基于干燥蒸汽余热利用的连续型谷物真空干燥机的研制及性能评价

中国是农业大国，每年有大量的粮食作物需要干燥。粮食干燥方法众多[1]，与常规的热风干燥法相比，真空干燥法因具有干燥温度低、速率快、干燥产品质量高等优点[2,3]，被广泛应用于谷物等热敏性物料的干燥。谷物真空干燥时，会产生大量富含潜热的水蒸汽，多数干燥设备在工作时将蒸汽直接排出，造成能量浪费。为此，提出一种热泵谷物真空干燥技术，即采用热泵技术[4]回收谷物真空干燥时产生的蒸汽潜热，将其热能品位提升后再次用于谷物干燥，从而实现低温低压蒸汽的余热利用。该技术要求干燥机能对谷物进行连续真空干燥，从而为热泵系统提供源源不断的干燥蒸汽，确保整个干燥系统连续运行。

目前，市售的小型谷物真空干燥设备较少。程长青等[5]研发了一种连续性真空低温玉米烘干塔；徐成海等[6]介绍了一种塔型连续式真空干燥机。但这些塔式设备不仅体积庞大、占地面积广，而且购置成本高；王娟等[7]提出了一种适用于多种物料干燥的真空带式连续干燥设备，但该设备能否用于谷物干燥还有待进一步验证。此外，还有一些多为箱式结构的小型真空干燥设备，但无法实现对谷物的连续真空干燥，且干燥蒸汽没有被利用。

为此，设计一种基于干燥蒸汽余热利用的连续型谷物真空干燥机，并以玉米为研究对象进行干燥机性能测试，以期为热泵谷物真空干燥技术的研究提供理论支持。

1 干燥机结构与工作原理

1.1 干燥机结构

连续型谷物真空干燥机(以下简称谷物干燥机)的整体结构如图1所示。

1为出料筒；2为内筒；3为外筒；4为储料仓；5为给料机；6为支架；
7为链传动结构；8为减速电机；9为成品仓；10为真空管
图1 连续型谷物真空干燥机结构图
Fig.1 Structure diagram of the continuous grain vacuum dryer

整机结构为滚筒式，主要包括内筒、外筒、进料装置、出料装置、传动装置、真空管及支架。进料装置由储料仓和给料机构成，出料装置由出料筒和成品仓构成，传动装置由减速电机和链传动结构组成，真空管用于连接真空泵。

进料装置储存湿物料，并将其送入内筒。内筒在传动装置的带动下旋转，物料在其中被干燥。外筒套在内筒上，构成夹套式结构，二者之间的环形空间内充满蒸汽，间接对内筒中的物料进行加热。出料装置用于收集干燥后的物料。真空泵经真空管与内筒连通，用于维持筒内真空度，并及时将干燥蒸汽抽出。谷物干燥机整体固定在支架上。

1.2 工作原理

谷物干燥机工作时，内筒在传动装置的带动下旋转，其工作原理为：将湿物料放入储料仓，开启真空泵对内筒抽真空，并向内外筒环腔输入热源蒸汽，启动给料机将湿物料送至内筒，同时开启传动装置，物料在内筒中被干燥，并向着出料筒运动，最后被排出至成品仓，完成谷物的连续真空干燥。

2 关键部件设计

2.1 内筒

内筒是谷物真空干燥的场所，是整个干燥机的核心部件，其结构如图2所示。内筒左转轴上有键槽，用于连接链传动结构。内筒靠近右转轴的筒壁上，均匀分布10个出料口。为确保谷物被干燥的同时，能够向着出料口运动，在内筒内壁焊接螺旋叶片，起到输送物料的作用。

1为辅助密封环；2为内筒体；3为左端盖；4为键槽；5为左转轴；
6为挡板；7为螺旋叶片；8为出料口；9为右转轴；10为右端盖
图2 内筒结构图
Fig.2 Structure diagram of the inner cylinder

谷物在内筒中以接触式传热的方式被加热，为增大物料的贴壁率[8]，使尽可能多的物料与壁面接触，在内筒内壁沿轴向加装矩形挡板。当内筒转动时，挡板还能充分搅拌物料，使其均匀受热[9]。

内筒整体尺寸较长，为保证其转动平稳，采用如下制作方式：先对各个部件粗加工，并保留一定的加工余量，再以铆焊的方式将各个部件连接，最后整体进行精加工。此制作方式能极大的减小焊接热变形引起的加工误差，确保内筒的各个部件同轴，使内筒运转稳定。

干燥机通过调节电机转速来控制内筒转速，进而控制谷物干燥时间。经实验测定，内筒转速与干燥时间的对应关系如表1所示。

表1 内筒转速与干燥时间对应关系
Table 1 Correspondence between inner
cylinder rotation speed and drying time

2.2 外筒

谷物干燥机工作时，热源蒸汽通过内外筒的环腔，间接对物料进行干燥。外筒结构如图3所示。外筒壁上有蒸汽入口和排气口，蒸汽入口布置在靠近出料口的位置，这样可以实现逆流换热。高温蒸汽在内外筒之间的环形空间内冷凝放热，冷凝水通过外筒壁上开设的若干个排水孔流出，并在排水孔的下方安装集水槽。集水槽设计成倾斜式结构，便于将冷凝水快速排出。

1为蒸汽入口；2为外筒体；3为排气口；4为端盖；5为中型密封环；
6为排水孔；7为集水槽；8为排水口；9为大型密封环
图3 外筒结构图
Fig.3 Structure diagram of the outer tube

为防止设备工作时因热源泄漏而造成热量损失，在端盖处及外筒内壁分别安装中型密封环和大型密封环，用于密封加热空间。

谷物干燥机整体制作完成后，对其进行密封性能检测：设备极限真空值可达6 kPa；从外筒蒸汽入口注入绝对压力0.6 MPa的压缩空气，设备可保压1.5 min。

3 试验研究

3.1 试验材料

试验材料为当年收获的大丰30玉米，黄色马齿形，含水率在22%～30%，经手工脱粒后，调节含水率为25.3%，在0～4 ℃条件下贮藏备用。

试验采用蒸汽发生器为谷物干燥机供热，试验前对谷物干燥机做好保温。

3.2 试验方法

干燥温度、干燥压力和内筒转速是影响玉米真空干燥的主要因素。实验采用控制变量法，测定不同工况下出口玉米的含水率和裂纹率，若含水率降至14%及以下[10]，便能达到储存要求。每组实验重复3次，结果取平均值。各变量的取值情况如表2所示。

表2 干燥试验变量取值
Table 2 Variable values of drying experiment

(1)干燥温度：以内筒筒内温度作为干燥温度(70～90 ℃)，每隔5 ℃取一个值。

(2)干燥压力：干燥机的极限压力为6 kPa，实验中干燥压力分别取6、9和12 kPa。

(3)内筒转速：为防止玉米干燥时间过短，转速为1.0～2.5 r/min，每隔0.5 r取一个值。

3.3 试验结果与分析

以转速为单位将实验结果分成四组，得到不同工况下出口玉米含水率的变化曲线如图4所示。

图4 各个工况下出口玉米的含水率变化
Fig.4 Changes in moisture content of exported corn under
various working conditions

图4(a)所示为内筒转速为2.5 r/min时，各个工况下的出口玉米含水率。由图4(a)可知，含水率均高于14%，不符合要求；进一步降低内筒转速至2 r/min[图4(b)]，当干燥温度≥85 ℃，干燥压力为6或9 kPa时，出口玉米含水率<14%。图4(c)、图4(d)表明，当转速≤1.5 r/min，干燥温度超过80 ℃时，多数工况下的干燥结果可满足要求。

由图4可知，当干燥温度和转速一定时，出口玉米含水率随干燥压力降低而减少；当干燥温度和干燥压力一定时，出口玉米含水率随转速降低而降低；当转速和干燥压力一定时，出口玉米含水率随干燥温度升高而减小。在转速为1.0 r/min、干燥压力为6 kPa下，干燥温度为74 ℃就能使玉米含水率降低到14%。

裂纹率是评价粮食干燥品质的重要指标之一[11]。为进一步反映玉米的干燥品质，对含水率符合要求的玉米样品进行裂纹率检测[12]，结果如表3所示。由表3可知，①当内筒转速和干燥压力一定时，随着干燥温度升高，裂纹率逐渐增大。这是因为过高的干燥温度损伤了玉米结构；②当干燥压力和干燥温度一定时，内筒转速过低，也会使裂纹率增加，这是由于转速过低增加了玉米的干燥时间，导致玉米过度干燥；③当内筒转速和干燥温度一定时，干燥压力的变化对裂纹率的影响很小。压力为12 kPa时，各个工况下的玉米裂纹率较高，均超过了20%。

表3 玉米裂纹率检测结果
Table 3 Test results of corn crack rates

4 干燥机性能评价

为获得该干燥机运行的最优性能参数，将出口含水率为14%的临界工况及其对应的裂纹率整理如表4所示。

表4所示为在不同的转速及压力下，为使谷物含水率降到14%所需的最低干燥温度及其裂纹率值。由表4可知，在转速为1.5 r/min或2.0 r/min、干燥压力6 kPa或9 kPa的工况下，均能获得含水率符合要求且裂纹率低的产品。但是在压力为6 kPa时，干燥机处于极限真空状态，不利于真空泵的长期运行，且设备的运行和维护成本也会增加，所以干燥压力采用9 kPa更合适，此时，当转速为1.5 r/min时，最低干燥温度为79 ℃，当转速为2.0 r/min时，最低干燥温度为84 ℃。

表4 各临界工况及其对应的裂纹率
Table 4 Critical conditions and their crack rates

该干燥机的性能测试表明，适合玉米干燥的工况参数为：当内筒转速为1.5 r/min时，干燥压力为9 kPa、干燥温度取80 ℃；当内筒转速为2.0 r/min，干燥压力为9 kPa、干燥温度取85 ℃。

5 结论

设计一种基于干燥蒸汽余热利用的连续型谷物真空干燥机，并以玉米为对象进行干燥机性能测试，得出以下结论。

(1)连续型谷物真空干燥机，运行稳定且密封性能良好。

(2)试验结果表明，该干燥机可以实现对玉米的连续真空干燥。以含水率和裂纹率作为玉米干燥品质的评价指标，获得适合玉米真空干燥的工艺参数：内筒转速1.5 r/min、干燥压力9 kPa、干燥温度80 ℃；内筒转速2.0 r/min、干燥压力9 kPa、干燥温度85 ℃。

(3)连续型谷物真空干燥机的成功研制，为谷物清洁节能干燥提供了新的技术支持。