混流式粮食干燥机性能的模拟和参数分析

qimingxing

摘要: 在中国农业大学的谷物干燥研究领域中, 重点是数学模型和计算机模拟。从1985 年至今,顺流式、逆流式、横流式以及混流式谷物干燥机的研究已经取得了成功。分析和讨论了空气温度、流速、风道中的风道尺寸对混流谷物干燥机的影响。发展了混流干燥机的模拟程序, 着重提出了混流谷物干燥机中风道的设计, 给出了最佳参数。
    关键词: 模拟; 混流; 模型建立; 谷物干燥机; 风道

前言
    混流式谷物干燥机是目前国际上应用最广泛的一种谷物干燥设备, 因其通用性好、电耗低、干燥质量好而日益得到发展。我国早在50 年代就引进了原苏联的塔式干燥机, 80 年代以来先后开发了5H X 、5H G 、5H F、5G SH 等系列混流式谷物干燥机。目前已有10 余个厂家生产该类机型。
    ⑴干燥机机体采用积木式结构, 容易放大或缩小, 因而便于系列化。
    ⑵与顺逆流相比, 粮层较薄, 气流阻力小, 因而风机的风压小, 单位生产率的电耗低。
    ⑶通用性好, 可以烘干小粒种子, 如油菜籽、谷子等。
    ⑷由于物料交替受到高温气流和低温气流的作用, 可以使用较高的热风温度。
    ⑸工作可靠故障少, 它也是使用高新技术最多的一种机型。
    5H G —4.5 型混流式谷物干燥机是中国农业大学成套设备所的科技人员在多年的理论研究和吸取国外先进技术的基础上研究出来的一种符合我国农业生产现状、适应我国农村经济承受能力的混流式谷物干燥机。
    混流式干燥机的主要工作部件是角状通气盒,它交错配置于干燥机的机体内, 如图1 所示。粮食在重力作用下沿通气盒形成的通道由干燥塔的塔顶向下缓慢流动, 热风则由进气盒进入干燥机, 然后穿过粮层流向周围的排气盒并被排出机外。角状盒的大小、间距等因素对干燥机的性能及干燥后谷物含水的均匀性和粮食品质均有较大影响, 因而在混流式干燥机的设计过程中合理地选择角状盒的尺寸及配置是关键。
    目前国际国内生产的混流式谷物干燥机角状盒的形状、大小、排列均不相同, 如表1 所示; 每个塔段的角状盒数量也不一样, 使设计人员在选择参数时无所适从, 没有一定的规律可循。关于角状盒各参数对干燥机性能的影响很少有人研究。本文利用中国农业大学研究的混流干燥机模拟软件就角状盒的尺寸、配置方式对混流式谷物干燥机的几个主要性能指标的影响进行了分析比较。
1 薄层传热传质方程的导出与求解
    模拟的基本策略是将谷床划分为若干薄层。薄层干燥中的传热传质过程由一组方程来描述。薄层如图2 所示。
   

                               
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    干燥模拟中, 需求解的参数有4 个, 即谷粒水分( M ) 、谷粒温度( θ) 、通过谷层后热空气温度( T) 和热空气湿含量( H ) 。因此只要我们能根据热质传递的基本理论推导出4 个方程, 便可以解得上述4 个未知量。4 个方程是质平衡、热平衡、热传递和干燥速率方程。
    在模型( 方程) 导出之前, 先将相关的参变量及单位列述如下:
   

                               
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1.1 质平衡方程
    粮食中蒸发掉的水分应等于湿空气得到的水分。由薄层粮食的图示关系可知:薄层粮食的重量为sdxρp
    dt时间薄层粮食失去的水分量为

                               
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dt时间通过薄层的空气量为

                               
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    表明湿含量的变化与风量成反比, 与干燥速率成正比。
1.2 热平衡方程
    热空气通过对流传给粮食的热量等于粮食中蒸发水分所需热量加上使水蒸气升温的热量与加热粮食所需热量。设W 表示dt时间内薄层粮食蒸发的水分, 即
   

                               
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1.3 热传递方程
    对流传递的热量等于空气通过薄层前后焓的差值加上空隙内气体在dt时间焓的变化。
    空气通过薄层焓的变化为:
   

                               
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    对流传递的热量见1.2Q 之计算式。
    根据传热原理得:
   

                               
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    根据上述4 个偏微分方程, 利用有限差方法即可解得谷物温度、谷物水分、热空气温度和热空气
湿含量4 个未知量。
    模拟计算时, 同样将谷床看成是由许多薄层组成。每一个薄层作为一个节点, 各薄层粮食的水分和温度以及热空气的温度和湿含量可用双下标变量表示。第一个下标表示薄层的高度位置, 第二个下标表示时间, 模拟从谷床下部入口处开始, 依次计算出不同高度处每个节点的粮食温度、水分、热空气温度和湿含量。将结果作为当前时刻的各变量值, 再计算下一个时刻( △t以后) 的各变量值, 直到整个谷床的平均水分达到预定值为止。


2 混流干燥机的模拟方法及特点
    对于混流式干燥机的整个干燥塔, 认为是由一系列顺流段和逆流段交替组成的, 而忽略了横流部分。一个顺流段或一个逆流段又称为一个谷床, 定义为相邻两排角状盒之间的部分, 如图3 所示。模拟计算时, 各谷床有效厚度定为:
    谷床有效厚度= ( 谷床体积- 谷床中角状管体积) /干燥塔横截面积
   

                               
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    混流式干燥的模拟因此转化为逆流式与顺流式干燥的模拟, 其计算步骤简述如下:
    ⑴将谷床等分为一系列薄层, 每层厚△Z, 在每一层内, 认为谷物的温度和水分是均匀的, 干燥气流依次通过各层, 某一层出口处气流条件作为其下一层的入口气流条件。△t时间间隔内, 气流和谷物状态的变化通过依次对各薄层进行传热传质计算而得。各薄层传热传质由式( 2) ～( 4) 求解。
    ⑵△t时间间隔后, 将谷床最底一薄层去掉, 其余各薄层均向下移动一薄层位置。而在原第一薄层位置处加入一新的薄层( 见图4) 。
   

                               
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    以一逆流段为例, 不断重复以上两步骤, 直至该谷床达到稳定状态。在上述计算过程中, 如果进入谷床某一薄层气流温度与该薄层谷物温度之差> 10℃, 那么进行该薄层模拟时, 程序将对起初的△Z、△t进行再划分, 这样可保证传热传质较强的区域能够得到较详细的计算。
    ⑶第J 段谷床稳定状态时谷物水分和温度的出口条件作为第J +1 段谷床的初始条件, 不断重复以上步骤, 直至整个干燥塔达到稳定状态。
3 模拟结果分析
    本文利用H L—e 混流干燥模拟程序对各种混流式干燥机进行了分析, 现将分析结果论述如下:
    ⑴热风温度对干燥机性能的影响
    干燥条件: 干燥段角状盒排数22, 冷却段排数4, 热风温度70～110℃, 干燥塔截面积1.5m 2, 处理量2.5t/h, 表观风速维持0.1m /s 不变。
    热风温度对干燥机性能的影响如图5 所示。由图可知, 热风温度提高时, 单位热耗降低; 水分蒸发量增加, 终水分下降; 油耗增加, 最高粮温增高。当热风温度由75℃增加至110℃时, 水分蒸发量由148kg 增加到236.9kg, 油耗由每吨谷物7.1L 增加到11.8L, 降水幅度增加3.4% 。
    ⑵热风风量对干燥机性能的影响
    干燥条件: 谷物为小麦, 干燥段角状盒排数6,冷却段排数2, 热风温度110℃, 初水分20% , 角状盒截面积0.011 m 2, 处理量1.25t/h, 角状盒长度1m 。风量对干燥机性能的影响如图6 所示。
⑶角状盒参数对干燥机性能的影响
   

                               
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    设计混流式干燥机时, 角状盒的形状、大小、排列和数目都是要考虑的问题。现在混流干燥机使用的角状盒大小不等、参数各异, 如表1 所示。关于角状盒参数对干燥效果的影响很少有人提及, 本文利用混流干燥机模拟软件对角状盒的参数进行了研究。
    为了分析角状盒参数对干燥机性能的影响, 首先介绍一下有效谷床厚度的概念。设bef代表有效谷床厚度, 又假设:
   

                               
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    由此式可知, 角状盒的垂直间距越大, 水平间距越大, 截面积越小, 则有效谷床厚度bef 越大。
3.1 角状盒大小对干燥机性能的影响
    由表1 的国际国内各种机型不难看出, 一般角状盒横截面积越大, 其横、纵向间距也越大。现针对具有代表性的5H G —4.5 型( 小盒) 、原苏联的G 341—16 型( 中盒) 及丹麦的Cim bria( 大盒) 混流式干燥机进行分析比较。三种机型的角状盒尺寸及配置如图7。为了研究角状盒大小对干燥效果的影响, 我们假设两种情况: ① 干燥段与冷却段谷床数比不变, 均为7; ②干燥塔横截面积不变, 为1.8 m 2。同时设定总塔高不变, 为4.7m 。
   

                               
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    在此条件下, 随着角状盒横截面积的增大, 干燥段及冷却段谷床总数将减少。三种机型谷床总数分别为: 5H G —4.5 型24 个, C341—16 型20 个,Cim bria 型14 个。由模拟结果绘出图8 性能曲线。图中S( m 2) 为角状盒横截面积。
    如图8 所示, 当谷物干物质的流量同为3750kg/h 时, 角状盒横截面积增大, 干燥后谷物水分明显增加。
   

                               
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    当降水幅度由20.5% 降至15.5% 不变时, 角状盒横截面积增大, 生产率和水分蒸发率明显减小。
    图示所采用的烘干条件为:
    烘干玉米;
    谷物初始温度20℃;
    环境相对湿度50% ;
    单位谷床热风流量838m 3/h;
    谷物初始水分20.5%( wb ) ;
    环境温度20℃;
    热风温度110℃;
    单位谷床冷风流量: 996.7 m 3/h。
3.2 角状盒纵向间距对干燥机性能的影响
    为了研究纵向间距对性能的影响, 仍假设干燥段及冷却段谷床数比不变, 均为7; 干燥塔横截面积不变, 为1.8 m 2。同时设定横向间距为0.2m 不变, 角状盒截面积0.011m 2。分两种情况来研究:
    ①总塔高4.7m 不变
    在此情况下, 角状盒纵向间距加大, 干燥段及冷却段谷床总数将减少, 由模拟结果绘出如图9 性能曲线, 图中D( m ) 为角状盒纵向间距。
    当谷物干物质流量同为375kg/h 时, 随角状盒纵向间距的加大, 干燥后谷物水分明显增加。
    当降水幅度由20.5% 降至15.5% 不变时, 角状盒纵向间距加大, 生产率、水分蒸发率明显减小。
   

                               
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    ②总塔高可变
    在此条件下角状盒纵向间距加大, 谷床总数24个保持不变, 模拟结果的性能曲线一并绘于图9。
    当谷物干物质流量同为375kg/h 时, 角状盒纵向间距加大, 干燥后谷物水分、温度、单位热耗均有所降低, 但纵向间距由0.19m 增至0.25m 、塔高由4.7m 增至6.14m( 增高31% ) 时, 干燥后谷物水分仅降低2.5% , 干燥后谷物温度降低4.7% , 单位热耗降低7.7% 。
    当降水幅度由20.5% 降至15.5% 不变时, 角状盒纵向间距加大, 单位容积生产率、干燥强度明显降低。
3.3 处理量对干燥机性能的影响
    以5H G —4.5 干燥机为例, 利用H L—e 软件, 探讨处理量对混流式干燥机性能的影响。模拟证明,增加干燥机的处理量, 将使单位热耗降低, 排气温度也降低, 总去水量增加( 见表2) 。
3.4 入机粮食温度对干燥机性能的影响
    表3 给出入机粮食温度对干燥机性能的影响。在其他参数不变的情况下提高入机粮食温度, 则总去水量、热效率均有所增加, 而单位热耗降低。说明在干燥前对粮食进行预热对提高干燥机效率、改善干燥机的性能具有明显作用。
   

                               
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4 总结
    本文利用自行开发的H L—e 软件对混流式粮食干燥机进行了计算机模拟, 并以单位热耗、去水量、热效率和排气温度为评价指标, 分析了热风温度、风量、处理量和粮食温度对干燥机性能的影响。重点研究了角状盒的结构、尺寸、数目和在机内的分布对干燥机生产率、热耗的影响。研究结果为干燥机的设计和操作提供了依据。同时说明, 计算机模拟可以快速有效地得出各种条件下的干燥效果,也可以对参数进行优化, 是一种值得推广的方法和研究手段。

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