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2023.05.05辽宁
据国家统计局发布，2014年全国粮食总产量60710万吨（12142亿斤），比2013年增加516万吨（103亿斤），增长0.9%。这是中国全年粮食产量连续十一年实现稳定增长。同时中国的粮食进口量也在不断增加，2014年中国进口粮食总量达1亿吨，达到历史最高。作为世界上最大的粮食生产国和消费国，我国粮食损耗也不容小视。我国谷物在收获、脱粒、干燥、运输、储存、加工、消费等阶段的损失高达18%左右，远超过了联合国粮农组织,而这其中因为气候原因，没有来及干燥或是晾晒未达到谷物存储安全水分而造成粮食霉变、发芽等损失就达到5%。按照2014年的粮食产量，一年就损失了3035万吨粮食。
国外早在上世纪40年代，在实现农业机械化全面推进的过程中，开始研究粮食干燥设备，在60年代到70年代实现了粮食烘干机机械化。到90年代以后谷物烘干设备已经达到系列化、标准化。粮食烘干机在美国、俄罗斯、日本等得到了良好的应用，并且向高效、节能优质、低成本、自动化和智能化方向发展。近年来，在谷物烘干过程的计算机摸拟方面取得了较大的进展，传统软件和专用软件的不断开发，对谷物烘干机械的设计和产品质量的改进起到了极其重要的作用。
国内粮食干燥设备生产起步较晚，从初期的仿制日本、前苏联等国外干燥机开始，但是当时谷物烘干机械结构复杂、耗材多、造价高昂，只是在国有粮库、大型农场使用。80年代以后，随着我国农村经济体制改革，有关科研单位以日本、台湾的干燥机为蓝本，研发适合我国国情使用的谷物干燥机。部分大型粮库、国有农垦系统的粮食生产基地也引进美国、日本、加拿大、台湾等国家和地区的先进干燥设备。进入21世纪以后国内一批机械企业、大专院校及有关科研单位也相继推出专业化、集约化、规模化的谷物干燥机。随着国民经济的高速发展与人民生活水平的不断提高，粮食用于食用、饲用还是产业化深加工，对于粮食品质要求也随之增加。国家对于农业机械化自动化要求以及农村土地方式的的流转，农业在整地、耕作、播种、植保、收获等一系列操作方式的全程机械化的普及中，靠天气来作为粮食主要干燥方式肯定是要淘汰的。进入世贸组织以后，国外高品质粮食也对我国粮食市场进行冲击。如何把收到手的谷物损失降低到最低点，生产高品质商品粮，谷物烘干的机械化比田间作业的机械化更为重要，它是谷物丰产、丰收的重要保障条件。
现在世界上干燥机主要由以下几类组成：
横流式循环谷物干燥机是热风与谷物流动方向相互垂直的一种连续流动式干燥机，由于横流式干燥机干燥处理能力较好，设备结构简单投资较少，设备故障率低易维修且使用年限长等原因，是世界上使用最广泛的干燥机型之一[2]。
1对横流式谷物循环干燥机整体构造分析
1.1谷物干燥机的分类
国内生产的粮食干燥设备按照干燥方式分为连续式和循环式两大类。因为粮食品种和原粮对干燥的要求不同，连续式主要是针对玉米、小麦，而循环式主要是针对水稻。
谷物干燥设备按照设备类型来分主要是仓式干燥和塔式干燥两大类。而现在国内应用较多的是塔式干燥设备，而这类设备中又分为循环式干燥机和连续式干燥机两类。
谷物干燥设备还可以按照干燥段谷物和热风气流相对运动方向分为横流式、顺流式、逆流式、混流式、顺逆流式、混逆流式和顺混流式。本文主要研究横流式循环谷物干燥机。
1.1.1横流式
横流式谷物干燥机谷物和热风气流相对运动角度是90度，多为筛孔结构，是我国最早引进的机型，连续式和批式循环式都有这种结构。优点是制造工艺简单、安装方便、成本低廉。在批式循环式干燥机中应用这种结构时，可消除水分不均，烘干后粮食品质比较差的不足[3]。
图1-1为横流式干燥机示意图。
1.1.2逆流式
图1-2为逆流式干燥机示意图。
1.1.3顺流式
热风运动方向与粮食流动方向一致，其结构形式同逆流式一样，多为漏斗式进气道与角状盒排气道相结合的塔式结构，它是由多个热风管供给不同或部分相同的热风。其优点是使用热风温度高，一般一级高温的温度可达150℃-200℃，单位能耗低，三级顺流以上的烘干机具有较大降水优势，并能获得较高的生产率，连续烘干室一次降水幅度大，一般可达10%-15%，适合烘干大水分的粮食作物，缺点是结构比较复杂，制造成本较高，粮层厚度大，所需电机功率大，价格高昂。
图1-3为顺流式干燥机示意图。
1.1.4混流式
热风运动方向与粮食运动方向具有横流、顺流、逆流性质，多由三角或五角盒交错（叉）排列组成塔式结构。其优点是热风供给均匀，烘干的粮食含水差很小，单位能耗比横流式低5%-15%。相同条件下，风机功率所需要小，便于清理，不易混粮，缺点是结构复杂，制造成本较高，干燥时，四个拐角谷物降水偏慢。
图1-4为混流式干燥机示意图。
1.2横流式谷物循环干燥机整体结构
横流式循环谷物干燥机是热风与谷物流动方向相互垂直的一种连续流动式干燥机，由于横流式干燥机干燥处理能力较好，设备结构简单投资较少，设备故障率低易维修且使用年限长等原因，是世界上使用最广泛的干燥机型之一。在国内有着广泛地研发基础和应用基础，主要由拨粮层、干燥层、缓苏层、储量层、提升部分、监测部分、PLC电控部分、热风系统八部分组成。
图1-55HPX-15横流式谷物干燥机整体构造分布
1.3干燥机底座组件及拨粮层组成
干燥机底座是整台横流式谷物循环干燥机承重部分，其作用是安装机位、稳定机体，其上安装有电机支架为下搅龙链轮电机提供支撑。
拨粮层是干燥机的重要部件之一，作为干燥机的最下层安装在干燥机底座上，它的作用是把刚刚从干燥层经过热风加热的谷物经过大吊挂、小吊挂、小斜板和R弧的疏导，通过拨粮轮分别向R弧两侧拨出，拨粮轮转速确定谷物干燥速度，谷物掉落顺着大吊挂组件汇聚到到下搅龙壳体组件，下搅龙组件通过下搅龙电机链轮链传动带动，下搅龙转动，下搅龙叶片推动下搅龙壳体中的谷物进入循环出料口，并最终进入提升机部分。
图1-6拨粮层组件与干燥机底座组件爆炸视图
1.4干燥机干燥层组件组成
干燥层也是干燥机重要的组成部件之一，安装在拨粮层上面。其主要部件是网板组件和三尖头组件。网板组件连接三尖头组件的下部与大吊挂、小吊挂、小斜板的上部，形成三部分区域，分别为谷物层、热风通道、冷风通道（冷风通道是区别于热风通道而言，是热风炉热空气通过谷物层是带走谷物中一部份水分后的热空气。在横流式谷物循环干燥机中，热风不会经过二次循环，通过谷物带走湿气后直接由后置式风机抽走。），网版组件将谷物层和热空气分开，使从热风炉通过的热空气能从进风罩从谷物层通过，从热风通道进入到冷风通道被风机抽出完成一个一次干燥过程。通过SolidWorks制图时分析，网孔板与网孔板之间安装有等距角铁支架并安装在热风冷风通道中，保证进入各个干燥层谷物流量一致，网孔孔径为20mm，网孔板网孔率为69.84%，保证热风顺利通过谷物层，完成干燥。
在干燥层网孔板网孔孔径远大于物料粒度，谷物颗粒经过网孔进入热风通道或者冷风通道谷物同样也是掉落到大吊挂、小吊挂、大斜板上，最终被下搅龙输送至循环出料口。
1.5干燥机缓苏层（储量层）组件结构
1.6顶层盖板、护栏、上搅龙组件结构
顶层盖板在缓苏层（储粮层)之上，为一块钣金剪切板组成，上面安装有提升机上座组件、上搅龙组件、除尘风机组件、顶层护栏组件。
提升机上座与一层拨粮层上面的提升机下座组件同属提升组件，其间由提升管道连接。上搅龙组件的作用是把从提升组件畚斗传输上来的谷物通过螺旋输送到顶层盖板上面的进料口，落至缓苏层（储粮层）进行下一步干燥过程。除尘风机安装在上搅龙组件上面，通过其上开口与上搅龙相通。谷物其中参杂部分秕谷、稻壳、草籽以及尘土，这些物料在除尘风机抽送之下经过多次循环之后大部分被排出。顶层护栏为方管焊接件，作为顶层安装的工作人员的防护部件。
2循环式谷物干燥机干燥段的热风通道流体分析
循环式谷物干燥机干燥段主要由干燥层组件、热风罩组件、热风管道组件、风机组件、三角尖组件等组成（具体结构如图2-1）。
图2-1５ＨＰＸ－１５循环式谷物干燥机干燥段组成简图
2.1计算流体力学理论基础
循环式谷物干燥机干燥机的流体设计与计算是机体机械设计的基础和前提，同样也能为我们发现系统中可能出现的问题，为机械元件设计与优化、能源优化分配提出要求和解决方案。在谷物干燥机干燥段流体模拟实验中，进入干燥段热空气与谷物物料存在一定的热质交换，因此我们要考虑进入谷物干燥机干燥段内热空气的质量守恒、动量守恒和能量守恒。我们的模型设计中从干燥段空载时热风炉正常通热风和干燥段满载时热风炉同热风分别进行分析，以探讨干燥段热风通道热风能量利用效率[4]。
2.1.1流量连续性方程（质量守恒方程）
在流体通道中有流体流入同时也会伴随一部分流体流出，在此期间该流体通道中的质量也会发生变化。
（2.1）
式中：ρ为热空气密度，kg/m3；用μ、ν、ω分别代表热风流体在x、y、z方向作为质点的速度V的分量，m/s。
2.1.2流体运动方程（动量守恒定律）
2.1.3能量方程
处于流动中的流体系统总能量变化率等于外力对该系统做功功率与外界对该系统传热功率之和[7]。即：
式中：ρ为热空气流体密度，kg/m3；k为热传导系数；q为热源项；cv是定容热容；为热风温度变化率。
2.2三维模型个构建与计算空间的确定
2.2.1三维模型的构建
采用Solidworks软件，通过实体编辑、钣金切割等命令建立循环式谷物干燥机干燥段的三维转配体模型，在三维建模中完成热风管道组件、进风罩组件、干燥段左右前后围板组件、网板组件、网板支架组件、三角尖组件、出风罩组件以及风机组件的构建。在模型构建过程中，由于我们主要目的是对循环式谷物干燥机干燥段热风通道流体的分析，于是对三维装配体模型做了较大的简化，比如：忽略了干燥段中网板组件以及网板支架组件可能热风的热质交换[8]，因此没有构建；循环式谷物干燥机满载干燥时部分热空气会随着谷物空隙向缓苏段（储粮层）、拨粮层以及顺着干燥剂安装缝隙向外界呈一定比率渗透，但在此系统中除了进风口和出风口开口之外对干燥段下约束面、三角尖组件上约束面以及干燥段安装缝隙进行模型封闭处理。模型建好之后，添加约束，把所有零件安装在一起形成装配体。如图2-2为循环式谷物干燥机干燥段热风通道截面图。
2.2.2流体域确定
本文研究的5HPX-15循环式谷物干燥机干燥段中，冷空气经由热风炉换热装置加热为热空气由热风通道、进风罩通过进风口进入干燥层两个热风区域，穿过谷物通道在干燥层中流动，加热谷物物料带着湿热空气通过三个冷风通道，再从出风罩组件回风至出风口，经由外部风机抽出。如图2-3是5HPX-15循环式谷物干燥机干燥段干燥简图。
2.2.3网格划分
一般对流动和传热问题进行数值模拟计算时，其中比较重要的一步就是对系统区域进行网格划分，即要对空间上连续的模拟计算区域进行划分，让它形成许许多多个区域，然后再确定每个区域中的节点。
Fluent软件的前期处理就有网络生成工具，网格生成的质量会对数值模拟计算的精度与稳定性产生重要影响。
利用数值方法来分析谷物干燥机干燥段热风通道流体流动时，据干燥机中热风流动特性，因为所求解流体区域的复杂性，所要划分的区域不可能全部划分为结构化网格，本文采用非结构化网格[9]，在面网络划分中用限制较少的四边形网络单元，在指定区域用三角形网格单元，实体的划分采用四面体形式，个别单位位置用六面体、锥形体、楔形体网格进行混合网格划分。
2.2.4网格质量检查
网络质量因素是CFD建模中非常关键的一环，其质量划分好坏直接印象后来数字计算的精度[10]。网络划分的原则应该是根据实际模型过程中不同设计要求进行适当调整，在对流体场进行数值计算时，应该在保证计算机运行能力、模型运算精度的前提之下尽可能适当的增大网络划分单元的长度，以减少运算量。
2.3.1热风流动迹线分析
2.4干燥段热风通道结构优化
在5HPX-15循环式谷物干燥机设计中，为了安排提升机以及提升管道组件方便工作人员操作，于是在最初的结构安排时，把提升机组件和热风通道弯管安排在同一边，这样进入热风管道的气流没有正对输入干燥段，造成一部分的热量损失，影响干燥效率以及干燥质量。
3横流式谷物干燥机对于不同物料干燥机理的分析
新收获高水分的谷物得不到及时的干燥处理将谷物湿度降至安全水分点会引发严重的霉变、虫害和有氧呼吸损失等问题，影响农民粮食增收。所以横流式谷物干燥机最早被应用于南方江浙地区的谷物干燥，谷物干燥机一般会配有一台热风炉，一台或两台风机。通常要求对于玉米进热风温度≦393K，对于小麦进热风温度≦373K。在干燥过程中，除了热风干燥产生的破损率。
在利用横流式谷物干燥机干燥谷物物料时，温度过高容易产生一定的裂纹增率和爆腰率，温度过低又会使降水率大大降低。因此分析谷物种子内部温度、湿度分布，研究谷物在横流式谷物干燥机循环干燥时的干燥机理，制定合理高效的干燥工艺，提高干燥中及干燥后谷物品质，具有非常重要的意义。
平衡水分点是指在一定的干燥水平条件下，谷物所能干燥到的最低的水分点，决定着谷物干燥终了含水率。
3.1谷物种子的组成形态
玉米、小麦、水稻是世界三大粮食作物，也是世界上高产的三种农业种植作物。可作食用、饲用以及工业原料。但收获时水分含量较大（玉米、小麦、水稻最佳干燥加工水分参数见表3-1），因起结构特点自然干燥周期长，对储藏条件要求较高。谷物的干燥过程就是吧谷物内部水分降至安全水分点之下，抑制其自身能量消耗以及微生物的活性。其中由于玉米种子籽粒较大，单位比面积较小，表皮结构紧密、表面毛细管道少等原因，水分不易冲籽粒中排除。
玉米的种子主要由果皮和种皮、胚乳、胚和穗轴四部分组成。种皮和果皮在玉米中是是紧密不易区分的结构。主要由纤维素组成，占种子总重量的6%-8%。具有保护种子不受外界机械损伤和防止虫害的作用。玉米的胚乳位于种皮的里面，最外层包裹含有大量蛋白质的糊粉粒，组成糊粉层，胚乳占种子总重量的80%-85%。起到贮藏养料，供给种子萌发的作用。胚是新生植物体的雏体，构成种子的最重要部位。玉米的胚占种子总重量的10%-15%。
小麦的种子主要由种皮和果皮、胚乳、胚三部分组成。稻谷种子主要由稻壳、种皮和果皮、胚组成。
3-1玉米、小麦、水稻种子的组成形态简图
3.2谷物种子中水分迁移过程
谷物种子是一种湿物质，其表面有一定的水蒸气压力。而这个压力值与谷物本身的种类、谷物水分高低、谷物内部温度以及环境温度有关。
3.2.1谷物干燥湿分（水分）传递机理
湿传导是在湿度梯度（毛细管和扩散渗透力）的作用下，物料内部的水分有含量高的部位向含量低的部位迁移的现象，而湿热传导是指温差引起的水分沿着热流方向而移动的现象[13]。
在粮食对流干燥过程中，湿传导是主要的，而湿热传导是次要的，可以忽略不计。但是湿热传导对储粮影响很大，尤其是外界温差变化幅度较大的季节，应该密切注意储量状态，做好通风降温降湿措施，否则湿热传导会引起粮食“结顶”、“挂壁”等现象，造成粮食结露、发热霉变，降低粮食品质[14]。
3.3对于循环式谷物干燥机对于不同物料干燥理论基础
3.3.15HPX-15循环式谷物干燥机技术参数和技术指标
干燥机技术参数和技术指标。
表1-15HPX-15循环式谷物干燥机技术参数和技术指标
控制系统PLC可编程序控制，变频调整，视频监视。
3.3.2谷物干燥主要技术参数
粮食干燥的技术参数指标是衡量一个干燥机性能优良的主要标准，对于玉米和小麦干燥时和干燥后的指标参数见表3-2：
表3-2玉米、小麦、水稻干燥时和干燥后的指标参数
3.3.2循环式谷物干燥机谷物干燥特性曲线理论值
3.4谷物干燥过程分析
3.4.1干燥特性曲线实验方法
实验器材：5HPX-15批式循环谷物干燥机；
SMARTSENSOR非接触式红外线测温仪AR-872A；
SMARTSENSOR风温计AVM-01；
兰泰粮食水分温度检测传感器MC7821；
计时器。
实验材料：当年新收玉米（含水率28%，水分差值3%）10t；
当年新收小麦（含水率23%，水分差值3%）10t；
当年新收水稻（含水率24%，水分差值3%）10t；
传感器安装位：（1）进热风罩；（2）干燥段谷物通道；（3）提升管道第二节；
（4）缓苏段第二节；（5）缓苏段第六节。
数据采集：实时监控传感器粮食水分、温度并记录制表。红外测温仪每20min测一次热风炉温度、外排烟气温度、出热风温度记录制表。
3.5谷物干燥的特性曲线分析
3.5.4关于谷物干燥特性曲线的分析
预热阶段：外源热风炉提供热量主要用于提高谷物物料温度，此时有少部分热量使水分汽化[14]。随着谷物物料温度的升高，谷物表面的水蒸气压力也在不断加大，从而此时干燥速率加快；当热风提供的热量正好等于水分蒸发所需能量时，谷物表面以及内部温度不再上升，谷物干燥降水速率此时从零达到最高值，干燥进入等速干燥阶段。而预热阶段的长短取决于环境温度、初始粮温、干燥层厚度、进热风温度、进热风流速等。
等速干燥阶段：在该阶段中谷物含水量均匀下降，谷物表面温度基本保持不变，干燥速度在此时达到最大值并基本保持不变；谷物干燥速度的快慢取决于谷物表面水分蒸发的速度，即外部控制；提高烘干机热风温度、热风流速，增大干燥的接触面积、减小干燥层厚度，可使干燥速度加快；从理论上讲，由于所有传给粮食的热量都用于汽化水分，粮温应保持不变；在实际上，由于物料中水分的剧烈汽化，以及干燥机热传导外部能量损耗，物料表面温度甚至会有所下降。
降速干燥阶段：随着干燥进行，物料水分逐渐下降，其表面上的水蒸气压力将下降，使物料表面与热风介质之间的水蒸气压力之差减小，从而使物料的平均干燥速度减慢，于是干燥进入了降速干燥阶段。
在此阶段物料去水更难，干燥速度慢慢下降，而物料的温度则逐渐上升；当干燥速度等于零时，物料水分达到在该条件下的平衡水分点，其温度可以上升到与出热风相同的温度。在高温干燥中，粮食烘干会在此前就结束。
冷却缓苏阶段：对物料的温度曲线来说还应有一个冷却段。一般讲，烘后物料的温度很高，约在45℃～55℃，必须通过缓苏阶段冷却，才能达到安全存储条件；在生产中，常采取人工冷却方式，把粮温降至比外温高5℃～7℃后进行储藏；在降温的同时，也可去除水0.5%～1%[15]。
4结论
（2）由于干燥情况复杂，在干燥作业过程中，要建立一个准确的干燥模型和测控系统来控制整个干燥过程是很困难的，因为干燥中不确定性因素太多，所以采用多模型的控制方式更能实现较精准的控制，即对粮食干燥过程的不同阶段分别建立相应数学模型，以提高控制器的自适应能力。
（3）连续干燥过程参数的模拟分析尚没有展开，对连续干燥的模型及质电双参数法在连续干燥过程中检测谷物水分的计算方法还有待深入研究。