苜蓿气体射流冲击联合常温通风干燥装备设计及试验

于贤龙，高振江，代建武，薛令阳，王 栋，王 军，邓利珍，谢永康，张晓琳，肖红伟※

·农产品加工工程·

苜蓿气体射流冲击联合常温通风干燥装备设计及试验

于贤龙1，高振江1，代建武2，薛令阳1，王 栋3，王 军1，邓利珍1，谢永康1，张晓琳1，肖红伟1※

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 四川农业大学机电工程学院，雅安 625014；3. 陕西科技大学机电工程学院，西安710021）

针对苜蓿干燥存在的处理量小、耗能高、叶片损失率高的问题，该文将紫花苜蓿的干燥过程分为高温和常温两个干燥段，设计了气体射流冲击联合常温通风干燥装备，包括基于狭缝型气体射流冲击管的气体射流冲带式干燥机和基于环境条件自动控制的常温通风箱式干燥机。利用计算流体动力学软件Fluent对狭缝型气流冲击管内部的流场进行数值模拟。结果显示增设扰流板可以改善狭缝型气体射流冲击管喷嘴出口气流速度分布的均匀性，速度变异系数由不设扰流板情况下的51.1%降为7.7%；利用单片机控制系统进行信息采集并控制通风的进行，解决夜间物料吸湿回潮、发热的问题。以紫花苜蓿作为原料对干燥装备的性能进行试验验证，结果表明：气体射流冲击联合常温通风干燥的苜蓿具有批次处理量大（150 kg/h）、叶片损失率小（干草的叶片损失率为1.5%）、能耗低（单位去水能耗3 408 kJ/kg）的优点。研究结果为低能耗、低叶片损失率的苜蓿干燥技术与装备提供参考。

干燥；装备；节能；苜蓿；气体射流冲击；数值模拟

于贤龙，高振江，代建武，薛令阳，王 栋，王 军，邓利珍，谢永康，张晓琳，肖红伟. 苜蓿气体射流冲击联合常温通风干燥装备设计及试验[J]. 农业工程学报，2017，33(15)：293－300. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037 http://www.tcsae.org

Yu Xianlong, Gao Zhenjiang, Dai Jianwu, Xue Lingyang, Wang Dong, Wang Jun, Deng Lizhen, Xie Yongkang, Zhang Xiaolin, Xiao Hongwei. Design and experiment of air-impingement jet combined with normal temperature ventilation dryer for alfalfa[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 293－300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037 http://www.tcsae.org

0 引 言

苜蓿是一种高蛋白含量的植物性蛋白饲料原料[1]，为满足全年的供应，除直接青饲利用外，需要对苜蓿进行加工调制。目前中国对苜蓿的加工调制方式以田间晾晒脱水成干草为主。但是田间晾晒可控性较差，苜蓿受雨淋导致霉烂变质造成的损失可达总产量的30%～100%[2]。

人工机械干燥可以极大的提高苜蓿的脱水速率，降低苜蓿调制中因自身生化反应和雨淋引发的损失[3-4]。苜蓿多利用热风进行干燥，熊明红等设计了一种多层网带式热风干燥机[5]，王建英等设计了四重滚筒牧草干燥机[6]。因热风干燥的对流换热系数较低，带式干燥苜蓿平铺的厚度设计在2 cm以下，批次处理量较小。滚筒干燥机工作过程中需要对苜蓿不断翻动，导致苜蓿干燥后叶片损失率较高。同时由于苜蓿的附加值较低，干燥过程的高能耗导致生产成本大幅增加压缩了利润空间。

气体射流冲击技术是一种新型强化传热传质技术[7-8]，相比热风干燥具有更高的对流换热系数[9]（是一般热风对流干燥的5倍甚至10倍以上），尤其对于蓬松物料具有更深的穿透深度。目前气体射流冲击技术已经应用于西洋参片[10-12]、山药片[13]、胡萝卜丁[14]等物料的干燥。将气体射流冲击技术应用于带式干燥装备中，能够克服带式热风干燥机干燥效率低的问题，避免箱式气体射流冲击干燥机中物料与喷嘴相对位置固定导致的干燥不均匀[15-16]，同时能够发挥带式干燥过程振动小、无翻动的优势，降低苜蓿干燥后叶片损失。

苜蓿在干燥过程中的脱水速率表现为前后2个阶段，以物料湿基含水率45%为转折点呈先快后慢的趋势[17]。随干燥的进行苜蓿的含水率降低，脱水速度下降，继续使用高温干燥不但会造成能耗的大量增加，而且会导致物料升温，破坏营养成分。常温通风是一种节能的干燥方式，利用常温气流带走物料内部迁移到物料表面的水分。因为被干燥物料中的水分产生的水蒸气分压与常温空气中水蒸气分压差较小，干燥速率较慢，所以常温通风干燥适用低水分物料的干燥。李长友等设计了稻谷常温通风的节能干燥工艺，实现了初始湿基含水率31.3%稻谷的脱水干燥[18]。因此，将常温通风干燥用于苜蓿干燥后半段的干燥，有助于降低干燥能耗，提高干燥品质。

针对苜蓿干燥存在的处理量低、能耗高、叶片损失率高的问题，本文设计了一种气体射流冲击联合常温通风苜蓿干燥装备，以用于苜蓿的两段式干燥。通过试验方法验证气体射流冲击联合常温通风干燥装备用于苜蓿的干燥效果，以期获得一种针对苜蓿的高效、节能、叶片损失率低的干燥工艺与装备。

1 气体射流冲击联合常温通风干燥机总体设计

1.1 整机结构

气体射流冲击联合常温通风干燥装备的总体结构如图1所示，该装备由气体射流冲击带式干燥机（图1a）和常温通风箱式干燥机（图1b）组成。

图1 气体射流冲击联合常温通风干燥机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of air impingement jet combined with normal temperature ventilated air drying machine

气体射流冲击带式干燥机包括原料输送装置、气体射流冲击装置和中央控制装置。原料传输装置包括布料器、调速电机、输送网带，布料器设置于输送网带的进料端上方。气体射流冲击装置包括狭缝型气体射流冲击管、高温烘干室、排湿风机、电磁气阀、导气管、气流分配箱、电加热箱、高压风机、回风管，气体射流冲击管放置于高温烘干室内部，排列于输送网带下方。中央控制装置采用单片机PIC16F1947作为主控芯片，分别与电加热箱、高压风机、电磁气阀、排湿风机以及温湿度传感器连接。

常温通风箱式干燥机包括常温通风装置和中央控制装置。常温通风装置包括离心风机、通风干燥箱体和通风管，通风干燥箱体四周及底面的材料为不锈钢编织网；通风管插入通风干燥箱体内部，出口位于中心部位，并在通风管侧面开多个小孔，提高通风的均匀性。中央控制装置采用单片机PIC16F1947作为主控芯片，分别与离心风机、温湿度传感器连接。

装备的主要技术参数如表1所示。

表1 干燥机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of drying machine

1.2 工作原理

第一中央控制箱控制气体射流冲击装置、输送装置启动。预热完毕后，苜蓿原料经布料器平铺于输送网带上方，匀速通过高温烘干室。苜蓿受狭缝型喷嘴喷射出的高温高速气流的作用下快速脱水（气流速度为6～8 m/s，防止苜蓿随气流运动）。湿空气经回风管回收，并再次加热利用，以此提高能源的利用率。仅当高温干燥室内空气的露点温度高于紫花苜蓿表面温度（热空气温度为150 ℃时，相对湿度控制在3%以下），第一中央控制箱控制排湿风机进行排湿并补充干空气。通过高温烘干室后，苜蓿的湿基含水率为40%～50%，呈半干状态。

经过高温干燥后，半干的苜蓿投入通风干燥箱体中，第二中央控制箱根据环境大气的状态控制离心风机启动，进行常温通风干燥。当环境大气温度过低、相对湿度过高（常温通风干燥空气相对湿度一般低于80%）时，自动控制系统控制通风干燥箱进入待机状态，防止返潮的发生；此时传感器持续检测苜蓿内部温度，若温度过高，离心风机启动鼓入环境空气对苜蓿降温。

2 关键部件设计

2.1 狭缝型气体射流冲击管设计与fluent模拟优化

气流喷嘴是气体射流冲击技术的关键部件，为便于组合应用，本文采用的狭缝型气体射流冲击管的结构如图2所示，包括入风口、风道、气流喷嘴、扰流板。区别于多喷嘴固定于一个气流分配箱表面的固定结构，每个狭缝型气体射流冲击管的喷嘴对应一个风道。刘祖铃等在狭缝喷嘴的换热系数研究中发现，喷嘴越窄换热系数越高，但是喷嘴越宽气流量越大[19]。本文气流喷嘴的内尺寸（长×宽）为1 000 mm×10 mm。风道负责将气流扩散至气流喷嘴的各部位，为便于加工制作，选用方形结构，内腔尺寸为50 mm×50 mm。

气流经入风口进入方形风道后以湍流形式运动，受压力差作用由气流喷嘴喷出。过程中不断进行流量的重新分配[20]，气流的动量、质量和压强不断发生变化，导致了气流量不均匀分配。扰流板可以阻断气流在风道中的运动路径，产生多个区域湍流，改变气流的运动方向。为消除喷嘴不同位置的速度差异，本文在方形风道底部增设5块高度依次增加的扰流板，通过数值模拟的方法确定扰流板的最优参数。

图2 狭缝型气体射流冲击管结构示意图Fig.2 Schematic diagram of slit type air-impingement tube

2.1.1 网格划分

结构化网格数据结构简单，更容易实现区域的边界拟合，对边界层计算非常有利[21]。使用预处理软件ICEM CFD 14.0进行计算域的建立和网格的划分。无扰流板的模型网格示意图如图3所示。

图3 无扰流板模型网格图Fig.3 Grid of model without spoiler

本文注重研究喷嘴出风口平面在X方向上的速度分布。在X方向上使用4种数量的节点对狭缝型气体射流冲击管的无扰流板模型进行网格划分，节点数目为100、200、300、400，所对应的网格数量分别为479340、972810、1466280、2730400。喷嘴出口法向速度场分布如图4所示，使用2730400数量的网格划分的模型具有明显的壁面效应，且收敛速度快，因此将2730400的网格数量作为网格划分的参照。网格的质量优秀，雅克比矩阵行列式的最小值为1，最小角度为90°。

2.1.2 控制方程和湍流模型

狭缝型气流冲击管内的流场采用三维稳态流动模型进行数值计算[22]。代建武等使用三维稳态流动模型在气体射流冲击干燥机气流分配箱模拟研究中获得较好的效果[23]。连续方程和动量方程如下

式中ui、uj（i、j=1,2,3）为速度分量，m/s；xi、xj、xk（i、j、k=1,2,3）为坐标分量；p为流体压力，N/m2；ρ为流体密度，kg/m3；υ为运动黏度，m2/s；δij为克罗内克函数。

图4 不同网格数量下喷嘴出口法向气流速度场分布Fig.4 Distribution of normal air velocity field at nozzle exit in different number grids

雷诺数的数值是判别流动状态的标准，雷诺数的数值计算公式如下

式中v为流体流速，m/s；d为当量直径，m；η为动力黏度，(N·s)/m2。

在等直径直管以及粗糙度为常规值的正常情况下，层流和湍流的临界雷诺数值取为2 000，模型中气流表现为湍流流动，使用标准k-ε模型可以保证湍流流动模拟的准确性[24]。标准k-ε模型解决了湍流动能和湍流动能耗散2个传输方程，在不可压缩、等温的条件下，气体湍流动能方程和湍流动能耗散方程如下

其中：

式中Sij为应变率张量；υt为湍流运动黏度，m2/s；k为湍流动能，m2/s2；ε代表湍流动能的耗散率，m2/s3；αk、αε分别代表湍流动能和湍流动能耗散的普朗特数，αk=1.0，αε=1.3；C1ε、C2ε为湍流模型系数，C1ε=1.44，C2ε=1.92；Cu为经验系数，Cu=0.09。

2.1.3 假设条件、求解器参数与边界条件

假设条件：热空气介质为理想气体；热空气的黏度为一个关于温度的多项式函数；不考虑管壁热量损耗；热空气在入口处无旋、分布均匀。

求解器条件：使用SIMPLE算法用于处理压力速度间的耦合；使用二阶逆风离散化求解动量、湍流动能、湍流动能耗散；质量守恒收敛依据为10-4的残差精度，其他残差精度设置为10-5。

进口边界条件：速度作为进口边界条件，假定进口方向垂直于边界，设定入口风速为24 m/s，湍流强度4.2%，湍流尺度0.003 5 m。

出口条件：压力作为出口边界条件，给定标准大气压作为压力边界值。

壁面条件：无滑移边界条件，采用标准壁面函数法进行修正[25]。

2.1.4 扰流板结构优化

扰流板的高度和相对位置对于喷嘴出口气流的速度分布影响较大[23]。使用Tecplot软件对扰流板不同参数条件下的FLUENT计算结果进行后处理，喷嘴出口速度分布如图5所示。

图5 扰流板模型喷嘴出口速度分布Fig.5 Nozzle outlet velocity distribution of spoiler model

从图5a可以看出，在无扰流板的情况下，喷嘴出口喷射出气流的速度由近入风口侧向远端逐渐增加。增设扰流板后，喷嘴出口气流速度表现出5个明显的波峰，波峰的大小不同但所处的位置相同。不同扰流板的高度下，喷嘴出口气流速度差异极显著（P＜0.01），喷嘴出口气流速度变异系数由无扰流板模型的51.1%降为7.7%（气流速度的变异系数等于其标准偏差与平均值的比值）。值得注意的是在喷嘴长度方向0～0.1 m位置，法向气流速度数值为负数，Svensson. K等在对射流冲击喷嘴的阵列方式的研究中也发现高速流体气流向中间收缩的现象[26]，这种喷嘴回流现象可能是由于高速气流运动导致的引射作用造成的。当H=4 mm、h=3 mm时，5个波峰的峰值大小趋于一致。图5b描述了固定高度下扰流板在不同位置下，喷嘴出口气流速度分布，3条曲线的峰值无明显差异，但波峰的位置不同，这是由于方管风道内湍流区域随扰流板的移动产生了改变。当L=83 mm时，第一波峰的突变区距喷嘴最左侧距离最小，分析可能是第一块扰流板产生的区域湍流改变了气流在方形风道向喷嘴扩散的方向，此时引射的影响的区域最小。

在H=4 mm，h=3 mm，L=83 mm，d=183 mm参数下对狭缝型气体射流冲击管进行加工制作。使用型号为XY1000-1F风速仪（北京协亚电子，测量范围0～±6 kPa）对成品进行5点测量，结果显示10支中有7支的出口风速的变化范围为6.0～8.3 m/s，总体出口风速分配均匀，与模拟结果一致。因此在使用前对狭缝型气体射流冲击管进行筛选，可实现出口风速的均匀分布，保证了干燥装备对苜蓿干燥的均匀度。

2.2 常温通风自动控制系统设计

2.2.1 硬件设计

控制系统的功能是根据环境大气温度与相对湿度、苜蓿内部温度的变化，控制离心风机的开启与关闭，防止紫花苜蓿返潮与发热变质的发生。本文使用的控制系统结构如图6所示，包括：数据输入与显示、温湿度监测模块、主控模块、输出控制模块。

图6 控制结构示意图Fig.6 Control structure diagram

1）数据输入与显示采用威纶通MT8071IE触摸屏，具有RS485与RS232通讯功能，可实现主控模块控制信息输入与实时数据显示。MT8071IE显示屏分辨率为800×480像素，利用EasyBuilder Pro编程软件进行界面制作。

2）主控模块采用PIC16F1947单片机，具有2个增强型通用同步/异步收发器，兼容RS232、RS485通信功能，内置8通道A/D转换器，可以进行10位分辨率的A/D转换，通过简单的外围电路就可以完成数据采集与控制需要。

3）温湿度监测模块包括温度传感器与相对湿度传感器，温度传感器采用型号为PT100（北京优普斯科技中心），测温范围为−50～300℃；空气相对湿度传感器采用芯片为SHT11，测量范围0～100%。

2.2.2 程序设计

控制流程如图7所示，根据获取温湿度信息控制离心风机的运转。

图7 控制流程图Fig.7 Control flow chart

湿度传感器获取环境大气的相对湿度，两个温度传感器分别获取环境大气温度和紫花苜蓿中心位置温度。通过I2C通讯总线将相对湿度数值传递给控制芯片PIC16F1947；温度变送器将PT100的输出阻值转换为0～5 V电信号，并利用主控芯片进行A/D转换。

当环境大气的温度T1低于设定值St或相对湿度H1高于设定值Sh时，控制系统判定此时不适合进行通风干燥，常温通风干燥机进入待机模式，离心风机停机；仅当紫花苜蓿中心位置温度T2减去环境大气温度的值T1大于Td时，控制系统判定此时会导致紫花苜蓿品质的恶化，离心风机开启，鼓入冷空气对紫花苜蓿降温，直至T2小于T1时，离心风机关闭。

当环境大气的温度T1高于设定温度St同时环境大气的相对湿度H1低于设置值Sh时，控制系统判定此时适合进行通风干燥，常温通风干燥机进入工作模式，离心风机开启，持续对紫花苜蓿进行通风干燥。

3 试验验证

依据结构设计及优化后的结构参数对气体射流冲击联合常温通风干燥装备完成加工与装配。通过干燥试验对过程参数进行优化，最终对干燥装备的效果进行评价。

3.1 试验原料与试验环境

选用紫花苜蓿作为试验原料[27]，产地为内蒙古包头。使用紫花苜蓿刈割压扁机收获，初始湿基含水率为77.2%～78.3%。

试验地点温度变化范围为8～29 ℃，空气相对湿度变化范围为40%～84%。

3.2 试验方案

1）参数优化试验：高温干燥段的气流温度与铺料厚度对干燥效果有重要影响[28]，使用气体射流冲击带式干燥机对高温段气流温度参数与铺料厚度进行优化试验。选取气流温度120、130、140、150、160、170 ℃，铺料厚度2、4、6、8 cm作为试验变量，气流流速为8 m/s，其他参数保持一致，对紫花苜蓿进行干燥试验，以湿基含水率45%作为终止含水率，通过对比脱水速率与紫花苜蓿自身温度选择适宜气流温度和铺料厚度。试验重复5次。

2）装备性能试验：使用气体射流冲击带式干燥机在优化后的参数下对（80±5）kg新鲜紫花苜蓿进行5 min过程干燥（紫花苜蓿湿基含水率为45%～50%），将半干紫花苜蓿装满通风干燥箱，进行常温通风干燥，参数Sh、St、Td分别设置为80%、10 ℃、8 ℃。直至将紫花苜蓿干燥至湿基含水率降为15%。设置对照试验组，使用气体射流冲击带式干燥机将新鲜紫花苜蓿连续干燥至湿基含水率为15%。对比两段式干燥与全程高温干燥的单位去水能耗，同时结合叶片损失率综合评价气体射流冲击联合常温通风干燥装备的干燥性能。试验重复3次。

3.3 数据处理

湿基含水率ω，用来评价紫花苜蓿脱水的程度，计算公式如下

式中M1为干燥后的总质量，g；M2为干物质量，g。

叶片损失率ηl，用来评价干燥品质，计算公式如下

式中a1为干燥结束后干草总质量，kg（a1＞10 kg）；a2为干燥完成后叶片掉落质量，g。

单位水分蒸发能耗q1，用来计算蒸发1 kg水分消耗需要消耗的能量，计算公式如下

式中q为脱水消耗的总能量，kJ/kg；mw为脱除水分的总质量，kg。

热效率ηt，用来评价装备的热能的利用效率，计算公式如下

其中：

式中q1为单位水分蒸发能耗，kJ/kg；q2为单位水分蒸发所需要的热量，kJ/kg；t2为出烘干机的气体温度，℃；t3进烘干机湿物料温度，℃。

3.4 结果与分析

3.4.1 参数优化试验结果分析

使用气体射流冲击干燥机对新鲜紫花苜蓿进行干燥，不同气流温度和不同铺料厚度条件紫花苜蓿由湿基含水率78.3%脱水至45%所用的时间如图8所示。

图8 不同干燥温度及物料厚度下的干燥时间Fig.8 Drying time under different drying temperature and material thickness

图8a中对比了紫花苜蓿在不同气流温度下脱水至目标含水率所用的时间，可以发现，温度越高脱水速度越快。当温度高于140 ℃，经过5 min干燥紫花苜蓿湿基含水率由初始的78.3%可降至45%以下。输送出高温烘干室的苜蓿温度如图9所示，150 ℃条件下，紫花苜蓿自身温度已达到65 ℃，当紫花苜蓿温度继续升高会破坏苜蓿品质[29]。综合紫花苜蓿的干燥速率和品质要求，选定145～150 ℃作为气体射流冲击带式干燥机的工作温度。对比图8b中不同物料厚度下所需的干燥时间发现，铺料厚度2与4 cm的干燥时间差异不显著（P＞0.05），铺料厚度4与6 cm的干燥时间差异不显著（P＞0.05），但铺料厚度8 cm的干燥时间显著高于铺料厚度6 cm的干燥时间（P＜0.01）。这可能是8 m/s的气流可以穿透6 cm厚的紫花苜蓿层进行脱水干燥，但是无法对8 cm铺料厚度的紫花苜蓿深层快速干燥。

图9 不同干燥温度下物料最高温度Fig.9 Highest temperature of material under different drying temperature

综合气流温度与铺料厚度对于干燥时间的影响，在150 ℃的气流温度、8 m/s气流速度、6 cm紫花苜蓿厚度条件下，气体射流冲带式干燥机能够完成厚层紫花苜蓿的快速干燥，5 min内可将湿基含水率为78.3%的紫花苜蓿降至45%以下。

3.4.2 装备性能试验结果分析

根据3次试验结果，紫花苜蓿依次经过5 min高温干燥（气流温度为150 ℃、气流速度8 m/s、紫花苜蓿厚度6 cm）与8～11 h（风机运转时间）常温通风干燥，湿基含水率可降至15%以下。基于环境自适应的控制方式能够控制离心风机运行，降低了非适宜干燥的环境中的能源消耗。经过气体射流带式干燥机干燥后紫花苜蓿无明显的叶片脱落发生；常温通风干燥后干草的茎叶干燥均匀，草色为绿色。

气体射流冲击联合常温通风干燥与全程高温干燥的干燥性能如表2所示。

表2 两段干燥与全程高温干燥的干燥性能对比Table 2 Dry performance comparison about two-stage drying and continuous high temperature drying

整机的总占地面积为10 m2，装备的处理效率依赖于气体射流冲击带式干燥机的干燥效率。气体射流冲击带式干燥机的铺料厚度为6 cm，每小时紫花苜蓿处理量为150 kg，具备大批量干燥的能力。气体射流冲击联合常温通风干燥的热效率为74.3%，单位水分蒸发耗能为3 408 kJ/kg，相较于对照试验组中全程高温干燥的单位水分蒸发能耗（7 290 kJ/kg）降低了53%；相较于车刚等设计的5HC-1型牧草保质干燥机的单位水分蒸发能耗（9 400 kJ/kg）降低了63.7%[30]，具有显著的节能效果。紫花苜蓿干燥完成后叶片损失率为1.5%，极大降低了干燥营养物质损失。

4 结 论

1）在狭缝型气流冲击管的方形风道中设置多枚扰流板，可实现喷嘴出口气流的均匀分布，喷嘴出口0.1～1 m段的气流速度变异系数为7.7%。

2）基于狭缝型喷嘴的气体射流冲击带式干燥机，具有大批量处理的能力，可实现厚层苜蓿的快速脱水干燥，在气流温度150 ℃、速度8 m/s条件下，平铺厚度为6 cm的紫花苜蓿经过5 min的干燥可将湿基含水率降至45%以下。

3）紫花苜蓿干燥试验表明：气体射流冲击联合常温通风干燥方式，具有节能、低叶片损失率的特点，蒸发1 kg水分所消耗的能量为3 408 kJ，干草的叶片损失为1.5%。

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Design and experiment of air-impingement jet combined with normal temperature ventilation dryer for alfalfa

Yu Xianlong1, Gao Zhenjiang1, Dai Jianwu2, Xue Lingyang1, Wang Dong3, Wang Jun1, Deng Lizhen1, Xie Yongkang1, Zhang Xiaolin1, Xiao Hongwei1※
(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, China)

In order to solve the problems of alfalfa drying, such as smaller drying capacity, high energy consumption, and high leaf loss rate, an alfalfa dryer based on air-impingement jet and normal temperature ventilation was designed in current work. The alfalfa drying process was divided into 2 parts: high-temperature drying in air-impingement jet belt dryer based on the slit type air-impingement tube to improve the drying speed, and then drying at room temperature in the normal temperature ventilation apparatus to save energy. The slit type air-impingement tube is the main structure of air-impingement jet belt dryer. Flow field in slit type air-impingement tube was simulated using Fluent 14.0 CFD (computational fluid dynamics) software. The spoiler was added in this tube to improve the airflow uniformity of slit type nozzle exit. The location and height of spoiler are important influence factors of airflow uniformity. The structure of slit type air-impingement tube was optimized with the method of numerical simulation for flow field in which the spoiler had different parameters. The optimal parameter of spoiler was obtained, which then offered an optimum model that the variance coefficient of flow velocity was 7.7% through the 0.1-1.0 m section of nozzle exit. In order to collect information and realize automatic control, a single chip microcomputer system was designed for the room temperature ventilation apparatus. The PT100 and SHT11 sensors were used in the automatic control system to monitor the temperature and relative humidity of environment and grass. PIC16F1947 was used as the main control chip to control and dispose the information and control fan operation so as to solve the problem of moisture reabsorbtion of alfalfa in low temperature and high relative humidity environment. Alfalfa was adopted to test the performance of the normal temperature ventilation equipment combined with air-impingement jet. One group of experiment was that air-impingement jet belt dryer was used to dry alfalfa in different temperature and material thickness to the moisture content of about 45%-50%, and after that the material was dried at room temperature in the ventilation apparatus to the final moisture content of about 15%. It was observed that the moisture content of alfalfa with the thickness of 6 cm was reduced from 78.3% to 45% after 5 min drying. It can be concluded that air-impingement jet belt dryer has the ability of rapid drying for alfalfa even in high thickness. Additionally, the temperature of alfalfa was below 65 ℃ in the process of drying, which was beneficial to save thermal sensitive nutritions of alfalfa. The room temperature ventilation apparatus based on automation control could extensively reduce energy consumption of alfalfa drying. It can be concluded that the normal temperature ventilation dyer combined with hot air-impingement jet has the advantages of low-energy consumption and low leaf loss rate, as the leaf loss rate is less than 1.5%, and the energy consumption per kilogram moisture removal is 3408 kJ which is reduced by 53% compared with hot air drying. This paper exhibits a designed new equipment for alfalfa drying, the normal temperature ventilation dryer combined with air-impingement jet, which is very important to solve the problems of high energy consumption and high leaf loss rate of the current alfalfa drying equipment.

drying; equipment; energy conservation; alfalfa; air-impingement jet; numerical simulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.037

S226.6; S126

A

1002-6819(2017)-15-0293-08

2017-05-02

2017-07-20

国家自然科学基金（31501548）

于贤龙，男，山东日照人，博士生，研究方向为农产品干燥装备与自动化控制研究。北京 中国农业大学工学院，100083。

Email：yuxl@cau.edu.cn

※通信作者：肖红伟，男（汉），河南商丘人，副教授，博士，博士生导师，主要从事农产品加工技术和装备的研究。北京 中国农业大学工学院，100083。Email：xhwcaugxy@163.com