小型分層床式干燥機性能分析與優化

馬文軍

(黑龍江省農業機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

水稻在我國種植面積廣泛,是我國重要的糧食作物之一。但水稻在收割后含有較高水分,如不及時進行干燥處理,會導致水稻出現霉變、變質和蟲害等問題[1-2],從而降低糧食品質和產量。干燥水稻可有效降低其水分含量,提高水稻質量和儲存穩定性,延長其保質期。同時,干燥還能夠減少水稻的重量和體積,便于儲存、運輸和加工。

分層床式干燥技術通過托盤、網格或其他支撐結構來支持物料,將物料分布在多個層次上,并對其進行適當的加熱和通風,每一層物料都接受相同的干燥條件,避免了過熱或不均勻干燥的問題,實現快速而均勻的干燥效果[3-5]。

本文基于自主設計的小型分層床式干燥設備,采用理論分析、軟件模擬和試驗驗證相結合的方法,在分析水稻物理特性的基礎上,探明了小型分層床式干燥機干燥室內流場分布及干燥性能。研究結果為小型分層床式干燥機的設計和優化提供有力的參考,以提高干燥效率和水稻品質。

1 水稻特性參數測定

1.1 真實密度的測定

水稻顆粒在干燥過程中是堆積狀態,因此水稻的密度分為真實密度和容積密度。真實密度是指水稻顆粒的質量與其體積之比,反映了水稻顆粒的實際質量分布情況,不受顆粒間隙或堆積狀態的影響。真實密度是通過將水稻顆粒的質量與其體積測量得到的,可作為水稻顆粒的基本物理特性之一。容積密度是指水稻顆粒在一定容器內的體積與容器的有效容積之比,由于水稻顆粒在干燥過程中會產生堆積效應,顆粒之間存在一定的間隙,因此容積密度要大于真實密度。容積密度反映了水稻顆粒在堆積狀態下的體積分布情況,對干燥設備的設計和操作有一定的參考價值。

本文選用甲苯浸液容量瓶法測定水稻干燥的真實密度,測定步驟如下[6]:

1)準備干燥的水稻樣品。從代表性的水稻批次中獲取一定數量的樣品,并將其徹底干燥以去除水分。

2)準備甲苯浸液。取一定量的甲苯,足夠浸沒水稻樣品,準備一個浸液容量瓶。

3)測定容積。將干燥的水稻樣品加入浸液容量瓶中,使其完全浸沒在甲苯中。注意不要產生氣泡。

4)振蕩和除氣。輕輕振蕩容量瓶,以排除樣品中的氣泡,并確保水稻樣品均勻分布在甲苯中。

5)測定質量。將浸液容量瓶放在一個平衡器上,并記錄容量瓶的質量。

6)計算真實密度。通過容量瓶的質量和已知甲苯的密度,計算出水稻樣品的真實密度,計算公式如下

(1)

本文測得的不同含水率下水稻真實密度如表1所示。結果表明,隨著含水率的增加,水稻真實密度呈現出逐漸下降的趨勢。

表1 不同含水率下水稻真實密度

1.2 容積密度的測定

水稻孔隙率計算公式如下所示[7]

(2)

式中V0—水稻籽粒堆積層的總體積,m3;

V實—水稻籽粒絕對密實體積,m3。

水稻容積密度由容重法進行測定,操作步驟如下:

1)準備水稻樣品。從具有代表性的水稻批次中獲取一定數量的樣品,并將其徹底干燥以去除水分。

2)準備容量瓶。選擇一個已知容積的容量瓶,清潔并干燥。

3)稱量樣品。稱取一定質量的干燥水稻樣品,并記錄其質量。

4)填充容量瓶。將稱量的水稻樣品連續、均勻地倒入容量瓶中,直到填滿容量瓶。

5)計算容積密度。通過樣品的質量和容量瓶的容積,計算出水稻樣品的容積密度,公式如下

(3)

通過試驗測得不同含水率下水稻容積密度,如表2所示。結果表明,隨著含水率的增加,水稻容積密度逐漸增加,主要是由于水稻含水率的增加,顆粒之間的間隙減小,導致單位體積內水稻顆粒數量增加,從而使容積密度增加。

表2 不同含水率下水稻容積密度

1.3 水稻平均粒徑的測定

水稻平均粒徑是水稻干燥模擬中的一個重要參數。它指的是水稻顆粒在長度方向上的平均尺寸或直徑。在干燥過程中,水稻顆粒的尺寸大小會對干燥速率、熱傳遞和氣體流動等關鍵因素產生影響。

從代表性的水稻批次中隨機采集一定數量的水稻樣品,將采集到的水稻樣品進行干燥,以去除水分,并確保樣品充分干燥。然后,選擇一定數量的(已分選好)水稻樣品,使用顯微鏡或圖像分析儀等設備對其進行測量。在測量過程中,可以使用刻度尺、圖像處理軟件或專用儀器,測量水稻顆粒的長度或直徑。最后,據測量得到的水稻不同粒徑分布比例。

水稻不同粒徑分布如表3所示,結果表明,7～8 mm的水稻顆粒在樣品中占據最高的百分比(30%),隨著粒徑范圍的增加或減小,顆粒所占的百分比也相應地增加或減小。這表明水稻顆粒的尺寸分布不是均勻的,而是存在著一定的變化和偏差。

表3 水稻不同粒經分布

2 小型分層床式干燥機干燥試驗

本研究水稻平均含水率為9.5%,但是相關研究表明,水稻剛收獲時其平均含水率為25%左右,因此,本文采用人工噴淋的方法將試驗所用水稻種子含水率提高至25%±5%。分層干燥床內測量區域示意圖,如圖1所示,此示意圖可全面評估分層干燥床內不同區域的干燥程度,以了解水稻顆粒在不同位置上的含水率變化情況。

圖1 分層干燥床內測量區域示意圖

在干燥前,對干燥床內的各個測量點進行初始含水率測定,三層干燥床的物料干燥厚度,分別設置為20 mm和40 mm,干燥總時長均為15 h,在試驗過程中,通過加熱器或將空氣加熱到一定溫度,然后將熱空氣引入干燥床,設置干燥機的操作參數,干燥機通過風機熱空氣從一側(通常是分層干燥床底部)吹入干燥床,并從另一側(通常是分層干燥床頂部)排出,每隔2 h換一次風向,以確保熱空氣能夠均勻地通過分層干燥床的不同區域。

水稻物料層厚度在40 mm時,不同床層干燥前后含水率對比如圖2所示。試驗結果表明,對比不同床層干燥前后的含水率,發現在水稻物料層厚度為40 mm時,經15 h干燥,a、b、c干燥區域水稻含水率均下降至安全存儲含水率以下。然而,分層干燥床內的b、c兩個區域仍然顯示較高的含水率,干燥性能較差。主要是由于在干燥床的橫向干燥過程中,熱風通常是從干燥床的兩側進入,從干燥床的中間區域排出。當干燥風進入干燥床邊緣區域時,會較快地吸收邊緣區域的物料水分,導致邊緣區域含水率降低,當熱風通過干燥床的中間區域時,已經相對飽和,因此無法進一步吸收更多的水分,導致中間部分的含水率相對較高。

圖2 40 mm厚水稻床層不同位置含水率對比

水稻物料層厚度在20 mm時,床層不同位置含水率對比如圖3所示。對比不同位置的床層在20 mm厚度下的水稻含水率,發現不同區域的水稻含水率均達到安全存儲要求。與水稻物料層厚度為40 mm的結果相比,20 mm的床層表現出更好的干燥均勻性。因此,較薄的物料層厚度能使熱風更容易透過水稻顆粒,達到床層的各個區域,提高熱風與水稻顆粒的接觸面積,從而加快干燥速度并提高干燥均勻性。

圖3 20 mm厚水稻床層不同位置含水率對比

本章節的研究結果表明,小型分層床式干燥設備在薄層干燥方面表現良好,能夠滿足干燥要求。然而,干燥均勻性不足是一個需要解決的問題。因此,在第3章中采用數值模擬的方法來深入分析導致干燥不均勻的原因,通過改進干燥設備結構,以優化其干燥均勻性。

3 小型分層床式干燥機數值模擬與優化

本章節以4 m/s的進口風速,對水稻分層床式干燥機內部流程分布進行模擬,得到不同干燥層面的壓力分布及速度分布,基于CFD軟件探明流場分布對水稻干燥性能的影響,包括氣流的流動路徑、速度分布以及壓力變化等,在此基礎上提出結構優化方案,旨在進一步提高干燥室內流場分布均勻性及干燥性能。

3.1 CFD理論分析

CFD(Computational Fluid Dynamics)是一種利用數值計算方法對流體流動和傳熱等問題進行模擬和分析的工程技術。CFD技術通過建立流體的數學模型,應用數值方法對模型進行離散化處理,并使用計算機進行求解,從而模擬和預測流體的運動、溫度、壓力等參數的分布情況[8]。計算流程如圖4所示。

圖4 基于CFD數值模擬流程圖

3.2 分層干燥室內流場數值模擬分析

本文采用CFD技術對水稻分層床式干燥設備運行時的干燥室內流場分布進行模擬。在模擬過程中,做出了以下假設和控制方程:

連續方程

(3)

式中u,v,w—x,y,z三個坐標系方向上的流體的速度。

動量守恒定律方程如式(4)～(6)所示,因受力只有重力,且軸豎直向上,則Fx=0,Fy=0,Fz=-ρg。

(4)

(5)

(6)

式中 μ—動力粘度。

能量守恒定律

(7)

式中T—溫度;

λ—氣體的導熱系數;

Cρ—比熱容。

狀態方程

p=p(ρ,T)

(8)

干燥室內流場單相氣流數值模擬采用標準k-ε模型,并在近壁面處采用標準壁面函數法。湍流模型控制方程——湍動能k方程如下

(9)

式中Gk—k的產生項,主要是由平均速度梯度所造成的。

湍動能耗散率ε方程

(10)

式中i,j=1,2,3;

ui,uj—各個方向的速度分量,

μ—動力粘度,其中

(11)

對湍流模型中的各個系數,FLUENT軟件中一般取:C1ε=1.53,C2ε=1.86,Cμ=0.85,σk=1.0,σε=1.2。

3.3 結果與分析

本文CFD模擬結果如表4所示,水稻分層干燥設備中的干燥流場分布存在不均勻性,在床頂部和床中部,氣流速度適中,有助于有效地傳遞熱量和濕度,促進水稻的干燥過程。相應地,這些區域的壓力較低,有利于氣流的流動。

表4 分層干燥室內流場模擬結果

然而,在床底部,氣流速度仍然適中,但是由于氣流通過物料堆積較多的區域,壓力較高。這可能由于物料的阻力造成了氣流的堆積和阻塞,導致一些區域的干燥效果較差。特別是在床邊角區域,氣流速度較低或受到一定的阻礙,導致干燥流場不均勻性較高。同時,這些區域的壓力較高或受限,進一步限制了氣流的流動。因此,在設計和優化分層干燥設備時,需要考慮氣流通道的布局和改進,以提高干燥流場的均勻性,并進一步優化干燥性能。

3.4 分層干燥室優化方案

通過3.3數值模擬結果可知,分層干燥室內流場的分布不均勻,特別是在床邊角區域,谷物干燥含水量變化會影響水稻的干燥效果,針對以上問題提出相應的改進方案。本文主要從調整進風口風速和方向,優化管道布局兩方面開展。

3.4.1 調整進口風速和方向

1)風速調整。根據模擬結果和實際情況,可逐步調整進口風速,觀察其對干燥室內流場分布的影響,通過逐漸增加或減小風速,找到一個最佳的風速范圍,使得氣流在干燥床內能夠均勻分布,并保持適當的流動速度。

2)風向調整。通過改變進口風向,嘗試不同的風向設置,如從兩側吹入、從底部吹入等,以找到最適合水稻物料干燥的風向。關注流場分布情況,確保氣流能夠覆蓋整個干燥床的表面,并盡可能減少死角區域的存在。

3)多風口設置。在進口處設置多個風口增加干燥室內氣流的均勻性。通過增加風口的數量,可以實現更均勻的氣流分布,尤其是在干燥床邊角區域和中間床層。

3.4.2 優化氣流通道布局

1)增加通道數量。通過在干燥室內增設更多的通道,使得氣流能夠更均勻地覆蓋整個干燥床的表面。通道的分布應合理設計,以確保氣流能夠充分接觸水稻物料,并減少死角區域的存在。

2)優化通道尺寸和形狀。調整通道的寬度、長度和高度來控制氣流速度和方向,以實現更均勻的氣流分布。此外,合理設計通道的形狀,如采用彎曲或擴散形狀,有助于增加氣流的擴散和混合,提高干燥均勻性。

3)消除阻擋物。在氣流通道內,需要避免存在任何阻擋物,如隔板、懸掛物或堆積物等,確保通道內的暢通無阻,使得氣流能夠自由地流動和分布。

4 結論

本研究通過對小型分層床式干燥機的設計與優化進行了深入研究。試驗結果表明,該干燥設備能夠滿足薄層干燥的要求,但干燥均勻性較差,存在一些干燥不均勻的區域。通過數值模擬和流場分布分析確定了導致干燥不均勻的原因,并提出了相應的結構優化方案。研究結果可以有效改善小型分層床式干燥機的干燥均勻性,為提高干燥效率和干燥質量提供了有益指導,對水稻干燥工藝的改進提供一定的參考。