负压循环式干燥机干燥段风场分布特性

高瑞丽 车刚 万霖 李海龙 王洪超

摘要：为研究负压循环式干燥机内部的风场分布情况，改善气流分布均匀性，在变径角状管的基础上开设变开孔率的布风孔。通过测量各检测点的风速值，分析当采用不同结构的角状管时，干燥段内部的风场分布情况及随测试深度变化的规律。结果表明，采用变径变开孔率的角状管，干燥段内的风速明显增加0.1～0.3 m/s，机体内部的风场趋于平稳。随着测试深度的增加，风速变化较小，而不同测量位置处的风速变化差异性也较小。同时，风速变异系数明显降低10.43%～24.41%，布风效果良好。吧本研究为提高负压干燥机的风场均匀性提供参考，为实际生产提供了理论依据。

关键词：负压干燥;风场均匀性;角状管;变径;变开孔率;风速变异系数

中图分类号： S226.6 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）23-0257-03

负压干燥技术最初应用于化工、食品等领域，2001年徐贵力等提出了远红外常压、负压联合干燥香菇的方法，提高了干燥速度，而且达到了节能减排的效果[1]。同年，陈景良等提出两级正负压干燥玉米麸质粉，干燥后的效果较好，热效率高[2]。直到2002年，刘雄心等研究了新型粮食干燥机，将负压干燥技术应用于粮食干燥[3]。随着农业机械化进程的不断推进，我国各类干燥机的总和，平均每年以50%左右的增幅快速上升[4]。其中，负压式谷物干燥机是发展较快的一种机型，与正压干燥机相比，在一定程度上降低了热能消耗，有较高的推广应用价值，对我国谷物干燥行业的发展意义重大。

在实际生产中，由于干燥过程中风速分布不均匀，导致生产的谷物干燥不均匀、烘后谷物品质差等问题，降低了干燥效率[5]。为解决这些问题，国外一些国家如丹麦、瑞典等，大多采用变径角状管，使得气流压力沿角状管径向保持稳定;但相关研究表明，变径角状管对提高气流分布均匀性的作用不明显[6]。

因此，本研究在变径角状管结构的基础上，在角状管两侧侧板上开设变开孔率的布风孔，从而增强风速分布的均匀性，达到均匀布风、稳定干燥的目的。通过依次采用变径角状管和变径变开孔率角状管，在空载状态下对干燥机内风场均匀性进行了试验研究，以期得到合理的结构布局，为实际生产提供理论依据。

1 负压干燥机的结构及工作原理

该负压循环式干燥机的主体部分主要由贮粮段、加热段、缓苏段和排粮段等构成，由于该干燥系统采用的是低温循环干燥，故无冷却段，其基本结构如图1所示。

该干燥机采用负压供热，选用2台负压风机并联放置，负压风机和热风管分别在干燥段的两侧。热风经热风管在负压风机的作用下，向干燥系统供热。干燥时，湿粮由斗式提升机向上提升，采用离心式卸料进入干燥機的塔顶中，直到装满整个干燥机，由贮粮段暂时缓存。然后，谷物依靠自重缓慢下落，进入干燥段。谷物经干燥后进入缓苏段，停止受热，这时由于谷物刚离开干燥段，还保持着一定的温度，而籽粒的表面和内部存在温差和湿差，促使内部水分向外扩散，逐渐趋于平衡。谷物进入排粮段后，在分粮板和排粮棍的共同作用下落入螺旋绞龙中，然后在螺旋叶片的输送作用下由排料口进入斗式提升机。如此不断循环，直到谷物水分含水达到安全水分含水。

2 配风系统的设计

负压配风系统与正压送风相比，解决了在干燥过程中易产生的喷尘问题，保证了安全生产[7]。该系统选用2台负压风机并联放置，采用吸入式原理，即当风机叶片离心转动时，内部压强小于外界压强，从而将热介质引入角状管，完成干燥过程。风机的选型由风量及风压确定，主要计算过程[8]如下。

2.1 风量计算

Q=V·Whd2-d1。

式中：V表示比容，取为0.895 m3/kg;Wh表示干燥机每小时去水量，该干燥机为14.55 kg/h;d1、d2分别表示常温介质与废气介质的湿含量，kg/kg;

2.2 风压计算

风机的风压包括动压力和静压力，动压力是根据风道的风速来计算的，静压力是由管道各部阻力及谷层阻力等所组成的。

hd=9.8γ·v22 g。

式中：hd表示动压力，Pa;v表示风机出口风速，取6 m/s;g表示重力加速度，为9.8 m/s2;γ表示热介质容重，kg/m3。

hj=hg+he+∑hs。

式中：hj表示静压，Pa;hg表示谷层阻力，与谷层厚度和谷层断面的表现风速有关;he表示沿程压力损失，与沿程阻力系数和风机直径有关;∑hs表示各局部压力损失之和，与局部阻力系数有关，风机入口的阻力系数取为0.5，出口为1，弯头部分为0.3。

综上所述，风机的风压为

h=hd+hj。

2.3 风机选型

经计算，干燥机所需热风量为1 302 m3/h，风压为 188.77 Pa，则选用2台小型中压型风机并联作业，其型号为Y5-47，风量为660 m3/h，转速为2 800 r/min。配套电动机型号为Y801-4，功率为0.55 kW。

3 试验设备及方法

3.1 设备与仪器

本试验采用自行研制的5HSN-01型负压循环干燥机，降水幅度为3%～4.5%，热风温度为38～45 ℃。该机的装机容量为1.0 m3（水稻），主机外形尺寸（长×宽×高）为 1 000 mm×800 mm×2 600 mm，配套电机功率为0.75 kW，提升机高度为3 m。

试验时采用管道式风速传感器测定各测量点的风速，量程为0～30 m/s，分辨率为0.05 m/s，测定精度为±0.01 m/s，并采用可编辑逻辑控制器（PLC）自控柜触摸屏控制，可实时记录采集数据。

3.2 试验方案

采用混流干燥，室内平均温度为27.5 ℃，经测定，进风口风速为3.17～3.26 m/s，出风口风速为17～17.70 m/s。

为研究干燥机内风速分布情况，在干燥段外壁开设螺纹检测孔，孔道密封严密，热损失接近0。沿垂直进风方向开设4对测量点，具体分布情况如图2所示，测量点1～4测量角状管下方风场，测量点5～8则测量角状管上方风场。传感器测试深度取0、10、20、30 cm，主要研究当采用不同结构的角状管时干燥段内部的风场分布情况及变化规律。在测量之前，打开控制开关使干燥机运行10～15 min，待干燥机运行稳定、机内风速达到稳定状态后进行测量[9-10]。

为了准确描述风速分布均匀性，采用测量点的风速变异系数来反映，具体计算公式如下[11-12]。

Vh=1n∑ni=1Vi。

式中：Vh表示高度为h（cm）的平面上气流的平均流速，m/s;n表示测量点数量，个;Vi表示第i个测量点的气流速度，m/s。

Jh=∑ni=1（Vi-Vh）2nVh。

式中：Jh表示高度为h（cm）的平面上的风速变异系数。

4 试验结果与分析

将试验测量结果取平均值，并利用Matlab软件进行插值处理[13-14]，绘制出测试深度、垂直进风方向位置和风速之间的三维图形，以便于直观地分析干燥机内风场分布情况。

4.1 均匀性分析

各测量点的风速均取平均值，经计算，可得到2种角状管的测试结果（表1）。

由表1可得，在变径角状管的基础上开设变开孔率的布风孔后，角状管上方风场的变异系数由53.34%降低至 28.93%，下降了24.41百分点;角状管下方风场的变异系数由 49.08% 下降到38.65%，减少了10.43百分点。采用变径变开孔率角状管后，干燥段内的风速也明显提高，并且分布均匀性良好，上、下方风场的差异较小。

4.2 变径角状管

当测试深度为0时，即此时测量干燥机内壁处的风速，如图3、图4可知，不同测量位置处的风场也有所不同，具体表现为风速随着垂直进风方向位置的增加先减小后增大，即在干燥段中心区域风速达到最小，变径角状管上方和下方最小风速均达到0.5 m/s;越靠近风道入口处风速越大，上方最大风速为1.44 m/s，下方最大风速为1.34 m/s。而随着测试深度的增加，风速也逐渐升高，但干燥段中心区域风速依然较小，越靠近两侧内壁风速越高。这是由于在负压风机的作用下，热介质在风道内倾向于沿角状管径向运动，气流压力不稳定，促使风量主要集中在远离风机的一侧，风场分布不均匀。另外，干燥段中心区域风速低、边缘风速高是由于干燥段内壁处的谷物空隙率大于中心区域，阻力较小，气流流速较大[15]。

4.3 变径变开孔率角状管

由图5可知，角状管上方除进风口处风速较大，其他部分风速基本实现均匀分布，内壁处的风速与中心区域相比差别较小，气流逐渐平缓。随着测试深度的增加，风速变化不大，与变径角状管相比改善了气流分布的不均匀性。

从图6可以看出，角状管下方风场相对于变径角状管，其风速明显增加0.1～0.3 m/s，风速不均匀性下降。不同测量位置处的风场变化近似相同，差异性较小。

5 结论

本研究對干燥机的配风系统进行设计、计算，选用2台负压风机并联供热，在保证供风量的条件下消耗的功率较少，具有一定的推广应用价值。

变径角状管对提高风场均匀分布的效果不明显，本研究在变径角状管的基础上开设变开孔率的布风孔。通过试验对比分析可以看出，采用变径变开孔率角状管后，干燥段内的风速明显增加0.1～0.3 m/s，机壁和四角区域的风速与中心区域相比差别较小，气流逐渐平缓。随着测试深度的增加，风速变化较小，而不同测量位置处的风速变化差异性也较小，干燥段内的风场均匀性得到了良好的改善，达到了均匀布风的目的。此外，风速变异系数显著降低10.43%～24.41%，布风效果良好。

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收稿日期：2018-09-20

基金项目：黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目（编号：GA15B402）;黑龙江省高水平大学和优势特色学科建设项目。

作者简介：高瑞丽（1994—），女，山东济宁人，硕士研究生，主要从事智能干燥装备研究。E-mail：2718575670@qq.com。

通信作者：车 刚，博士，教授，博士生导师，主要从事农业工程领域，典型农产品加工技术与智能干燥装备研究。E-mail：chegang180@126.com。