顏建春，謝煥雄，魏 海，吳惠昌，高景魁，徐弘博

5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)研制

顏建春，謝煥雄※，魏 海，吳惠昌，高景魁，徐弘博

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

為了解自行研發(fā)的5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)作業(yè)性能，該文介紹了研發(fā)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、工作原理及烘干箱體、導(dǎo)風(fēng)組件、換向通風(fēng)機(jī)構(gòu)、余熱回收裝置等關(guān)鍵部件，并開展了整機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)研究，對(duì)比了空載工況下有無導(dǎo)風(fēng)組件時(shí)，介質(zhì)空氣穿過承料板后的風(fēng)場(chǎng)分布特性，測(cè)得有導(dǎo)風(fēng)組件時(shí)承料板上方10 cm處風(fēng)速均在0.68～0.73 m/s范圍內(nèi)，水平方向介質(zhì)空氣通風(fēng)均勻性顯著提高。測(cè)試了雙入風(fēng)口并行通風(fēng)干燥10 h和單入風(fēng)口換向通風(fēng)干燥38 h過程中床層物料溫度變化及干燥終止含水率分布情況：0～10 h，底層物料溫度快速升高，上層物料溫度上升緩慢，物料層溫差先快速增大后逐漸縮??；10 h后，上、中、下物料層溫度呈類波浪式升落，波動(dòng)幅度逐漸減小，物料層溫度逐漸逼近設(shè)定干燥溫度；干燥終止時(shí)，左、右2個(gè)干燥半?yún)^(qū)最大含水率差值分別為1.42%、1.74%，為左、右干燥區(qū)含水率總降幅的4.1%、5.1%，干燥均勻性良好。測(cè)試并評(píng)估了余熱回收裝置對(duì)整機(jī)加熱貢獻(xiàn)率、熱效率、能耗成本等的影響：余熱回收裝置在換向通風(fēng)階段對(duì)干燥系統(tǒng)的加熱貢獻(xiàn)率約為61%，系統(tǒng)熱效率提高至80%以上，批次干燥能耗成本降低48.7%。與傳統(tǒng)固定床干燥設(shè)備相比，可節(jié)省能耗成本約64.7%，干燥不均勻度降低約82.6%。研究結(jié)果可為設(shè)備的改進(jìn)熟化及推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

農(nóng)產(chǎn)品；干燥；機(jī)械化；花生；換向通風(fēng)；余熱回收

0 引 言

花生是優(yōu)勢(shì)優(yōu)質(zhì)油料作物和重要食品蛋白資源，中國的花生產(chǎn)量和種植面積穩(wěn)居世界前列[1-2]。近年來，受務(wù)農(nóng)人口轉(zhuǎn)移、土地流轉(zhuǎn)、機(jī)械化收獲快速推進(jìn)等因素影響，農(nóng)村現(xiàn)有花生干燥能力與收獲效率脫節(jié)，因干燥不及時(shí)導(dǎo)致的霉變時(shí)有發(fā)生；缺少一種切實(shí)可用于花生產(chǎn)后快速干燥的機(jī)械設(shè)備?；ㄉN植為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，發(fā)達(dá)國家中僅美國、澳洲等實(shí)現(xiàn)了少許規(guī)?；N植，干燥過程分田間帶蔓晾曬和莢果裝車集中干燥2個(gè)階段[3]。裝車干燥時(shí)花生莢果含水率20%左右，采用固定床單向通風(fēng)干燥，干燥結(jié)束時(shí)，底層與頂層花生仁果含水率差異約4%[4]，干燥不均勻性嚴(yán)重。此外，為提高干燥效率，確保干燥后花生品質(zhì)和口感，抑制干燥過程霉菌及黃曲霉毒素的滋生，國外大量研究表明，花生通風(fēng)溫度一般在環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上增加8～11 ℃，但不超過38 ℃[3-13]，根據(jù)批次干燥量和初始含水率的差異，通風(fēng)量亦有相應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。而在中國農(nóng)村，為趕種下茬作物，很少有時(shí)間田間晾曬，收獲以鮮花生為主，干燥降水幅度大，進(jìn)一步增加了產(chǎn)后花生干燥的難度[14-16]。少量種植大戶采用通用型固定床干燥設(shè)備作為補(bǔ)充或應(yīng)急干燥手段，但該類設(shè)備為降低生產(chǎn)成本，通風(fēng)室及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠合理[17]，同批次物料水平方向和豎直方向均存在嚴(yán)重的干燥不均勻性，高含水率滿載時(shí)干燥不均勻度甚至達(dá)10%左右，且熱量利用率低，以干燥后的花生質(zhì)量計(jì)算，干燥成本高達(dá)1.1元/kg。

作者所在研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)中國花生收獲模式和物料特性設(shè)計(jì)研發(fā)5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)[18-19]，通過周期性切換通風(fēng)方向，改變固定床物料固有的通風(fēng)次序，提高了干燥均勻性，并通過余熱回收技術(shù)，提高了熱能利用率，降低了干燥能耗成本。本文針對(duì)該設(shè)備干燥作業(yè)過程物料溫度、含水率變化、干燥均勻性、熱能利用率、能耗成本等，開展了作業(yè)性能分析與試驗(yàn)研究，以期為該設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)熟化及推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)主要由烘干箱、換向通風(fēng)裝置、余熱回收裝置、燃?xì)鉄犸L(fēng)機(jī)、風(fēng)管等部件組成，如圖1所示。作業(yè)過程通風(fēng)量恒定，通風(fēng)溫度可無級(jí)調(diào)節(jié)，整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)見表1。

1. 烘干箱 2. 換向通風(fēng)裝置 3. 熱回收裝置 4. 燃?xì)鉄犸L(fēng)機(jī) 5. 風(fēng)管

表1 5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)采用分段干燥原理：底部向上單向通風(fēng)和換向通風(fēng)2個(gè)干燥階段。花生物料含水率較高（≥30%濕基）時(shí)，烘干箱蓋板敞開，位于底部通風(fēng)室兩側(cè)的通風(fēng)閥閉合，換向通風(fēng)葉片置于中位，2個(gè)入風(fēng)口同時(shí)進(jìn)風(fēng)，空氣穿過物料層后直接排出（如圖2所示），余熱不回收；當(dāng)物料平均含水率降低到30%左右時(shí)，蓋板閉合，調(diào)節(jié)換向通風(fēng)葉片工位和余熱回收裝置排風(fēng)閥門，使得經(jīng)過加熱后的介質(zhì)空氣從單入風(fēng)口進(jìn)入烘干箱，從底部向上穿過單側(cè)物料層，在箱蓋與物料層頂部形成的空間充分混合后，從頂部向下穿過另一側(cè)物料層，最后經(jīng)排風(fēng)口進(jìn)入余熱回收裝置的通風(fēng)管道，廢熱空氣通過板翅式換熱器與新鮮的冷空氣進(jìn)行熱交換，最后從余熱回收裝置高溫側(cè)出風(fēng)口排出；新鮮空氣經(jīng)過換熱器加熱升溫后，經(jīng)由通風(fēng)管道進(jìn)入燃?xì)鉄犸L(fēng)機(jī)，進(jìn)一步加熱升溫至干燥設(shè)定溫度。待干燥一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)換向葉片和排風(fēng)閥門，改變熱空氣穿過物料層的路徑，如此反復(fù)，直到干燥結(jié)束。

2 主要作業(yè)部件

2.1 烘干箱組件

烘干箱是由底板、壁板、蓋板、隔板、承料板等若干板件和支撐架、導(dǎo)風(fēng)板拼接而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。隔板將箱體分成左右2個(gè)烘干室，導(dǎo)風(fēng)板固定在支撐架上，承料板將箱體上下隔開，物料平鋪在承料板上，箱體底部與承料板之間形成左右2個(gè)下風(fēng)室，物料層頂部與蓋板之間形成氣流混合室，熱空氣通過氣流混合室在箱體兩邊自由流動(dòng)。結(jié)合已有研究基礎(chǔ)[3]，最大裝料高度設(shè)為700 mm，以1.5 t濕花生為滿載量確定烘干箱尺寸。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，外尺寸為3 100 mm × 2 100 mm × 1 310 mm，額定倉容約4.2 m3。參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[20]，通過式（1）可得2個(gè)入風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)時(shí)介質(zhì)空氣穿過物料層后的壓降約47.8 Pa，單入風(fēng)口通風(fēng)時(shí)介質(zhì)空氣依次穿過兩側(cè)物料層后的壓降約318.1 Pa。

式中Δ為物料層導(dǎo)致的壓降，Pa；為料床厚度，m；為氣流穿過承料板單位鋪料面積的流量，m3/(s·m2)；、為花生床層特征常數(shù)，查詢文獻(xiàn)[20]獲取。

1. 左半?yún)^(qū)物料2. 左側(cè)排風(fēng)門3. 左進(jìn)風(fēng)口4. 右進(jìn)風(fēng)口5. 右側(cè)排風(fēng)門6. 右半?yún)^(qū)物料7. 箱蓋

1. Left half material 2. Left air exhaust door 3. Left air inlet 4. Right air inlet 5. Right air exhaust door 6. Right half material 7.Cover

注：圖中箭頭表示空氣流動(dòng)方向

Note: Arrow in fig indicate the direction of air flow

圖2 花生換向通風(fēng)干燥工作原理示意圖

Fig.2 Working principle diagram of peanut reversing ventilation drying

2.2 導(dǎo)風(fēng)板組件

采用熱空氣分流、引流原理，在烘干箱2個(gè)通風(fēng)室分別等距安裝4塊導(dǎo)風(fēng)板，導(dǎo)風(fēng)板長(zhǎng)度為990 mm，寬度遞次增加，分別為150 、200 、250 和300 mm。根據(jù)國內(nèi)外已有的研發(fā)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[3-5,21]，導(dǎo)風(fēng)板以45°角度傾斜，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射進(jìn)入的介質(zhì)空氣逐層、逐次分流，如圖4所示。該方案可有效解決入風(fēng)口附近床層風(fēng)量小、入風(fēng)口對(duì)面?zhèn)雀浇矊语L(fēng)量大的風(fēng)場(chǎng)分布不均勻問題，提高干燥床水平面內(nèi)的通風(fēng)均勻性。

1. 上前板2. 承料板3. 隔板4. 蓋板5. 上側(cè)板6. 下側(cè)板7. 底板 8. 支撐架9.導(dǎo)風(fēng)板10.下前板

圖4 導(dǎo)風(fēng)板組結(jié)構(gòu)及布局

2.3 換向通風(fēng)裝置

換向通風(fēng)裝置用于控制介質(zhì)空氣在物料層中的流動(dòng)方向，主要是由Y型通風(fēng)管、換向葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、手柄等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。換向通風(fēng)裝置有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口，2個(gè)出風(fēng)口，換向葉片方向與手柄方向一致，可通過調(diào)節(jié)手柄實(shí)現(xiàn)不同的通風(fēng)方向控制。手柄調(diào)至位置B，2個(gè)出風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)，調(diào)至位置A，出風(fēng)口Ⅱ通風(fēng)，調(diào)至位置C，出風(fēng)口Ⅰ通風(fēng)。

1. 手柄2. Y型通風(fēng)管3. 換向葉片4. 轉(zhuǎn)動(dòng)軸

1. Handle 2. Y type ventilation pipe 3. Reversing blade 4. Rotating shaft

注：A、B、C表示換向手柄調(diào)節(jié)位置

Note: A B and C indicate adjustable station of reversing handle

圖5 換向通風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 Structure of revering ventilation device

2.4 余熱回收裝置

根據(jù)介質(zhì)空氣在烘干箱內(nèi)的流動(dòng)路徑，余熱回收裝置通過4處風(fēng)門控制進(jìn)入板翅式換熱器芯體的廢熱空氣走向，其主要由換熱器芯體、回路控制三通、管道、風(fēng)門等組成[18]，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1. 風(fēng)門2 左過渡風(fēng)管3. 回路控制三通4. 三通風(fēng)門5. 塑布彈性通風(fēng)管6. 換熱器芯體7. 機(jī)架8. 右過渡風(fēng)管

2.4.1 換熱器芯體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)確定

余熱回收裝置的熱回收效率，主要和換熱器芯體的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、總傳熱面積有關(guān)。采用長(zhǎng)六邊形棱柱結(jié)構(gòu)的逆流換熱器，主要工作區(qū)域的新鮮空氣和廢熱空氣逆向不混合流動(dòng)，材質(zhì)為親水性鋁箔，傳熱板片厚度0.1 mm，尺寸和結(jié)構(gòu)見圖7。為了盡可能增加總傳熱面積同時(shí)避免換熱器對(duì)新鮮空氣產(chǎn)生較大的壓損，相鄰傳熱板的間距取6 mm，總傳熱面積約178 m2。通過式（2）～（5）計(jì)算換熱器芯體熱傳遞效率，式（6）～（10）計(jì)算空氣流穿過換熱器芯體后的壓降[22-23]。

圖7 換熱器芯體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

式（2）～（5）中，為換熱器效率，%；1為廢熱空氣比熱，J/(kg·℃)；2為新鮮空氣比熱，J/(kg·℃)；m1為廢熱空氣質(zhì)量流，kg/s；m2為新鮮空氣質(zhì)量流，kg/s；R為兩股氣體熱容量之比；為換熱器實(shí)際換熱面積，m2；為換熱面積有效系數(shù)；A為有效換熱面積，m2。為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；NTU為傳熱單元數(shù)。

換熱器芯體壓降通過式（5）求解。

其中

式（6）～（8）中，Δcore為換熱器芯體總壓降，Pa；Δ′為芯體進(jìn)口的壓力損失，Pa；Δef為芯體內(nèi)的壓力損失，Pa；Δ為芯體出口的壓力回升，Pa；m為質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；′為芯體進(jìn)口處流體比體積，m3/kg；為換熱器芯體的孔度；′為進(jìn)口壓力損失系數(shù)；為芯體出口處流體比體積，m3/kg；為出口壓力損失系數(shù)；為范寧摩擦因子；為流動(dòng)長(zhǎng)度，m；e為水力直徑，m；m為沿流動(dòng)長(zhǎng)度的平均比體積，m3/kg。

依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[22]，計(jì)算換熱器芯體換熱效率約78%，空氣流穿過換熱器芯體后的壓力損失約236 Pa。

2.5 燃?xì)鉄犸L(fēng)機(jī)

2.5.1 風(fēng)機(jī)選擇

采用軸流防暴風(fēng)機(jī)作為強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備，位于熱風(fēng)爐機(jī)體上部。參考國內(nèi)外現(xiàn)有的花生干燥通風(fēng)量在不同裝載量及初始含水率下的推薦值[3-4]，選配的軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)量約5 300 m3/h，考慮氣流在風(fēng)道、料層、換熱器芯體內(nèi)的壓損，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓≥850 Pa。

2.5.2 燃燒機(jī)選擇

為適應(yīng)不同主產(chǎn)區(qū)花生收獲期環(huán)境溫度差異，及兼用于其它物料干燥需求，滿足空氣流40 ℃的加熱溫升。根據(jù)式（10）可得燃燒機(jī)熱功率≥76.9 kW，選用利雅路FS1燃?xì)馐饺紵龣C(jī)，熱功率調(diào)節(jié)范圍42～112 kW，通過壓力閥和恒溫調(diào)節(jié)器雙重調(diào)節(jié)。

式中為燃燒機(jī)熱功率，W；為空氣比熱，J/(kg·℃)；為空氣密度kg/m3；為空氣體積流量，m3/s；Δ為空氣溫升，℃。

3 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

3.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

試驗(yàn)原料來自江蘇百年蘇花花生種植基地，產(chǎn)地為江蘇泗陽八集鎮(zhèn)，品種為天府3號(hào)。經(jīng)半喂入聯(lián)合收獲機(jī)2017年10月26日收獲后由田間直接運(yùn)送到花生烘干場(chǎng)地，經(jīng)初步清選、去雜后裝入烘干倉。裝料高度70 cm，滿載。隨機(jī)取少量物料，測(cè)得初始濕基含水率43.2%。試驗(yàn)設(shè)備為上述自行研制的5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)，如圖8所示。

圖8 5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)樣機(jī)及試驗(yàn)圖片

3.2 試驗(yàn)環(huán)境與條件

試驗(yàn)在2017年 10月26日～28日進(jìn)行，試驗(yàn)期間環(huán)境變化平穩(wěn)，日均環(huán)境溫度和相對(duì)濕度接近，環(huán)境溫度范圍12～24 ℃，相對(duì)濕度范圍40%～70 %，多云無雨。試驗(yàn)過程中，采用HSTL-10TH型溫濕度變送器（精度±0.5 ℃，±2% RH），每隔2 h自動(dòng)記錄1次環(huán)境溫濕度，如圖9所示。

圖9 花生干燥過程外部環(huán)境變化情況

3.3 試驗(yàn)過程與方法

由于物料初始含水率較高，為43.2%。試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，雙入風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)，介質(zhì)空氣自底部向上穿出物料層后直接排入大氣，余熱不回收，干燥執(zhí)行時(shí)間為0～10 h。第二階段，單入風(fēng)口交替入風(fēng)，每隔2 h切換物料層通風(fēng)路徑，回收排出物料層后的廢氣余熱，干燥執(zhí)行時(shí)間為10～48 h。參考國內(nèi)外現(xiàn)有研究基礎(chǔ)[3-14]，整個(gè)干燥過程，通風(fēng)溫度設(shè)定為38 ℃，通風(fēng)量為5 300 m3/h。

考慮到整個(gè)物料層不同區(qū)域可能存在的干燥速率差異，為測(cè)評(píng)烘干機(jī)通風(fēng)和作業(yè)性能，將干燥區(qū)域等面積分割成30個(gè)單元測(cè)試區(qū)（圖10a），1～15測(cè)試單元為干燥箱左半?yún)^(qū)，16～30測(cè)試單元為干燥箱右半?yún)^(qū)。分別對(duì)風(fēng)場(chǎng)分布、花生床層含水率、溫度分布進(jìn)行測(cè)定，并記錄試驗(yàn)過程各風(fēng)口及風(fēng)門位置的溫濕度值和燃?xì)庀摹?/p>

3.3.1 空載狀態(tài)下風(fēng)場(chǎng)分布測(cè)定

為測(cè)定導(dǎo)風(fēng)板組件對(duì)水平層通風(fēng)均勻性的改善效果，分別在安裝導(dǎo)風(fēng)板組件和不安裝導(dǎo)風(fēng)板組件2種狀態(tài)下開啟風(fēng)機(jī)，利用TSI－9565A型熱敏風(fēng)速儀（測(cè)量精度±0.015m/s）按照?qǐng)D10a分別測(cè)定各個(gè)單元區(qū)域風(fēng)速，風(fēng)速儀探頭離承料板表面高度約為10 cm，每個(gè)區(qū)域隨機(jī)讀取5個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，取平均值作為該區(qū)域風(fēng)速測(cè)試值[17]。

注：A～E為沿入風(fēng)方向測(cè)試單元序號(hào)；a～f為垂直于入風(fēng)方向的測(cè)試單元序號(hào)；T101～T615為溫度傳感器序號(hào)。

3.3.2 花生床層含水率分布測(cè)定

自制了花生莢果取樣器，為底部和壁面密集開孔的圓柱形薄壁容器，開孔率為35.4%，介質(zhì)空氣可從底部和側(cè)壁自由進(jìn)出容器。取樣筒直徑55 mm，高70 cm，試驗(yàn)前取90個(gè)取樣器，裝滿待測(cè)花生物料，每個(gè)測(cè)試區(qū)域放置3個(gè)取樣器并做好標(biāo)記，取樣器底部與烘干機(jī)承料板接觸，垂直放置并埋于物料層中，分別在烘干10、20 h和干燥結(jié)束時(shí)，于各測(cè)試區(qū)域中取出1根取樣器，并將取樣器上端開口傾斜倒置，并向后拖動(dòng)使樣品物料緩慢沿長(zhǎng)條狀流出，沿流出方向?qū)⑽锪系确譃樯稀⒅?、?段。每段沿長(zhǎng)度方向均勻取適量物料3份，采用105 ℃烘干法[24]測(cè)定含水率，并取平均值。共測(cè)得30×3=90個(gè)測(cè)試點(diǎn)的含水率。

3.3.3 花生床層溫度分布測(cè)定

采用SM1200B－160 型10 通道溫度采模塊（上海搜博實(shí)業(yè)有限公司）及90個(gè)DS18B20 數(shù)字溫度傳感器（測(cè)量精度±0.5 ℃）。根據(jù)使用說明將溫度傳感器接入采集模塊，模塊信號(hào)輸出接口經(jīng)RS232－USB2.0轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接通信，通過上位機(jī)軟件即可實(shí)現(xiàn)不同采集區(qū)域的物料溫度采集與記錄。T101～T615 共90個(gè)溫度傳感器平面布置位置如圖10a所示，每個(gè)測(cè)試單元在中心區(qū)域依次按照下、中、上料層位置布置3 個(gè)溫度傳感器如圖10b所示。

3.3.4 入風(fēng)和排風(fēng)口溫濕度測(cè)定

采用HSTL-10TH型溫濕度變送器（精度±0.5 ℃，±2%RH），放置于干燥箱體和板翅式換熱器各出入風(fēng)口位置，變送器信號(hào)輸出接口經(jīng)RS232－ USB2.0 轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接通信，通過上位機(jī)軟件對(duì)各出入風(fēng)口溫濕度的采集與記錄。

3.3.5 能耗測(cè)定

本干燥機(jī)能耗分為燃燒機(jī)燃?xì)庀?、風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)電耗2部分。干燥期間將液燃?xì)猓ㄒ夯蜌猓┕薹旁跀?shù)顯地秤上，確定干燥過程燃?xì)庀那闆r。風(fēng)機(jī)電耗通過與干燥機(jī)連接的電表讀取耗電度數(shù)。

3.4 干燥過程熱效應(yīng)分析

3.4.1 整機(jī)熱效率

根據(jù)濕焓定義：1 kg干空氣及其攜帶的水蒸氣焓值之和。經(jīng)過加熱后進(jìn)入干燥箱的介質(zhì)空氣濕焓為[25-30]

介質(zhì)空氣在穿過物料層、風(fēng)道及換熱器的過程中，熱量不斷散失，含濕量也隨著物料層內(nèi)蒸發(fā)出的水分混入而增加，但作為供熱源的仍然是進(jìn)入物料層前的那部分和干空氣。因此，對(duì)應(yīng)的排出干燥系統(tǒng)的介質(zhì)空氣濕焓[25-30]為

式（11）～（12）中io分別為介質(zhì)空氣進(jìn)入干燥箱和排出干燥系統(tǒng)的濕焓，J/kg；da為絕干空氣比熱容，J/(kg·℃)；v為水蒸氣比熱容，J/( kg·℃)；aiao分別為介質(zhì)空氣進(jìn)入干燥箱和排出干燥系統(tǒng)時(shí)的溫度，℃；sat@T為溫度時(shí)水的汽化潛熱，kJ/kg；ai為進(jìn)入干燥箱前介質(zhì)空氣的含濕量，kg/kg，可根據(jù)介質(zhì)空氣相對(duì)濕度和對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓計(jì)算得出[25]

式中為介質(zhì)空氣相對(duì)濕度，%；s為對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓，Pa；為實(shí)際大氣壓，Pa。

實(shí)際作用于干燥系統(tǒng)的熱量為

介質(zhì)空氣從環(huán)境溫度升溫至設(shè)定的入口溫度所需熱量為

則熱效率為[25-30]

式中EN為整機(jī)熱效率，%。

3.4.2 換熱器和燃燒機(jī)加熱貢獻(xiàn)率

在雙入風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)階段，介質(zhì)空氣自下向上穿過物料層后直接排入大氣，因該階段換熱器不工作，環(huán)境空氣的升溫所需熱量全部來自燃?xì)馊紵龣C(jī)，此時(shí)換熱器加熱貢獻(xiàn)率為0，燃燒機(jī)加熱貢獻(xiàn)率為100%。在換向通風(fēng)階段，新鮮空氣的加熱升溫分2段完成，分別為換熱器回收廢氣余熱對(duì)新鮮空氣進(jìn)行第一次加熱，此后介質(zhì)空氣再次經(jīng)過燃燒機(jī)加熱升溫至設(shè)定溫度后進(jìn)入干燥箱。在此過程中，換熱器和燃燒機(jī)對(duì)新鮮空氣加熱至設(shè)定溫度的貢獻(xiàn)率采用式（16）、式（17）計(jì)算。

式（16）～（17）中HCRe為換熱器加熱貢獻(xiàn)率，%；HCRb為燃燒機(jī)加熱貢獻(xiàn)率，%；eo為新鮮空氣經(jīng)過換熱器加熱后的溫度，℃；T為設(shè)定的介質(zhì)空氣通入干燥箱的溫度，℃。

4 結(jié)果與分析

4.1 干燥過程物料狀態(tài)變化

4.1.1 花生物料層平均溫度

試驗(yàn)測(cè)得了30個(gè)測(cè)試區(qū)域的各區(qū)域上、中、下3個(gè)測(cè)試點(diǎn)共計(jì)90個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度，分別將左半?yún)^(qū)物料和右半?yún)^(qū)物料各15個(gè)測(cè)試區(qū)域按上、中、下分類求和取平均值，表示上、中、下3個(gè)水平層物料的平均溫度，時(shí)間間隔取2 h，物料層平均溫度隨時(shí)間變化如圖11。

干燥開始至10 h，左右2個(gè)半?yún)^(qū)物料同時(shí)通風(fēng)干燥，干燥箱蓋板敞開，介質(zhì)空氣自底部向上穿過物料層，底層物料被迅速加熱升溫至接近設(shè)定溫度，隨著熱空氣溫度逐漸降低，熱傳導(dǎo)能力逐漸降低，中層、上層升溫速度逐次遞減，物料層溫差先增大后減小，4 h時(shí)溫差達(dá)最大值，約10.5 ℃，之后底層物料溫度接近設(shè)定熱風(fēng)溫度，吸取熱空氣的熱量減少，中、上層物料溫度逐漸升高，物料層溫差逐漸降低。干燥10 h時(shí)，左半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為31.8、35.2、38.1 ℃；右半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為32.0、35.5、38.2 ℃。此后，干燥箱蓋板閉合，單風(fēng)口交替入風(fēng)，且每2 h改變1次通風(fēng)方向，熱空氣先從底部向上穿過入風(fēng)側(cè)物料層，經(jīng)過頂部混風(fēng)室充分混合后，從頂部向下穿過另一側(cè)物料層后從側(cè)邊出風(fēng)口排出干燥箱。干燥20 h時(shí)，左半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為36.9、37.3、37.9 ℃；右半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為36.3、36.1、35.9 ℃。干燥結(jié)束時(shí)，左半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為37.6、38.0、38.1 ℃；右半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均溫度分別為37.3、37.4、37.2 ℃。此階段物料層溫度呈類波浪狀逐漸升高至設(shè)定溫度，下層物料溫度波動(dòng)幅度較大（左半?yún)^(qū)5.4℃，右半?yún)^(qū)7.8℃），中層物料次之（左半?yún)^(qū)4.9℃，右半?yún)^(qū)6.6℃），上層物料溫度波動(dòng)幅度最?。ㄗ蟀?yún)^(qū)3.7℃，右半?yún)^(qū)5.6℃）。

圖11 物料層平均溫度隨干燥時(shí)間的變化

4.1.2 花生物料層平均含水率

試驗(yàn)測(cè)得了花生物料初始濕基含水率和30個(gè)測(cè)試區(qū)域干燥10、20、48 h（結(jié)束時(shí)）上、中、下物料層的濕基含水率，分左半?yún)^(qū)物料和右半?yún)^(qū)物料各15個(gè)測(cè)試區(qū)按上、中、下層求和取平均值，表示上、中、下3個(gè)水平層物料平均濕基含水率，如圖12所示。0～10 h，左右2個(gè)入風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)干燥，介質(zhì)空氣自底向上穿透料層的過程中，其溫度逐漸降低，相對(duì)濕度逐漸增加，對(duì)上層物料的加熱吸濕能力逐漸降低，上、下層物料含水率差值逐漸增大。干燥10 h之后，采用單入風(fēng)口換向通風(fēng)干燥工藝，周期性改變介質(zhì)空氣沿豎直方向穿過物料層的先后順序，上、中、下層物料平均含水率差值逐漸縮小，至干燥結(jié)束，左半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均濕基含水率分別為9%、8.6%、8.3%，差值為0.7%；右半?yún)^(qū)物料上、中、下3層物料平均濕基含水率分別為9.3%、8.8%、8.5%，差值為0.8%。因此，換向通風(fēng)干燥工藝可有效解決固定床干燥沿豎直方向上的干燥不均勻問題。

圖12 物料層平均含水率隨干燥時(shí)間變化

4.2 花生干燥均勻性分析

4.2.1 風(fēng)場(chǎng)分布均勻性分析

試驗(yàn)測(cè)得了采用導(dǎo)風(fēng)板組件和不采用導(dǎo)風(fēng)板組件2種情況下空載狀態(tài)的承料（沖孔）板上方10 cm處風(fēng)場(chǎng)分布，并采用MATLAB軟件繪制等值線圖，如圖13。

圖13 承料板上方10 cm處風(fēng)速等值線圖

由圖13可知，烘干箱底部風(fēng)室未安裝導(dǎo)風(fēng)板組件時(shí)，入風(fēng)口對(duì)側(cè)風(fēng)速最高，入風(fēng)口側(cè)風(fēng)速最小，風(fēng)速分布范圍0.5～1.0 m/s；安裝導(dǎo)風(fēng)板后，風(fēng)速最大處在沿箱體長(zhǎng)度方向2 000～2 500 mm區(qū)域半側(cè)干燥室中間位置，風(fēng)速分布范圍為0.68～0.73 m/s。由此可見，采用導(dǎo)風(fēng)板可以有效解決入口對(duì)面?zhèn)雀浇矊语L(fēng)量過大的風(fēng)場(chǎng)分布不均勻問題，提高固定床水平方向上的干燥均勻性。

4.2.2 花生物料層溫度分布特性分析

分別選取干燥5、20和40 h代表干燥過程前、中、后3個(gè)階段，各測(cè)試單元上、中、下3層物料溫度如圖14。雙入風(fēng)口同時(shí)入風(fēng)干燥5 h后，左半?yún)^(qū)上、中、下 3層物料平均溫度分別為26.5、31.0和37.3 ℃，同層溫度極差分別為2.9、2.5和1.7 ℃；右半?yún)^(qū)上、中、下 3層物料平均溫度分別為27.0、30.7和37.4 ℃，同層溫度極差分別為2.4、2.7和2.1 ℃。此時(shí)，沿豎直方向物料層呈現(xiàn)明顯的溫度差異（0～10.8℃），沿水平方向物料層溫度差異相對(duì)較小（最大僅2.9℃）。

干燥20 h后，進(jìn)入換向通風(fēng)干燥階段10 h，完成第3次“左進(jìn)右出”通風(fēng)干燥，即將切入“右進(jìn)左出通風(fēng)干燥，此時(shí)左半?yún)^(qū)上、中、下3層物料平均溫度分別為37.0、37.3和37.9 ℃，極差分別為1.0、0.8和1.1 ℃；右半?yún)^(qū)上、中、下3層物料平均溫度35.8、35.7和35.4 ℃，極差分別為1.4、1.5和1.6 ℃。此時(shí)，沿豎直方向物料層溫度差異已較小（0～0.9℃），但左半?yún)^(qū)和右半?yún)^(qū)物料溫度高低存在明顯差異（平均溫度差值約1.8℃）。

干燥40 h后，左半?yún)^(qū)上、中、下3層物料平均溫度分別為37.5、37.8和38.0 ℃，同層溫度極差分別為1.0、1.1和1.0 ℃；右半?yún)^(qū)上、中、下3層物料平均溫度37.2、37.0和36.9 ℃，同層溫度極差分別為2.0、1.9和2.3 ℃。左半?yún)^(qū)和右半?yún)^(qū)物料平均溫度差異減?。ú钪导s0.7℃），但入風(fēng)側(cè)物料溫度分布均勻性明顯優(yōu)于出風(fēng)側(cè)（入風(fēng)側(cè)溫度分布范圍36.9～38.4℃，出風(fēng)側(cè)溫度分布范圍35.8～38.3℃）。

圖14 干燥5、20和40 h后的物料層溫度分布

4.2.3 花生干燥均勻性分析

干燥結(jié)束的各測(cè)試區(qū)域上、中、下3層各測(cè)試點(diǎn)物料含水率測(cè)量結(jié)果如圖15所示。左半?yún)^(qū)物料平均含水率8.63%，含水率降幅34.57%，含水率最大差值（即干燥不均勻度）1.42%，為含水率降幅的4.1%；右半?yún)^(qū)物料平均含水率8.87%，含水率降幅34.33%，含水率最大差值1.74%，為含水率降幅的5.1%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[31]，明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類技術(shù)產(chǎn)品[3-14]。由此可見，采用換向通風(fēng)干燥方法可保證良好的干燥均勻性。

圖15 干燥結(jié)束后物料層含水率分布

4.4 干燥過程的熱效應(yīng)分析

4.4.1 整機(jī)熱效率

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的0～10 h介質(zhì)空氣穿過物料層后直接排入大氣時(shí)的溫度和相對(duì)濕度，10～48 h測(cè)得的介質(zhì)空氣經(jīng)由箱體側(cè)出風(fēng)口和排出換熱器時(shí)的溫度和相對(duì)濕度，根據(jù)式（5），以換熱器廢氣排出口為介質(zhì)空氣最終排出口，計(jì)算得到余熱回收情況下的整機(jī)熱效率；以烘干箱側(cè)出風(fēng)口為介質(zhì)空氣最終排出口（即相當(dāng)于直接排入大氣），計(jì)算得到余熱不回收情況下的整機(jī)熱效率，如圖16。

圖16 干燥過程整機(jī)熱效率變化

由圖16可知，余熱不回收時(shí)，隨著干燥過程物料溫度升高，排出干燥箱體的介質(zhì)空氣溫度亦逐漸升高，整機(jī)熱效率快速降低，干燥10 h后，熱效率已經(jīng)降低至25%以下，排出干燥箱的介質(zhì)空氣溫度約32.5 ℃，比環(huán)境溫度高18.2 ℃。因此可知，在干燥中后期，花生物料層已經(jīng)被加熱至較高的溫度，排出物料層和干燥箱的介質(zhì)空氣已經(jīng)接近設(shè)定的干燥溫度，此時(shí)整機(jī)熱效率僅有5%～15%，若直接排入大氣，熱量浪費(fèi)嚴(yán)重。干燥10 h后，花生外殼表面已無明顯水漬，若將排出干燥箱的廢熱空氣通入余熱回收裝置，可顯著提高整機(jī)熱能利用率，盡管熱效率會(huì)隨環(huán)境溫濕度的變化而波動(dòng)，但始終保持在80%以上。

4.4.2 換熱器器余熱回收功能評(píng)估

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的板翅式換熱器廢熱空氣進(jìn)口、出口的風(fēng)溫和新鮮空氣進(jìn)口、出口的風(fēng)溫，計(jì)算換熱器和燃燒機(jī)對(duì)新鮮空氣的加熱升溫幅度；繪制換熱器和燃燒器對(duì)新鮮空氣加熱貢獻(xiàn)率如圖17所示。

由圖17可知，由于0～10 h采用雙入風(fēng)口同時(shí)通風(fēng)干燥工藝，介質(zhì)空氣穿過物料層后，直接排入大氣，余熱不回收，換熱器不工作，加熱新鮮空氣的熱量全部由燃燒器提供。因采用恒溫干燥模式，并且該階段環(huán)境溫度先升高后降低，因此升溫幅度先降低和升高，該階段燃燒器對(duì)新鮮空氣的加熱貢獻(xiàn)率為100%。

10～48 h階段，采用換向通風(fēng)干燥工藝，介質(zhì)空氣穿過物料層和干燥箱后，排出的濕熱空氣經(jīng)由通風(fēng)管道，進(jìn)入板翅式換熱器高溫側(cè)多層板翅區(qū)域，與進(jìn)入低溫側(cè)多層板翅區(qū)域的新鮮空氣進(jìn)行熱交換，最后排入大氣。新鮮空氣穿過換熱器，經(jīng)過濕熱空氣余熱加熱升溫后，再進(jìn)入熱風(fēng)機(jī)由燃燒器加熱升溫至設(shè)定溫度。在此階段換熱器對(duì)新鮮空氣加熱升溫幅度受排出物料層的濕熱空氣溫度和環(huán)境空氣溫度的影響。隨著干燥過程的進(jìn)行，排出物料層的濕熱空氣溫度逐漸升高，并且接近設(shè)定的干燥溫度，換熱器加熱升溫能力隨之增強(qiáng)，但隨著干燥過程環(huán)境溫度的變化，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)（16～26 h，38～48 h），排出物料層的濕熱空氣和環(huán)境空氣溫度的差值降低，換熱器對(duì)新鮮空氣的加熱升溫幅度降低，然而由于設(shè)定干燥溫度恒定38 ℃，加熱升溫幅度總值降低，燃燒器加熱升溫幅度亦隨之降低，當(dāng)干燥至26和48 h時(shí)升溫幅度處于谷底，這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境溫度分別為22.5和21.7 ℃，均處于當(dāng)天的最高氣溫；當(dāng)環(huán)境溫度逐漸降低時(shí)（10～16 h，26～38 h），新鮮空氣需加熱升溫幅度總值亦升高，排出物料層的濕熱空氣與環(huán)境空氣溫度差值迅速升高，換熱器加熱升溫幅度逐漸升高，但由于該階段排出物料層后的濕熱空氣溫度相對(duì)平穩(wěn)，燃燒器加熱升溫的幅度變化較小。根據(jù)換熱器和燃燒器對(duì)新鮮空氣的加熱升溫幅度，計(jì)算各自對(duì)新鮮空氣加熱升溫的加熱貢獻(xiàn)率，可以看出加熱貢獻(xiàn)率變化相對(duì)平穩(wěn)，干燥28 h后，換熱器加熱貢獻(xiàn)率有小幅提升，燃燒器加熱貢獻(xiàn)率有小幅降低。在整個(gè)換向通風(fēng)干燥階段，換熱器的加熱貢獻(xiàn)率平均值約為61%，燃燒器加熱貢獻(xiàn)率約為39%。因此，采用余熱回收系統(tǒng)每小時(shí)可節(jié)省燃料消耗約61%（換向通風(fēng)干燥階段）。

圖17 換熱器和燃燒器對(duì)介質(zhì)空氣加熱升溫幅度及貢獻(xiàn)率對(duì)比

4.5 干燥經(jīng)濟(jì)性分析

干燥總耗時(shí)48 h，消耗燃?xì)?0.5 kg，電能86.4 kW·h，干燥后花生總質(zhì)量為926 kg。按照當(dāng)前液化氣價(jià)格7.8元/kg、農(nóng)業(yè)用電0.5元/(kW·h)的價(jià)格計(jì)算，平均每公斤干花生能耗成本約0.388元/ kg。通過換熱器和燃燒器加熱貢獻(xiàn)率推算，若不采用余熱回收裝置，該批次花生干燥試驗(yàn)約需液化石油氣78.9 kg，采用余熱回收裝置可節(jié)省能耗約48.7%。與傳統(tǒng)固定床干燥設(shè)備相比，可節(jié)省能耗成本約64.7%，降低干燥不均勻度約82.6%。

盡管采用換向通風(fēng)干燥和余熱回收技術(shù)大幅度節(jié)省了花生干燥能耗成本，但對(duì)于普通農(nóng)戶仍然偏高，設(shè)備大型化、余熱回收裝置結(jié)合熱泵機(jī)組供熱將是下一步的研究方向。

5 結(jié) 論

1）采用左右換向通風(fēng)干燥工藝，交替改變介質(zhì)空氣穿過物料層的方向，物料層溫度呈類波浪狀逐漸升高至設(shè)定溫度，干燥終止時(shí)左、右半?yún)^(qū)干燥不均勻度分別為1.42%和1.74%，干燥均勻性好，明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類技術(shù)。

2）采用導(dǎo)風(fēng)板對(duì)穿過入風(fēng)口的介質(zhì)空氣分流引流，將承料板上方10 cm處風(fēng)速分布范圍從0.5～1.0 m/s降低至0.68～0.73 m/s，有效提高了水平方向上的通風(fēng)和干燥均勻性。

3）采用余熱回收裝置及板翅式換熱器芯體，回收了干燥中后期排出干燥箱的濕熱空氣余熱，整機(jī)熱能利用率提高至80%以上，批次干燥能耗降低約48.7%。

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Development of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer

Yan Jianchun, Xie Huanxiong※, Wei Hai, Wu Huichang, Gao Jingkui, Xu Hongbo

(210014)

This paper introduces the general structure and working principle and key components of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer including drying box, air guide components, reversing ventilation mechanism and waste heat recovery device. In order to understand the performance of the dryer, performance analysis and experimental study were carried out under two kinds of working condition, with no peanut material loading and full peanut material loading. Under the no loading condition, the air velocity distribution at 10 cm above material supporting perforated plate was measured and compared when the wind deflectors was installed or not respectively. The results showed that installation of wind deflectors could effectively improve the uniformity of air field distribution. When the medium air passed through the material supporting perforated plate, the air velocity distribution ranged from 0.68 m/s to 0.73 m/s with wind deflectors installing, while ranged from 0.5 m/s to 1 m/s with no wind deflectors installed. Under the full load condition, a drying test was completed. 1.5 t fresh peanut, Tianfu No.3 variety, just after mechanized harvesting was used as the experimental material, which initial moisture content was 43.2%. The drying process was carried out in two stages. In the first stage, both the left and right air chambers were ventilated with hot air, and the medium air was discharged into the atmosphere after passing through the peanut material layer from bottom to top without waste heat recovery. The execution time of this stage was 10 h. During this period, the temperature of the bottom material increased rapidly while that of the upper material increased slowly. In the second stage, single air inlet alternate ventilation drying process was adopted. The medium air entered the drying box from one of the two air inlets, and passed through the peanut material layer of this side from bottom to top. Then the medium air mixed in the top space of drying box fully, and passed through the peanut material layer of the other side from top to bottom, finally, the medium air was discharged from the air outlet downwind chamber of this side. The ventilation direction was changed every 2 h. During this period, the temperature of the upper, middle and lower peanut material layers rose and fell wavelike. The fluctuation range of temperature of peanut layers decreased gradually and temperature of all peanut layers approximated the setting drying temperature. At the end of drying operation, the maximum difference of moisture content of peanut material in the left and right drying chamber was 1.42% and 1.74% respectively, which was 4.1% and 5.1% of total reduction of moisture content. The drying uniformity of the peanut bed was good in both horizontal direction and vertical direction. In the second stage, the waste heat recovery device was adopted, and its influence on the heating contribution rate, energy utilization rate and energy consumption cost of the total drying system were tested and evaluated. The results showed that the heating contribution rate of waste heat recovery device to the drying system was about 61% and energy utilization rate of the drying system was increased to more than 80%. The energy consumption cost of batch drying was reduced by 48.7%. The research results provide data support for the improvement and application of the equipment.

agricultural products; drying; mechanization; peanut; reversing ventilation; waste haste recovery

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002

S226.6

A

1002-6819(2019)-10-0009-10

2018-12-03

2019-01-24

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（S201808）；江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程（NJ2018-10）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)與貯藏裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)）

顏建春，助理研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究。Email：yan.jc@Foxmail.com

謝煥雄，研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究。Email：nfzhongzi@163.com

顏建春，謝煥雄，魏海，吳惠昌，高景奎，徐弘博.5H-1.5A型花生換向通風(fēng)干燥機(jī)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(10)：9－18. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002 http://www.tcsae.org

Yan Jianchun, Xie Huanxiong, Wei Hai, Wu Huicang, Gao Jingkui, Xu Hongbo.Development of 5H-1.5A peanut reversing ventilation dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 9－-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.10.002 http://www.tcsae.org