谷物干燥品质控制机理及太阳能集热薄层谷物干燥技术研究

摘要

谷物干燥是粮食生产中最重要的环节。降低能耗、减少污染、提升谷物干燥品质和提高生产效率是干燥装备研究的主要目标。绝大多数粮食作物具有热敏性特点，干燥工艺或参数选择不当容易产生爆腰，这会影响它的品质和经济价值。本文从控制谷物爆腰损伤的角度出发，研究稻谷爆腰产生机理和提高干燥品质的理论与方法，在此基础上，进行谷物干燥装备的相关工艺和技术路线设计，建立了太阳能集热“液-空”薄层干燥装备模型，对干燥仓内的热交换及热流流动进行建模分析与仿真计算，以期实现在保证谷物品质基础上干燥过程的节能、环保和高效。论文开展的主要工作如下:
　　1)在谷物干燥过程中，经过持续一段时间的热流加热，会引起谷物内部温度的增加，这会导致谷粒出现温度应力，有一些谷粒因温度和湿度所致的热应力而引起热应变，当达到抗拉极限时就会发生腰爆损伤。本文对谷物爆腰力学机理进行了探索性分析，通过建立三层椭球形状谷物力学模型，推导了稳态时谷物内部热应力分布方程，并对影响爆腰可能的各种因素进行了讨论分析。研究表明，谷物在热稳定后的平衡状态下，谷粒内部并没有显著的应力集中，基本不会发生拉、压极限下的屈服破坏，谷粒的腰爆行为是发生在温度上升过程中的热冲击动力学所致。
　　2)品质与效率是干燥过程和干燥工艺最重要的两个指标。由于待干燥谷物的品种、初始状态各不相同，如何在干燥过程中合理有效地控制传热传质过程，是开发设计干燥设备的首要问题。本文模拟自然摊晒原理，设计开发太阳能集热“液-空”热交换低温薄层干燥装置系统，系统研究了床体内热流场与自然风及谷物的热交换过程，建立了相应的控制方法。设计了五层阶梯状斜向干燥床，床体采用“液-空”热交换及热风对流技术，使待干燥谷物利用自身重力沿坡道的分量来克服流动阻力，实现谷物在缓速流动中均匀加热，散失水分，全面保证干燥品质。
　　3)在对薄层干燥床谷物干燥过程进行模拟求解与优化设计的基础上，实验研究了谷物干燥工艺参数——热风流量、干燥介质温度、极限受热时间、缓苏温度与缓苏时间等参数对谷物品质与干燥效率的影响，用爆腰率作为干燥品质指标，对干燥工艺参数进行了优化，取得具有实用性的研究成果。
　　4)研究了谷物干燥装备的相关技术路线，对干燥仓床体的热流流动及通风系统进行建模与仿真:①研究床体倾斜角度对粮层厚度和谷物流速的影响，得出相关优化参数;②对干燥仓内的热风温度、湿度、谷物表面的温度、湿度进行有效预测，研究其变化趋势，为“液-空”床体温度、热风风速、谷层流速等参数控制提供依据;③详细计算通风系统的通风总量和各通风管道、出风口的通风速度;④进行通风系统、热交换床、粮层通风阻力等参数的计算与仿真，仿真值与理论计算值吻合性较好。
　　5)利用Page提出的薄层干燥方程研究了谷物内部水分的流动规律，对循环干燥过程中每层谷物的含水率进行模拟计算，得出各层、各循环下的含水率变化规律。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 谷物爆腰研究概况

1．3 课题主要研究内容

第二章 基于Adomian修正分解法求解瞬态热传导及腰爆机理的力学分析

2．1 基本方程

2．2 谷物颗粒的力学建模

2．3 模型的求解过程

2．4 数值结果与分析

2．5 本章小结

第三章 太阳能集热谷物干燥装置总体设计与能量优化

3．1 太阳能集热谷物干燥装置总体设计方案

3．4 谷物干燥仓结构设计

3．3 控制系统研究

3．4 谷物干燥自动控制系统设计

3．5 本章小结

第四章 薄层谷物干燥系统设计及参数优化

4．1 薄层热风干燥床模型建立

4．2 薄层干燥床谷物干燥过程的模拟求解

4．3 热风系统设计及优化

4．4 通风阻力计算

4．5 通风系统的CFD仿真计算

4．6 本章小结

第五章 热交换床换热过程研究

5．1 床体热交换区划分

5．2 床体传热计算模型

5．3 传热过程的数值计算

5．4 “液-空"热交换床热交换仿真研究

5．5 热交换床换热过程试验研究

5．6 本章小结

第六章 谷物干燥过程的内部水势研究

6．1 谷物内部水分模拟计算

6．2 谷物干燥循环次数计算

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 取得的研究成果

7．2 进一步工作展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间论文发表情况

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