一种新型混流式循环谷物干燥机的研制

李呈林，孙东旺，何立其

（中车石家庄车辆有限公司，河北 石家庄 051430）

农业机械装备是发展现代农业的重要物质基础。推进农业机械装备发展是提高农业劳动生产率、土地产出率、资源利用率的客观要求，是支撑农业机械化发展、农业发展方式转变、农业质量效益和国际竞争力提升的现实需要。我国年总产粮食超过6×108t。据国家粮食局统计数据显示，我国粮食收获后每年因气候潮湿、寒冷来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等储存环节损失的粮食高达200×108kg，占生产总量的4%。谷物干燥的机械化是谷物丰产、丰收的重要保障条件。本文主要针对粮食干燥，设计开发了一种大型循环式混流谷物干燥机，以满足谷物机械化干燥的需求。

1 产品结构及工作原理

批式循环干燥机是分批次对粮食进行烘干。粮食在烘干过程中，不断地在设备内部循环运转，在烘干、缓苏的过程中，粮食内外部水分不断向外界转移，实现对粮食的烘干，最终达到粮食干燥的目的。

1.1 产品结构组成

循环式谷物干燥剂主要由底座、排粮机构、干燥段、缓苏段、提升机、排尘系统、供风系统、控制系统、热风炉等组成，其结构见图1。

图1 循环式谷物干燥机结构图Fig.1 The structure diagram of circulating grain dryer

1.2 工作原理

循环式谷物干燥机工作原理为，湿粮通过提升机送入干燥机内部，过程中经过缓苏段、干燥段、排粮机构，干燥机顶部装有料位器，湿粮到达指定位置时自动发出警示信号，自动停止进粮。干燥作业过程中，引风机将热干空气送入干燥段，正压热风从中间风道进入两侧的干燥单元，热风穿过角状盒的过程中与粮食接触，完成热交换，将水分带走，最后进入左右两侧的废气通道，在排潮风机的作用下将水分和灰尘及杂质排出。作业时，干燥机内部的湿粮不断循环受热，在线水分检测仪实时检测粮食水分，当水分达到设定值时，自动停止干燥，经过冷却后，将粮食排出干燥机。

2 干燥机设计与计算

该产品主要针对玉米的烘干作业，兼顾水稻、小麦等作物的烘干。设计条件设定为标准大气压下，环境温度15℃，相对湿度70%，批处理量Gp为50 000 kg，初设粮食初始含水率为30%、干燥处理后的目标水分为14%，批干燥处理时间为12 h，其他各项性能指标符合JB/T10268-2011要求。

2.1 主要参数计算

2.1.1 净容积

式中：V——总容积，m³；P——批次处理量，kg；ρ——玉米堆积密度，kg/m³，

依据《谷物干燥机》（DG/T 017—2016）的基本要求规定“批处理量：干燥前按设计容量一次装满循环式干燥机的一批湿物料质量，以稻谷密度0.56 t/m³计算”。P取设计值50 000 kg，代入公式（1）中得：V=89.3 m³。

2.1.2 干燥能力

式中：Gt——干燥机小时干燥能力，t·1%（H2O）/h；Gp——每批干燥谷物质量，t；τ——每批干燥的干燥时间，h；M1——玉米初始含水率，%；M2——玉米干后含水率，%。

根据设计输入条件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分别代入公式（2）得：Gt=66.7t·1%（H2O）/h。

2.1.3 蒸发水量

每小时去水量

式中：W——蒸发水量，t；Wh——干燥机去水量，t/h；τ——每批干燥的干燥时间，h。

根据设计输入条件可知，M1=30%，M2=14%，τ=12 h，分别代入公式（3）、公式（4）得：Wh=0.775 t/h。

2.1.4 空气介质消耗量

由质量守恒定律可知，干燥过程中粮食的绝干物质和绝干热空气的量是不变的，其质热平衡方程为

式中:d1，d2——热空气进、出干燥室时的湿含量，kg/kg（干空气），取进入干燥室空气温度为外界环境温度15℃，相对湿度70%，出干燥室的废气温度为40℃，相对湿度为60%；L——绝干空气量，kg/h。

根据设计输入条件，查焓湿图d1=0.007 56 kg/kg（干空气），d2=0.029 05 kg/kg（干空气），代入公式（5）：L=360 63 kg/h，查表知设计条件下的空气密度为1.225 kg/m³，则空气的体积流量为29 439 m3/h。

2.2 产品主要结构设计

2.2.1 干燥段设计

干燥段采用4 层叠加结构，中间为热风进口，正压送风道，两侧对称布置干燥单元，左右两侧为排潮风道。干燥单元采用角状盒结构、混流干燥形式，角状盒上下交替布置，确保热风均匀流动、热风与谷物均匀接触，使得粮食在干燥过程中能够均匀受热，避免干燥速率太快而造成品质下降及干燥后粮食水分不均现象。为减少正压热风造成灰尘从设备缝隙溢出，在排潮风道末端设置轴流风机，将水分及干燥过程中产生的灰尘和杂质及时排出，优化产品性能。

2.2.2 缓苏段设计

缓苏段主要用于干燥过程中的粮食阶段性自然冷却，实现内外部水分的有序转移，防止粮食连续受热，内外部水分差异过大，造成粮食破碎率、裂纹率增加，降低粮食品质。缓苏段设计为3.6 m×3.6 m的大截面、框架式叠加结构，主要由前后侧板、左右侧板、拉筋、上盖板等组成，内部采用三纵三横拉筋布置，提高结构强度和刚度，前后侧板设计视窗框，方便观察内部粮食位置；设备顶部设计料位器，保证粮食达到装载容量要求时，准确发出预警信号；在顶部入粮口设计分粮盘，确保粮食在设备内均匀分布。

2.2.3 排粮机构设计

排粮机构为模块式组装结构，主要由排粮左右侧板、排粮前后侧板、排粮斜撑、中间排粮前后侧板组焊件，排粮六叶轮、链轮罩、电机等组装而成。排粮机构整体为对称式结构，左右两端各设有3 个排粮六叶轮、排粮斜板60°设置，粮食在塔内同一截面排粮速度相同，确保干燥均匀。粮食在干燥段干燥完成后，进入排粮机构，排粮六叶轮在电机的带动下旋转，顺势进入皮带机，在皮带机的带动下进入提升机进料口，开启粮食的再次干燥。

2.2.4 提升机设计

选用斗式提升机是一种用密集排列的挂斗垂直输送物料的提升设备，其主要有主机箱、从动机箱、提升机机筒、放粮筒等组成。主机箱设有三通闸门，可以实现粮食机内循环、放粮功能的切换；从动机箱两侧各设置一个进料斗，分别实现设备进粮和机内粮食循环；从动机箱上部的机箱上设置有在线水分检测仪，对干燥中得粮食进行实时检测；机筒采用双筒形式，内部有畚斗和提升皮带。综合考虑该机型的批处理量、提升机提升能力冗余、非均匀性进粮等因素，提升机产能设计为55 t/h。

2.3 主要设备选型

2.3.1 风机选型

风机是干燥机的关键设备，工作中为干燥机提供源源不断的动力。风机选型中主要涉及到风量、风压、结构型式等3个方面。风机的压力包括：风机的动压hd及静压力hj（谷层阻力hg，沿程压力阻力，管道各项压力损失∑hs等）2部分。

动压力

式中：γ——热介质密度，根据20℃的γ20进行换算，γ20=1.205；V——风机出口速度，初选V=17 m/s。

将上述数据代入公式（7）中得hd=174 Pa。

谷层阻力

式中：lg——谷层厚度；μ——通过粮层的平均风速；a、b——与谷粒大小、含水率有关的系数，取a=311，b=344。

将干燥机的上述参数代入式（8）中得hg=291 Pa。

局部损失之和

式中：ξ——局部损失系数，取ξ1=0.49，ξ2=1.5。

将上述参数代入公式（10）中得∑hs=346.5 Pa。

风机的压力为（各部分压力均取整，另此结构下的沿程压力阻力可以忽略不计）

根据干燥作业时介质的体积流量Q为29 439 m³/h，考虑到热风机的风量要求，选用4-72-10C 的离心风机，流量为25 101～35 134 m³/h，压力为1 225～970 Pa，功率为15 kW。考虑到干燥机排湿排潮的需要，在干燥段排废气两端各布置一台排湿排潮风机，选用SWF-Ⅰ-NO7 的混流风机，其转速为1 450 r/min，流量为18 800～11 780 m³/h，压力329～470 Pa，功率4 kW。

2.3.2 热源设备选型

供热量按小时去水量和单位热耗量计算

式中：H——热风炉供热量；W——小时去水量，775 kg/h；qr—干燥机单位热耗，是指蒸发1 kg水所消耗的热量，为经验取值，取qr=4 300 kJ/kg·H2O。

则上述数据代入式（11）中得，热风炉供热量H≈7.96×105Kcal/h。

为响应国家环保要求，选用直燃式天然气热风炉，其热效率通常在90%以上，考虑到市场上燃气炉的型号，最终选用供热量376.73×104kJ/h天然气炉，则设备的单位耗热量为4 860 kJ/kg·H2O。

3 结论

通过现场实际使用验证和鉴定机构的专业鉴定可获得以下结论。

该型号循环式干燥机满足设计目标要求，产品性能稳定，能够满足谷物干燥要求，设计方法可行，对类似新产品的研发工作具有实际指导作用。

产品鉴定过程中，设备的单位耗热量为5 360 kJ/kg·H2O，符合相关标准要求，但与理论计算值4 860 kJ/kg·H2O相比有较大出入，说明设备的实际工况条件对产品实际性能还是有较大影响，在理论设计时要尽可能贴近实际工况条件。

设备实际工况复杂多样，不同的环境因素、作业对象、人为因素等均会对设备性能产生影响，这就需要有更加先进的设计方法、理论基础去推动产品性能的改进，提升产品智能化、信息化水平。