粮食干燥水分在线解析与能效评价研究

摘要

粮食是国民经济和社会发展最重要的战略物质，其干燥能耗、品质、效率倍受关注，由于构成和影响粮食干燥过程发展的因素繁多，介质状态和粮食物性、质构，集群组态、流态、位置伴随干燥过程实时变化，反过来又导致热、质交换、干燥?及其传递方向发生本质的变化，瞬态传输过程动力在相际间的相互作用机制极其复杂，单纯依赖物理检测手段还很难得到能够代表系统特征较为可靠的测量结果，可以期待的重要途径之一是通过模型解析，揭示其变化规律，得到能客观、真实地反映干燥过程的水分在线分析解，实现干燥过程自适应控制。为此，本文仅仅围绕优质、高效、低耗、安全、环保的粮食干燥目标，以发展粮食水分在线解析理论，合理的干燥能量匹配为主要任务，从干燥系统定性特征参数、无量纲分析入手，采用理论分析与试验考证相结合的方法，针对特定的粮食干燥系，揭示其系统特征，工艺和过程扰动等相互联系和相互作用机制，说明过程解析方法；同时，对干燥系统进行能效评价。论文研究工作及创新点主要体现在以下几方面：
　　（1）理论推导出干燥系统无量纲；同时，基于薄层干燥水分扩散模型、深层干燥质量守恒原理、态函数和不可逆热力学分析方法，建立并求解了粮食深层干燥基础方程，获得了顺流、逆流、横流和静置层干燥方式下粮食自由含水比率和干燥速率分布解析式；解析结果表明：粮食在顺流层内经历持续降速干燥的过程，干燥速率的最大点发生在干燥初期，即干燥层热风入口位置，存在含水比率初期迅速降低，后期变化极其平缓的过程；深层逆流干燥，存在干燥速率的极值点，最大干燥速率不一定在干燥层热风出口和入口位置，在通风温度、湿度、送风量相同的干燥条件下，逆流干燥速率明显高于顺流，表明了逆流干燥能量利用效果优于顺流；粮食在横流和静置层内的干燥特性相同，进风侧和出风侧的干燥速率相差很大，表明干燥的均匀性和品质差，干燥效率低；
　　（2）在论证单一籽粒不同方向上与籽粒整体去水特性相似的基础上，推导出表征深层干燥过程的理论表达式；并对深层干燥系统中定性特征参数进行理论分析和定量评价；
　　（3）研究干燥体积收缩，引入体积膨胀系数，给出不同含水率粮食在干燥层内的干燥时间和平均流速的理论表达式；同时，以稻谷干燥为例，试验考察稻谷形态特征、含杂率、容腔几何结构大小和形状对体积膨胀系数的影响，研究结果表明，形态特征、含杂率对体积膨胀系数影响比较显著，而容腔几何结构大小和形状不显著，在特定的干燥系统中，稻谷的体积膨胀系数为确定的常数；
　　（4）参考5HNH-15型稻谷逆流热风干燥机，建立粮食多段逆流缓苏干燥过程解析模型，并根据试验现场条件，对实际干燥过程进行模型解析，结果表明：解析结果与实测数据具有很好的一致性，过程含水率偏差不超过±0.3％w.b.，出粮含水率偏差仅为-0.14%w.b.，验证了模型解析的可靠性；
　　（5）基于?理论的干燥系统能效评价法，分别对粮食低温循环干燥机和连续式粮食干燥机耗能情况进行分析，结果显示：造成低温循环干燥机平均热效率和?效率偏低的主要原因在于干燥过程的能量匹配较差，但干燥系统的单位热耗量为5200kJ/kg，与国标≤7400 kJ/kg相比，节能仍有29.7%；而连续式干燥机平均热效率和?效率相对比较理想，干燥系统的单位热耗量为2944.6kJ/kg，与国标≤7400 kJ/kg相比，节能达到60.2%，节能效果明显。研究结果表明，合理匹配干燥过程参数及设计参数，能够实现粮食优质、高效、节能干燥；
　　（6）说明系统内存在粮食升温、蒸发出的水分升温、惯性流动以及干燥室散热等不可逆热损，并把这些损失都折算到粮食升温上，给出表征系统热损的热损比热容理论表达式；同时，提出一种评价干燥系统性能的方法，即系统最大热效率，说明了试验测定的方法。通过试验测定了循环干燥机和连续式干燥机的最大热效率，并求得系统的热损比热容值。

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1前言

1.1研究目的和意义

1.2粮食干燥解析模型研究现状

1.3粮食干燥系统能效评价研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5技术路线

1.6本章小结

2粮食热风干燥水分在线解析理论与分析

2.1引言

2.2干燥模型

2.3粮食干燥质平衡方程

2.4深层干燥基础方程解析

2.5干燥系统无量纲

2.6深层干燥无量纲通式

2.7含水率在线解析模型

2.8解析结果与分析

2.9本章小结

3粮食深层干燥特征参数分析

3.1引言

3.2粮食深层干燥理论表达式

3.3干燥常数

3.4定性平衡含水率

3.5定性温度和定性相对湿度

3.6深层干燥初态点确定

3.7本章小结

4粮食干燥过程体积动态变化特征与试验研究

4.1引言

4.2干燥过程参数变化特征及内在联系

4.3稻谷体积膨胀系数试验研究

4.4试验数据及分析

4.5本章小结

5多段逆流缓苏干燥水分在线模型解析与试验

5.1引言

5.2粮食多段逆流干燥缓苏工艺过程解析

5.3解析结果与试验验证

5.4试验结果及分析

5.5本章小结

6粮食干燥系统能效评价理论

6.1引言

6.2干燥过程的物质衡算和热量衡算

6.3干燥系特性函数和热量?

6.4粮食干燥系统能量结构和能耗评价标准

6.5基于?理论的能量评价

6.6本章小结

7粮食干燥系统能效评价试验研究

7.1引言

7.2江西低温循环式干燥机试验研究

7.3湖南连续式干燥机试验研究

7.4干燥系统最大热效率

7.5本章小结

8总结与展望

8.1结论

8.2本文主要创新点

8.3展望

致谢

参考文献

附录 A

附录 B

附录 C

附录 D

附录 E

附录 F