一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统和方法，能够根据谷物颗粒内部的传热传质特性控制进入干燥室的热量、气流温度、气流速度和气流方向，使热输入与谷物干燥动力学过程相匹配。所述方法包括：对干燥室送入正向高温干燥气体直到中部测温器测得的温度达到预设的干燥温度；将气体温度降低送入中温缓苏气体，直至对端的测温器测得的温度也达到预设的干燥温度；此时改变气体方向，对干燥室送入逆向高温干燥气体直到中部测温器测得的温度达到预设的干燥温度；将气体温度降低送入中温缓苏气体，直至对端的测温器测得的温度也达到预设的干燥温度；如此重复，直到干燥室内谷物含湿量达到预设的含湿量。
【专利说明】一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及谷物等粮食存放【技术领域】，特别是指一种耦合变温交变气流和振动的 厚层谷物干燥系统和方法。
【背景技术】
[0002] 对于中国这种人口大国，粮食等农副产品一直是极其重要的战略物资，关系到国 计民生。中国虽然是产粮大国，但是由于谷物干燥手段落后，据估算每年有高达粮食产量 5%的谷物由于来不及晒干或晾晒未达到安全水分而造成霉变、发芽。根据官方统计数字， 我国2013年粮食总产量60194万吨，损失高达3009. 7万吨。并且我国干燥降1. 0kg水分 需要能耗5000-8000kJ，发达国家这一指标仅为3344-4598kJ，我国谷物干燥能耗约为发达 国家的两倍。
[0003] 谷物干燥的本质是颗粒体系在干燥介质作用下的复杂热质耦合的传递过程，并在 干燥过程中使谷物的含湿量降低到14%左右，以利于安全储存。目前，实际应用的谷物干燥 技术主要有堆积床、流化床、喷动床干燥以及这些技术的组合。
[0004] 流化床干燥方法具有干燥速率高的优势，而喷动床干燥方法具有能耗低的优势； 但喷动床干燥方法的局限性在于可喷动的床层高度较小，且专门用于喷动床干燥方法的干 燥器难以放大，因此前实际应用较多的是流化床干燥方法。
[0005] 而堆积床（或称固定床）干燥方法所使用的设备具有结构简单、造价低廉、使用方 便的优势；而主要缺点是谷物干燥的均匀度比较低，谷层上部与下部的水分差比较大。现有 技术中采用换向通风来改善谷物干燥均匀度低的问题，但当床层厚度达到20cm时，其干燥 速率会下降。
[0006] 在流化床干燥方法中，谷物颗粒剧烈运动，能够与干燥介质接触充分，颗粒之间充 分交换，颗粒与干燥介质间的传热传质效率高，谷物颗粒层温度均匀，大大提高了干燥效率 和干燥品质。现有的流化床干燥方法，相比较堆积床干燥方法可降低50%的能耗。但谷物 干燥过程后期，谷物颗粒内部的湿扩散是控制过程，流化床干燥方法中过高的动力消耗对 干燥过程的促进作用大大降低，流化床干燥方法的高品质导致能源消耗高。此外，谷物持续 处于流态化不利于谷物颗粒内部的湿分均匀化，容易在谷物颗粒内引起应力。当谷物颗粒 表面区域湿度低于临界值时，可能会引起颗粒爆裂，导致谷物品质降低。
[0007] 现有技术中流化床干燥方法中引入振动可以使颗粒层在低于临界流化速度的风 速下具有较好的流动性，并进一步提高换热效率、降低热量消耗和动力能耗，已有研究成果 表明其能耗约为常规流化床干燥方法的55%。但是振动流化床干燥方法仍然不能解决厚 层、特别是大厚层干燥时的干燥均匀性问题。此外，尽管振动流化床干燥方法所需要的风速 比无振动激发的流化床干燥方法所需风速小，但为保证颗粒层的流化，风速的减小是有限 的，其作为干燥介质所提供的热量仍然可能超出了谷物颗粒水分移除过程所需要的热量， 特别是在干燥过程后期更为严重。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种既能够节省能源又能够提高谷物干燥效果 和干燥效率的厚层谷物干燥系统和方法。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种耦合变温交变气流和振动的厚层 谷物干燥系统，包括干燥室，所述干燥室的顶部和底部分别设有顶送风孔和底送风孔；还包 括温度检测系统、送风系统；其中所述温度检测系统包括设置于干燥室内待干燥谷物层顶 部的顶部测温器、底部的底部测温器、中部的中部测温器；其中所述送风系统包括加热器、 送风机、温控模块、送风控制模块；其中所述送风机分别与顶送风孔和底送风孔导通，所述 温控模块连接所述温度检测系统，并连接所述送风控制模块以使所述送风控制模块根据所 述温度检测系统的检测结果控制所述送风机为所述顶送风孔或底送风孔送风。
[0010] 其中，所述送风机通过换向器连接所述顶送风孔、底送风孔，以使所述送风机的出 风口与所述顶送风孔或底送风孔导通。
[0011] 其中，所述送风系统还可以采用双风机双加热器模式，从而简化切换过程。
[0012] 其中，所述加热器设有调温模块以调整所述加热器的加热温度。
[0013] 其中，所述干燥室内设有振动机构以对所述干燥室内的厚层谷物施加振动。如不 需要连续出料则可不施加振动，但干燥均匀性有所降低。
[0014] 其中，所述干燥室还连接用于回收废气余热的热交换器。
[0015] 其中，所述干燥室还包括排气管路，且所述排气管路上设有用于检测废气湿度以 根据湿度调节废气循环量的湿度检测系统。
[0016] 同时，本发明实施例还提出了一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方 法，包括：
[0017] 对干燥室送入正向高温干燥气体直到中部测温器测得的温度达到预设的干燥温 度；将气体温度降低送入中温缓苏气体，直至对端的测温器测得的温度也达到预设的干燥 温度；此时改变气体方向，对干燥室送入逆向高温干燥气体直到中部测温器测得的温度达 到预设的干燥温度；将气体温度降低送入中温缓苏气体，直至对端的测温器测得的温度也 达到预设的干燥温度；如此重复，直到干燥室内谷物含湿量达到预设的含湿量。
[0018] 具体的，所述方法为：
[0019] 步骤1、利用送风机对所述干燥室的顶送风孔或底送风孔向所述干燥室内的厚层 谷物送入高温干燥气流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数 达到预设的干燥温度后，利用送风机对当前送风孔通入中温缓苏气流；当与当前送风孔相 对的另一侧的测温器也达到预设的干燥温度后，停止对当前的送风孔进行送风；
[0020] 步骤2、利用送风机对步骤1中的当前送风孔相对的另一侧的送风孔送入高温干 燥气流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数达到预设的干燥 温度后，利用送风机对所述另一侧的送风孔通入中温缓苏气流；当步骤1中的送风孔一侧 的测温器也达到预设的干燥温度后，停止对所述另一侧的送风孔进行送风；
[0021] 步骤3、判断所述干燥室内的谷物是否达到预设含湿量，如果是则步骤结束，如果 否则返回步骤1。
[0022] 其中，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C ;所述中温缓苏气流的温度为 25--80°C。
[0023] 其中，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C;且所述预设的干燥温度比所述高 温干燥气流的温度低〇. 1°C?10°C。
[0024] 其中，所述方法还包括：在干燥时对所述厚层谷物可施加振动，如不需要连续出料 则可不施加振动，但干燥均匀性有所降低。
[0025] 其中，所述方法还包括：根据干燥后的废气的湿度来调节废气的循环量。
[0026] 其中，所述方法还包括：干燥后的废气在排入大气之前，利用新风通过换热器来回 收废气的余热，实现最大限度的余热回收。
[0027] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0028] 上述方案中，根据谷物颗粒内部的传热传质特性控制进入干燥室的热量、气流温 度和气流方向，使热输入与谷物干燥动力学过程相匹配。利用可变方向和温度的气流对谷 物进行干燥，可以获得更好的干燥质量、更高的干燥效率、更低的干燥能耗。本发明具有单 位体积干燥设备产量高、干燥和缓苏过程统一衔接、能耗低、干燥速度快、干燥产品质量高、 可连续干燥等优点。本发明中采用气流变温控制，引入缓苏过程，平缓了谷物颗粒内部的湿 份梯度，降低了谷物颗粒内的应力，进而减少了谷物颗粒的爆腰和破裂情况，最终改善了产 品质量。本发明中采用交变气流控制，在改善干燥质量的同时，通过改变气流方向保留可用 于干燥的热量，最大限度提高能源利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统的结构示 意图；
[0030] 图2为图1中的系统换向送风后的结构示意图；
[0031] 图3为利用本发明实施例的方法对厚层小麦进行干燥时的过程示意图。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0033] 本发明针对现有的谷物干燥方法能耗大的问题，特别是在厚层谷物或大厚层谷物 干燥时浪费大量能源的问题，提供一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法。
[0034] 如图1和图2所示，本发明实施例的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方 法包括：为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种耦合变温交变气流和振动的厚层 谷物干燥系统，包括干燥室，所述干燥室的顶部和底部分别设有顶送风孔和底送风孔；还包 括温度检测系统、送风系统；其中所述温度检测系统包括设置于干燥室内待干燥谷物层顶 部的顶部测温器、底部的底部测温器、中部的中部测温器；其中所述送风系统包括加热器、 送风机、温控模块、送风控制模块；其中所述送风机分别与顶送风孔和底送风孔导通，所述 温控模块连接所述温度检测系统，并连接所述送风控制模块以使所述送风控制模块根据所 述温度检测系统的检测结果控制所述送风机为所述顶送风孔或底送风孔送风。具体的还包 括设置于排气管路的湿度检测系统，用于检测废气的湿度，可根据该湿度来调节废气的循 环量。其中，为了实现换向送风，所述送风机通过换向器连接所述顶送风孔、底送风孔，以使 所述送风机的出风口与所述顶送风孔或底送风孔导通。
[0035] 由于本发明中不仅仅要实现换向送风，还需要不断改变送风的温度，因此所述加 热器设有调温模块以调整所述加热器的加热温度。具体调温方式可以参考以下的方法。
[0036] 为了连续干燥，所述干燥室内设有振动机构以对所述干燥室内的厚层谷物进行振 动。如果不要求连续性干燥和出料，在干燥过程中也可以不引入振动。
[0037] 其中，所述干燥室还包括设置于排气管路的湿度检测系统，用于检测干燥后废气 的湿度，可根据该湿度来调节废气的循环量，从而减少废气余热的浪费。
[0038] 其中，所述干燥室还连接用于回收废气余热的热交换器，以利用余热进行其他应 用，防止能源浪费。
[0039] 本发明可根据需要在干燥过程启动时首先从干燥室底部通入加热气流，也可以先 从干燥室顶部通入加热气流。
[0040] 其中，本发明中热量来源包括电、煤、油和天然气，并可以根据干燥需求调节供热 量，实现干燥过程的变温控制。本发明中所述的谷物包括小麦、水稻、大麦、高粱、绿豆、荞麦 等。本发明中干燥室内风速可以通过变频器控制，风速范围在〇. lm/S?20m/s。本发明中 振动的来源包括振动电机或专用激振器，振动频率可在0Hz?150Hz范围内连续可调。本 发明中干燥室内谷物层厚为2mm?1500_。本发明中干燥室的下端和上端具有风箱，风箱 与干燥室之间有布风板，具有流态化技术传热传质均匀、传热传质系数高等优点。本发明中 在干燥室前端有气流换向阀，实现干燥过程中的正向和逆向气流干燥。本发明中可根据干 燥后的废气的湿度来调节废气的循环量。本发明在排气在排入大气之前，利用新风通过热 交换器来回收废气的余热，实现最大限度的余热回收，提高能源利用率。本发明在排气在排 入大气之前，也可以利用热泵技术同时回收排气的显热和潜热。本发明在干燥室和管道外 壁具有隔热保温层，可以降低干燥室和管道与环境换热，降低热量损耗。
[0041] 同时，本发明实施例还提出了一种应用如前任一项所述系统的耦合变温交变气流 和振动的厚层谷物干燥方法，包括：
[0042] 步骤1、利用送风机对所述干燥室的顶送风孔或底送风孔向所述干燥室内的厚层 谷物送高温干燥气流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数达 到预设的干燥温度后，利用送风机对当前送风孔通入中温缓苏气流；当与当前送风孔相对 的另一侧的测温器也达到预设的干燥温度后，停止对当前的送风孔进行送风；
[0043] 步骤2、利用送风机对步骤1中的当前送风孔相对的另一侧的送风孔送高温干燥 气流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数达到预设的干燥温 度后，利用送风机对所述另一侧的送风孔通入中温缓苏气流；当步骤1中的送风孔一侧的 测温器也达到预设的干燥温度后，停止对所述另一侧的送风孔进行送风；
[0044] 步骤3、判断所述干燥室内的谷物是否达到预设含湿量，如果是则步骤结束，如果 否则返回步骤1。
[0045] 其中，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C ;所述中温缓苏气流的温度为 25--80°C。
[0046] 其中，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C;且所述预设的干燥温度比所述高 温干燥气流的温度低〇. 1°C?10°C。
[0047] 其中，所述方法还包括：在干燥时对所述厚层谷物可施加振动，如不需要连续出料 则可不施加振动，但干燥均匀性有所降低。
[0048] 其中，所述方法还包括：根据干燥后的废气的湿度来调节废气的循环量。
[0049] 其中，所述方法还包括：干燥后的废气在排入大气之前，利用新风通过换热器来回 收废气的余热，实现最大限度的余热回收。
[0050] 以先从底送风孔送风为例，本发明的方法具体为：
[0051] 首先从下方的底送风孔向干燥室谷物层通入干燥所需要的高温干燥气流；在干燥 室中部温度测点温度达到设定的干燥温度后，改为通入中温缓苏气流，使得高温加热过的 下部谷物层就地缓苏；且中温气流将高温谷物颗粒的热量置换出来提高自身温度，用于加 热干燥室上部的谷物颗粒。
[0052] 当上部谷物层达到高温后，即干燥室上部温度测点温度达到设定的干燥温度后， 改变气流方向和气流温度，从顶送风孔通入高温干燥气流，实现从反方向加热和干燥谷物 层。当干燥室中部温度测点温度达到设定的干燥温度后，再次改为从顶送风孔向干燥室通 入中温缓苏气流对上部谷物进行缓苏和热量置换，直到干燥室下部温度测点温度达到设定 的干燥温度。
[0053] 重复上述过程，即依次经历高温正向气流、中温正向气流、高温逆向气流、中温逆 向气流的循环干燥和缓苏过程，直至谷物达到预设的含湿量（可以为13% )。
[0054] 以下通过几个具体实例对本发明进行进一步说明。
[0055] 在本发明提出的变温交变气流谷物干燥模式下，我们称每次单向气流干燥过程为 一个干燥周期，其运行特征包括如下两个特点：
[0056] (1)在每个干燥周期内，干燥介质温度由T热风变为T缓苏；
[0057] (2)每经过一个干燥周期改变气流方向。
[0058] 干燥计划可分为启动阶段和运行阶段，第一个干燥周期为启动阶段，随后的干燥 周期为运行阶段，并按照既定规则循环往复运行。以先进行正向气流干燥为例，干燥过程具 体如图3所示：启动阶段（图3中tl至t6时刻），此阶段为交变变温干燥模式开始运行时 第一个干燥周期的流程。
[0059] 步骤A、谷物首先被单向热风沿流动方向逐层加热，形成如图3中tl至t3时刻所 示温度波分布，热风温度T热风，环境温度T常温。
[0060] 步骤B、在干燥室中部温度测点达到T热风时，降低来流温度至T缓苏，如图3中 t3、t4时刻所示。
[0061] 步骤C、随后温度为T缓苏的中温缓苏气流在已经达到T热风的床层中被下部谷物 颗粒加热，并用于加热后部处于T常温的上部床层，床层谷物颗粒温度波沿气流方向逐步 向上部推进，如图3中t4至t6时刻所示。此时上部的谷物床层处于T缓苏，实现降温缓苏 过程。
[0062] 在上述加热模式下，每一单向气流干燥过程前半周期利用热风干燥干燥室内下部 床层谷物，后半周期降低来流气体温度，并利用下部床层谷物的蓄热量干燥后部床层谷物。 与薄层谷物干燥相比，此干燥过程中热量用于厚层谷物干燥，可以最大限度的降低排放气 体的温度，实现节能的效果。但后半周期干燥室下部床层谷物的降温必须同时满足：
[0063] (1)风温由T热风变为T缓苏后，原处于T热风的下部谷物床层降温所提供的热量 必须满足处于T常温的上部床层谷物的排湿所需热量要求；
[0064] (2)风温由T热风变为T缓苏后，加热温度和速度须满足干燥室下部床层谷物缓苏 过程的温度与时间要求。
[0065] 运行阶段（图3中t7至t9时刻），此阶段为系统进入正常运行阶段后每个干燥周 期的流程。
[0066] 步骤D、当干燥室内最上层谷物颗粒达到T热风后，如图3中t6时刻，改变气流方 向且气流温度维持在T热风，向干燥室内补充上个周期谷物内水分蒸发所消耗热量，如图3 中t7时刻。
[0067] 步骤E、当中部温度测点达到T热风时，降低来流温度至T缓苏，如图3中t8、t9时 刻所示。
[0068] 步骤F、在随后的干燥过程中，镜像上述运行过程即可实现谷物的交变变温干燥过 程。
[0069] 在干燥过程中引入振动，通过控制颗粒体系的振动条件和气流条件，实现控制颗 粒的动态分布和对流运动，提1?干燥均勻性或进一步提1?料层厚度。
[0070] 以下为一个示例具体描述本发明提供的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干 燥方法。
[0071] 搭建一套耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥实验台，包括干燥室、气流换 向装置、送风装置、加热装置、振动装置、余热回收装置等。干燥室中放入小麦，物料层厚度 15cm〇
[0072] 首先打开振动装置，将振幅和振动频率分别固定在1mm和30Hz。
[0073] 同时打开风机和电加热器，将气流温度调节为60°C，气流速度调节为lm/s ;
[0074] 当干燥室中部温度测点达到59. 8°C时，改变气流温度为40°C ;
[0075] 当沿此次干燥气流方向的干燥室最远端温度达到59. 8°C时改变气流方向，并将气 流温度调节为60°C ;
[0076] 当干燥室中部温度测点再次达到59. 8°C时改变气流温度为40°C ;
[0077] 当沿此次干燥气流方向的干燥室最远端温度达到59. 8°C时，再次改变气流方向， 并将气流温度调节为60°C ;
[0078] 不断重复上述过程，直至小麦的含湿量低于13%时实验结束。
[0079] 通过此干燥方法干燥小麦，小麦的干燥质量高，干燥速率快，干燥能耗低。
[0080] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，包括干燥室，其特征在于，所 述干燥室的顶部和底部分别设有顶送风孔和底送风孔；还包括温度检测系统、送风系统； 其中所述温度检测系统包括设置于干燥室内待干燥谷物层顶部的顶部测温器、底部的底部 测温器、中部的中部测温器；其中所述送风系统包括加热器、送风机、温控模块、送风控制模 块；其中所述送风机分别与顶送风孔和底送风孔导通，所述温控模块连接所述温度检测系 统，并连接所述送风控制模块以使所述送风控制模块根据所述温度检测系统的检测结果控 制所述送风机为所述顶送风孔或底送风孔送风。
2. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述送风机通过换向器连接所述顶送风孔、底送风孔，以使所述送风机的出风口与所述 顶送风孔或底送风孔导通。
3. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述送风系统还可以采用双风机双加热器模式，从而简化切换过程。
4. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述加热器设有温控模块以调整所述加热器的加热温度。
5. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述干燥室内设有振动机构以对所述干燥室内的厚层谷物进行振动。
6. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述干燥室还连接用于回收废气余热的热交换器。
7. 根据权利要求1所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥系统，其特征在 于，所述干燥室还包括排气管路，且所述排气管路上设有用于检测废气湿度以根据湿度调 节废气循环量的湿度检测系统。
8. -种耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，包括： 步骤1、利用送风机对所述干燥室的顶送风孔或底送风孔向所述干燥室内的厚层谷物 送入高温干燥气流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数达到 预设的干燥温度后，利用送风机对当前送风孔通入中温缓苏气流；当与当前送风孔相对的 另一侧的测温器也达到预设的干燥温度后，停止对当前的送风孔进行送风； 步骤2、利用送风机对步骤1中的当前送风孔相对的另一侧的送风孔送入高温干燥气 流；读取中部测温器的当前温度读数，当所述中部测温器的温度读数达到预设的干燥温度 后，利用送风机对所述另一侧的送风孔通入中温缓苏气流；当步骤1中的送风孔一侧的测 温器也达到预设的干燥温度后，停止对所述另一侧的送风孔进行送风； 步骤3、判断所述干燥室内的谷物是否达到预设含湿量，如果是则步骤结束，如果否则 返回步骤1。
9. 根据权利要求8所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，其特征在 于，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C ;所述中温缓苏气流的温度为25°C?80°C。
10. 根据权利要求8所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，其特征在 于，所述高温干燥气流的温度为60°C?200°C;且所述预设的干燥温度比所述高温干燥气流 的温度低〇. 1°C?10°C。
11. 根据权利要求8所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，其特征在 于，所述方法还包括：在干燥时对所述厚层谷物可施加振动。
12. 根据权利要求8所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，其特征在 于，所述方法还包括：根据干燥后的废气的湿度来调节废气的循环量。
13. 根据权利要求8所述的耦合变温交变气流和振动的厚层谷物干燥方法，其特征在 于，所述方法还包括：干燥后的废气在排入大气之前，利用新风通过换热器来回收废气的余 热，实现最大限度的余热回收。
【文档编号】A23B9/08GK104101200SQ201410354431
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】王立, 童莉葛, 尹少武, 刘传平, 贾超 申请人:北京科技大学