、美、澳等地廣泛種植，中國常年保持種植面積第二，產(chǎn)量第一[1-3]。干燥方式有一段式和兩段式干燥2種，其中一段式干燥直接將新收獲后的高水分花生攤鋪晾曬或機(jī)械催干至安全水分(8%濕基)；兩段式干燥先通過機(jī)械化挖掘翻曬，莢果朝上且不與藤蔓分離，待莢果含水率降至20%左右，采用撿拾收獲設(shè)備將花生采摘，采摘后的花生莢果繼續(xù)攤曬或機(jī)械化干燥至安全水分[3-6]。以美國為主的發(fā)達(dá)國家主要采用兩段式干燥，撿拾收獲后的花生以機(jī)械干燥為主，干燥設(shè)備為適合卡車拖掛的箱式固定床單向通風(fēng)設(shè)備[5-8]。在中國2種方式并存，以一段式干燥為主，多采用場地晾曬，少量種植戶采用通用型箱式干燥設(shè)備作為應(yīng)急干燥手段[9]。該類設(shè)備主要采用從底向上單向通風(fēng)方式，結(jié)構(gòu)簡單，投入成本低，但干燥均勻性差，能量利用率低，使用成本高昂，推廣應(yīng)用難。

作者所在研究團(tuán)隊(duì)針對通用型箱式干燥設(shè)備存在的水平和豎直方向上的干燥不均勻、能量利用率低的問題，提出了采用中間隔斷左右換向通風(fēng)干燥的方法，結(jié)合導(dǎo)風(fēng)勻風(fēng)和余熱回收等方式改善了干燥不均勻和能量利用率低的問題[10-12]。但為了獲得更好的改善效果，仍需配套合理的干燥工藝。本文從干燥過程數(shù)值模擬出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析左、右干燥室從下向上通風(fēng)時(shí)間、換向干燥階段換向時(shí)間、單位體積花生通風(fēng)量對干燥行為的影響，確定最優(yōu)干燥作業(yè)參數(shù)，為研發(fā)的換向通風(fēng)干燥設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)提供依據(jù)。

1 模型與模擬

1.1 左右換向通風(fēng)干燥原理

左右換向通風(fēng)干燥裝置為具有中間隔斷功能的箱式干燥器，主要包括左下風(fēng)室、左干燥室、上風(fēng)室、右干燥室、右下風(fēng)室(圖1)，其中左下風(fēng)室與左干燥室連通，右下風(fēng)室與右干燥室連通，左下風(fēng)室與右下風(fēng)室隔斷，左干燥室與右干燥室隔斷，上風(fēng)室與左干燥室和右干燥室連通。當(dāng)入倉的花生物料含水率較高時(shí)(≥25%濕基)，左、右兩個(gè)下風(fēng)室同時(shí)進(jìn)風(fēng)，介質(zhì)空氣自下而上穿過兩側(cè)物料層后經(jīng)由上風(fēng)室排入大氣，左、右兩側(cè)物料干燥狀態(tài)同步。干燥一段時(shí)間后，物料含水率稍低時(shí)(<25%濕基)，采用左、右換向通風(fēng)方式干燥。左下進(jìn)風(fēng)室進(jìn)風(fēng)時(shí)，介質(zhì)空氣從下向上穿過左側(cè)物料床后，在上風(fēng)室充分混合，再從上向下穿過右側(cè)物料床，最后從右下風(fēng)室出風(fēng)口排出干燥機(jī)；干燥一段時(shí)間后，從右下風(fēng)室進(jìn)風(fēng)，介質(zhì)空氣自下而上穿過右側(cè)物料床，在上風(fēng)室充分混合后，再從上向下穿過左側(cè)物料床，最后從左下風(fēng)室出風(fēng)口排出干燥機(jī)。干燥一段時(shí)間后再次改變介質(zhì)空氣穿過物料床方向，如此周期性反復(fù)，直至干燥結(jié)束。

(a) 兩側(cè)均從下向上

(b) 左側(cè)從下向上，右側(cè)從上向下

(c) 右側(cè)從下向上，左側(cè)從上向下圖1 箱式換向通風(fēng)干燥原理圖Fig. 1 Principle diagram of box-type reversingventilation drying1.右下風(fēng)室 2.右干燥室 3.左干燥室4.左下風(fēng)室 5.上風(fēng)室

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 花生干燥傳熱傳質(zhì)模型

花生莢果由種仁和外殼組成，種仁表面有種皮，外殼內(nèi)壁有白色薄膜，含水率高時(shí)種仁和外殼緊貼，隨著含水率降低，種仁與外殼之間出現(xiàn)間隙并逐漸增大。干燥過程傳熱傳質(zhì)復(fù)雜，很難針對各組分理化特征形成單個(gè)花生莢果干燥模型，現(xiàn)有研究基本將花生莢果看作一個(gè)類圓柱的實(shí)體，采用半經(jīng)驗(yàn)方程和實(shí)驗(yàn)歸納的方法，得出薄層干燥方程[13-16]。

本文為了解干燥過程左、右兩側(cè)料床不同高度位置花生的干燥狀態(tài)，將左、右兩側(cè)料床沿高度方向分成n等份，每份料層厚度為dx，左側(cè)記為1～n；右側(cè)記為(n+1)～2n，如圖2所示。干燥開始階段，兩側(cè)物料同時(shí)從下向上通風(fēng)時(shí)，第i層和第2n+1-i層物料干燥狀態(tài)相同。以其中任意一層物料為研究對象，為簡化計(jì)算，對干燥過程花生與介質(zhì)空氣間的傳熱傳質(zhì)作以下假設(shè)：忽略單個(gè)花生莢果內(nèi)部的溫度梯度；忽略花生莢果間的熱傳導(dǎo)；器壁絕熱，并忽略其熱容量；在足夠短的時(shí)間間隔內(nèi)濕空氣和花生莢果比熱視為常量[17-21]。

圖2 左右換向通風(fēng)干燥料層劃分示意圖Fig. 2 Diagram of material layer division forair flow left and right reversing drying

根據(jù)介質(zhì)空氣熱平衡：介質(zhì)空氣通過薄層花生前后焓值的差值+空隙內(nèi)氣體在dt時(shí)間內(nèi)焓的變化=對流傳遞的熱量。

(1)

化簡后如式(2)所示。

(2)

式中：ρa(bǔ)——干空氣密度，kg/m3；

Va——單位鋪料面積介質(zhì)空氣通風(fēng)量，m3/(m2h)；

S——單側(cè)料倉鋪料面積，m2；

t——干燥時(shí)間，h；

ca——干空氣比熱，J/(kg·℃)；

cv——水蒸氣比熱，J/(kg·℃)；

y——介質(zhì)空氣絕對濕度，kg/kg；

T——介質(zhì)空氣溫度，℃；

x——薄層花生料層位置，m；

ε——床層花生空隙率(無量綱)；

hT——花生莢果—空氣傳熱系數(shù)，J/(m2·℃)；

as——床層花生比表面積，m2/m3；

θ——薄層花生溫度，℃。

根據(jù)介質(zhì)空氣質(zhì)平衡：從花生中蒸發(fā)的水分+空隙內(nèi)氣體濕度在dt時(shí)間內(nèi)的變化=濕空氣得到的水分。

(3)

化簡后如式(4)所示。

(4)

式中：ρpb——干質(zhì)花生莢果體積密度，kg/m3；

M——薄層花生干基含水率，kg/kg。

根據(jù)物料熱平衡原理：熱空氣通過對流傳遞給花生的熱量=從花生物料中蒸發(fā)所需要的熱量+使水蒸氣升溫所需要的熱量+加熱花生所需的熱量。

cv(T-θ)]+Sdx(ρpbcpb+

(5)

化簡后如式(6)所示。

(6)

式中：hga——花生莢果中水分的汽化熱，J/kg；

cpb——干質(zhì)花生比熱，J/(kg·℃)；

cw——液態(tài)水比熱，J/(kg·℃)。

物料質(zhì)平衡方程即為薄層花生含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系式，即為薄層干燥方程。由于理論模型過于復(fù)雜，一般使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚16]，根據(jù)前期研究有

(7)

其中：a=0.752 46-0.081 968v-0.009 538 5T+0.001 824 4v·T；b=0.058 862-0.098 516v+0.002 325 5v·T；k=3.090 66+0.728 25v-0.195 85T+0.003 568 2T2。

式中：M0——初始含水率(干基)；

Me——花生平衡含水率(干基)，kg/kg；

v——介質(zhì)空氣穿過薄層花生的風(fēng)速，m/s；

a、b、k——干燥常數(shù)。

上述式(1)～式(7)中M(x,t)、θ(x,t)、y(x,t)、T(x,t)為未知數(shù)，均是料層位置x和干燥時(shí)間t的函數(shù)，通過對方程組的求解即可獲得任意位置任意時(shí)刻花生的干燥狀態(tài)。

1.2.2 初始條件

假設(shè)干燥前花生溫度和含水率分布均勻，令初始含水率為M0(干基)；初始溫度為θ0，℃；左右兩側(cè)料層厚度L，m。則有

(8)

1.2.3 邊界條件

設(shè)介質(zhì)空氣進(jìn)入料床前的溫度為Tin，℃；絕對濕度為yin，%。當(dāng)左右下風(fēng)室同時(shí)進(jìn)風(fēng)，介質(zhì)空氣從下向上穿過兩側(cè)物料床，則有

(9)

式中：tbu——從下向上通風(fēng)干燥的時(shí)間，h。

當(dāng)左下風(fēng)室進(jìn)風(fēng)，右下風(fēng)室出風(fēng)時(shí)

(10)

式中：thx——每次換向的時(shí)間間隔，h；

Nhx——換向干燥階段換向周期次數(shù)，Nhx=1、2、3…。

每個(gè)周期包括一次從左向右通風(fēng)和從右向左通風(fēng)，時(shí)長為2thx。

當(dāng)右下風(fēng)室進(jìn)風(fēng)，左下風(fēng)室出風(fēng)時(shí)

(11)

1.2.4 終止條件

當(dāng)料床花生平均含水率達(dá)到安全貯藏要求時(shí)，干燥終止。

Mav≤Mf

(12)

Mf——花生安全貯藏含水率(干基)，kg/kg。

1.2.5 輔助方程

干燥過程中平衡含水率、對流換熱系數(shù)、花生中水分蒸發(fā)的汽化熱變化較大，不可視作常量，需根據(jù)干燥狀態(tài)的改變實(shí)時(shí)修正。

花生莢果平衡含水率與進(jìn)入料層的溫度和相對濕度有關(guān)，可通過式(13)計(jì)算[14]。

5 ℃≤T≤45 ℃,10%≤RH≤95%

(13)

式中：RH——介質(zhì)空氣相對濕度，%。

對流傳熱系數(shù)與穿過料層的濕空氣密度和平均速度有關(guān)，可以通過式(14)計(jì)算[22]。

(14)

式中：ρA——濕空氣密度，kg/m3；

μA——濕空氣穿過料層的平均速度，m/s；

hT——對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

花生莢果內(nèi)部水分汽化熱與介質(zhì)空氣溫濕度對應(yīng)的平衡含水率有關(guān)，可以通過式(15)求解[23]。

hga=1 691.86exp(-0.002 4Me)+2 400.43

0

(15)

干空氣和水蒸氣密度、比熱、花生料層空隙率、比表面積等其余可視為常數(shù)的物理量可從相關(guān)手冊[17]和前人研究中獲得[23-24]。

1.3 評價(jià)指標(biāo)

1.3.1 干燥耗時(shí)

干燥耗時(shí)即為批次干燥花生物料從初始含水率降低至安全貯藏含水率所需要的時(shí)間。在計(jì)算機(jī)模擬仿真中可通過時(shí)間單元Δt與時(shí)間方向上的最終迭代循環(huán)次數(shù)求積獲得。

1.3.2 生產(chǎn)率

干燥結(jié)束時(shí)花生總質(zhì)量與總耗時(shí)之比記為批次干燥生產(chǎn)率。其中干燥結(jié)束時(shí)花生總質(zhì)量可通過式(16)計(jì)算。

mf=2SLρbf

(16)

式中：ρbf——干燥結(jié)束時(shí)花生莢果的體積密度，kg/m3；

mf——干燥結(jié)束時(shí)花生莢果的總質(zhì)量，kg。

則生產(chǎn)率

(17)

式中：tcsp——干燥總耗時(shí)，h。

1.3.3 單位質(zhì)量能耗

整個(gè)干燥過程包括2個(gè)階段，左、右兩干燥室均從下向上通風(fēng)階段，介質(zhì)空氣穿過頂層物料后直接排入大氣，此時(shí)為干燥初始階段，熱量主要用于加熱花生物料，排出的濕空氣溫度較低，一般不用于余熱回收；在換向通風(fēng)干燥階段，排出的濕空氣溫度隨時(shí)間增加越來越高，通過板翅式換熱器對其中的余熱進(jìn)行回收[10]，可大幅降低供熱成本。因此批次干燥總耗能為兩部分加熱器所需提供能量的總和。

Ecsp=Ebu+Ehx

(18)

式中：Ecsp——干燥總耗能，J；

Ebu——從下向上干燥階段耗能，J；

Ehx——換向通風(fēng)干燥階段耗能，J。

實(shí)際作業(yè)能耗主要為熱耗，風(fēng)機(jī)及控制系統(tǒng)耗能較小，可忽略。根據(jù)輸入的介質(zhì)空氣溫度、濕度、風(fēng)量、環(huán)境溫度及加熱器供熱占比即可計(jì)算2個(gè)干燥階段的能耗。其中左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)階段耗能

(19)

換向通風(fēng)干燥階段耗能

(20)

式中：qvol——單位體積花生通風(fēng)量，m3/(m3h)；

Tam——環(huán)境空氣溫度，℃；

η——干燥時(shí)熱加器加熱貢獻(xiàn)率，%。

根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用板翅換熱器回收廢氣中的余熱以加熱新鮮空氣，換向通風(fēng)干燥階段其加熱貢獻(xiàn)率約60%[10]，因此文中取空氣加熱器加熱貢獻(xiàn)率η=40%。

單位質(zhì)量能耗為干燥總能耗和干燥后花生總質(zhì)量的比值，即

(21)

式中：Epum——干燥結(jié)束后單位質(zhì)量花生能耗，J/kg。

1.3.4 水分差

水分差是反應(yīng)干燥均勻性的重要指標(biāo)，為床層花生含水率(濕基)最高值與最低值之差。則干燥終止時(shí)刻床層花生水分差可通過式(22)獲得。

(22)

式中：MW——床層花生濕基含水率，%；

MD——床層花生水分差，%。

1.3.5 綜合評價(jià)指標(biāo)

為解決最優(yōu)干燥參數(shù)求解時(shí)，不同指標(biāo)在仿真實(shí)驗(yàn)因素考查范圍內(nèi)的變化不一致，不便于數(shù)據(jù)分析的問題，采用綜合加權(quán)評分法將多個(gè)性能指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為一個(gè)單指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用單指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析。

1) 確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值。干燥耗時(shí)、生產(chǎn)率、單位質(zhì)量能耗、干燥均勻性是考核干燥設(shè)備作業(yè)能力的重要指標(biāo)，其中干燥耗時(shí)與生產(chǎn)率均為反應(yīng)干燥快慢程度的指標(biāo)，功能上具有重復(fù)性，因此取其中之一即可。根據(jù)指標(biāo)的重要性，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定生產(chǎn)率、單位質(zhì)量能耗、水分差的權(quán)重W1、W2、W3分別為0.25、0.5、0.25。

2) 統(tǒng)一各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢。為了保證綜合加權(quán)平均值越大越好，應(yīng)將變化趨勢越小越好的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為越大越好，為此在其值前加負(fù)號。生產(chǎn)率越大越好，單位質(zhì)量能耗和水分差越小越好。

J=1,2,…,13

(23)

式中：Y1,J——第J號仿真實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)率指標(biāo)值，kg/h；

Y2,J——第J號仿真實(shí)驗(yàn)單位質(zhì)量能耗指標(biāo)值，J/kg；

Y3,J——第J號仿真實(shí)驗(yàn)水分差指標(biāo)值，%。

3) 統(tǒng)一各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)量級和量綱。為消除各指標(biāo)數(shù)量級和量綱對其加權(quán)評分值的影響，使各指標(biāo)的加權(quán)評分值具有可比性，需統(tǒng)一各指標(biāo)的數(shù)量級和量綱。通過式(24)可得到各指標(biāo)的數(shù)量級、無量綱的評分值。

I=1,2,3；J=1,2,3，…,13

(24)

4) 計(jì)算綜合加權(quán)評分。把各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)評分值相加即為“綜合加權(quán)評分值”。

(25)

WI——第I個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.4 干燥過程模擬

根據(jù)介質(zhì)空氣通風(fēng)方向，采用有限差分法對對花生干燥狀態(tài)方程式(1)～式(7)離散化處理，通過逐時(shí)逐層計(jì)算薄層花生含水率和溫度、介質(zhì)空氣溫濕度(穿過料層后)的方法對整個(gè)干燥過程進(jìn)行模擬。令薄層花生厚度Δx=dx，則第i個(gè)薄層在干燥床中的位置為x=iΔx(圖2)；將干燥時(shí)間劃分成若干等分，每個(gè)等分記為一個(gè)時(shí)間單元，時(shí)間單元時(shí)長Δt=dt，則第j個(gè)時(shí)間單元對應(yīng)的干燥時(shí)間為t=jΔt。

進(jìn)行模擬干燥時(shí)首先根據(jù)初始條件方程式(5)確定干燥初始時(shí)刻(j=0)，任意薄層物料的含水率Mi,0，溫度θi,0。根據(jù)邊界條件方程式(9)～式(11)，確定第1個(gè)時(shí)間單元時(shí)(j=1)介質(zhì)空氣進(jìn)入沿通風(fēng)方向的第1個(gè)料層前的溫度和濕度，雙干燥室從下向上通風(fēng)和從左向右通風(fēng)兩種工況時(shí)分別為T0,1，y0,1；從右向左通風(fēng)工況時(shí)分別為T2n+1,1，y2n+1,1。其中第0和2n+1料層均不存在，為方便計(jì)算計(jì)數(shù)的假想層。以此為輸入?yún)?shù)，通過式(7)的離散方程計(jì)算第1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)第1層的物料含水率M1,1，通過式(4)的離散方程計(jì)算介質(zhì)空氣穿過第1層物料后的絕對濕度y1,1，通過式(2)和式(6)的離散方程構(gòu)成的方程組計(jì)算介質(zhì)空氣穿過第一層物料后的物料溫度θ1,1和空氣溫度T1,1；之后以M1,1、y1,1、θ1,1、T1,1為輸入值按照上述方式計(jì)算第2層物料的干燥狀態(tài)參數(shù)M2,1、y2,1、θ2,1、T2,1，以此類推，直至Mn,1、yn,1、θn,1、Tn,1，第1個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的所有料層計(jì)算完畢，采用同樣方法計(jì)算第2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)所有料層的干燥狀態(tài)參數(shù)，以此類推直至jΔt>tbu，左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)干燥階段結(jié)束，進(jìn)入換向通風(fēng)干燥階段。

從左向右通風(fēng)時(shí)，按照上述方法計(jì)算t∈[tbu+2(Nhx-1)thx,tbu+(2Nhx-1)thx]時(shí)間范圍內(nèi)各料層干燥狀態(tài)，從第1層開始，從第2n層結(jié)束；從右向左通風(fēng)時(shí)，計(jì)算t∈[tbu+(2Nhx-1)thx,tbu+2Nthx]時(shí)間范圍內(nèi)各料層干燥狀態(tài)，從第2n層開始，第1層結(jié)束。

隨著通風(fēng)方向切換，逐時(shí)逐層計(jì)算各層物料干燥狀態(tài)，直至整床物料平均含水率達(dá)到安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)(8%濕基)[25]。模擬仿真程序流程如圖3所示。

圖3 仿真程序流程圖Fig. 3 Flowchart of simulating program

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)和前人研究基礎(chǔ)[10, 26-29]，固定床花生干燥溫度一般不宜超過38 ℃，否則會因?yàn)楦稍锴捌诰植课恢贸掷m(xù)高溫高濕導(dǎo)致花生敗味，降低風(fēng)味品質(zhì)，因此仿真分析中設(shè)定通風(fēng)溫度38 ℃。同時(shí)為簡化計(jì)算，參考主產(chǎn)區(qū)花生收獲期的平均環(huán)境溫濕度及入倉花生含水率，設(shè)定環(huán)境溫度25 ℃，環(huán)境相對濕度50%，花生初始濕基含水率40%(干基含水率0.667)。

同時(shí)設(shè)定左右兩側(cè)料床載料高度均為0.7 m，改變兩干燥室從下向上通風(fēng)時(shí)長、換向時(shí)間、單位體積花生通風(fēng)量，對干燥過程花生含水率、溫度變化情況及耗時(shí)、生產(chǎn)率、耗能、水分差等生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

為驗(yàn)證干燥模擬準(zhǔn)確性，在自行研制的5H-1.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機(jī)(圖4)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[10-12]。

圖4 5H-1.5A型箱式換向通風(fēng)干燥機(jī)Fig. 4 5H-1.5A box-type reversing ventilation dryer

該設(shè)備主要由換向通風(fēng)干燥箱、燃?xì)鉄犸L(fēng)機(jī)、余熱回收機(jī)構(gòu)、控風(fēng)閥、風(fēng)管等組成。干燥倉為3 m×2 m×1.3 m的箱體。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，左、右干燥室最大載料高度0.7 m；上風(fēng)室、左下風(fēng)室、右下風(fēng)室高度均為0.3 m。承料沖孔板將下風(fēng)室和干燥室隔開，開孔率為22.7%。通風(fēng)溫度在環(huán)境溫度～(環(huán)境溫度+20 ℃)范圍內(nèi)可無級調(diào)節(jié)，總通風(fēng)量3 000～8 000 m3/h范圍內(nèi)可通過變頻器調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)選用新收獲后的花生莢果，產(chǎn)地為河南遂平縣，將土雜初步篩除后滿載，入倉含水率約40.7%(濕基)。烘干過程環(huán)境溫度平均值約23.6 ℃，環(huán)境相對濕度平均值約47.2%。設(shè)定通風(fēng)溫度38 ℃，通風(fēng)量根據(jù)3.3.2節(jié)仿真優(yōu)化結(jié)果設(shè)置。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程與方法

花生莢果具有顆粒大、流動性差的特點(diǎn)，常用的插取式取樣器很難從料床中插取少量花生莢果以獲取料床不同高度位置含水率的情況，采用預(yù)埋取樣法，將裝滿花生的周邊和底部開有密集小孔的圓筒狀取樣器埋入料層中，取樣器底部與承料沖孔板接觸。筒狀取樣器直徑50 mm，高70 cm。將干燥室按照圖5劃分測試區(qū)域，左干燥室①～④測試區(qū)域，右干燥室⑤～⑧測試區(qū)域。在每個(gè)測試區(qū)域中心位置放置3個(gè)取樣器，分別在干燥開始后10 h、25 h及干燥結(jié)束時(shí)取出。按照物料在取樣管中的位置，將之分成上、中、下3段，采用烘箱法分別測量各段含水率[30]。取左、右干燥室各測試區(qū)域的上、中、下位置對應(yīng)的物料含水率平均值作為左干燥室和右干燥室上、中、下料層的含水率。

同時(shí)為了測量干燥過程2個(gè)干燥室上、中、下層物料溫度變化情況，在各測試區(qū)域中心位置分別距離承料沖孔板12 cm、35 cm、58 cm放置1個(gè)溫度傳感器，共8×3=24個(gè)。取左、右干燥室各測試區(qū)域上、中、下位置對應(yīng)的物料溫度平均值作為左干燥室和右干燥室上、中、下層物料溫度。

圖5 換向通風(fēng)干燥測試區(qū)域劃分Fig. 5 Testing areas partition of reversing ventilation drying

為了解實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果與仿真分析結(jié)果的一致性，采用相關(guān)系數(shù)r衡量含水率和溫度實(shí)驗(yàn)值和仿真分析值之間的差異，r越接近1則說明模型模擬對實(shí)際干燥過程描述越準(zhǔn)確。

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥過程物料狀態(tài)

為了解干燥過程不同位置花生溫度和含水率變化情況，設(shè)定單位體積花生通風(fēng)量1 200 m3/(m3h)，雙干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)階段時(shí)長10 h，換向干燥階段換向時(shí)間2 h，根據(jù)1.4節(jié)中自編譯程序和初值設(shè)定，對干燥過程物料狀態(tài)變化情況進(jìn)行計(jì)算模擬，并將花生物料干基含水率轉(zhuǎn)化為濕基含水率，結(jié)果如圖6所示。其中0～0.7 m為左干燥室床層區(qū)域，0.7～1.4 m 為右干燥室料層區(qū)域。

(a) 溫度

(b) 含水率圖6 干燥過程物料床溫度和含水率變化Fig. 6 Changes of temperature and moisture content ofpeanut material bed during drying

干燥初始階段(0～10 h)，介質(zhì)空氣從底部進(jìn)入左、右2個(gè)干燥室，在從下向上穿透料層過程中，由于與低溫料層的不斷換熱，并從花生莢果表層吸取水分，介質(zhì)空氣熱量不斷損失且相對濕度不斷增加，因此底層物料(0.0 m和1.4 m位置附近)溫度快速升高而頂層物料(0.7 m位置附近)升溫緩慢。干燥開始6 h后，頂層物料溫度與入倉時(shí)溫度相比仍沒有明顯變化。之后由于底部料層溫度已接近入風(fēng)溫度，吸收熱量主要用于花生莢果內(nèi)部水分遷移和表層水分蒸發(fā)，其吸取的熱量與加熱升溫相比較小，介質(zhì)空氣流通至頂部料層位置仍有一定的溫度(并隨時(shí)間增加溫度逐漸增大)用于頂部物料的加熱升溫，至干燥10 h底層物料與頂層物料溫差約5.7 ℃。在此過程中，0～4 h頂層物料含水率幾乎沒有變化，底層物料含水率快速降低至約26%濕基；之后2 h盡管穿過頂層料層的介質(zhì)空氣溫度仍然很低，與花生莢果表層溫度接近，但仍有一定的吸濕能力(相對濕度未達(dá)到與花生莢果的吸收平衡)，頂層物料含水率逐漸緩慢降低。至干燥10 h，底層物料含水率約21%濕基，頂層物料含水率約25%濕基。

干燥10 h后進(jìn)入換向通風(fēng)干燥階段，每隔2 h改變一次介質(zhì)空氣穿過物料層的方向，此時(shí)介質(zhì)空氣穿過的料層厚度為兩側(cè)料層之和，介質(zhì)空氣穿過物料層的平均風(fēng)速為左右兩側(cè)干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)時(shí)的2倍。在此過程中，物料層溫度隨通風(fēng)方向改變呈類波浪態(tài)變化，波動幅度逐漸減小，床層物料平均溫度逐漸升高，最終逼近介質(zhì)空氣入風(fēng)溫度。每次改變通風(fēng)方向后，原來的進(jìn)風(fēng)側(cè)變?yōu)槌鲲L(fēng)側(cè)，原來的出風(fēng)側(cè)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)側(cè)，因此料層位置0.0 m和1.4 m處溫度變化最為劇烈，波動幅度最大；而料層位置0.7 m附近不管通風(fēng)方向如何變化，其距離通風(fēng)起點(diǎn)的位置變化較小甚至不變，該處溫度波動幅度最小。受通風(fēng)方向及料層溫度規(guī)律性變化的影響，料層花生含水率下降速率也呈與溫度類似性變化，每次改變通風(fēng)方向后原來降水速率快的位置變?yōu)榻邓俾事奈恢茫粗瓉斫邓俾事奈恢米優(yōu)榻邓俾士斓奈恢谩Ｍㄟ^如此方式控制料層不同位置區(qū)域降水速率，以達(dá)到均勻干燥的目的。至干燥結(jié)束(43.1 h)，床層花生平均含水率8%濕基，水分差1.39%。

3.2 干燥參數(shù)對指標(biāo)的影響

3.2.1 從下向上通風(fēng)干燥時(shí)長對干燥指標(biāo)的影響

為了解左、右兩干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)干燥階段時(shí)間長短對干燥指標(biāo)的影響，設(shè)定單位體積花生通風(fēng)量12 00 m3/(m3h)，換向干燥階段換向時(shí)間間隔2 h，通過1.4節(jié)中自編譯程序和初值設(shè)定，模擬了從下向上通風(fēng)干燥時(shí)長4～14 h范圍內(nèi)的干燥過程，計(jì)算了批次干燥耗時(shí)、生產(chǎn)率、單位質(zhì)量花生耗能、水分差4個(gè)指標(biāo)值，并繪制了該4個(gè)指標(biāo)值隨從底向上通風(fēng)時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。

(a) 通風(fēng)時(shí)長對干燥耗時(shí)的影響

(b) 通風(fēng)時(shí)長對生產(chǎn)率的影響

(c) 通風(fēng)時(shí)長對單位質(zhì)量花生耗能的影響

(d) 通風(fēng)時(shí)長對水分差的影響圖7 從底向上通風(fēng)時(shí)長對干燥指標(biāo)的影響Fig. 7 Effects of ventilation time frombottom-up on drying index

由圖7可知，隨著左右兩側(cè)干燥室從下向上通風(fēng)時(shí)間增加，批次干燥耗時(shí)先增加后減小，對應(yīng)的生產(chǎn)率先減小后增加，盡管均有明顯的變化趨勢改變，但兩者的變化范圍均很小，最小耗時(shí)僅比最大耗時(shí)低0.69%，最大生產(chǎn)率僅比最小生產(chǎn)率多0.48%。由此可見，從下向上通風(fēng)時(shí)長的改變對降低干燥耗時(shí)增加生產(chǎn)率的實(shí)際意義很小。單位質(zhì)量花生耗能和干燥后花生水分差均隨從底向上通風(fēng)時(shí)間的增加而增加，最高能耗比最低能耗高30.9%，最高水分差比最低水分差高49.6%。

因此，縮短從底向上通風(fēng)干燥階段時(shí)間對降低干燥能耗成本和提高干燥均勻性有實(shí)際意義。但對于高水分花生，花生莢果外殼水分需在干燥初始階段盡快排出，如果舍棄從底向上通風(fēng)干燥階段，一開始就采用換向通風(fēng)干燥，則會因介質(zhì)空氣穿過的料層厚度太大，導(dǎo)致排濕不暢，部分物料長期處于高濕狀態(tài)，霉變風(fēng)險(xiǎn)極高。因此干燥作業(yè)中，通常當(dāng)花生莢果外殼稍干(通常莢果含水率25%左右)后，再采用換向通風(fēng)干燥完成后續(xù)干燥。

3.2.2 換向時(shí)間對干燥指標(biāo)的影響

為了解換向通風(fēng)干燥階段換向時(shí)間長短對干燥指標(biāo)的影響，設(shè)定單位體積花生通風(fēng)量1 200 m3/(m3h)，左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)階段時(shí)長10 h，通過章節(jié)1.4中自編譯程序和初值設(shè)定，模擬了換向時(shí)間1～5 h范圍內(nèi)的干燥過程，計(jì)算了批次干燥耗時(shí)、生產(chǎn)率、單位質(zhì)量花生耗能、水分差4個(gè)指標(biāo)值，并繪制了該4個(gè)指標(biāo)值隨換向時(shí)間變化的曲線，如圖8所示。

由圖8可知，換向時(shí)間為1 h時(shí)，耗時(shí)、耗能、水分差最大，這是由于通風(fēng)方向頻繁改變導(dǎo)致了換向熱損流失過大(原來的高溫進(jìn)風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲲L(fēng)側(cè)，物料熱量被空氣帶出)，從而減緩干燥速度，從而使耗時(shí)、耗能及水分差相比于其它換向時(shí)間略高。總體而言，換向時(shí)間對各指標(biāo)的影響較小，干燥耗時(shí)最大值僅比最小值多0.93%；單位質(zhì)量耗能最大值比最小值多0.51%；水分差最大值比最小值高6.5%；生產(chǎn)率最小值比最大值少2.0%。因此，綜合操作便捷性及換向時(shí)間過長導(dǎo)致的水分差不確定性(最后1～2個(gè)換向時(shí)段導(dǎo)致的干燥周期不平衡)，換向時(shí)間一般選取2 h或3 h。

3.2.3 通風(fēng)量對干燥指標(biāo)的影響

為了解單位體積花生通風(fēng)量對干燥指標(biāo)的影響，設(shè)定左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)階段時(shí)長10 h，換向通風(fēng)干燥階段換向時(shí)間2 h，通過1.4節(jié)中自編譯程序和初值設(shè)定，模擬了單位體積通風(fēng)量800～1 800 m3/(m3h)范圍內(nèi)的干燥過程，計(jì)算了批次干燥耗時(shí)、生產(chǎn)率、單位質(zhì)量花生耗能、水分差4個(gè)指標(biāo)值，并繪制了該4個(gè)指標(biāo)值隨單位體積花生通風(fēng)量變化的曲線，如圖9所示。

(a) 換向時(shí)間對干燥耗時(shí)的影響

(b) 換向時(shí)間對生產(chǎn)率的影響

(c) 換向時(shí)間對單位質(zhì)量花生耗能的影響

(d) 換向時(shí)間對水分差的影響圖8 換向時(shí)間對干燥指標(biāo)的影響Fig. 8 Effects of reversing time on drying indexes

由圖9可知，單位體積通風(fēng)量的增加，有助于干燥耗時(shí)的減少、水分差的降低和生產(chǎn)率的提高，但單位質(zhì)量耗能的增加也提高了干燥作業(yè)能耗成本。當(dāng)風(fēng)量從800 m3/(m3h)增加到1 800 m3/(m3h)時(shí)，干燥耗時(shí)降低了24.5%，生產(chǎn)率提高了32.5%，水分差降低了44.4%，耗能增加了83.4%。由此可見，在干燥溫度確定的前提下，風(fēng)量控制是實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效，提高干燥質(zhì)量的重要指標(biāo)。

(a) 單位體積花生通風(fēng)量對干燥耗時(shí)的影響

(b) 單位體積花生通風(fēng)量對生產(chǎn)率的影響

(c) 單位體積花生通風(fēng)量對單位質(zhì)量花生耗能的影響

(d) 單位體積花生通風(fēng)量對水分差的影響圖9 單位體積花生通風(fēng)量對干燥指標(biāo)的影響Fig. 9 Effect of ventilation volume per unit cubic metre peanut on drying indexes

3.3 干燥作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 均勻設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果

為獲得最優(yōu)的干燥作業(yè)參數(shù)，參考3.2節(jié)研究結(jié)果，同時(shí)根據(jù)不同干燥階段花生含水率下降的難易程度，將整個(gè)干燥過程劃分成3個(gè)階段：第1階段料床花生平均含水率從40%降低至25%，采用左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)方式干燥；第2階段平均含水率從25%降低至15%，采用換向通風(fēng)方式干燥；第3階段平均含水率從15%降低至8%，采用換向通風(fēng)方式干燥。3個(gè)干燥階段，采用不同的通風(fēng)量，以期獲得最優(yōu)的綜合效果。采用U13*(134)均勻設(shè)計(jì)表，開展以3個(gè)階段各自的單位體積通風(fēng)量為因素，范圍均為800～1 760 m3/(m3h)，以生產(chǎn)率(生產(chǎn)率與干燥耗時(shí)均為反應(yīng)干燥快慢程度的指標(biāo)，功能上具有重復(fù)性，因此取其中之一即可)、單位質(zhì)量能耗、水分差為指標(biāo)的3因素13水平均勻設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算綜合加權(quán)評分值。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 U13*(134)均勻設(shè)計(jì)安排和模擬計(jì)算結(jié)果Tab. 1 U13*(134) uniform design test arrangement and simulation calculation results

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用逐步回歸法進(jìn)行三元二次逐步回歸分析，剔除不顯著項(xiàng)，得到綜合加權(quán)評分值與3個(gè)干燥階段通風(fēng)量的回歸模型，如式(26)。判定系數(shù)、剩余標(biāo)準(zhǔn)差RMSE、F值、P值等模型質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)見表2，模型各顯著項(xiàng)P值見表3。

Y*=10.547 8+0.056 799 9X1+10-5×

(1.072 55X2X3+0.943 902X3X1-

2.633 04X12-1.126 15X22)

(26)

由表2可知，綜合加權(quán)評分值Y*回歸方程判斷系數(shù)R2>0.98，回歸方程與模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好，總體顯著性檢驗(yàn)P值<0.01，回歸方程可行度高。根據(jù)表3列出的回歸方程各顯著項(xiàng)P值，可知：各顯著項(xiàng)對綜合加權(quán)評分值影響大小依次為，X22>X12>X1>X2X3>X3X1，三個(gè)階段通風(fēng)量均對綜合加權(quán)評分值有顯著影響，其X2和X3、X3和X1之間交互作用顯著。

表2 回歸模型質(zhì)量評價(jià)Tab. 2 Quality evaluations of regression model

表3 回歸模型各顯著項(xiàng)P值Tab. 3 Significance level values of significant items forregression model

3.3.2 最優(yōu)通風(fēng)參數(shù)求解

為便于綜合加權(quán)評分Y*最大值的求解，以Y*相反數(shù)的最小值為目標(biāo)函數(shù)，以3個(gè)干燥階段各自的通風(fēng)量邊界范圍為約束條件，則有

目標(biāo)函數(shù)

Y=min(-Y*(X1,X2,X3))

約束條件

采用MATLAB軟件“fmincon”函數(shù)求解上述多元線性約束方程，得：X1=1 394 m3/(m3h)，X2=838 m3/(m3h)，X3=1 760 m3/(m3h)時(shí)Y*值最大69.63，優(yōu)于表1中的所有通風(fēng)量組合。將X1、X2、X3作為輸入值，模擬花生干燥過程可得干燥耗時(shí)42.3 h、生產(chǎn)率21.39 kg/h、單位質(zhì)量能耗1.122×106J/kg、水分差1.24%。

3.4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

根據(jù)3.3.2節(jié)中獲得的最優(yōu)通風(fēng)參數(shù)開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，根據(jù)2.2節(jié)中的方法測取干燥過程物料濕基含水率和溫度；根據(jù)2.1節(jié)中提供的環(huán)境條件和物料初始參數(shù)，及實(shí)驗(yàn)采用的通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，讀取干燥過程物料濕基含水率和溫度，結(jié)果如圖10所示。

(a) 左干燥室含水率

(b) 右干燥室含水率

(c) 左干燥室溫度

(d) 右干燥室溫度圖10 左、右干燥室物料含水率、溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比Fig. 10 Comparison of simulation value and experimentalvalue of material moisture content andtemperature of left and right chamber

將模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，可得：左干燥室上、中、下層物料含水率模擬值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)分別為0.996、0.997、0.996，溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)分別為0.986、0.983、0.989；右干燥室上、中、下層物料含水率模擬值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)分別為0.996、0.997、0.997，溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)分別為0.987、0.977、0.988。結(jié)果表明，左、右干燥室各層物料含水率和溫度模擬效果良好，模型模擬可以較好地預(yù)測實(shí)際烘干生產(chǎn)中花生含水率和溫度變化情況。

4 結(jié)論

1) 干燥初始階段，左、右干燥室同時(shí)從下向上通風(fēng)，熱量主要用于花生加熱和表層水分快速蒸發(fā)，下(底)層物料升溫干燥快速，中、上層物料相對緩慢，上、下層物料容易形成明顯的水分梯度；換向通風(fēng)干燥階段，周期性改變介質(zhì)空氣穿過物料層的方向，使物料層溫度以類波浪狀波動，有效控制了物料床整體干燥均勻性。

2) 左、同時(shí)右干燥室從下向上通風(fēng)時(shí)長對耗時(shí)和生產(chǎn)率影響較小，對耗能和水分差影響較大，縮短從下向上通風(fēng)時(shí)間，有助于降低耗能和水分差，但時(shí)間過短易導(dǎo)致料床排濕不暢而引起霉變；換向時(shí)間的改變對耗時(shí)、生產(chǎn)率、耗能、水分差影響較小；通風(fēng)量的增加有助于干燥耗時(shí)、水分差的降低和生產(chǎn)率的提高，但耗能將大幅增加。

3) 均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化和綜合加權(quán)評分表明，含水率大于25%階段通風(fēng)量1 394 m3/(m3h)，含水率15%～25%階段通風(fēng)量838 m3/(m3h)，含水率小于15%階段通風(fēng)量1 760 m3/(m3h)綜合干燥效果最優(yōu)。烘干過程模擬仿真的物料溫度和含水率變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，相關(guān)系數(shù)r>0.98。