粮食热风干燥热能结构与解析法--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

粮食热风干燥热能结构与解析法

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：杨丽娟

[导读] 摘要：干燥是粮食生产的重要环节，粮食干燥是一个具有生物活动的复杂传热传质过程。

        中嘉城建设计有限公司黑龙江省哈尔滨市 150046
        摘要：干燥是粮食生产的重要环节，粮食干燥是一个具有生物活动的复杂传热传质过程。干燥过程如何降低能耗、保证粮食干燥品质一直是国内外学者们研究的重要课题。粮食干燥品质取决于粮食初始含水率、最终含水率、热风温度、粮食温度、粮层厚度、粮食流速等多种因素。
        关键词：粮食干燥；热风干燥；热能结构；㶲；
        前言
        粮食干燥是为了去除其中多余的水分，提高其加工适性和耐储藏性，而水分在粮食中的结合形式直接关系干燥能耗、品质和效率，正确揭示水分与干物质的结合能是实现合理干燥工艺设计的关键。围绕粮食干燥动力学特性、品质形成机理、不同工艺条件下的干燥特性进行了大量的研究，但涉及水分与物料的结合能及其迁移势解析理论的内容十分稀缺。近年，基于分析法展开的粮食干燥系统能效评价理论研究，明确了粮食的干基含水率是干燥系统的状态函数，确立了粮食干燥系统起算的基准点，提出了基准函数，为评价干燥系统的用能情况提供了参考。
        一、粮食干燥系统理论抽象与特征
        1.粮食干燥系统理论抽象
        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。系统的外界是由粮食和空气构成的无穷大的物质源和能量源。基于粮食的物理成分，可以把其表述为由绝干物质、液态水、气态水蒸气构成的多组分物系，热风可以被认为是由绝干空气和水蒸气构成的理想气体。那么，粮食在干燥室内与介质接触自发交换水分，必然经历的是多组分多相系转换与传递的不可逆热力过程，系统中必然存在表征粮食干燥过程的态函数。基于态函数考察粮食干燥中各种能够使水分状态发生变化的势场与其干燥行为的关系，就可把干燥归结为及传递的过程。过程发生的主流特征就是以势场为载体的质转换与传递，其中，热㶲以系统中的温差为载体随能流发生转换与传递，流动㶲以气流压差为载体随干燥介质生转换与传递，湿则以干燥介质中的水蒸气分压力与物料上的水蒸气分压力差为载体，在物料内部及气流和物料之间发生转换与传递。系统到达的终态点是粮食到达的平衡含水率状态，此状态点相当于热力学中定义时的环境态，即确定干燥㶲的起算点。
        2.湿粮的物质结构特征
        水分在物料中的结合形式，在干燥技术领域被普遍接受的说法是化学结合水、物理化学结合水、物理机械结合水3种形式。化学结合水具有严格的数量关系，而没有严格数量关系的物理化学结合水又被区分为吸附结合水，它是“胶囊”外表和内胀水和结构水），被封闭在细胞内，它既是复合胶囊通过渗透吸附的水，又是固定的结构水，由于其结合能很小，可以归属为游离水。物理机械结合水是保持不定量的水，存在与物料的大毛细管和微毛细管中。无论水分以何种形式存在于物料中，就干燥工程而言，所关心的是能从湿物料中去除多少水分，消耗多少能量。基于平衡特征，按照空气相对湿度及物料湿含量的大小，可将水分与物料的结合形式分别定义为结合水分和非结合水分或者平衡水分和自由水分。
        二、特性函数及热量㶲
        1.特性函数
        干燥是由湿粮、热风构成的多组分、多相系热力系统，但系统中的质量迁移可以看作是单一组分的水分迁移并把水分迁移的现象看作是一定数量的能量迁移，系统到达的终态点是粮食的平衡含水率。在粮食到达平衡含水率后，系统的一切宏观变化均停止，系统内部各处的性质均匀一致，各处的压力、温度、比体积等所有状态参数都保持不变。对应系统的每一个状态，状态参数都有一定的数值，在忽略重力场的条件下，系统的宏观性质则不随时间变化。而当粮食与热风之间存在温度、压力、湿分等任何一种不平衡势时，则必然引起相互作用而发生能量交换，温度不平衡势导致热量的交换，水分蒸发，而蒸发又必然伴随做功。由于热风干燥系统中独立的能量方式，只有水分蒸发对外做功（准静功）和温差引起的热量传递2种，所以，干燥状态函数中独立的自变量个数只有2个。对于传热过程，温度是迁移势，系统中的熵、焓、等都是传热特性函数热量的综合坐标。而干燥中，物料内水分迁移的质量是水分迁移势的综合坐标，它可用系统中的自由能、焓、熵、㶲等任一个特性函数对水分质量迁移的偏导数来表示。
        2.干燥动力解析法
        2.1过程动力介质在干燥室内与粮食接触，释放显热，同时接纳水分，实现的干燥过程是客观的自发行为，可以在任何温度条件进行，而粮食中的水分能否蒸发，介质中的水蒸气能否发生集态的变化，都取决于各自的温度和水蒸气分压力。在热风介质中，水蒸气所占的份额较小，分压力很低且在正常情况下是处于过热状态，比较接近理想气体，可以把干燥介质当作理想混合气体来处理。于是，水分从粮食中汽化迁入介质的驱动力∆p，Pa，就可由式（1）计算，水分迁出时所受到的阻力pgz，等于水汽化时的饱和蒸汽压力与粮粒表面的水蒸气分压力之
        差，可由式（2）计算。饱和蒸汽压力与饱和温度一一对应，是温度的单值函数，只取决于水分蒸发时的温度，psg由式（3）计算，水蒸气分压力pv由式（4）计算。

        式中：tg为谷物温度，℃；psg为对应tg时的饱和蒸汽压，Pa；pv为干燥介质中的水蒸气分压力，Pa；pgv为粮食表面水蒸气分压力，Pa；pgz为水分由汽化点到达粮食表面时的压降，Pa；t、tw为分别是介质干球温度和湿球温度，℃。
        2.2粮食水分结合能解析模型
        水分气化、蒸发、迁移是热功转换与传递的做功过程，消耗的是系统的热能，基于能量守恒和㶲平衡，则存在干燥热㶲与对外界输出的有用功之间的定量关系。由于蒸汽在物料中向外扩散的流动速度很低，动能和势能的变化都可以忽略不计。影响干燥的主流因素是水同物料结合，降低了水表面上方的水蒸气压，相应地减少了水分的自由能。基于热力学关系，在粮食温度恒定的条件下，从粮食中每脱去1kg水所消耗的结合能，在数值上应等于气体所能完成的技术功wgz，kJ/kg。

        式中：wgz为技术功，kJ/kg；v为比容，m3/kg；p为压力，Pa；Tv为水蒸气的热力学温度，K；Rv为水蒸气气体常数，其值为0.4619kJ/(kg•K)。水分与物料的结合形式和所处的位置，对其迁出物料时消耗的动力有很大影响，随着物料含水率的降低，水分的迁出深度加大和被去除的吸附结合水所占比率增加，迁出过程所消耗的功必然增大。而当干燥系统处于热力学平衡态时，系统中的干燥为0。基于吉布斯-亥姆赫兹自由能，即把物质的热量与质量迁移的现象看作是一定数量的能量迁移，把具有普遍意义的迁移势Π用一个特性函数ψ对综合坐标的偏导数表示。
        三、结论
        （1）粮食的热风干燥过程，可以用态函数表达，基于状态参数，建立的粮食干燥热量特征函数，能够清晰、完整地解析干燥系统的热能结构。（2）通过从理论解析和试验考证，揭示了粮食携带有对应温差势的热量㶲；自然空气携带有客观干燥。（3）粮食干燥消耗的能量中不仅有主观，还包含客观，评价其能量利用效果，不能仅仅停留在主观热效率上，干燥㶲工艺设计及其评价不能忽视客观的作用。（4）给出的热风干燥系统粮食和介质状态参数图，能够清晰地表征出干燥效率，为定量、公平地评价干燥机在不同环境条件下的能量利用效果提供了科学地解析方法。
        结束语
        研究结果为解析粮食降速干燥过程、设计粮食低温高效节能干燥工艺系统提供了参考，为合理匹配干燥能量提供了解算方法，为制订科学的能效评价标准奠定了基础。建议以驱动干燥过程的质为统一特征，建立高湿粮食干燥传递模型，揭示各状态点㶲值的变化规律。
        参考文献：
        [1]诸治德，杨俊红，孟宪玲，等.蔬菜种子的干燥动力学及其活性，工程热物理学报，2000
        [2]黄凯，刘华彦，伍沅.PVC干燥动力学研究，高校化学工程学报，2000