據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布，2014年全國糧食總產(chǎn)量60710萬噸（12142億斤），比2013年增加516萬噸（103億斤），增長0.9%。這是中國全年糧食產(chǎn)量連續(xù)十一年實現(xiàn)穩(wěn)定增長。同時中國的糧食進(jìn)口量也在不斷增加，2014年中國進(jìn)口糧食總量達(dá)1億噸，達(dá)到歷史最高。作為世界上最大的糧食生產(chǎn)國和消費國，我國糧食損耗也不容小視。我國谷物在收獲、脫粒、干燥、運輸、儲存、加工、消費等階段的損失高達(dá)18%左右，遠(yuǎn)超過了聯(lián)合國糧農(nóng)組織,而這其中因為氣候原因，沒有來及干燥或是晾曬未達(dá)到谷物存儲安全水分而造成糧食霉變、發(fā)芽等損失就達(dá)到5%。按照2014年的糧食產(chǎn)量，一年就損失了3035萬噸糧食。

　　國外早在上世紀(jì)40年代，在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化全面推進(jìn)的過程中，開始研究糧食干燥設(shè)備，在60年代到70年代實現(xiàn)了糧食烘干機(jī)機(jī)械化。到90年代以后谷物烘干設(shè)備已經(jīng)達(dá)到系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。糧食烘干機(jī)在美國、俄羅斯、日本等得到了良好的應(yīng)用，并且向高效、節(jié)能優(yōu)質(zhì)、低成本、自動化和智能化方向發(fā)展。近年來，在谷物烘干過程的計算機(jī)摸擬方面取得了較大的進(jìn)展，傳統(tǒng)軟件和專用軟件的不斷開發(fā)，對谷物烘干機(jī)械的設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)起到了極其重要的作用。

　　國內(nèi)糧食干燥設(shè)備生產(chǎn)起步較晚，從初期的仿制日本、前蘇聯(lián)等國外干燥機(jī)開始，但是當(dāng)時谷物烘干機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗材多、造價高昂，只是在國有糧庫、大型農(nóng)場使用。80年代以后，隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制改革，有關(guān)科研單位以日本、臺灣的干燥機(jī)為藍(lán)本，研發(fā)適合我國國情使用的谷物干燥機(jī)。部分大型糧庫、國有農(nóng)墾系統(tǒng)的糧食生產(chǎn)基地也引進(jìn)美國、日本、加拿大、臺灣等國家和地區(qū)的先進(jìn)干燥設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)以后國內(nèi)一批機(jī)械企業(yè)、大專院校及有關(guān)科研單位也相繼推出專業(yè)化、集約化、規(guī)?；墓任锔稍餀C(jī)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，糧食用于食用、飼用還是產(chǎn)業(yè)化深加工，對于糧食品質(zhì)要求也隨之增加。國家對于農(nóng)業(yè)機(jī)械化自動化要求以及農(nóng)村土地方式的的流轉(zhuǎn)，農(nóng)業(yè)在整地、耕作、播種、植保、收獲等一系列操作方式的全程機(jī)械化的普及中，靠天氣來作為糧食主要干燥方式肯定是要淘汰的。進(jìn)入世貿(mào)組織以后，國外高品質(zhì)糧食也對我國糧食市場進(jìn)行沖擊。如何把收到手的谷物損失降低到最低點，生產(chǎn)高品質(zhì)商品糧，谷物烘干的機(jī)械化比田間作業(yè)的機(jī)械化更為重要，它是谷物豐產(chǎn)、豐收的重要保障條件。

　　現(xiàn)在世界上干燥機(jī)主要由以下幾類組成：

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動方向相互垂直的一種連續(xù)流動式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一[2]。

　　1 對橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)整體構(gòu)造分析

　　1.1 谷物干燥機(jī)的分類

　　國內(nèi)生產(chǎn)的糧食干燥設(shè)備按照干燥方式分為連續(xù)式和循環(huán)式兩大類。因為糧食品種和原糧對干燥的要求不同，連續(xù)式主要是針對玉米、小麥，而循環(huán)式主要是針對水稻。

　　谷物干燥設(shè)備按照設(shè)備類型來分主要是倉式干燥和塔式干燥兩大類。而現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用較多的是塔式干燥設(shè)備，而這類設(shè)備中又分為循環(huán)式干燥機(jī)和連續(xù)式干燥機(jī)兩類。

　　谷物干燥設(shè)備還可以按照干燥段谷物和熱風(fēng)氣流相對運動方向分為橫流式、順流式、逆流式、混流式、順逆流式、混逆流式和順混流式。本文主要研究橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)。

　　1.1.1 橫流式

　　橫流式谷物干燥機(jī)谷物和熱風(fēng)氣流相對運動角度是90度，多為篩孔結(jié)構(gòu)，是我國最早引進(jìn)的機(jī)型，連續(xù)式和批式循環(huán)式都有這種結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是制造工藝簡單、安裝方便、成本低廉。在批式循環(huán)式干燥機(jī)中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)時，可消除水分不均，烘干后糧食品質(zhì)比較差的不足[3]。

　　圖1-1為橫流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.2 逆流式

　　熱風(fēng)運動方向與糧食流動方向相反，多為漏斗形進(jìn)氣道與角狀盒排氣道相結(jié)合的塔式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的干燥機(jī)，原理決定了最干的糧食接觸最熱的熱空氣，最終會導(dǎo)致谷物裂紋增加、品質(zhì)下降，但其優(yōu)點是干燥速度最快。

　　圖1-2為逆流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.3 順流式

　　熱風(fēng)運動方向與糧食流動方向一致，其結(jié)構(gòu)形式同逆流式一樣，多為漏斗式進(jìn)氣道與角狀盒排氣道相結(jié)合的塔式結(jié)構(gòu)，它是由多個熱風(fēng)管供給不同或部分相同的熱風(fēng)。其優(yōu)點是使用熱風(fēng)溫度高，一般一級高溫的溫度可達(dá)150℃-200℃，單位能耗低，三級順流以上的烘干機(jī)具有較大降水優(yōu)勢，并能獲得較高的生產(chǎn)率，連續(xù)烘干室一次降水幅度大，一般可達(dá)10%-15%，適合烘干大水分的糧食作物，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高，糧層厚度大，所需電機(jī)功率大，價格高昂。

　　圖1-3為順流式干燥機(jī)示意圖。

　　1.1.4 混流式

　　熱風(fēng)運動方向與糧食運動方向具有橫流、順流、逆流性質(zhì)，多由三角或五角盒交錯（叉）排列組成塔式結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是熱風(fēng)供給均勻，烘干的糧食含水差很小，單位能耗比橫流式低5%-15%。相同條件下，風(fēng)機(jī)功率所需要小，便于清理，不易混糧，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，干燥時，四個拐角谷物降水偏慢。

　　圖1-4為混流式干燥機(jī)示意圖。

1.2 橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)整體結(jié)構(gòu)

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動方向相互垂直的一種連續(xù)流動式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一。在國內(nèi)有著廣泛地研發(fā)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)，主要由撥糧層、干燥層、緩蘇層、儲量層、提升部分、監(jiān)測部分、PLC電控部分、熱風(fēng)系統(tǒng)八部分組成。

　　橫流式循環(huán)谷物干燥機(jī)是熱風(fēng)與谷物流動方向相互垂直的一種連續(xù)流動式干燥機(jī)，由于橫流式干燥機(jī)干燥處理能力較好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單投資較少，設(shè)備故障率低易維修且使用年限長等原因，是世界上使用最廣泛的干燥機(jī)型之一。干燥中上絞龍組件把提升機(jī)中的糧食輸送到緩蘇層（儲糧層）；緩蘇層（儲糧層）是為了給谷物一個緩蘇時間，使谷物在經(jīng)過一輪干燥后在未達(dá)到干燥水分平衡點之前可以將谷物里面的水分?jǐn)U散出來；干燥層對谷物進(jìn)行干燥，其中干燥層谷物的速度（干燥時間）以及熱空氣的溫度是影響谷物干燥后品質(zhì)的重要因素。在撥糧輪的控制下谷物由干燥層進(jìn)入下絞龍，通過下絞龍輸送將糧食再次送入提升機(jī)，實現(xiàn)一個干燥循環(huán)。

圖1-5  5HPX-15橫流式谷物干燥機(jī)整體構(gòu)造分布

　　1.3 干燥機(jī)底座組件及撥糧層組成

　　干燥機(jī)底座是整臺橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)承重部分，其作用是安裝機(jī)位、穩(wěn)定機(jī)體，其上安裝有電機(jī)支架為下攪龍鏈輪電機(jī)提供支撐。

　　撥糧層是干燥機(jī)的重要部件之一，作為干燥機(jī)的最下層安裝在干燥機(jī)底座上，它的作用是把剛剛從干燥層經(jīng)過熱風(fēng)加熱的谷物經(jīng)過大吊掛、小吊掛、小斜板和R弧的疏導(dǎo)，通過撥糧輪分別向R弧兩側(cè)撥出，撥糧輪轉(zhuǎn)速確定谷物干燥速度，谷物掉落順著大吊掛組件匯聚到到下攪龍殼體組件，下攪龍組件通過下攪龍電機(jī)鏈輪鏈傳動帶動，下攪龍轉(zhuǎn)動，下攪龍葉片推動下攪龍殼體中的谷物進(jìn)入循環(huán)出料口，并最終進(jìn)入提升機(jī)部分。

圖1 -6  撥糧層組件與干燥機(jī)底座組件爆炸視圖

　　1.4 干燥機(jī)干燥層組件組成

　　干燥層也是干燥機(jī)重要的組成部件之一，安裝在撥糧層上面。其主要部件是網(wǎng)板組件和三尖頭組件。網(wǎng)板組件連接三尖頭組件的下部與大吊掛、小吊掛、小斜板的上部，形成三部分區(qū)域，分別為谷物層、熱風(fēng)通道、冷風(fēng)通道（冷風(fēng)通道是區(qū)別于熱風(fēng)通道而言，是熱風(fēng)爐熱空氣通過谷物層是帶走谷物中一部份水分后的熱空氣。在橫流式谷物循環(huán)干燥機(jī)中，熱風(fēng)不會經(jīng)過二次循環(huán)，通過谷物帶走濕氣后直接由后置式風(fēng)機(jī)抽走。），網(wǎng)版組件將谷物層和熱空氣分開，使從熱風(fēng)爐通過的熱空氣能從進(jìn)風(fēng)罩從谷物層通過，從熱風(fēng)通道進(jìn)入到冷風(fēng)通道被風(fēng)機(jī)抽出完成一個一次干燥過程。通過SolidWorks制圖時分析，網(wǎng)孔板與網(wǎng)孔板之間安裝有等距角鐵支架并安裝在熱風(fēng)冷風(fēng)通道中，保證進(jìn)入各個干燥層谷物流量一致，網(wǎng)孔孔徑為20mm，網(wǎng)孔板網(wǎng)孔率為69.84%，保證熱風(fēng)順利通過谷物層，完成干燥。

　　在干燥層網(wǎng)孔板網(wǎng)孔孔徑遠(yuǎn)大于物料粒度，谷物顆粒經(jīng)過網(wǎng)孔進(jìn)入熱風(fēng)通道或者冷風(fēng)通道谷物同樣也是掉落到大吊掛、小吊掛、大斜板上，最終被下攪龍輸送至循環(huán)出料口。

　　1.5 干燥機(jī)緩蘇層（儲量層）組件結(jié)構(gòu)

　　緩蘇層由干燥層以上至頂層蓋板組件之間的共12層組成，儲量層儲存的糧食經(jīng)過干燥層干燥撥糧層轉(zhuǎn)運以及提升機(jī)部分再通過上攪龍組件回到儲量層完成一個干燥循環(huán)后，谷物顆粒內(nèi)部外層水分以氣態(tài)或者液態(tài)形式沿著毛細(xì)管向外遷移至表層最終被熱風(fēng)帶走，而谷物顆粒內(nèi)部內(nèi)層水分還沒來得及遷移到谷物表層，這樣形成了一個水分差值，如果此時繼續(xù)進(jìn)行熱風(fēng)干燥，谷物會發(fā)生大面積破損、爆腰現(xiàn)象。于是安排一個緩蘇層來給谷物一定水分遷移時間，以便下一次干燥循環(huán)正常進(jìn)行。研究表明在緩蘇時間在35min-45min時最利于谷物高效安全的干燥。

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)的工作過程是一個干燥、轉(zhuǎn)運、緩蘇、干燥循環(huán)進(jìn)行的。高溫?zé)犸L(fēng)通過熱風(fēng)管道進(jìn)入干燥層后，穿過糧食層然后通過出風(fēng)管道被風(fēng)機(jī)抽走。在此過程中谷物被干燥加熱，在強(qiáng)制通風(fēng)過程中也帶走一部分水蒸氣，糧食通過撥糧層以及提升部分而自上而下進(jìn)入緩蘇層。緩蘇指谷物干燥過程中從干燥層進(jìn)入儲糧保溫層，谷物顆粒內(nèi)部溫度與谷物顆粒內(nèi)的濕度交換使其均勻的過程。 在進(jìn)入下一個循環(huán)之前，因為糧食在緩蘇層停留時間有限，故鼓舞內(nèi)部水分可能無法達(dá)到一個完全均衡，過程中稻谷的頻率峰在按照一定的水分梯度緩慢地朝向低濕度、低溫度移動，總體的趨勢是趨向水分、溫度均衡。

　　1.6 頂層蓋板、護(hù)欄、上攪龍組件結(jié)構(gòu)

　　頂層蓋板在緩蘇層（儲糧層)之上，為一塊鈑金剪切板組成，上面安裝有提升機(jī)上座組件、上攪龍組件、除塵風(fēng)機(jī)組件、頂層護(hù)欄組件。

　　提升機(jī)上座與一層撥糧層上面的提升機(jī)下座組件同屬提升組件，其間由提升管道連接。上攪龍組件的作用是把從提升組件畚斗傳輸上來的谷物通過螺旋輸送到頂層蓋板上面的進(jìn)料口，落至緩蘇層（儲糧層）進(jìn)行下一步干燥過程。除塵風(fēng)機(jī)安裝在上攪龍組件上面，通過其上開口與上攪龍相通。谷物其中參雜部分秕谷、稻殼、草籽以及塵土，這些物料在除塵風(fēng)機(jī)抽送之下經(jīng)過多次循環(huán)之后大部分被排出。頂層護(hù)欄為方管焊接件，作為頂層安裝的工作人員的防護(hù)部件。

　　2 循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段的熱風(fēng)通道流體分析

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段主要由干燥層組件、熱風(fēng)罩組件、熱風(fēng)管道組件、風(fēng)機(jī)組件、三角尖組件等組成（具體結(jié)構(gòu)如圖2-1）。

圖2 -1  ５ＨＰＸ－１５循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段組成簡圖

　　2.1 計算流體力學(xué)理論基礎(chǔ)

　　循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥機(jī)的流體設(shè)計與計算是機(jī)體機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，同樣也能為我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問題，為機(jī)械元件設(shè)計與優(yōu)化、能源優(yōu)化分配提出要求和解決方案。在谷物干燥機(jī)干燥段流體模擬實驗中，進(jìn)入干燥段熱空氣與谷物物料存在一定的熱質(zhì)交換，因此我們要考慮進(jìn)入谷物干燥機(jī)干燥段內(nèi)熱空氣的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。我們的模型設(shè)計中從干燥段空載時熱風(fēng)爐正常通熱風(fēng)和干燥段滿載時熱風(fēng)爐同熱風(fēng)分別進(jìn)行分析，以探討干燥段熱風(fēng)通道熱風(fēng)能量利用效率[4]。

2.1.1 流量連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

　　質(zhì)量守恒方程可以表述為單位時間內(nèi)的流體微元體質(zhì)量的增加等于相同時間內(nèi)流入該流體微元的體的凈質(zhì)量[5]。

　　在流體通道中有流體流入同時也會伴隨一部分流體流出，在此期間該流體通道中的質(zhì)量也會發(fā)生變化。

　　那么根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)從出風(fēng)口流出與從進(jìn)風(fēng)口流入干燥段的熱空氣質(zhì)量差之總和應(yīng)等于干燥段內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量，即：

（2.1）

　　式中：ρ為熱空氣密度，kg/m3；用 μ、ν、ω分別代表熱風(fēng)流體在x、y、z方向作為質(zhì)點的速度V的分量，m/s。

　　2.1.2 流體運動方程（動量守恒定律）

　　在流體微元體中，流體的動量對時間的相對變化率等于外界作用在微元體上各種力的和，稱為動量方程[6]。即在一個流體微元中動量的變化率等于流入流體微元體的動量通量之和減去流出流體微元體的動量通量之和，同時還要加上作用在流體微元體上所有剪切力、法向應(yīng)力和作用其質(zhì)量上的力。即：

（2.2）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；V為熱風(fēng)速度，m/s；F是質(zhì)量力，N；是哈密頓算子；為熱風(fēng)速度變化率。質(zhì)量守恒方程可以表述為單位時間內(nèi)的流體微元體質(zhì)量的增加等于相同時間內(nèi)流入該流體微元的體的凈質(zhì)量[5]。

　　在流體通道中有流體流入同時也會伴隨一部分流體流出，在此期間該流體通道中的質(zhì)量也會發(fā)生變化。

　　那么根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)從出風(fēng)口流出與從進(jìn)風(fēng)口流入干燥段的熱空氣質(zhì)量差之總和應(yīng)等于干燥段內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量，即：

（2.1）

　　式中：ρ為熱空氣密度，kg/m3；用 μ、ν、ω分別代表熱風(fēng)流體在x、y、z方向作為質(zhì)點的速度V的分量，m/s。

　　在流體微元體中，流體的動量對時間的相對變化率等于外界作用在微元體上各種力的和，稱為動量方程[6]。即在一個流體微元中動量的變化率等于流入流體微元體的動量通量之和減去流出流體微元體的動量通量之和，同時還要加上作用在流體微元體上所有剪切力、法向應(yīng)力和作用其質(zhì)量上的力。即：

（2.2）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；V為熱風(fēng)速度，m/s；F是質(zhì)量力，N；▽是哈密頓算子；為熱風(fēng)速度變化率。

　　2.1.3 能量方程

　　處于流動中的流體系統(tǒng)總能量變化率等于外力對該系統(tǒng)做功功率與外界對該系統(tǒng)傳熱功率之和[7]。即：

（2.3）

　　式中：ρ為熱空氣流體密度，kg/m3；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；q為熱源項；cv是定容熱容；為熱風(fēng)溫度變化率。

2.2 三維模型個構(gòu)建與計算空間的確定

　　2.2.1 三維模型的構(gòu)建

　　采用Solidworks軟件，通過實體編輯、鈑金切割等命令建立循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段的三維轉(zhuǎn)配體模型，在三維建模中完成熱風(fēng)管道組件、進(jìn)風(fēng)罩組件、干燥段左右前后圍板組件、網(wǎng)板組件、網(wǎng)板支架組件、三角尖組件、出風(fēng)罩組件以及風(fēng)機(jī)組件的構(gòu)建。在模型構(gòu)建過程中，由于我們主要目的是對循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道流體的分析，于是對三維裝配體模型做了較大的簡化，比如：忽略了干燥段中網(wǎng)板組件以及網(wǎng)板支架組件可能熱風(fēng)的熱質(zhì)交換[8]，因此沒有構(gòu)建；循環(huán)式谷物干燥機(jī)滿載干燥時部分熱空氣會隨著谷物空隙向緩蘇段（儲糧層）、撥糧層以及順著干燥劑安裝縫隙向外界呈一定比率滲透，但在此系統(tǒng)中除了進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口開口之外對干燥段下約束面、三角尖組件上約束面以及干燥段安裝縫隙進(jìn)行模型封閉處理。模型建好之后，添加約束，把所有零件安裝在一起形成裝配體。如圖2-2為循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道截面圖。

　　2.2.2 流體域確定

　　本文研究的5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段中，冷空氣經(jīng)由熱風(fēng)爐換熱裝置加熱為熱空氣由熱風(fēng)通道、進(jìn)風(fēng)罩通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入干燥層兩個熱風(fēng)區(qū)域，穿過谷物通道在干燥層中流動，加熱谷物物料帶著濕熱空氣通過三個冷風(fēng)通道，再從出風(fēng)罩組件回風(fēng)至出風(fēng)口，經(jīng)由外部風(fēng)機(jī)抽出。如圖2-3是5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段干燥簡圖。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

　　一般對流動和傳熱問題進(jìn)行數(shù)值模擬計算時，其中比較重要的一步就是對系統(tǒng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即要對空間上連續(xù)的模擬計算區(qū)域進(jìn)行劃分，讓它形成許許多多個區(qū)域，然后再確定每個區(qū)域中的節(jié)點。

　　Fluent軟件的前期處理就有網(wǎng)絡(luò)生成工具，網(wǎng)格生成的質(zhì)量會對數(shù)值模擬計算的精度與穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

　　利用數(shù)值方法來分析谷物干燥機(jī)干燥段熱風(fēng)通道流體流動時，據(jù)干燥機(jī)中熱風(fēng)流動特性，因為所求解流體區(qū)域的復(fù)雜性，所要劃分的區(qū)域不可能全部劃分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[9]，在面網(wǎng)絡(luò)劃分中用限制較少的四邊形網(wǎng)絡(luò)單元，在指定區(qū)域用三角形網(wǎng)格單元，實體的劃分采用四面體形式，個別單位位置用六面體、錐形體、楔形體網(wǎng)格進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分。

　　2.2.4 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

　　網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量因素是CFD建模中非常關(guān)鍵的一環(huán)，其質(zhì)量劃分好壞直接印象后來數(shù)字計算的精度[10]。網(wǎng)絡(luò)劃分的原則應(yīng)該是根據(jù)實際模型過程中不同設(shè)計要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在對流體場進(jìn)行數(shù)值計算時，應(yīng)該在保證計算機(jī)運行能力、模型運算精度的前提之下盡可能適當(dāng)?shù)脑龃缶W(wǎng)絡(luò)劃分單元的長度，以減少運算量。

　　2.3.1 熱風(fēng)流動跡線分析

　　熱風(fēng)跡線是同一時刻內(nèi)有不同質(zhì)點組成的曲線，其中每一個質(zhì)點的切線方向與此質(zhì)點在流體場中運動方向一致。定常流動情況之下，跡線的形狀不會隨著時間的變化而變化，并且流體質(zhì)點的跡線圖與軌跡線圖重合。我們在研究循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥段通道內(nèi)熱風(fēng)運動狀態(tài)需分析指點的跡線。

　　2.4 干燥段熱風(fēng)通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　在5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)設(shè)計中，為了安排提升機(jī)以及提升管道組件方便工作人員操作，于是在最初的結(jié)構(gòu)安排時，把提升機(jī)組件和熱風(fēng)通道彎管安排在同一邊，這樣進(jìn)入熱風(fēng)管道的氣流沒有正對輸入干燥段，造成一部分的熱量損失，影響干燥效率以及干燥質(zhì)量。

　　3 橫流式谷物干燥機(jī)對于不同物料干燥機(jī)理的分析

　　新收獲高水分的谷物得不到及時的干燥處理將谷物濕度降至安全水分點會引發(fā)嚴(yán)重的霉變、蟲害和有氧呼吸損失等問題，影響農(nóng)民糧食增收。所以橫流式谷物干燥機(jī)最早被應(yīng)用于南方江浙地區(qū)的谷物干燥，谷物干燥機(jī)一般會配有一臺熱風(fēng)爐，一臺或兩臺風(fēng)機(jī)。通常要求對于玉米進(jìn)熱風(fēng)溫度≦393K，對于小麥進(jìn)熱風(fēng)溫度≦373K。在干燥過程中，除了熱風(fēng)干燥產(chǎn)生的破損率。

　　在利用橫流式谷物干燥機(jī)干燥谷物物料時，溫度過高容易產(chǎn)生一定的裂紋增率和爆腰率，溫度過低又會使降水率大大降低。因此分析谷物種子內(nèi)部溫度、濕度分布，研究谷物在橫流式谷物干燥機(jī)循環(huán)干燥時的干燥機(jī)理，制定合理高效的干燥工藝，提高干燥中及干燥后谷物品質(zhì)，具有非常重要的意義。

　　平衡水分點是指在一定的干燥水平條件下，谷物所能干燥到的最低的水分點，決定著谷物干燥終了含水率。

　　3.1 谷物種子的組成形態(tài)

　　玉米、小麥、水稻是世界三大糧食作物，也是世界上高產(chǎn)的三種農(nóng)業(yè)種植作物?？勺魇秤?、飼用以及工業(yè)原料。但收獲時水分含量較大（玉米、小麥、水稻最佳干燥加工水分參數(shù)見表3-1），因起結(jié)構(gòu)特點自然干燥周期長，對儲藏條件要求較高。谷物的干燥過程就是吧谷物內(nèi)部水分降至安全水分點之下，抑制其自身能量消耗以及微生物的活性。其中由于玉米種子籽粒較大，單位比面積較小，表皮結(jié)構(gòu)緊密、表面毛細(xì)管道少等原因，水分不易沖籽粒中排除。

　　玉米的種子主要由果皮和種皮、胚乳、胚和穗軸四部分組成。種皮和果皮在玉米中是是緊密不易區(qū)分的結(jié)構(gòu)。主要由纖維素組成，占種子總重量的6%-8%。具有保護(hù)種子不受外界機(jī)械損傷和防止蟲害的作用。玉米的胚乳位于種皮的里面，最外層包裹含有大量蛋白質(zhì)的糊粉粒，組成糊粉層，胚乳占種子總重量的80%-85%。起到貯藏養(yǎng)料，供給種子萌發(fā)的作用。胚是新生植物體的雛體，構(gòu)成種子的最重要部位。玉米的胚占種子總重量的10%-15%。

　　小麥的種子主要由種皮和果皮、胚乳、胚三部分組成。稻谷種子主要由稻殼、種皮和果皮、胚組成。

3-1 玉米、小麥、水稻種子的組成形態(tài)簡圖

3.2 谷物種子中水分遷移過程

　　谷物種子是一種濕物質(zhì)，其表面有一定的水蒸氣壓力。而這個壓力值與谷物本身的種類、谷物水分高低、谷物內(nèi)部溫度以及環(huán)境溫度有關(guān)。

　　谷物中水分的蒸發(fā)過程，可以概括為兩個基本過程：糧粒內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)的形式沿毛細(xì)管擴(kuò)散（轉(zhuǎn)移）到糧粒表面，再由表面蒸發(fā)到干燥介質(zhì)中去。合理的干燥工藝應(yīng)該是使糧粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度等于或接近于糧粒表面的蒸發(fā)速度。當(dāng)谷物表面水蒸氣壓力大于外界空氣中水蒸氣壓力時，谷物內(nèi)部水分向空氣中擴(kuò)散，谷物含濕量下降。谷物在干燥過程中首先失去的是種皮和果皮部分的附著水，然后谷物內(nèi)部水分向種皮和果皮部位遷移，補(bǔ)充蒸發(fā)水分兩差值以趨于平衡。谷物種子的含水率越高，越能夠保持毛細(xì)管云水的連續(xù)性，因此更有利于降水速率的提高。但是當(dāng)干燥速率過快時，谷物內(nèi)部應(yīng)力緩蘇時間不足，會產(chǎn)生相當(dāng)大的一部分破損、裂紋以及爆腰現(xiàn)象，影響谷物干燥品質(zhì)。在低溫干燥過程的進(jìn)行，水分通道毛細(xì)管孔徑逐漸變小消失，水分汽化速度減慢[12]。

　　3.2.1 谷物干燥濕分（水分）傳遞機(jī)理

　　濕傳導(dǎo)是在濕度梯度（毛細(xì)管和擴(kuò)散滲透力）的作用下，物料內(nèi)部的水分有含量高的部位向含量低的部位遷移的現(xiàn)象，而濕熱傳導(dǎo)是指溫差引起的水分沿著熱流方向而移動的現(xiàn)象[13]。

　　在糧食對流干燥過程中，濕傳導(dǎo)是主要的，而濕熱傳導(dǎo)是次要的，可以忽略不計。但是濕熱傳導(dǎo)對儲糧影響很大，尤其是外界溫差變化幅度較大的季節(jié)，應(yīng)該密切注意儲量狀態(tài)，做好通風(fēng)降溫降濕措施，否則濕熱傳導(dǎo)會引起糧食“結(jié)頂”、“掛壁”等現(xiàn)象，造成糧食結(jié)露、發(fā)熱霉變，降低糧食品質(zhì)[14]。

　　3.3 對于循環(huán)式谷物干燥機(jī)對于不同物料干燥理論基礎(chǔ)

　　3.3.1 5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

　　干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。

表1-1 5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

　　控制系統(tǒng)PLC可編程序控制，變頻調(diào)整，視頻監(jiān)視。

3.3.2 谷物干燥主要技術(shù)參數(shù)

　　糧食干燥的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)是衡量一個干燥機(jī)性能優(yōu)良的主要標(biāo)準(zhǔn)，對于玉米和小麥干燥時和干燥后的指標(biāo)參數(shù)見表3-2：

表3-2 玉米、小麥、水稻干燥時和干燥后的指標(biāo)參數(shù)

　　3.3.2 循環(huán)式谷物干燥機(jī)谷物干燥特性曲線理論值

　　批式循環(huán)谷物干燥機(jī)設(shè)計中每循環(huán)一個周期為45 min-60 min，在5HPX-15循環(huán)式谷物干燥機(jī)中，干燥速率取平均值，為每小時0.8 %-1.2 %。根據(jù)這個計算入倉干燥谷物干燥時間，其中谷物干燥前水分不均勻度小于等于3 %，干燥后允許谷物含水率有1 %的浮動。

　　在實際干燥過程中，玉米、水稻、小麥其降水速度為水稻最快，玉米次之，小麥最慢。研究表明，谷物的含水率越高其干燥速度也最快。同樣谷物干燥速率越快，干燥時間就越短，谷物溫度越高，越有利于干燥降水，谷物干燥時間越短，但是會產(chǎn)生一定的破損率增值和爆腰率增值（水稻）。

　　3.4 谷物干燥過程分析

　　3.4.1干燥特性曲線實驗方法

　　實驗器材：5HPX-15批式循環(huán)谷物干燥機(jī)；

　　　　　　　SMART SENSOR非接觸式紅外線測溫儀AR-872A；

　　　　　　　SMART SENSOR風(fēng)溫計AVM-01；

　　　　　　　蘭泰糧食水分溫度檢測傳感器MC7821；

　　　　　　　計時器。

　　實驗材料：當(dāng)年新收玉米（含水率28 %，水分差值3 %）10 t；

　　　　　　　當(dāng)年新收小麥（含水率23 %，水分差值3 %）10 t；

　　　　　　　當(dāng)年新收水稻（含水率24 %，水分差值3 %）10 t；

　　實驗時間：各16 h。

　　傳感器安裝位：（1）進(jìn)熱風(fēng)罩；（2）干燥段谷物通道；（3）提升管道第二節(jié)；

　　　　　　　   （4）緩蘇段第二節(jié)；（5）緩蘇段第六節(jié)。

　　數(shù)據(jù)采集：實時監(jiān)控傳感器糧食水分、溫度并記錄制表。紅外測溫儀每20 min測一次熱風(fēng)爐溫度、外排煙氣溫度、出熱風(fēng)溫度記錄制表。

　　3.5 谷物干燥的特性曲線分析

　　谷物在循環(huán)式谷物干燥機(jī)的干燥過程中，熱量傳遞和水分遷移是同時發(fā)生的。研究干燥過程就是在不同條件下對谷物物料熱量傳遞和水分遷移過程進(jìn)行研究。糧食干燥特性曲線可由含濕量與干燥時間曲線、干燥機(jī)降水速率與干燥時間曲線和谷物表面溫度與干燥時間曲線組合在一起做最完善的表達(dá)[15]。

　　3.5.1 含濕量與干燥時間曲線

　　谷物種子在干基含濕量與干燥持續(xù)時間之間呈現(xiàn)出一定的指數(shù)關(guān)系，干燥初期含濕量隨著時間的延長下降加快，干燥后期含濕量下降速率越來越慢。圖3-3為循環(huán)式谷物干燥機(jī)正常工作狀態(tài)下含濕量與干燥時間關(guān)系圖。這是一組比較典型的指數(shù)曲線，表明谷物在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中的水分蒸發(fā)遵循指數(shù)規(guī)律下降，這也為建立數(shù)學(xué)模型提供了依據(jù)。

圖3-3  谷物含濕量與干燥時間曲線

　　3.5.2 谷物降水速率與干燥時間曲線

　　在一個干燥循環(huán)周期內(nèi)，圖3-4表示了玉米和小麥兩種不同的物料在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中降水速率與干燥時間的關(guān)系。

圖3-4  谷物降水速率與干燥時間曲線

　　3.5.3 谷物表面溫度與干燥時間曲線

　　在一個干燥循環(huán)周期內(nèi)，圖3-5表示了玉米和小麥兩種不同的物料在循環(huán)式谷物干燥機(jī)中降水速率與干燥時間的關(guān)系。

圖3-4  降水速率與干燥時間曲線

　　3.5.4 關(guān)于谷物干燥特性曲線的分析

　　預(yù)熱階段：外源熱風(fēng)爐提供熱量主要用于提高谷物物料溫度，此時有少部分熱量使水分汽化[14]。隨著谷物物料溫度的升高，谷物表面的水蒸氣壓力也在不斷加大，從而此時干燥速率加快；當(dāng)熱風(fēng)提供的熱量正好等于水分蒸發(fā)所需能量時，谷物表面以及內(nèi)部溫度不再上升，谷物干燥降水速率此時從零達(dá)到最高值，干燥進(jìn)入等速干燥階段。而預(yù)熱階段的長短取決于環(huán)境溫度、初始糧溫、干燥層厚度、進(jìn)熱風(fēng)溫度、進(jìn)熱風(fēng)流速等。

　　等速干燥階段：在該階段中谷物含水量均勻下降，谷物表面溫度基本保持不變，干燥速度在此時達(dá)到最大值并基本保持不變；谷物干燥速度的快慢取決于谷物表面水分蒸發(fā)的速度，即外部控制；提高烘干機(jī)熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流速，增大干燥的接觸面積、減小干燥層厚度，可使干燥速度加快；從理論上講，由于所有傳給糧食的熱量都用于汽化水分，糧溫應(yīng)保持不變；在實際上，由于物料中水分的劇烈汽化，以及干燥機(jī)熱傳導(dǎo)外部能量損耗，物料表面溫度甚至?xí)兴陆怠?/p>

　　降速干燥階段：隨著干燥進(jìn)行，物料水分逐漸下降，其表面上的水蒸氣壓力將下降，使物料表面與熱風(fēng)介質(zhì)之間的水蒸氣壓力之差減小，從而使物料的平均干燥速度減慢，于是干燥進(jìn)入了降速干燥階段。

　　在此階段物料去水更難，干燥速度慢慢下降，而物料的溫度則逐漸上升；當(dāng)干燥速度等于零時，物料水分達(dá)到在該條件下的平衡水分點，其溫度可以上升到與出熱風(fēng)相同的溫度。在高溫干燥中，糧食烘干會在此前就結(jié)束。

　　冷卻緩蘇階段：對物料的溫度曲線來說還應(yīng)有一個冷卻段。一般講，烘后物料的溫度很高，約在45 ℃～55 ℃，必須通過緩蘇階段冷卻，才能達(dá)到安全存儲條件；在生產(chǎn)中，常采取人工冷卻方式，把糧溫降至比外溫高5 ℃～7 ℃后進(jìn)行儲藏；在降溫的同時，也可去除水0.5 %～1 %[15]。

　　4 結(jié)論

　?。?）由于干燥過程的復(fù)雜性和不確定性，要實現(xiàn)具有精確的控制系統(tǒng)的干燥機(jī)還有很長的研究之路要走，要經(jīng)過不斷的試驗與測試，如對控制模型的優(yōu)化校正，測控新方法的研究等工作。本文通過對循環(huán)式谷物干燥機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)以及干燥原理分析，以玉米、小麥、水稻三種糧食作物干燥為例，深入分析了玉米、小麥、水稻三種不同物料在不同烘干條件下的干燥機(jī)理，探討了關(guān)于不同物料谷物干燥機(jī)的工作狀態(tài)、干燥效率以及干燥影響因素。通過分析橫流式循環(huán)干燥機(jī)撥糧層、干燥層、緩蘇層以及提升部分氣固兩相間的熱傳導(dǎo)、氣固兩相溫度和含濕量的變化來達(dá)到選擇合適干燥方式的以達(dá)到優(yōu)質(zhì)烘干效果的目的。通過檢測干燥過程谷物水分、溫度，并進(jìn)行了生產(chǎn)試驗，制作出玉米、小麥、水稻干燥特性曲線，可以說對干燥過程的測控方法作了一些研究和試驗，但由于時間和作者專業(yè)水平的限制，再有糧食的干燥過程涉及不同學(xué)科和不同領(lǐng)域，所以還需要對干燥控制過程的理論、測控方法和試驗等進(jìn)行不斷的研究和探索。

　　（2）由于干燥情況復(fù)雜，在干燥作業(yè)過程中，要建立一個準(zhǔn)確的干燥模型和測控系統(tǒng)來控制整個干燥過程是很困難的，因為干燥中不確定性因素太多，所以采用多模型的控制方式更能實現(xiàn)較精準(zhǔn)的控制，即對糧食干燥過程的不同階段分別建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，以提高控制器的自適應(yīng)能力。

　　（3）連續(xù)干燥過程參數(shù)的模擬分析尚沒有展開，對連續(xù)干燥的模型及質(zhì)電雙參數(shù)法在連續(xù)干燥過程中檢測谷物水分的計算方法還有待深入研究。

　?。?）緩蘇過程作為谷物干燥其中一個重要回復(fù)環(huán)節(jié)，其時間、控制方法還有待于進(jìn)一步研究。