紫花苜蓿换向通风太阳能干燥试验研究

钱珊珠，仝　川

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



紫花苜蓿换向通风太阳能干燥试验研究

钱珊珠，仝川

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：针对紫花苜蓿深层干燥存在的干燥不均匀现象，在立式太阳能干燥箱内对紫花苜蓿进行换向通风干燥试验，监测箱内草层间温度及相对湿度的分布情况及苜蓿含水率变化情况。试验结果表明：换向通风干燥可缩短干燥时间且能提高干燥均匀性；找出通风换向周期对干燥速率的影响关系，达到了提高干燥效率、干燥质量及节约能量目的，为进一步优化干燥工艺提供参考依据。

关键词：紫花苜蓿；太阳能干燥；换向通风；均匀干燥

0引言

紫花苜蓿又名苜蓿，有“牧草之王”之美誉，其含有丰富的蛋白质和动物生长发育所需的铁、锰微量元素等营养物质，是内蒙地区牛、羊等禽畜的优质饲料[1]。紫花苜蓿人工干燥有利于其贮藏及蛋白质保留。内蒙古地区太阳能资源丰富，利用太阳能对收割后的苜蓿进行干燥，可合理利用清洁能源，又可促进本地区的畜牧业发展，符合经济可持续发展战略要求[2-3]。在固定床式干燥装置内进行的苜蓿深层干燥过程存在的缺点是：进风口处苜蓿干燥速率大，而草层中间部位及气流出口处速率低，草层不同部位处湿含量差距大，从而影响干产品质量、降低了干燥效率、延长了干燥时间。为此，在立式双向通风式太阳能干燥箱内进行苜蓿草的换向通风干燥试验，研究其干燥均匀性和干燥速率，为今后试验设备的调试与改进设计提供理论依据。

1试验装置及试验方法

1.1试验装置

试验是在内蒙古农业大学自行设计的立式双向通风式太阳能干燥试验台上进行。试验装置示意图如图1所示。该试验系统主要包括太阳能集热器、离心式通风机、干燥箱及试验所需传感器。其中，鼓引风机作用下冷空气经过太阳能集热器的加热送入干燥箱，在此处与箱体内的苜蓿进行热质交换。由测试系统实时监测和显示介质温湿度、环境温湿度及苜蓿样品湿含量，并记录试验所需数据。检测装置参数如表1所示。考虑到物料的干燥特性，试验台具备以下几个特性:

1)有效利用太阳能加热空气，达到牧草干燥温度；

2)双向立式对称结构方便改变气流方向调整；

3)箱内隔层结构设计可自由改变物料放置方式。

表1　检测装置总览表

1.2干燥试验指标

1)苜蓿表面空气温度及相对湿度。苜蓿在干燥过程中与热空气接触，苜蓿内部水分蒸发的推动力来自气流温度和苜蓿表面温度的温差。在干燥过程中苜蓿表面温度及其附近空气的相对湿度反映了苜蓿层的干燥状态。

2)苜蓿湿含量。干燥过程中苜蓿湿含量与诸多因素有关，苜蓿湿含量反映苜蓿在太阳能干燥过程中，苜蓿所处的状态。该指标对于干燥方式的改进与干燥效率的提高有着重要意义。

1.3试验方法

试验分为单向通风和换向通风两次进行。在风速一定、草层密度、苜蓿初始湿含量基本一致情况下进行干燥试验。

图1(a)为单向通风试验设备组装图，热空气经风机由干燥箱下部接口进入箱内，经热交换后的空气由上方排气口排出。图1(a)、(b)的组合是换向通风试验的设备组装图。

试验过程中，在一定的风机转速不变的情况下，在3个隔层托架上放置初始含水率相同、质量相等的苜蓿草，每层草中部均匀布置9个样品及9个温湿度传感器；样品初始质量 30g，传感器测量点与样品布置点重合；样品每隔1h测量一次质量，传感器采样间隔为1min。单向通风干燥试验和换向通风干燥试验各一天，单次干燥试验时间为9：00-18：00；换向通风时，换向时间间隔为4h。

图1　试验装置示意图

1.4试验材料及试验地点

试验所用苜蓿是内蒙古农业大学生态学院和林格尔种植基地种植的紫花苜蓿，二茬、花期、初始含水率为76%；单次试验所用苜蓿量为35kg，收割时间为2014年7月8日。试验地点为内蒙古农业大学机电学院农机实验室院内，试验时间为2014年7月8-9日。试验当天天气：晴。

2试验结果与分析

2.1干燥介质温湿度分布分析

利用MatLab对试验结果进行分析建立干燥箱内各草层的温度场及湿度场分布图。

2.1.1干燥介质温度场的建立分析

图2与图3分别为单向通风和换向通风试验中同一时间点箱体内各草层的温度场分布图。此时的环境温度为(27±0.5)℃，环境相对湿度20%～22%，太阳辐射强度范围360～420W/m2。图2表明：在单向通风时，同一截面上的温度场呈中间低四周高的形势分布；在沿气流的方向上温度逐层减小，每层牧草的温度分布范围分别在30.2～36.5℃、25.3～30.4℃、22.4～22.7℃；有一侧的温度场分布明显高于其它3侧5～8℃。原因是由于这一侧靠近箱门，牧草与箱门间有一定的缝隙，使得此处压差较大，导致气流分布不均匀，热气流多从这里经过，温度较高。

图2　单向通风温度场

图3　换向通风后温度场

图3与图2不同的是，温度场分布表现为中间高四周低。这是由于当热气流从箱体下口进入时，在重力的作用下，草层底部的密度相对较大，对气流的阻力也相对较大，草层下部的筛网同时也会对气流形成一定的阻力，使得气流在向上流动的过程中向四周扩散，导致四周的温度相对变高。当换向通风后，气流由上向下经过草层，草层的阻力相对变低，气流多集中在草层中部通过，使得温度场的分布呈中间高四周低状态。在沿气流方向上，而各层的温度场呈逐层下降趋势。

2.1.2干燥介质湿度场的建立分析

图4与图5为两次试验各草层的空气相对湿度场。各草层的湿度场与其相对应的温度场呈负相关。沿气流方向，各层的空气相对湿度呈逐层上升趋势。这说明在干燥的过程中，先与气流接触的草层进行热交换，然后将湿气带入下一层，使得干燥效率逐层降低。单向通风试验的湿度场中表明，第1层空气湿度分布不均匀，湿度在20%～43%之间，适合苜蓿干燥；第2、3层空气湿度大部分超过50%且温度较低，所以水汽向空气主体传递推动力小，缓慢干燥过程。

图4　单向通风湿度场

图5　换向通风后湿度场

图6为单向通风试验中，箱内各草层的平均含水率在一个试验周期内的变化情况。其中，草层1的含水率变化幅度明显高于草层2、3。当含水率降到40%左右的时候，其含水率的变化则趋于平缓，此阶段蒸发的水分来自于物料的空隙或表面的游离水分。在沿气流方向上，草层的失水速率逐层减小。

图6　单向通风草层含水率变化

图7为换向通风试验中，箱内各草层平均含水率在1个试验周期内的变化情况。当试验进行4h后，改变箱内的风向。换向通风前，草层的平均含水率的变化幅度由草层1到草层3逐层减小；当改变风向后，各草层的平均含水率变化幅度则变为由草层3到草层1逐层减小。距离空气入口近处牧草接触到的总是温度高、相对湿度低的介质,介质在通过牧草层时,与牧草发生热质交换后, 降温增湿,再与远处牧草进行热质交换,此时的温差和分压差都要小于近处牧草，所以水分的扩散程度明显低于近处牧草。

2.2草层含水率

根据各草层的样本计算该草层的平均含水率，则有

式中Hn—样品的湿基含水率；

G0—样品干燥前质量；

GT—样品干燥后质量。

在一个干燥周期结束后，单向通风试验得到的各草层的平均含水率的差值要明显大于换向通风试验各草层的平均含水率的差值，如表2所示。

表2　平均含水率

2.3草层的干燥均匀度

牧草经一次干燥后在同一层横断面的不同位置上(不少于5个点)取出5个样品分别测定含水率，最大含水率与最小含水率之差值，即为干燥水分不均匀度，如表3所示。

表3　水分不均匀度

根据各草层的干燥水分不均匀度可以看出，单向通风试验中，草层2、3的干燥不均匀度明显高于草层1；而换向通风试验过程减小了草层与草层之间的含水率差异，显著降低各草层的干燥水分不均匀度。

3结论

1)在干燥试验过程中，草层的同一截面上温度场和湿度场分布不均，影响同一截面上牧草干燥的均匀性；换向通风能够改变气流方向，从而改变同一截面上草层温、湿度场的分布，有效提高了同一层面牧草的干燥的均匀性，也提升了干燥牧草的品质。

2)干燥试验过程中，各层间的干燥速率差别较大，在沿气流方向上草层的平均含水率逐层增加。在换向通风过程中，气流方向的改变使得上下层牧草干燥速率差别减小，有效提高了干燥过程中层与层间的干燥均匀性，提高了干燥效率，节约了能源，同时也为进一步研究换向通风的最佳换向周期提供了依据。

参考文献：

[1]车刚,汪春,李成华,等.紫花苜蓿热风干燥特性与工艺的试验研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2004(4):36-39.

[2]杨世昆,杜建强.太阳能饲草干燥技术研究[J].农业工程,2011(1):62-66.

[3]杜建强,杨世昆,刘贵林,等.牧草太阳能干燥优质化处理工艺[J].农业工程,2013(1):44-47.

[4]盖玲,王剑平.稻谷换向通风干燥不均匀度的试验研究[J].浙江大学学报：农业与生命科学版,2001(5):118-121.

[5]谢秀英,李杰,白崇仁,等.果蔬热风穿流干燥换向通风的研究[J].农业工程学报,1993(2):82-88.

[6]钱珊珠,王春光,刘贵林,等.牧草固定深层太阳能干燥的试验[J].农业机械学报,2008(12):97-101.

[7]钱珊珠.基于人工神经网络的苜蓿固定深层太阳能干燥过程仿真[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2008.

[8]杜建强.苜蓿干燥特性试验分析[J].内蒙古科技与经济,2006(5):87-88.

[9]赵艳忠,王忠江,陈立.苜蓿薄层干燥特性试验研究[J].东北农业大学学报,2009(2):114-117.

[10]郑先哲,蒋亦元.苜蓿干燥特性试验研究[J].农业工程学报,2005(1):159-162.

The Reversing Ventilation in the Alfalfa Solar Drying Study

Qian Shanzhu, Tong Chuan

(Agricultural Electrification，Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Aiming at the existence of deep alfalfa drying in the dry uneven phenomenon, in vertical solar oven for reversing ventilation drying experiment of alfalfa, interpass temperature monitoring in the grass and the distribution of relative humidity and the moisture content of alfalfa.Test results show that the reversing ventilation drying can shorten the drying time and can improve the drying uniformity;Find out influence on the drying rate, ventilation reversing cycle to improve the efficiency of drying, drying quality and save energy, provide reference basis for further optimization of drying process.

Key words：alfalfa； solar drying； the reversing ventilation； uniform drying

文章编号：1003-188X(2016)03-0250-04

中图分类号：S375

文献标识码：A

作者简介：钱珊珠(1964-),女，内蒙古通辽人，教授，硕士生导师，(E-mail)719725846@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(203027)

收稿日期：2015-03-09