基于正交试验的小麦干燥机工作参数优化

梁 芳

武汉仪表电子学校 武汉 430074

基于正交试验的小麦干燥机工作参数优化

梁 芳

武汉仪表电子学校 武汉 430074

以正交试验为基础，研究了小麦烘干工艺参数麦层厚度、热风温度、热风风速对小麦烘干性能指标干燥速率、麦层阻力、麦粒温度的影响，并以干燥速率、麦层阻力、麦粒温度为综合优化目标对麦层厚度、热风温度、热风风速进行了优化，先进行单工艺目标的优化，然后以权重求和的形式进行了多工艺目标优化，得出了小麦烘干最佳工艺参数组合，为小麦烘干优质高效生产提供了依据。

小麦烘干 工艺参数 正交试验 多目标 优化

我国小麦国家标准水分规定值≤12．5%，研究认为北方小麦储藏安全水分临界值在13.0%左右，与美国储粮安全水分（≤13．0%）相同。小麦水分高于这个数值则会呼吸旺盛，减少了有机成分，严重时甚至会霉变、生虫，丧失食用价值。随着农业机械化的广泛采用，新收获的小麦水分往往大大高于储藏安全水分，小麦烘干是小麦收储的重要环节，它能有效减少小麦中的水分，并杀死害虫和霉菌，还具有促进小麦后熟等作用。

顺流式烘干机是小麦烘干常用的设备，它采用热风作为热介质烘干物料。其内部主要由热风管道和料槽组成。料槽里充满物料，小麦自上而下流动，热风管道由进料端进入，向下方向穿过麦层，重新进入热风锅炉循环利用。热风管道与物料进行热量交换和水份的蒸发，热风管道将热量转给麦粒，使之温度升高，麦粒受热升温，水份蒸发到空气中，成为废气排出。烘干的小麦向下流动到缓苏段，经过缓苏段使麦粒内外层温度和水份趋于平衡，达到均匀降水。小麦缓苏后进入冷却段，经过冷却，小麦降温到储粮温度，之后由排料段出料。

烘干工艺参数对小麦烘干效果起着决定性的作用，优化小麦烘干工艺参数是提高小麦品质，降低能源消耗的重要途径。本文利用正交试验对小麦工艺参数进行多目标优化，采用权重的形式对单工艺进行线性组合，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

1 试验方法

试验设备500 kg塔式试验烘干机，风机供风；用风量调节板调节风量，以改变穿过物料层的风速；电加热器由3个电加热管组成，升温时3个电加热管同时加热，到达要求温度时，可用任意两个加热管加热，以调节热风温度；水平风道由两层铁板组成，夹层中填以石棉网避免散热；网孔底板可以使穿过物料的风速均匀。本研究以麦层厚度（A）、热风温度（B）、热风风速（C）为小麦烘干优化工艺参数，以干燥速率（y1）、麦层阻力（麦层阻力用风机的静压值来表示）（y2）、麦粒温度（y3）为综合优化工艺目标，试验设计如表1，试验结果如表2。

表1 小麦烘干正交实验设计

2 单工艺目标优化

根据正交试验的结果，分别求出麦层厚度、热风温度、热风风速在不同水平条件下干燥速率、麦层阻力、麦粒温度的平均值，对于效益型指标其平均值大的水平为最优水平，对于成本型指标，其平均值小的水平为最优水平，结果如表3～表5。

表2 小麦烘干试验结果

表3 工艺参数不同水平下的平均干燥速率

表4 工艺参数不同水平下的平均麦层阻力

表5 工艺参数不同水平下的平均物料温度

在小麦烘干3个工艺目标中，干燥速率为效益型指标，值越大越好，麦层阻力、麦粒温度为成本型指标，值越小越好。

对于干燥速率，从表3可知，最佳参数组合为A1B4C4，对其影响程度由大到小的烘干工艺参数排序为：热风温度、麦层厚度、热风风速。

对于麦层阻力，从表4可知，最佳参数组合为A1B1C4，对其影响程度由大到小的烘干工艺参数排序为：麦层厚度、热风温度、热风风速。

对于麦粒温度，从表5可知，最佳参数组合为A4B1C1，对其影响程度由大到小的烘干工艺参数排序为：热风温度、麦层厚度、热风风速。

通过分析各工艺参数在不同水平下的平均工艺目标值，还可以得到麦层厚度、热风温度、热风风速对干燥速率、麦层阻力、麦粒温度的影响。影响的规律如下：

①干燥速率：

随麦层厚度的增加而减少；

随热风温度的增加而增加；

随热风风速的增加而增加。

②麦层阻力：

随麦层厚度的增加而增加；

随热风温度的增加而增加；

随热风风速的增加而减小。

③麦粒温度：

随麦层厚度的增加而下降；

随热风温度的增加而上升；

随热风风速的增加而上升。

3 多工艺目标优化

小麦烘干工艺参数优化的目标是在保证小麦品质的前提下有较高的烘干效果，尽量节约能源消耗，即烘干后麦粒温度尽可能低，干燥速率尽可能高，麦层压力尽可能小，这样能耗就会减少。可见这是一个多目标优化问题，但要同时使这3项工艺目标最优是不可能办到的，这就需要结合具体情况有所侧重，根据优化目标的重要性程度以权重加以体现，用权重求和的形式将各单工艺目标线性组合起来，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。由于各单工艺目标的量纲和数量级不同，为了便于比较，需对原始单工艺目标值进行无量纲化处理。

对于效益型指标无量纲化公式为

对于成本型指标无量纲化公式为

式中，yij为工艺目标的原始值，xij为工艺目标无量纲化后的值。

则综合工艺目标的适应值可表示为

式中，λ1、λ2、λ3为权系数，文中取λ1=0.4、λ2= 0.35、λ3=0.25，x1、x2、x3分别为干燥速率、麦粒温度、麦层阻力无量纲化值。

工艺目标无量纲化值及综合工艺目标适应值如表6所示。

表6 目标值规范化和综合目标适应值

由正交试验的均衡搭配性质可知，各参数不同水平下平均适应值的相互比较，与其他参数无关，只反映该参数不同水平对多项工艺目标的影响程度。比较各个水平，适应值值最高的水平为对多工艺目标综合考量时的最优水平。

各工艺参数在不同水平下的适应值平均值如表7所示。

表7 工艺参数不同水平下的平均适应值

由表7可知：

麦层厚度对小麦烘干性能的适应值排序为

热风温度对小麦烘干性能的适应值排序为

热风风速对小麦烘干性能的适应值排序为

因此，小麦烘干最佳参数组合为A1B4C3，即麦层厚度为50 mm、热风温度为80℃、热风风速为0.35 m/s。

从表7中的极差我们还可以知道，3个工艺参数对小麦烘干性能响由大到小排序分别为麦层厚度、热风温度、热风风速。

4 结语

小麦烘干的关键是生产中如何保证小麦的品质和节能降耗。小麦的烘干多采用塔式烘干机，利用重力自然下落。然而，影响烘干的主要参数，如麦层厚度、热风温度、穿透风速、缓苏时间等的确定通常凭借经验，缺乏有力理论依据，使小麦烘干生产的效率和品质难以得到可靠的保证。本文通过正交试验研究了小麦烘干工艺参数麦层厚度、热风温度、热风风速对小麦烘干性能指标干燥速率、麦层阻力、麦粒温度的影响，并以干燥速率、麦层阻力、麦粒温度为综合优化目标对麦层厚度、热风温度、热风风速烘干工艺参数进行了优化，得出了最佳工艺参数的组合，为小麦烘干生产的提供了理论借鉴。

TS 211.4+1，S 226.6

A

1674-5280（2016）06-0012-03

2016-07-19

梁芳（1967—），女，湖北武汉人，高级讲师，主要从事轻工机械教学与研究工作。