谷物干燥机设计方案及智能控制方法

张佳丽

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

谷物干燥是利用热能将湿料谷物中的水分去除，以获得可以用于储存的固体物质，主要目的是防止谷物在储藏中由于水分过多造成的谷物霉烂与变质[1]。另一方面，谷物干燥还可以改善谷物理性状，提高谷物品质，便于进一步储藏、运输与加工。谷物干燥主要分为烘干和晾干两种方式，烘干是基于燃料燃烧产生热量进而蒸发谷物中的水分，晾干是利用自然风达到去除谷物水分的目的[2]。

我国是世界上最大的粮食生产国与消费国，但是每年由于粮食烘干、储藏不当等导致的粮食损失量高达1 500万t左右。因此，提高谷物干燥效率是保证我国粮食安全的重要条件之一[3]。谷物干燥机由于不受气候条件及地域限制，在我国得到了广泛的应用与发展。尤其是北方寒冷地区，谷物水分过高还会造成谷物冻害问题，例如，玉米和水稻要求在外界环境温度降低到5 ℃之前必须达到13%～15%的安全含水率，保证谷物的生命力。我国主要农作物安全储存水分技术要求如表1所示[4]。

表1 我国主要农作物安全储存水分要求 单位：%

1 典型谷物干燥机分类及应用优势

1.1 谷物干燥机的分类

1)按照谷物干燥操作压强分有常压干燥机、真空干燥机；

2)按照谷物干燥操作方法分有连续干燥机、间歇干燥机；

3)按照谷物干燥传热方式分有传导干燥机、对流干燥机、辐射干燥机、介电加热干燥机、联合干燥机。

1.2 谷物干燥机的应用优势

成熟后的作物在田间停留时间越长，会造成作物产量降低，容易发生作物倒伏[5]，采用机械化谷物干燥技术可以减少谷物田间损失。

一般农作物收获后，粮食含水率在15%～40%之间，但是谷物安全储存水分要求在13%～15%之间[5]。自然晒干需要占据一定的粮食晒干场地进行摊晒，由于干燥面积有限，谷物不能及时晒干，大量谷物在场地堆积，难以进行干燥而导致谷物品质下降。因此，谷物在收获后须经过干燥才能储存，否则会出现霉烂与发芽，造成粮食损失。

2 典型谷物干燥设备

2.1 对流谷物干燥机

对流谷物干燥机是指干燥介质从谷物表层穿过，从而达到谷物干燥的目的。干燥介质采用未加热的自然空气，称为自然通风干燥，但干燥效率较低；干燥介质采用热气流、热空气等进行谷物干燥，称为对流加热干燥；根据温度的高低又被分为高温干燥及低温干燥两种方法。对流加热干燥法干燥速率较高，是目前应用较为广泛的一种谷物干燥方法，基本干燥原理如图1所示。

图1 对流加热干燥法工作原理示意图

2.2 辐射式谷物干燥机

辐射式谷物干燥机包括太阳能干燥机、高频与微波干燥机和远红外干燥机，主要是指利用辐射源的射线，将电磁能量传递给辐射源没有直接接触的谷物，促进谷物中水分剧烈运动，水分升温蒸发，进而达到谷物干燥的目的。

2.3 谷物干燥机性能对比

对目前常见的几种谷物干燥机工作性能进行对比分析如表2所示，应根据实际情况进行谷物干燥机的选择。

表2 常见谷物干燥机性能对比

3 设计内容

3.1 干燥能力

谷物干燥能力有两种表达方式，第一个为小时去水量(kg H2O·h-1)；第二个为小时干燥能力(t·1% H2O·h-1)。

3.1.1 小时去水量计算

谷物干燥机小时去水量主要根据单位时间内进入干燥机的谷物物料总质量g1(kg·h-1)与单位时间内从谷物干燥机输出物料总质量g2(kg·h-1)之差确定小时去水量Wn(kg·h-1)，公式推导过程如式(1)～(4)

g1=gg+W1
g1=gg+W2

(1)

式中gg—单位时间干质谷物进入干燥机或由干燥机输出的质量，kg·h-1；

W1,W2—单位时间进入干燥机及从干燥机带出的水量，kg·h-1。

则

Wh=g1-g2

(2)

而

(3)

代入得

(4)

3.1.2 小时干燥能力gt计算

谷物干燥机的降水幅度ΔMp(%H2O)，当湿料谷物生产率为g1时，谷物干燥机时干燥能力gt(t·1%H2O/h)计算公式如式(5)

gt=g1ΔM

(5)

谷物干燥机小时去水量Wh和小时干燥能力g按照平均值进行计算，设gP1为入仓谷物质量，gP2为出仓谷物质量，则谷物干燥机小时去水量Wh(kg·h-1)及平均小时干燥能力g分别为

(6)

式中M1—原粮水分，%(湿基)；

M2—干燥后要求的水分，取13%～14%(湿基);

τ—每批干燥的时间，h；

ΔMp—每批干燥的降水幅度，%。

3.2 干燥参数的确定

谷物干燥时间根据谷物降水幅度ΔM及小时降水率计算，对于低温干燥机来说，小时降水率一般为0.5%左右，对于高温干燥机，因工作流程不同，小时降水率范围较大，一般为(2%～5%)·h-1。当明确谷物干燥机小时降水率及降水幅度后，干燥时间τ为

(7)

式中ΔMh—小时降水幅度，%·h-1。

3.3 热利用率的计算

谷物干燥机工作时会有部分废气排出，导致热量不能完全被利用，其干燥热利用率可以根据公式(8)进行计算

(8)

式中ηH—热利用系数；

β—热贮备系数；

hf—谷物的汽化热，通常hf=2 720 kJ·(kg H2O)-1;

Wh—小时去水量，kg·h-1；

Hh—小时供热量，kJ·h-1。

3.4 风量计算

根据谷物干燥机中谷层风速最佳参数范围及去水量进行冷风量及热风量的计算，综合进行风量选择。常见的风量选择如表4所示。

表4 风量比常见参数设计依据

4 谷物干燥过程智能控制技术

谷物干燥过程智能控制技术是提高谷物干燥机工作效率，降低设备耗能，减少环境污染，保证谷物烘干正常进行的重要保证。

4.1 谷物干燥智能控制系统的基本目标

谷物干燥机控制精度在智能控制系统的设计及应用应满足以下要求：

1)控制精度应该在±(0.5%～0.7%)，控制响应速度较快，控制稳定性较好，不易受到外界干扰，当谷物水分发生变化时，可以快速做出响应；

2)避免干燥过度或者欠干燥导致谷物品质降低，增加设备损耗；

3)避免发生火灾，实现干燥过程最优化。

4.2 谷物干燥智能控制方法

4.2.1 微机控制技术

微机控制系统可以实现各种控制算法，如PID控制算法，微机系统可以对多种控制方法进行多个回路控制，实现动态、静态监测信息变量，如热介质温度、干燥湿度、干燥压力、流量及谷物高含水率等参数控制，基本工作原理如图2所示。

图2 微机控制技术工作原理图

4.2.2 模糊逻辑控制系统

常见的谷物干燥方法多为数学过程算法，在实际生产应用中会存在较多问题，如谷物干燥过程属于一个复杂、时变及非线性的变化过程，多种干燥参数不能进行直接测量，干燥过程模型计算需要耗费大量的时间与人力，而且在干燥过程中应该考虑到滞后、时变等复杂问题。因此，为了克服上述问题，提出模糊逻辑控制方法，可以改善谷物干燥过程中的干燥动态特性及不确定性，工作原理图如图3所示。

图3 模糊逻辑控制原理图

5 结论

谷物干燥可以防止谷物在储藏中由于水分过多造成霉烂与变质，另一方面还可以改善谷物理化性状，提高谷物品质，便于进一步储藏、运输与加工。因此，良好的谷物干燥机对于保证谷物干燥效率具有重要意义。本研究首先介绍几种常见的谷物干燥机技术特点与应用现状，提出目前谷物干燥机设计依据及相关设计参数计算方法，并提出谷物干燥机常见的智能控制方法，研究结果对于形成完善的智能谷物干燥机提供参考。