5HP-25型粮食干燥机设计与试验

骆恒光，李长友，张永博

·农产品加工工程·

5HP-25型粮食干燥机设计与试验

骆恒光，李长友※，张永博

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

为了提高干燥系统的能量利用效率，增强干燥机的通用性、可靠性、作业效率和年利用率，该研究围绕增大干燥动力系数和工艺能力指数，基于粮食的物性特征，从干燥工艺方式、机械结构参数和运动参数间的内在关系入手，把几何因子和运动参数有机结合，揭示了粮食在干燥机内流动特性；按照引风降压，连续闪蒸降温，强化传热传质，自适应排粮的设计思想，研制了一款粮食通用的干燥机，实现了粮食在干燥机内连续流动过程中，自发地改变流态、连续回转换位，强化了传热传质，改善了干燥的均匀性。设计的升角为6°的变截面角状盒，与传统的横流方法相比，可使干燥动力系数增大2～4倍，干燥稻谷时的爆腰增率可控制在1%以内，发芽势提高76%以上，发芽率达到95%；设计往复式差速排粮机构，实现了自适应无损排粮，有效解决了粮食架桥、堵塞问题，避免了粮种的机械损伤。设计的5HP-25型粮食干燥机，实际应用效果显示，在粮食平均干燥强度为1.37～2.70 %/h的条件下，干燥水分单位热耗为2 900～4 300kJ/kg，与国标7 400 kJ/kg相比，降低了单位热耗量。研究结果为实现优质、高效、节能干燥工艺及装备设计提供了参考。

干燥；机械设计；动力系数；干燥工艺；设计理论

0 引 言

干燥是典型的动态不可逆过程，影响其效果的原因，不仅有外部约束条件、工艺结构、运动特征，还有物料自身的固有属性与过程的热力学机制及其相互作用的动态不可逆特征等诸多因素。外部条件主要是介质的温度、相对湿度、压力、比容、物料初期含水率等宏观状态参数；内部因素则集中反映在物料水分结合能、过程的物理机制、质构与品质形成机理及其变化规律。为探究干燥系的设计理论与方法，研究人员围绕干燥理论、干燥工艺、干燥技术进行大量的工作。基于傅里叶热传导方程和菲克扩散微分方程，把水分迁移假设成连续介质流动[1]，基于时间和空间的连续函数[2-4]，采用欧拉方法[5]、拉格朗日方法[6]、体积平均方法[7]等，探索表征物系性质和运动特征的理论，基于试验数据，给出针对各种特定的物系的众多计算模型，但都存在计算偏差和实际应用困难的问题。导致干燥设计一直是依赖特定条件下，大量的试验数据，凭借经验设计，形成了静置层[8]，流动层[9-12]，循环式缓苏以及红外热辐射[12-14]，声波辅助[15]，接触吸附等多种组合干燥工艺及装备系统[16-17]，但现有设计都是基于影响干燥的单一因素或者是影响干燥现象的某一方面的因素设计的，且在设计时还存在诸如有效蒸发面积系数、干燥临界点、水分扩散系数、积分熵、积分焓动态变化等诸多难以定量的问题，导致设计计算结果偏离实际的情况[18-20]，同一工艺方式下不同形式的干燥机的作业效能存在很大差异，实际的能量利用效率极低[21-25]，干燥机的通用性、可靠性、作业效率和年利用率难以得到保障。通过离散元仿真揭示的干燥机内粮食的流动特征[26-27]，也缺少流动参数、结构尺寸、干燥物性参数内在联系的深入分析。

为了从本质上解决干燥设计时的基础理论问题，研究人员试图获得深床干燥过程的分析解，van Meel基于自由液面蒸发，给出了沿一段均匀降速干燥过程的半经验、半理论分析解[23]；本橋圀司等基于van Meel的方法，解析了稻谷的二段降速干燥过程[28-30]。由于他们在建立基础方程时，基于的是连续流，且介质必须是对应湿球温度的饱和湿含量，而质量守恒定律要求扩散流的积累和流失（随时间的变化率）必须保持一致，同时在干燥中，还必须与粮食蒸发份数保持平衡，显然基于理想的相际传质建立干燥质平衡方程与实际情况存在明显差异，在不能精确掌握模型中的诸多特征参数如比表面积、有效蒸发面积系数、干燥过程中的传质系数以及与系统热损失关联等众多参数的情况下，难以得到较为切合实际的计算结果。致使提出的解析方法至今也未能实际应用。

由于自然界一切过程的性质均体现在其能量的传递和转换，而能量的传递和转换是以物系的状态变化为标志，状态变化又以外部的约束为条件。所以，干燥过程就是物系中各种势差为载体，发生能量传递和转化的状态变化过程，而质量迁移的自发过程，消耗的是物系的自由能，没有自由能的消耗，则意味没有汽化，所以，以水分活度为统一特征，以自由能消耗为统一尺度，李长友找到了解决干燥设计基础理论问题的突破口，揭示出了物料水分结合能及其动态过程的理论表达[31-32]，给出了干燥系状态参数图[33]，获得了干燥物系动态过程的分析解[34-35]，基于㶲效率客观地对干燥机的能效做出了定量评价[36-37]。基于已有成果，本研究围绕增大干燥动力系数和工艺能力指数，从粮食干燥机结构设计的工艺原理、几何参数和运动参数的关系入手，把几何因子和运动参数有机结合，揭示了粮食在干燥机内流动特性；按照引风降压，局部闪蒸降温，强化传热传质，自适应排粮的思想，设计了5HP-25型粮食干燥机，完成了样机的生产试验，从理论和实践两个方面评估了技术的可行性。

1 干燥机设计

强化干燥，可以通过增强过程的驱动力和增加动力学系数的方法来实现。由于粮食对其干燥温度要求比较严格，在提高温度，增大干燥动力受到限制的情况下，依赖工艺方式和装置结构设计来增大动力学系数，则是实现粮食优质、高效节能干燥的主要技术途径。就干燥机设计而言并不一定要预先知道反映物料失水、相际蒸发等物理机制，可以通过机械设计，使物料在干燥过程中自发地改变流态、姿态、换位来降低风阻、强化传热、提高有效蒸发面积系数、改善干燥的均匀性。为此，本文设计集自破物料架桥[38]、多场协同循环干燥工艺[39]、无损排粮清粮、无热惯性干燥技术[40]于一体，按照远红外→提质提速→强化传热→引风→降压→局部闪蒸→物料降温的思路，设计的5HP-25型粮食干燥机如图1所示。设计原理为利用远红外使高湿粮食在常压、无介质流动的条件下较快升温，增大其自身内能。被加热后的粮食流经引风降压干燥段时，由于其温度已高于引风压力对应的饱和温度，必然发生闪蒸并消耗自身内能而降温。粮层内干燥介质的压力随粮层厚度连续变化，所以，粮食在自上而下的连续流动过程中，随介质压力的连续变化，闪蒸过程也是连续的。这样不仅大幅提高了干燥动力系数，增大了干燥速率，同时，由于压力波传播速度较快，在粮食表面介质压力分布均匀一致，也大大提高了干燥的均匀性，有效降低了干燥爆腰率。

1.1 工作原理

5HP-25型干燥机的工作过程：粮食由提升机提升到干燥机的顶部，从进料口处落入干燥机本体，干燥机装满后，按顺序开启引风机、机下皮带机、提升机和排粮装置。粮食种子便在干燥机内完全依赖自重向下运动，依次流经缓苏段、红外辐射装置、降压闪蒸干燥段、排气角状盒、逆混流干燥段、进气角状盒、排粮段、排粮装置、机下皮带机，再回到提升机。

高湿低温粮食在流经红外线发生装置时，通过远红外线辐射使粮食得到均匀预热后，落入引风负压闪蒸干燥段。由于粮食含水率在25%以上时，水分与粮食的结合能很小，蒸发非常接近自由态，所以，粮食在低压介质中，此部分水分迅速蒸发而使粮食表面的温度迅速降低，其结果是粮食表面温度迅速降低而形成顺向传热（热质传递方向相同），既保证了粮食干燥温度不超限和干燥的均匀性，又提高了粮食内部水分的活度和动态干燥的动力势。经闪蒸干燥后粮食，含水率大幅度降低，在变截面角状盒的导流作用下不断改变纵向流速和横向错位流动，实现了粮食上下，左右翻滚，既保障了干燥的均匀性也大幅度提高了干燥速率。

经过往复式排粮装置，间歇地由排粮托板的两侧落入至机下皮带机，再次送回提升机，再由提升机提升到干燥机的顶部，实现循环干燥。与此同时，热风炉中的烟气，在引风机的引力下，流经换热器、比例阀后，进入远红外线发生装置，在远红外线发生装置中把其携带的部分余热转化成远红外辐射能，提供给流动的粮食。由于远红外线发生装置设计在干燥机内，周围被松散流动的粮食所包围；所以，远红外线发生装置对干燥机内粮食的总辐射角系数等于1，即远红外线发生装置表面产生的辐射能会全部被粮食吸收，补充了粮食的内能，改善了粮食的组织结构。又因为本装置采用逆混流引风干燥方式，所以排气角状盒中的空气压力必然远低于缓苏段内的空气压力，这样自然就使降压闪蒸干燥段的上下形成了较大的空气压差。所以，粮食在流经降压闪蒸干燥段时，经历的是伴随连续向下流动降压的同时，连续吸收辐射能的过程。在该过程中，当压力低于其所对应的饱和温度时，高湿粮食上的自由水就要消耗粮食的内能发生闪蒸，从而使粮食的温度迅速降低。由于水分汽化只发生在湿蒸汽区，汽化压力和汽化温度一一对应，当温度不变而压力降低后，因压力降低而导致的过热度，必然使水发生闪蒸而降低自身的温度。闪蒸的水分量随粮层内压力而变，其过程是连续的。由此实现了高湿粮食在远红外线辐射场中的降压连续闪蒸干燥[41]。

1.2 干燥工艺流程

干燥系统工艺流程如图2所示。该流程可分成粮流回路、烟气回路和干燥介质（热空气）回路。高湿粮食由提升机输送至干燥主塔，在自身重力的作用下，粮食自上向下缓慢流动，依次经过缓苏段、红外辐射干燥段、降压闪蒸干燥段、逆混流干燥段以及粮食水分在线检测装置，再经排粮装置和输送装置回到提升机内，完成一次干燥循环。在经过水分检测之后，判定是否干燥至目标水分，若未达到目标水分，则粮食继续由提升装置送入干燥主塔，形成粮流回路，实现循环干燥，若达到目标水分则停止干燥作业，将粮食排出干燥主塔。在引风机的作用下，外界环境态空气与燃料反应形成高温烟气，经过换热器并加热换热管，将能量传递给干燥介质（形成热风），通过调整风道中比例阀的开度，可实时调节干燥过程的烟气热风比，换热之后的烟气经过红外发生装置，将部分余热转化为特定波段红外辐射，最后经由引风机和除尘装置进入环境，形成烟气回路；环境态空气在引风机的作用下，经由换热器吸收热量，提高干燥介质温度和干燥能力，进入降压闪蒸干燥段与逆混流干燥段，带走粮食水分，最后与烟气汇合经由引风机、除尘装置进入大气，形成干燥介质回路[41]。

1.3 干燥机性能参数设计

粮食热风干燥是一个输入能量、介质和湿粮，排出废气、得到干粮的开口系统。基于干燥过程基本的物质衡算和热量衡算，可得到干燥系统各关键技术参数的理论设计值，具体参数值如表1所示。

表1 5HP-25型粮食干燥机主要技术参数

注：设计环节确定的标准环境态温度28.5 ℃，相对湿度60%，压强101.325 kPa，且环境态保持恒定。

Note: During the design process, the ambient temperature is 28.5 ℃, the relative humidity is 60%, and the pressure is 101.325 kPa. And the ambient conditions are considered to remain constant.

1.3.1 处理能力及干燥能力

单位时间系统物料输入质量为干燥机内粮食容重与干燥时间的商值，同样用于表示干燥机单位时间处理能力或生产率1，由式（1）表示。而干燥机的干燥能力W则由机内粮食单位时间去水量来衡量与评价，可由式（2）计算得到[42]。

式中G，1，2分别为绝干粮食和干燥前后粮食的质量流量，kg/h；1、2分别为进出干燥室的谷物含水率，%；为待干燥粮食总量，kg；为总干燥时间，h。以干燥机机内容量25 t，每小时完成一次干燥循环，整个干燥过程共8个循环计算，干燥机单位时间处理能力1为3 125 kg/h；以干燥前粮食初始含水率1为28%，干燥后出机含水率2为14%计算，干燥能力W为508.7 kg/h。

1.3.2 单位气耗量与介质的质流量的计算

式中1和2分别为进气和排气的湿含量，kg/kg。

湿含量是水蒸汽与绝干空气的质量比，在数值上等于它们的分子量比与压力比之积。依此，即可精确计算出实际过程中的单位气耗量，进而由式（3）计算出介质的质量流量。

干燥介质流速（m/s）在干燥段体现为热风穿过待干燥粮层的表观风速，可在一定范围内强化高湿粮食的干燥过程，增大干燥速率，与进入干燥机内介质的体积流量及干燥段风道的设计和布置相关联，由式（4）计算可得。该机型干燥段设计进气角状盒和排气角状盒各18个，分为6排均匀布置，层层交错，交替排列。

式中为进气和排气角状盒数量。根据角状盒尺寸参数（宽度和长度），如图3所示，可计算得到干燥段粮层内单个进气风道通风面积F为0.4 m2，进气风道底部表观风速即干燥段热风介质穿过粮层时的理论风速为1 m/s，与经验值相符。根据计算结果选择的引风风机型号为G4-73-8A。

1.3.3 有效供热量

从干燥介质状态变化层面出发，干燥系统内的有效供热量（kJ/h）由其干燥能力W（kg/h）和单位去水耗热量共同决定，如式（5）所示。

而单位去水耗热量q(kJ/kg)与干燥过程中的水分与热量传递密切相关，可基于系统内干燥过程中的物料衡算和热量衡算来予以计算。

式中c，c分别为干空气和水蒸气的平均比定压热容，kJ/(kg∙K)；为空气含湿量，kg/kg；1，2为加热前后空气温度，℃；Δ为湿空气比焓变化量，kJ/kg。将标准环境条件下的各参数值带入，计算得到干燥机单位去水耗热量q为2.86MJ/kg，有效供热量为1 458.73MJ/h。以此为依据匹配干燥过程热能。

1.4 干燥段结构设计

角状盒的结构和布置是决定干燥段工作性能的关键所在，其间的粮食流动特性和气流分布特征，将直接关系到干燥过程能耗及干燥后粮食的品质。该干燥主塔整体设计原则采用模块化类型、积木式结构，整个循环干燥过程中红外干燥段、混流干燥段和缓苏段有机融合，加快干燥速率的同时保证干燥品质。风道的布置和结构设计上引入负压节能理念，通过排气角状盒排气端面的离心风机同时形成混流和负压叠加效果。变截面角状盒是导流、增加干燥动力系数的主要机械部件，其结构及排列方式设计如图3所示。

进气和排气角状盒交替排列，层层交错，两者端面反向布置，下缘端面保持水平。角状盒均采用沿长度方向变截面的形式，进气、排气两类均为近风端截面积最大，而后逐渐减小，排气角状风道均位于对应的进气风道上方，通风截面积互补，保证各位置风量的一致性；同时通过适当减小角状风道截面积和间距，采用密集分布形式，均有助于气流的均匀分布。变截面的高度尺寸设计从大端面的250 mm过渡到小端面的50 mm，使角状盒顶线与水平方向形成约6°的夹角。与机壁连接处布置均分的半截面角状盒，缓解粮食在机壁与中心流速差异过大的问题，避免粮流过程因风道与机壁间距过小造成的架桥和堵塞现象。

进气和排气角状盒纵向布置由干燥层厚决定。由粮食热风干燥含水率瞬态解析模型[26]，可以得到顺流和逆流干燥条件下，粮食水分、干燥速率、排气含湿量等与干燥层厚间的关系。顺流干燥介质流动过程干燥能力降低明显，去水速率在热风入口位置最大。当层厚增加到一定程度后，对干燥结果不再发生影响。逆流条件下干燥层内存在去水速率极值点。其位置由粮食和热风介质状态共同决定。混流干燥工艺下粮食在向下流动过程会阶段性交替受到逆流和顺流干燥方式，其干燥层厚的确定应综合考虑顺流和逆流干燥两者形式。故确定混流干燥段较优层厚为0.6 m。由此确定角状盒纵向布置方案。

1.5 排粮段结构设计

粮食在干燥机内的停留时间通过排粮装置控制，传统的排料轮在强制排料过程中，易对粮食造成机械损伤，导致其经纹率、破碎率增高等品质问题。因此，该干燥机在排粮段设计了一种往复式排粮、清粮装置，实现自破架桥排粮和无损清粮。排粮段结构如图4所示。

排粮挡板与导流槽出粮口之间保持一定的间距，间距的大小视物料的流动性和颗粒的大小而定，其结构参数如图4b所示。设计时应使其略大于粮食颗粒的长径，从而即保证物料流动的可控性和顺畅程度，又避免了排粮挡板往复运动过程中可能对籽粒造成的损伤。以稻谷为例，测量不同品种不同状态下的几何尺寸参数如表2所示。

表2 不同稻谷几何尺寸参数

可以看出从收获期到干燥过程中，稻谷几何尺寸随含水率降低均有不同程度的减小，测量得到的稻谷长径最大值为10.27 mm，可以此为基准对应将排粮挡板与导流槽出粮口间距进行调整，确定休止位置，以满足不同稻种的排粮需求，实现自适应无损排粮。排粮的最后阶段，可通过适当调大排粮挡板与导流槽出粮口间距并加快曲柄连杆机构转速，以增大干燥机内粮食下落速度，使机内无粮食残留，实现清塔的功能。

如图4b所示，对于一般的谷物种子，导流槽出粮口的宽度可设计为该间隙的3倍，而排粮托板的端面宽度可设计为导流槽出粮口宽度的3倍。排粮挡板长度及其与导流槽出粮口间距所确定的夹角为18.43°，一般谷物自然连续下落堆积所成椎体母线与底面夹角即为休止角α，其反映了散体物料的流动和散落特性，随含水率的降低而减小，其范围在19°～45°。由于干燥过程设计的极限夹角始终在各类谷物的休止角以内，保证了排粮挡板不动时稻谷堆积后的静止状态。排粮挡板、滑车之间设计有调节板，通过改变调节板的厚度实现调整排粮托板与导流槽出粮口之间的间距，以控制静态下谷物在排粮托板上的休止位置，实现自适应无损排粮。排粮托板与滑车、曲柄连杆机构链接为一体，滑车通过调节板与滚轮相链接并由滚轮承载着，在电动机、曲柄连杆机构的作用下做错位、差速往复运动。

其工作过程经干燥机干燥的粮食，依赖自重落入分流槽，由导流槽排料口，流到排粮托板，当滑车处在静止状态时，谷物则堆积在排粮托板上并保持在自身的休止角以内，当电动机驱动曲柄连杆机构带动滑车、排粮托板做往复运动时，休止角位置随之交替变化，使得分流槽中的谷物源源不断地从排料口流出，并迫使排粮托板上的谷物与排粮板做逆向相对运动，由托板的两侧间歇排出机外。

由于粮食完全依赖自重流动，用一套曲柄连杆机构驱动滑车带动排粮托板做往复运动，使堆积在排粮托板的谷物自然休止角相对位置交替发生改变，这样就使分流槽中的谷物源源不断地从排料口流出而避免产生机械损伤，从而实现了无损排粮。粮食间歇地从排粮板两侧排出，则使排粮板上方不同位置的粮食间歇运动，这样，也就实现了粮食自破架桥的功能。

2 粮食在干燥机内的流动特征

系统稳定运行，干燥室充满粮食的条件下，粮食在干燥室内依赖重力的流动状态则完全取决于干燥室的结构，自然流动状态则由干燥室的纯几何结构参数来表达，对应排粮速度，粮食在不同位置上的流动速度与排粮速度一一对应，且在确定位置上的流动速度与排粮速度成正比。在连续流动过程中，任意时刻，流经干燥室任意横截面上的绝干物质数量相等，得到流速比等于面积反比。由此，基于干燥室出口流速，便可从理论上解析出粮食在干燥机内任意位置上的流动状态。

2.1 粮食在干燥室内流动状态理论表达

对应图3所示的干燥段结构设计，粮食在干燥室内，沿纵向的流动状态，经历等速1、增速2到等速3，再到等速4的过程。粮食在干燥段的纵向流速分布如图5所示。基于结构设计参数得到各段的流动速率比理论表达式。

2.1.1 粮食流经角状盒的三角顶面时的流速分布

粮食在干燥室内，沿纵向的流动状态，经历等速1、增速2到等速3，再到等速4的过程。由于流速比等于面积比，自上而下，通过建立流道面积变化的数学解析式，即可得到粮食在纵向不同位置的流动速率比。

根据图3b和图5所示位置关系所划分的流速，在干燥室最大等截面段的流动速率为V，那么，粮食在干燥室等截面位置上的流动速率比则等于1，流经角状盒三角顶面时对应等速流线的速率比则可表达为式（8）。

2.1.2 粮食在角状盒垂直面的流动速率比

粮食在角状盒垂直面间的流动速率比可表达为式（9）。

角状盒的垂直面设计是三角面，粮食在该区域内是等速流动，且流动速率比最大，其值可由式（9）计算。根据图4所示结构和位置关系，在不同纵断面上的最大等速流动距离，可由式（10）计算

式中2是角状盒的最大垂直边长，mm；是角状盒顶线的安装角度，（°）；是沿角状盒轴线方向的坐标变量，设角状盒的长度为，则的取值区间为[0,]。

2.2 粮食在干燥室内流动状态分析

以一排进气角状盒和一排排气角状盒形成的一个干燥段单元作为研究对象，采用离散单元法（DEM）进行数值模拟，假设稻谷为平均直径为5mm球体；稻谷与稻谷间静摩擦系数为0.3；稻谷与金属壳体间摩擦系数为0.56；稻谷与稻谷间滚动摩擦系数为0.01；稻谷与金属间滚动摩擦系数为0.02。仿真过程中，不考虑颗粒变形，颗粒表面也无粘结力，因此接触模型选用 Hertz-Mindlin无滑移接触模型。当粮食填充满干燥腔体后，打开排粮机构，颗粒开始流动，得到粮食颗粒运动状态分布情况如图6所示。角状盒上方的粮食流动过程中受到壁面的摩擦及阻滞作用，其流速明显低于在相邻角状盒中心区域的粮食流速，相邻粮食流动过程存在速度差。

纵向不同粮流的粮食颗粒由于与角状盒接触时间不同而存在速度差，粮食流经角状盒三角顶面时的等速流线则是平行于角状盒顶线的一群直线，把角状盒的顶线设计成与水平面间夹角为的斜线，那么，沿角状盒长度方向（横向）同一水平面内的粮食向下流动则为差速流动。差速运动使相邻粮食颗粒产生内摩擦而改变了粮食颗粒姿态，实现了粮食自动翻转，均匀受热。粮食在干燥机内沿型相互无交叉的轨迹向下流动，在高速与低速区域不断换位，同一水平面内的速度差异始终存在，因而粮食的自动回转换位贯穿于整个干燥过程。

强化干燥可以通过增大动力（即提高介质温度、降低湿度、增大流速）和提高动力系数的方法来实现，增大粮食干燥机的干燥动力系数的途径可以通过增大粮食与介质的接触面积、粮食受热位置来实现。该干燥机通过变截面角状盒及进气和排气角盒上下错位排列，反向安装，实现了粮食在干燥机内的流动时，在纵向和横向的差速流动，设计的纵向流速差增大了粮食的空隙率，与横流工艺等速流动相比，使粮食和介质的有效接触面积增大了2～4倍；而横向的速度差，实现了粮食在流动过程中自旋转，不断改变受热位置，强化了传热，也避免了粮食干燥过程单面受热造成的局部热损伤，保证了粮食种子活力，提升了干燥品质。这样的设计不仅使干燥动力系数提高了2～4倍，同时大幅度改善了干燥的均匀性，抑制了爆腰率。

3 干燥系统验证

3.1 试验装置及仪器

主要测试仪器如表3所示。水分在线检测采用CXR-ZX-Ⅰ10-40型电阻式群粒在线检测仪。测量种子含水率范围10%～40%，工作环境−35～80 ℃，测量误差≤±0.5%。上位机接口RS-232C，可控制双向通讯，实现检测数据的无线传输。

表3 主要试验仪器

实地试验测定分别在芜湖，湛江等不同环境条件下进行。时间2012年9月－2016年8月。试验批次物料均为收购于当地农户的新鲜稻谷，品种为类珍珠稻及湘早籼45号，各地物料初始条件均有差异。其中试验物料湘早籼45号初始平均含水率为24.06%，含水率极差为1.4%，含杂率小于5%；类珍珠稻初始平均含水率为 33%，含水率极差接近 30%，部分稻谷表面有液态水存在，含杂率小于5%。

3.2 试验测定

将干燥机调整到稳定状态，记录干燥条件及环境参数、配套电动机功率、引风量和风压；按照机内容量、试验时间和次数准备试验用稻谷，平均含水率范围在22%～32%，含杂率小于5%，其中长茎秆（小于50 mm）质量分数不超过1%。将送风温度和排气温度传感器安装在干燥机进风口和出风口的中间位置，环境介质的温湿度传感器安装在换热器进风口的中间位置，在干燥机排粮段水平面内均布3个粮温传感器。水分在线测量仪安装在干燥机排粮段。数据采集系统在线测量实时记录环境和干燥介质温湿度变化以及粮食的温度、含水率变化。试验测定过程排粮频率设定为30 Hz，排粮量25 t/h,，此频率下每次循环干燥时间约12min，缓苏时间48 min，干燥缓苏比为1:4。

从干燥能耗和干燥品质等方面综合评价干燥机性能。结合粮食干燥过程特性曲线，以干燥速率、干燥单位耗热、干燥不均匀度、稻谷爆腰率、发芽势和发芽率为指标。干燥前后随机取样对稻谷的破碎率、爆腰率情况进行统计，每次取样300粒。利用自制爆腰灯检验和计数，得到干燥过程的爆腰增率。干燥后的稻谷种子随机取样，由含水率极差得到干燥的不均匀度。对其发芽势和发芽率进行检测，得到干燥系统对稻谷种子活力的影响程度。

各地现场测试的出机粮水分数据及测试过程干燥介质及粮食状态参数变化如图7所示。利用双氧水（3%过氧化氢溶液）浸种有利于打破种子休眠，起到催芽作用，提高种子发芽率。分别用双氧水和清水浸种两种处理方式进行烘干后稻谷种子的发芽率对比试验，结果如表4所示。

干燥后的粮食籽粒完整，经取样检测得到干燥前后爆腰率没有变化。干燥的水分不均匀度小于1%。实验室环境对干燥后稻谷活力进行测试，相关试验数据如表4所示。

表4 稻谷发芽率对比试验结果

注：1. 发芽势的对比检测所用种子分别为自然晒干稻谷种子、经5HP-25型混流干燥机干燥稻谷种子及经5HPS-10型顺流干燥机干燥后的稻谷种子。

2. 双氧水（过氧化氢3.0%～3.5%）和清水浸种时间为16 h。发芽势判断为有根有芽，发芽势周期（包括浸种）为4 d。

3. 发芽率检测周期（包括浸种）分别为8 d和16 d。检测周期后段有坏种情况，种子有轻度霉气。

Note: 1. The seeds used for the comparative detection of germination potential were paddy seeds naturally aired in the sun, paddy seeds dried by 5HP-25 type mixed flow dryer and paddy seeds dried by 5HPS-10 type downstream dryer.

2. The soaking time of hydrogen peroxide (3.0% - 3.5% H2O2) and water was 16 hours. The germination potential was judged as having roots and buds, and the period of germination potential (including seed soaking) was 4 days.

3. The detection period of germination rate (including seed soaking) was 8 days and 16 days respectively. There were bad seeds and mildly mildew in the later period of the detection period.

3.3 试验结果分析

图7是烘干稻谷时干燥机内的介质和粮食状态变化。从图7看出，在不同干燥环境条件下，对应送风温度大范围波动，而出机粮温度变化相对都比较平缓，与其对应的出机粮含水率变化近似于直线，而并非沿指数曲线降低的过程，表明变截面结构设计和引风逆混流干燥工艺，提高了粮食干燥的动力系数，提高了粮食去水速率，减小了粮食降速干燥的幅度，避免了粮食的热冲击。试验中的排气湿度始终属于较高水平，说明在对应干燥条件下，系统风量、温度等匹配得当，干燥系统热效率较高。总结相关数据得到：5HP-25型干燥机的平均干燥速率在1.37～2.70 %/h，均处于较高水平，较传统的横流干燥0.8~1.2 %/h提高2倍以上，与传统的鼓风干燥相比提高30%以上[43-44]。干燥水分的单位热耗为2 900～4 300 kJ/kg，与国标规定的7 400 kJ/kg，有显著降低。干燥时间明显缩短，干燥机作业效率由1批次/d提高到3～4批次/d，有效增大了干燥机的利用率。出机粮食爆腰率低于1%，水分不均匀度小于1%，改善了干燥品质，表明粮食在变截面角状盒的导流作用下不断改变纵向流速和实现横向错位流动，大幅度提高了干燥的均匀性。试验过程中的粮食温度均未超过35 ℃，低于其玻璃化转变温度，与传统的横流干燥方式相比降低约11 ℃，较传统的鼓风干燥方式相比降低约10 ℃[44]，实现了粮食种子的低温干燥，保证了粮食种子的高活力，双氧水浸种后的发芽势较传统顺流干燥提高76%以上，发芽率达到95%。也使该机型具有较好的通用性和可靠性。

3.4 干燥成本折算

提高干燥质量，降低烘干成本是粮食干燥领域两大基本并重要的需求。粮食干燥的主要生产成本分为供热系统燃料费、配套动力电费、作业人工工资成本及维护保养和设备折旧费用等，而燃料费和电费共同构成了粮食干燥的能耗成本。

该干燥装备供热系统以煤为燃料，与其他形式燃料相比首先可大量节约制造成本，通过在烟气回路上增加消烟除尘装置，也可很大程度上减少对环境的污染。干燥系统能耗成本可分为加热空气介质所需燃煤量及其他动力设备（引风风机和提升、输送、排粮等装置匹配电机）消耗电能。单位时间燃煤量煤（kg/h）可由式（11）计算。

以一年两季、平均每年两个月的粮食收获后干燥时长进行统计估算。结合前文计算数据，按照市场燃煤价格0.5元/kg，工业用电1.0元/(kW·h)计算，干燥系统的能耗成本为61.67元/h，以粮食物料层面折算的能耗成本为19.72元/t。人工成本主要负责干燥过程中供热系统司炉工作、干燥过程粮食水分的抽检以及干燥安全的监督保障，可采用3人轮班制，每小时干燥按30元计算。

采用均衡分摊的年限平均法对干燥装备折旧费用进行计算。机械装备的成本投资金额以30万元计算，年工作时长约为1 200 h（以年累计作业60 d，日作业时长20 h计算），预计使用寿命即折旧年限为15 a，预计净残值率5%，则可得到设备年折旧率为3.8%，折旧费为15.8元/h，折合干燥粮食的装备折旧成本为5.06元/t。

综合考虑能耗成本和非能量费用，可计算得到该干燥系统的单位生产成本为96.76元/h，以粮食物料层面折算的总生产成本为粮食30.96元/t。与晒场人工晾晒粮食生产成本的179元/t相比，每吨干燥成本节约超过80%，与同类机型相比干燥成本减少30%以上[39]。按照相关统计的粮食未能及时干燥而造成的平均霉变损失3%计算，每台干燥设备每年可减少粮食损失约112 t，挽回相关损失约27万元。

4 结 论

1）揭示了装置几何因素对粮食流动特性的影响，把几何因子与连续流动有机结合，得到了粮食流动速率比理论表达式，实现了粮食在连续向下流动过程中，连续回转换位。设计的升角为6°的变截面角盒，与传统的横流方法相比，可使干燥动力系数增大2~4倍并提高了干燥的均匀性。干燥稻谷时的爆腰增率可控制在1%以内，发芽势较传统干燥机提高76%以上，发芽率达到95%，保障了干燥品质和种子的活力。

2）设计的变截面角盒、往复式差速排粮机构，实现了自适应无损排粮，有效解决了粮食架桥、堵塞问题，避免了机械伤种，排粮彻底且无残留。

3）实际应用结果显示，设计的5HP-25型粮食干燥机，在粮食平均干燥速率为1.37～2.70 %/h的条件下，干燥单位热耗为2 900～4 300 kJ/kg。

4）以增大干燥动力系数为目的，从装置几何结构设计参数和运动参数的关系入手，按照引风降压、局部闪蒸降温、强化传热传质的设计思想，研制了5HP-25型粮食种子通用干燥机，实现了优质、高效、低温干燥。

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Design and experimental study of 5HP-25 type grain dryer

Luo Hengguang, Li Changyou※, Zhang Yongbo

(,,,510642,)

This study aims to enhance the operating efficiency and annual utilization rate in the mechanized drying of grains. Meanwhile, their versatility and reliability need to be improved. In order to strengthen the drying process, it is necessary to increase the dynamic coefficient, rather than the processing power only. A systematic investigation was made on the relationship between the geometric structural parameters and the motion parameters, in order to increase the drying dynamic coefficient for the non-destructive drying. The effects of geometric factors on grain flow characteristics were revealed using the combined geometric structure factors and motion parameters. Since the downward flow of grains depended mainly on the gravity of grains, the geometric structural parameters were used to express the natural flow state in the drying chamber. In addition, the flow speed of grain at a certain position was proportional to the speed of grain discharge. In the continuous flow process, there was an equal amount of absolutely dry matter flowing through any cross section in the drying chamber at any time, where the velocity ratio was equal to the inverse area ratio. A general-purpose grain dryer was developed, where the induced air was used to reduce pressure, while the partial flash evaporation was used to decrease the grain temperature, and a self-adaptive differential reciprocating grain discharging device was designed to strengthen the heat and mass transfer in the drying section. The dryer was widely used for many kinds of granular grains and seeds, which achieved high-quality, high-efficiency, and low-temperature drying. The heat and mass transfer were strengthened, because the grain changed the flow state spontaneously and rotated continuously during the continuous flow in the dryer. The drying uniformity was improved, further to avoid local overheating damage caused by single-side heating during the grain drying process. The variable cross-section angle box with the angle of 6° could increas the drying dynamic coefficient by 2-4 times, compared with the traditional cross flow. The temperature of grain was below 35℃, indicating lower than the glass transition temperature of grain. The dried rice seeds remained intact with high activity. The increased rate of crack and the moisture unevenness both were less than 1%. The germination potential increased by 76% than before, and the germination rate was close to 95%. The drying quality was significantly improved, compared with the concurrent flow drying. A dislocated and differential reciprocating mechanism was designed to achieve the adaptive and non-destructive grain discharge, indicating an effective bridging and blocking operation to avoid mechanical damage of grains. In the application of designed 5HP-25 type grain dryer, an optimal combination of parameters was obtained, where the average drying intensity of grain was 1.37%/h-2.70%/h, and the per-unit heat consumption of drying was 2 900-4 300 kJ/kg. Compared with the national standard 7 400 kJ/kg, the effect of energy saving was remarkable. The finding can provide a sound reference to design a high quality, high-efficiency, and energy-saving equipment for the grain drying process.

drying; machine design; dynamic coefficient; drying process; design theory

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033

TH11

A

1002-6819(2021)-01-0279-11

骆恒光，李长友，张永博. 5HP-25型粮食干燥机设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(1)：279-289. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033 http://www.tcsae.org

Luo Hengguang, Li Changyou, Zhang Yongbo, et al. Design and experimental study of 5HP-25 type grain dryer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 279-289. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.033 http://www.tcsae.org

2020-11-20

2020-12-22

国家自然科学基金（31671783，31371871）；广东省科技计划项目（2014B020207001）

骆恒光，博士生，研究方向为农产品干燥和装备技术。Email：luohengguang@stu.scau.edu.cn

李长友，博士，教授，博士生导师，研究方向为农业装备技术。Email：lichyx@scau.edu.cn

农业工程学会高级会员：（B041100045S）