小麦流态化干燥实验关联式及在热泵流化床谷物干燥中的应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.028 第27卷第1期 北京科技大学学报 Vol.27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 小麦流态化干燥实验关联式及在热泵流化床 谷物干燥中的应用 向飞杨晶王立童莉葛 北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京100083 摘要基于流化床干燥理论，采用热风循环充分的电热烘箱作为干燥器，对小麦进行了一 系列的薄层干燥实验研究，模拟小麦流态化干燥过程，总结出适用于流化床小麦干燥时间预 测的经验回归公式.开发了热泵流化床谷物干燥实验系统，并将小麦干燥的经验回归公式应 用于此实验台的干燥实验过程.结果表明，小麦干燥经验回归式可用于预测小麦在流态化条 件下的干燥时间，所开发的热泵流化床谷物干燥装置经济性合理，有市场应用前景. 关键词小麦：流态化：回归：热泵：干燥 分类号S226.6 提高粮食干燥质量和机械化干燥能力是我 1小麦流态化干燥模拟实验研究 国粮食生产急需解决的问题，开发一种高效、节 能、符合环保要求、安装移动灵活的谷物干燥设 在使用流化床对小麦进行干燥时，小麦颗粒 备以配合机械化专业收割已成为社会和农业发 与干燥空气充分接触，实质上是单颗粒小麦与其 展的迫切需要.流化床具有温度均匀、高传热传 周围干燥介质—一空气间的传热与传质.小麦在 质率的特点，适用于干燥领域，热泵具有高效 实际干燥过程中主要处于降速干燥阶段.在此阶 节能、环保的优点，制热量一般为其电能消耗的 段里，对干燥速度起决定作用的是内因，即小麦 2~5倍.所以将热泵与流化床相结合，开发灵活、 内部水分向小麦颗粒表面的扩散.因此，影响干 方便、经济性合理的谷物干燥设备是发展趋势。 燥过程的因素主要为颗粒的传热传质特性、颗粒 就干燥设备而言，干燥时间是很重要的参数. 的初始含湿量、空气的温度和湿度等，在流化床 干燥时间的确定依赖于谷物颗粒干燥过程的预 中，形成流态化所需的风速大大高于将小麦表面 测，目前国内外有关颗粒干燥过程研究多基于传 水分及时带走所需的风速，所以在实验过程中不 质和传热微分方程，建立单颗粒传热传质模型， 考虑干燥介质流速对干燥的影响 结合相应的初始和边界条件进行离散求解 基于以上原因，可以采用小麦在筛网容器 本文基于流化床干燥的物理过程，对小麦在 中，薄层条件下，微风烘干箱内的干燥实验数据 各种条件下的干燥过程进行了实验模拟研究，并 来指导小麦流态化干燥实验. 以大量的实验数据为基础，回归了可用于预测小 1.1小麦薄层干燥实验 麦干燥时间的经验关联式.设计安装了热泵流化 本实验采用方形不锈钢丝网容器，其上放置 床谷物干燥实验系统，实验确定了适用于热泵流 单层小麦（实验所采用的小麦为“中优9507”，是 化床谷物干燥的最佳空气循环方案，验证了小麦 我国北部冬小麦中最有推广价值的小麦新品种) 干燥过程预测经验关联式，并对热泵流化床谷物 后，将容器放入具有均匀温度场（温度波动±1℃） 干燥设备的经济性进行了分析， 的微风烘干箱.实验条件如表1所示.在实验中， 共选取了三种干燥温度(60℃，70℃和80℃，处于 收精日期：2003-09-24修回日期：2004-11-10 基金项目：教育部科学技术研究重点项目(No.00020) 热泵干燥的理想温度范围)；小麦实验样品的初 作者简介：向飞(1977一)，男，博士研究生 始含湿量分为：18%，20%，22%，24%和26%共五

第 2 7 卷 第 1期 2 0 0 5 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n vi e sr yit o f S e i e n e e a n d Te e h n o of yg B e ij ni g V b l . 2 7 N O . l F e b . 2 0 0 5 小麦流态 化干燥实验关联式及在热泵流化床 谷物干燥 中的应用 向 飞 杨 晶 王 立 童莉葛 北 京科技 大学机 械工程 学 院热能 工 程系 , 北 京 10 0 幻 摘 要 基于 流化床 干燥 理论 , 采用 热风循 环充 分 的 电热 烘箱作 为干 燥器 , 对 小麦 进行 了一 系列 的薄层干 燥 实验研 究 , 模 拟小 麦流态 化千 燥过 程 , 总结 出适 用于流 化床 小麦干 燥 时间预 测的经 验 回归 公式 . 开 发 了热泵流 化床 谷物干 燥实 验系 统 , 并将 小麦 干燥 的经验 回归 公式应 用于此 实验 台 的干燥 实验过 程 . 结 果表 明 , 小 麦干燥 经验 回归式 可用 于预测 小麦 在流态 化条 件下 的干燥 时 间 , 所 开发 的热泵流 化床 谷物 干燥 装置经 济性 合理 , 有市 场应用 前景 . 关键词 小麦 ; 流 态化 ; 回归 ; 热泵 ; 干燥 分类 号 5 2 2 6 . 6 提 高粮 食 干 燥 质 量 和机 械 化 干 燥 能 力 是 我 国粮 食 生产 急 需解 决 的 问题 , 开 发一 种 高效 、 节 能 、 符合 环保 要 求 、 安 装移 动灵 活 的谷 物干 燥 设 备 以配合 机 械 化 专业 收 割 已 成为 社 会和 农 业 发 展 的迫 切 需要 . 流化 床 具有 温度 均 匀 、 高传 热 传 质 率 的特 点 , 适 用 于干燥 领 域 〔叨 ; 热泵 具 有高 效 节 能 、 环 保 的优 点 , 制 热量 一般 为 其 电能 消耗 的 2一5 倍 . 所 以将 热 泵与 流化 床 相结 合 , 开发 灵活 、 方 便 、 经济 性合 理 的谷物 干燥 设备 是 发展趋 势 . 就干燥 设备而言 , 干燥 时间是很 重要 的参 数 . 干 燥 时 间 的确 定 依赖 于 谷物 颗粒 干 燥过 程 的预 测 , 目前国 内外 有关颗 粒 干燥 过程 研究 多基 于传 质和传 热 微 分方 程 , 建 立 单颗 粒传 热传 质 模型 , 结合 相应 的初 始 和边 界 条件 进行 离 散求 解’ls,] . 本 文基 于流 化床 干燥 的物 理 过程 , 对 小麦 在 各 种条 件下 的干燥 过程 进 行 了实验 模拟研 究 , 并 以大量 的实 验数 据为 基础 , 回归 了可用 于预 测小 麦干燥 时 间 的经 验关 联 式 . 设计 安装 了热泵 流化 床谷物 干燥 实验 系统 , 实验确 定 了适用 于热 泵流 化床谷 物干 燥 的最佳 空气 循环 方案 , 验 证 了小麦 干燥过 程预 测经 验关 联式 , 并对热 泵流 化床 谷物 干燥 设备 的 经济性进 行 了分 析 . 收稿 日期 : 20 0 3刁9 一2 4 修 回 日期 : 2 0 0小1 1 一 1 0 基金项 目 : 教育部科 学技 术研 究重点 项 目 (N 。 刀0 0 2 0) 作 者简介 : 向飞 (I 9 7 -7 一 ) , 男 , 博 士研 究生 1 小麦 流 态 化 干燥 模 拟实验 研 究 在使 用流 化床 对 小麦进 行干 燥 时 , 小麦 颗粒 与干 燥空 气充 分接触 , 实质 上是 单颗粒 小麦 与其 周 围干燥 介质— 空气 间的传热 与传 质 . 小 麦在 实 际干燥 过程 中主 要处 于 降速 干燥 阶段 . 在 此阶 段 里 , 对 干燥 速度 起 决 定作用 的是 内因 , 即小麦 内部水 分 向小 麦颗 粒表 面 的扩 散 . 因此 , 影 响干 燥过 程 的 因素 主要 为颗 粒 的传 热传 质特 性 、 颗粒 的初 始 含湿 量 、 空气 的温度 和 湿度 等 . 在 流 化床 中 , 形成 流 态化所 需 的风速 大大 高于 将小麦 表面 水 分及 时带走 所 需的风 速 , 所 以 在实 验过程 中不 考 虑干 燥 介质 流速 对 干燥 的影 响’ 5 一 刀 . 基 于 以上 原 因 , 可 以采 用 小麦 在 筛 网 容器 中 , 薄层 条件 下 , 微 风烘 干 箱 内 的干燥 实验 数据 来 指 导小 麦流 态 化干 燥实 验 . L l 小麦 薄层 干燥 实验 本 实验采 用 方形 不锈 钢丝 网 容器 , 其上 放 置 单 层 小麦 ( 实验 所采 用 的小麦 为 “ 中优 9 5 0 7 ” , 是 我 国北部 冬小 麦 中最 有推广 价 值 的小麦 新 品种) 后 , 将 容器 放 入具 有均 匀温 度场 (温度波 动划 ℃ ) 的微风 烘 干箱 . 实验条 件如 表 1 所示 . 在实验 中 , 共 选 取 了三种 干燥 温 度 (60 ℃ , 70 ℃ 和 80 ℃ , 处 于 热 泵干 燥 的理 想温 度 范 围) ; 小麦 实验 样 品的初 始 含湿 量 分 为 : 18 % , 2 0% , 2 % , 2 4% 和 2 6% 共 五 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 028

·110· 北京科技大学学报 2005年第1期 组.为了获得不同含湿量的小麦，首先将样品小 其中，t为干操温度（℃），RH为空气相对耐湿度. 麦在120℃烘箱中连续加热24h到质量几乎不 C,=17.7,C2=99.0,C3=799.2 变，求出样品小麦的初始含湿量：然后根据实验 图2给出烘箱温度为80℃，各种不同初始湿 需要，对小麦样品分别加水复湿得到各种含湿量 基含湿量条件下，小麦含湿量比率MR随干燥时 的小麦样品 间t的变化关系.图中对应的回归公式通式为： 实验过程为：首先设定烘箱温度，将一定含 MR=exp(-At). 湿量的小麦放入方形不锈钢丝网容器中，平铺为 其中，系数A=A(tRH,M).研究表明例，RH<0.15 单颗粒薄层，称重后放入烘箱，并在不同干燥时 时，对干燥速度的影响很小，可以忽略.在烘箱中 刻取出小麦样品进行称量（采用JA3031电子天 干燥时，RH<0.15,故参数A=A(1,M) 平，读数精度1mg),得出小麦含湿量随干燥时间 1.0- 变化的关系 0.9 湿基含湿州 湿基含湿量Mw计算公式和干基含湿量M:计 0.7 算公式为： g t5女4项 。18% 口20% 422% M.="m-m×100%:M,=m-m×100%. 如 0.5 m m ×24% 其中，m,为干燥到第时刻小麦样品的质量，m。为 0.3 黑26% 小麦样品绝对干燥后的质量，即小麦样品在 0.1L 120℃烘箱中干燥24h以上的质量. 0 20 40 60 80 1.2实验结果及其关联式 T燥时间/min 图】给出烘箱温度为80℃，各种不同初始湿 图280℃时小麦含湿量比率与随干燥时间的关系 基含湿量条件下，小麦干基含湿量随干燥时间的 Fig.2 RM evolution of wheat at a drying temperature of 变化关系.在生产实践和样品制作的过程中通常 80℃ 采用湿基含湿量较直观，而在模型构建时采用干 13小麦薄层干燥实验数据的回归处理 基含湿量更为简便，因此本文中的原始实验数据 通过大量的实验测量，绘制出各干燥温度， 都采用湿基含湿量表达，而在进行回归分析时， 各初始含湿量下的小麦含湿量比率与干燥时间 利用上述的含湿量计算公式将含湿量转换为干 的关系曲线MR一t曲线).对实验数据进行回归 基含湿量表达 处理，得到小麦薄层干燥的数据回归经验公式： 为了使回归公式形式简单，采用含湿量比率 MR=exp(-At) (1) MR作为公式因变量MR的定义式为： A=yo+bit+b2 DM MR效0 式中， %=-7.6316×103,b=5.8817×104,b2=-6.5137× 其中，M为初始含湿量，M为任意时刻颗粒含湿 10,t为干燥室温度（℃），DM=(M一M.)×100.适 量：M.为平衡含湿量，计算方法如下网： 用范围60℃<t<80℃，干操过程中RH<0.15 M.= in(C)In(RH)]) -C, 1.4RH的影响及公式修正 40 为了验证式(1)的合理性，使用热泵流化床干 湿基含湿量 燥样机进行了一系列的相关实验.实验数据与统 918% 020% 计结果表明：式(1)的计算结果与实验测定的数 ·22% 据有偏差，因为在流化床的干燥过程里，床层中 ×24% 空气相对湿度RH接近0.40.5：当热风相对湿度 ￥26% 15F RH增大时，偏差增大，因此必须考虑RH的影响 1 进行修正， 20 40 ⑦ 80 对实验数据进行整理计算，绘制出60℃， 干燥时间/min 图1烘箱80℃时各初始湿基含湿量的小麦干燥曲线 70℃和80℃干燥时，热风相对湿度RH对千燥过 Fig.I Moisture evolution of wheat under different initial 程的影响曲线，见图3.对曲线进行处理，引入修 moistures (wet basis)at a drying temperature of 80C 正系数B,这样式(1)修正为：

. 1 1 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 l 期 组 . 为 了 获得 不 同 含湿 量 的 小麦 , 首先将 样 品 小 麦 在 120 ℃ 烘 箱 中连 续加 热 24 h 到质 量 几 乎 不 变 , 求 出样 品 小麦 的初 始 含湿 量 ; 然 后 根据 实验 需 要 , 对 小 麦样 品分别 加水 复湿得 到 各种含 湿量 的小麦 样 品 . 实验 过程 为 : 首 先设 定烘 箱 温度 , 将一 定含 湿量 的小 麦放 入 方 形不 锈钢丝 网容器 中 , 平 铺 为 单颗 粒 薄层 , 称 重后 放 入 烘箱 , 并在 不 同干燥 时 刻 取 出小麦 样 品 进 行称 量 (采 用 JA 3 O31 电子天 平 , 读 数精 度 l m g) , 得 出小 麦含 湿 量随 干燥 时 间 变 化 的关系 . 湿 基 含湿 量 Mw 计 算公 式和 干基 含湿 量从 计 算 公式 为 : 其 中 , t为 干燥 温度 ( ℃ ) , R H 为 空气 相 对 湿 度 . C ; “ 17 . 7 , G = 9 9 . 0 , G = 7 9 9 . 2 . 图 2 给 出烘 箱温 度 为 80 ℃ , 各种 不 同 初 始 湿 基含 湿量 条 件 下 , 小麦 含 湿量 比 率 M R 随 千燥 时 间 : 的变 化 关系 . 图中对 应 的 回归 公 式通 式 为 : 人星双= e x P ( 一 A T ) . 其 中 , 系数 A = A (t , RH , 冠 ) . 研 究 表 明 「9] , RH < 0 . 巧 时 , 对 干燥 速度 的影 响很 小 , 可 以忽 略 . 在烘箱 中 干 燥 时 , R H < 0 . 15 , 故参 数A = A (t, 城 ) . 1 . 0 U . 9 湿基 含湿量 今 18% 口 2 0% △ 2 2% wM 一 望三 夕如、 10 ;0/ 从 二 竺 二 鱼 又 10 % . 阴 万 m J 其 中 , m 为干燥 到第 i 时刻 小 麦样 品的质 量 , m 。 为 小 麦 样 品 绝 对 干 燥 后 的 质 量 , 即 小 麦 样 品 在 12 0 ℃ 烘 箱 中干燥 24 h 以上 的质 量 . L Z 实验 结 果 及其 关联 式 图 1 给 出烘 箱温 度 为 8 0o C , 各 种 不 同初始 湿 基 含湿 量 条件 下 , 小麦干 基 含湿 量 随干燥 时 间 的 变化 关系 . 在 生产 实践和 样 品 制作 的过程 中通 常 采用湿 基含 湿量 较直 观 , 而在模 型 构建 时采用 干 基含湿 量 更为 简便 . 因此 本文 中 的原始 实验数 据 都采 用湿 基 含湿 量表 达 , 而在 进行 回归分 析 时 , 利用 上 述 的含 湿 量 计算 公 式 将 含湿 量 转换 为干 基含湿 量 表 达 . 为 了 使 回 归公 式 形 式简 单 , 采用 含湿 量 比 率 M R 作 为 公式 因变 量【8,91 . M R 的定 义式 为 : : x ,?: 一 ; : , ,三莎 铃绍喇赌如 图 2 Fig . 2 8 0 oC 0 2 0 4 0 6 0 8 0 干燥时间 /m in 8 0℃ 时小 麦含 湿量 比率 与随 干燥 时 间的 关 系 R M e v o lu it o n o f w h e a t a t a d叮 i n g t e m P e r a tu er o f 1.3 小 麦薄 层 干燥 实验 数 据 的 回 归 处理 通过 大 量 的实 验测 量 , 绘 制 出各 干燥 温 度 , 各 初 始含 湿 量 下 的 小麦 含 湿 量 比 率与 干 燥 时 间 的关系 曲线 (M R一 r 曲线 ) . 对 实 验数 据进 行 回归 处 理 , 得 到 小麦 薄层 干燥 的数 据 回 归经验 公 式 : ! M R 一 ” x p ( 一 A丁 ) 日 二 y0 十b l +t b Z D M ( l ) 、 , 1切 ~ K 二 刀1 . 丁 ` 一一从下 二 几1 一 几1 。 其 中 , 似 为初 始 含湿 量 , M 为任 意 时刻 颗 粒含 湿 量 ; 从 为平 衡含湿 量 , 计 算 方法 如 下「9] : ! 一 l : l(+t G ) I n ( R H )飞1 几夕 , = i 奋干 一 I n ! — ! 奋 ( 七 z L 一 七3 」J 4 0 3 5 2 0 l 5硫琳 。 湿基含湿量 心 1 8% D 2 0% ` 2 2 % X 2 4% X 2 6 % 式 中 , y0 = 一 7 . 63 1 6 火 10 一 , , b , = 5 . 88 1 7 只 10 一月 , b Z 二 一 6 . 5 13 7 x 10 一` , r为干 燥 室温 度 ( oC ) , D M 二 (城 一 从 ) ` 10 0 . 适 用 范 围 60 ℃ < t < 80 ℃ , 干燥 过 程 中 R H < 0 . 1 5 . 1.4 R l l 的影 响及 公式 修 正 为 了验证 式 ( l) 的合理 性 , 使 用热 泵流化 床 干 燥样 机 进行 了一 系列 的相 关实 验 , 实验 数据 与 统 计 结果 表 明 : 式 ( l) 的计 算结 果 与 实验 测定 的 数 据有 偏 差 , 因 为在流 化 床 的干燥 过 程 里 , 床 层 中 空气 相 对湿 度 R l l 接近 .0 4 一 .0 5 ; 当热 风相 对 湿 度 R H 增 大 时 , 偏 差增 大 , 因 此 必须 考 虑 R H 的影 响 进 行修 正 . 对 实验 数 据 进 行 整 理 计 算 , 绘 制 出 60 ℃ , 70 ℃ 和 8 0℃ 干燥 时 , 热风 相 对湿 度 R I】对 千燥 过 程 的 影响 曲线 , 见 图 3 . 对 曲线 进 行 处 理 , 引入 修 正系 数B , 这 样 式( 1) 修 正 为 : 0帐礼此 1、 气 ù JZ 求、崛敬哗瑙平 类熟狱夯数。 1 0 L 一一 - 一一一一一山一 一一一一上 0 2 0 4 0 6 0 8 0 干燥时间/m in 图 1 烘箱 8 0℃ 时 各初 始湿荃 含湿 量 的小麦 干燥 曲线 F ig · 1 M o i s t u r e e v o l u ti o n o f w h e a t u n d e r d in沁理n t i n iit a l m o is t u r e s (w e t b a s i s ) a t a d ’Iy i n g t e m P e r a t u er o f 8 0 aC

VoL27 No.1 向飞等：小麦流态化干燥实验关联式及在热泵流化床谷物干燥中的应用 111◆ 1.7 阀6 m1.5 阀 流化床 1.3 1.1 阀4 0.9l 0.300.350.400.450.500.550.60 阀3 蒸发器 膨胀阀 空气相对湿度RH 压缩机 图3修正系数B随RH的变化趋势及拟合曲线 阀2 冷凝器 Fig.3 Change of B with RH and fitting curve 阀7 MR=ex-合 热泵工质流向 →空气流向一 》谷物流向···中 图4热泵流化床谷物干燥设备样机系统流程示意图 A=yo+bit+b2 DM (2) Fig.4 Schematic diagram of a model fluidized bed dryer DM=(M-M)×100 with heat pump RH B=y+A:exp 式中，%=-7.6316×103，b1=5.8817×10,b2= -6.5137×104,4=0.94288,42=5.24×10-3,4= 0.12038.适用范围60℃<t<80℃，初始含湿量（湿 流化床 基)18%-26%. 在小麦薄层干燥过程中，已知干燥温度 《℃)，热风相对湿度RH和小麦的初始含湿量M, 利用式(2)就可求出干燥进行过程中任意时刻的 蒸发器 小麦含湿量.注意干燥时间的单位选用min,在计 冷凝器 算过程中的小麦含湿量M为干基含湿量 新风 空气流向一 图5流化床出口空气不经过蒸发器的闭路式循环 2热泵流化床谷物干燥系统 Fig.5 Closed cycle.Air from the fluidized bed does not pass through the evaporator 21热泵流化床谷物干燥装置 自行设计制造了热泵流化床谷物干燥样机， 2.2装置性能及经验关联式的验证 如图4.流化床干燥室尺寸为1.2m×0.28m,静态 对修正的回归式(2)进行了实验验证，实验条 床层高度0.5m,布风板为直流型开孔率为 件为：环境温度。=30℃，环境空气的相对湿度 11.6%,在布风板上铺一层金属网以防漏料，床 RH=0.68:在实验过程中，流化床入口平均温度 层内空气流速1.0-1.2m/s. ≈68℃，床层（出口）平均温度（即干燥温度） 为了解干燥介质（空气）循环方式对热泵性能 。=47℃，干燥室内空气相对湿度RH=0.3:小麦质 乃至整个系统干燥性能的影响，基于图4所示的 量100kg,小麦湿基含湿量M从21.3%下降至 干燥系统，制定了实验方案14，各方案通过阀 13%用时约60min.换算为小麦干基含湿量 门1~7的开闭实现.通过一系列实验，确定了设 M=27.06%,M=14.94%.通过计算求出： 备空气循环的最佳方案如图5，图中省略了风机、 小麦在环境中的平衡含湿量M=15%. 压缩机和阀门等部件， 小麦在床层中的平衡含湿量M.=8.7%. 图5中，热泵蒸发器从环境空气中获得热量 根据以上实验条件带入小麦干燥回归公式 传给热泵工质，干燥床中排出的部分废气（温度 中进行计算，计算结果如图6. 高于室温，相对湿度接近饱和)通过加入部分新 由于流化床为卧式，布风板长宽比大于4，在 风(10%一20%)降低相对湿度，在冷凝器中加热进 干燥过程中，沿流化床的长度方向存在温度和空 入流化床循环使用. 气湿度的不均匀，表现为干燥前期和后期的实验

V b l . 2 7 N O . l 向飞 等 : 小麦 流 态 化干燥 实验 关联 式及 在热泵 流化 床谷 物干燥 中的应用 阀 6 阀 1 流化床 奋 . . … 戴畴日渔勺 阀 4 阀 5 风 机 0 . 9 一 0 . 3 0 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 0 . 5 5 0 . 6 0 空气相对湿度 R H 图 3 修正 系数 B 随 R H 的变 化趋势 及拟 合 曲线 F gi . 3 C h a n g e o f B wi th R l l a o d n t ni g e u vr e 阀 3 蒸发鑫 膨胀阀 阀 2 压缩机 冷凝器 一 ~ ~ ~ . ~ 一 ~ ~ . - . . . . . . . . … … , 一 ~ ~ ~ ~ ~ . - 二 阀 7 M R一 p { 一剖 热泵工质流向一一一) 空气流 向 - - - , 卜 谷物流 向… 申 A = 为+ b l +t b Z D M D M = 似 一 从 ) x l 0 0 。 一 ly +A 2 e xP 畔! 图 4 热泵 流化床 谷物 干燥 设备样 机系 统流 程示意 图 ( 2 ) F i g . 4 S c h e m a it e d i a g r a m o f a m o d e l fl u id 晚 e d b e d d叮e r w i th h e a t P u m P 式 中 , 为 = 一 7 . 6 3 1 6 x l 0 一 , , b l = 5 . 8 8 1 7 x l 0 一 4 , b Z = 一 6 . 5 13 7 x l 0 一` , y l = 0 . 9 4 2 88 , A Z = 5 . 24 x l 0 一 , , t l = 0 . 12 0 3 8 . 适用 范 围 60 ℃ < t < 80 ℃ , 初始 含 湿量 (湿 基 ) 18% 一 26 % . 在 小 麦 薄 层 干 燥 过 程 中 , 己 知 干 燥 温 度 戏℃ ) , 热 风 相对湿 度 R壬1和 小麦 的初始 含湿 量冠 , 利用 式 (2 ) 就 可求 出干 燥 进行 过程 中任 意 时刻 的 小麦 含湿量 . 注 意干燥 时间 的单位 选用 m in , 在计 算过 程 中 的小麦 含湿 量 M 为 干基 含湿 量 . 流化床 l 蒸发器 冷凝器 - 新风 空气流向 一 2 热 泵 流 化 床 谷物 干燥 系 统 .2 1 热 泵流 化 床谷 物 干燥 装置 自行 设计 制造 了热 泵流 化床 谷物 干 燥样 机 , 如 图 4 . 流 化 床干 燥 室尺 寸 为 l . Z m xo .2 8 m , 静态 床 层 高 度 .0 5 m , 布 风 板 为 直 流 型 开 孔 率 为 1 . 6 % , 在 布 风板 上铺 一层 金 属 网 以防漏 料 , 床 层 内空气流 速 1 . 0一 1 . 2而 5 . 为 了解干燥 介质 ( 空气 )循 环方 式对热 泵性 能 乃 至整 个系 统 干燥 性 能的 影 响 , 基 于 图 4 所示 的 干 燥系 统 , 制 定 了实验 方案 1~4 l0[] , 各 方案 通过 阀 「〕 1一7 的开 闭实现 . 通 过一 系列 实 验 , 确 定 了设 备 空气循 环 的最佳 方案 如 图 5 , 图中省略 了风机 、 压 缩机 和 阀门等 部件 . 图 5 中 , 热 泵 蒸发 器 从环 境 空气 中获 得热 量 传 给 热泵 工质 , 干燥 床 中排 出的部 分废 气 (温 度 高于 室温 , 相对湿 度 接近 饱 和 ) 通 过加 入 部分 新 风 ( 10% 一 20 % )降低 相 对湿 度 , 在冷 凝器 中加热 进 入 流 化床 循环 使 用 . 图 5 流化床 出 口 空气 不 经过 蒸发 器 的闭路式 循环 F ig . 5 C l o s ed cy e l e . lA r fr o m t h e if u id is ed b e d d o e s n o t P a s s th or u g h th e e v a P o r a t o r .2 2 装置 性 能及 经验 关联 式 的验 证 对 修正 的 回归式 (2) 进 行 了实验 验证 . 实 验条 件 为 : 环 境温 度 t0 = 30 ℃ , 环境 空 气 的相对 湿 度 R H o = .0 68 ; 在 实验 过程 中 , 流 化床 入 口 平 均温 度 it 二 68 ℃ , 床 层 ( 出 口 ) 平 均温 度 ( 即干 燥 温度 ) ot =4 7 ℃ , 干 燥 室 内空气 相 对湿 度 R H = .0 3 ; 小 麦质 量 10 0 gk , 小 麦湿 基 含 湿 量 Mw 从 21 . 3% 下 降至 13 % 用 时 约 60 m in . 换 算 为 小 麦 干 基 含 湿 量 从 i = 27 .0 6 % j 儿 。 =l .4 94 % . 通 过 计算 求 出 : 小麦 在 环境 中 的平 衡含湿 量弄丈 。 = 巧% . 小麦在 床层 中 的平 衡含湿 量 从=8 . 7% . 根据 以上 实验 条 件 带 入 小麦 干 燥 回 归 公式 中进行 计 算 , 计 算结 果如 图 6 . 由于 流化 床为 卧式 , 布 风板 长宽 比大于 4 , 在 干 燥过程 中 , 沿 流化床 的长 度方 向存 在温度和空 气 湿度 的不 均匀 , 表现 为干 燥前 期和 后期 的实验

·112· 北京科技大学学报 2005年第1期 0.30 表1热泵流化床谷物干燥样机连续运行技术指标 + 0.25 实验值 Table 1 Technical properties of the model fluidzed bed 0.20 一计算值 dryer with heat pump in continuous operation 地0.15 降湿范围（湿基）% 7*7*10*10** 0.10 样机容量kg 100100100100 0.05 空气入口温度/℃ 70 8070 80 35 45 30 0 千燥时间/min 25 0 20 4060 80 100 产量/kgh 171140133200 干燥时间min 能耗kJ(kg水) 165911841488994 图6样机实验测量值与公式计算值的比较曲线 注：*含湿量由20降至13%：*含湿量由23降至13% Fig.6 Comparison between experimental and calculated results 3 结论 值与计算值误差较大，但实验值与计算值的最大 相对误差小于3%，可以满足生产要求，这证明前 (1)以小麦为干燥对象，通过薄层干燥实验， 期的设想是可行的， 对其干燥特性曲线进行研究，综合分析各种影响 23热泵流化床谷物千燥系统的经济性分析 因素，经过合理简化，回归出适用于指导流化床 采用图5所示的空气循环流程，进行了一系 小麦干燥生产的经验公式，并通过样机实验对其 列干燥实验，对热泵流化床干燥样机的性能进行 可行性进行了验证，结果表明：以实验为基础，以 了全面的测定.图7为蒸发器回路风量是2500 干燥温度、空气相对湿度和谷物的初始含湿量为 mh时，热泵的制热量及功耗曲线，从图中可见， 参数，建立半经验回归公式用以指导流化床谷物 热泵实际制热量达10kW以上，而理论制热量为 干燥生产（干燥温度低于90℃）是可行的 12~14kW,即实际制热量略小于理论制热量.显 (2)样机实验结果表明，采用热泵为热源，流 然，热泵的制热能力基本充分发挥出来.此时，热 化床作为干燥器，不但节能环保，而且能有效提 泵的实际制热系数在2.6左右，略小于理论制热 高小麦干燥速度，具有继续开发推广的价值. 系数2.8-3.1. 参考文献 经过实验测量和数据整理，在连续运行工况 [】张延平，王立.气固流化床系统非线性机理研究进展.北 下，热泵流化床干燥样机相关技术指标如表1所 京科技大学学报，2004,26(6)：645 示，表中单位能耗除湿量表示每消耗1kW时能 [2]Yang J,Wang L,Xiang F.et al.Experiment research on grain 量可以除去的水分.传统干燥器的单位能耗除湿 drying process in heat pump assisted fluidized beds.J Univ Sci 量为0.5~1 kg/(kW.h).由此可见，使用热泵作为热 Techmol Beijing,2004,11(4):373 [3]Analia L G,Rita M A,Sergio A G.Wheat drying kinetics.Dif- 源可大大降低能耗，采用流化床作为干燥器可以 fusivities for sphere and ellipsoid by finite elements.J Food 提高干燥速度 Eng,2002,52:313 [4]Giner S A,Mascheroni R H.Diffusive drying kinctics in wheat, 14.0 Part 1:Potential for a simplified analytical solution.J Agric Eng 12.04 Res,2001,80(4):351 ≥10.04 IrudayarajJ,Wu Y.Finite element analysis of coupled heat, 一◆一实际制热量 8.0 mass and pressure transfer in porous biomaterials.Numer Heat 一理论制热量 Transfer Part A,1994,26(3):337 6.0 一热泵功耗 [6 Jayas D S,Cenkowski S,Pabis S,et al.Review of thin layer 4.0h drying and wetting cquations.Drying Technol,1991,9(3):551 2.0 [7]Bruce D.M.Exposed layer barley drying:Three models fitted 01 to new data up to 150'C.J Agric Eng Res,1985,32:337 20 40 60 80 100 [8]Pfost H B.Maurer S G,Chung D S,et al.Summarizing and re- 干燥时间/min porting equilibrium moisture data for grains.Am Soc Agric 图7热泵蒸发器回路风量为2500mh时，热泵制热量 Eng,1976,76:3520 与功耗的变化曲线 [9]Sinico R.Thin-layer drying and wetting of wheat.Postharvest Fig.7 Profile of heating output and power consumption at Biol Technol,1995,5:261 [10]向飞.热泵流化床谷物干燥技术的研究：[学位论文]北 an air flow of 2 500 m'/h in the evaporator circuit 京：北京科技大学，2003

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 l期 0 哎奋ù” ù` JO ,内乙,`、 亡ù飞 x1 nU O . O . + 实验值 — 咧如鸿十 ù n0 计算值 O匕一一一一一- 七一一一一 - 一- 一L 一 - 一- 一一 J we we 一 -一 一- - 二- - - 一一 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 干燥 时间m/ in 图 ` 样 机实验 测 量值 与公式 计算 值的 比 较 曲线 F i g . 6 C o m P a r i s o n b e wt e e 血 e x Pe r im e n t a l a n d e a l e u la et d 代 S u lt S 表 1 热泵流 化床 谷物 干燥样 机连 续运 行技 术指 标 aT b le l 及 c b n ic a l P or 伴d i e s o f t h e m o d e l 彻i dZ de b e d d叮e r w i th h ca t P u m P in e o n桩n u o u s o Pe r a iot n 降湿 范 围 (湿 基丫% 7 * 7 * 一。* * 10 * * 样 机容量 kg/ 1 0 0 一0 0 10 0 10 0 空气 入 口 温 度 /℃ 7 0 8 0 7 0 8 0 干 燥 时间 m/ in 3 5 2 5 4 5 3 0 产 量 k/ g · h 一 , 17 1 14 0 1 3 3 2 0 0 能耗 kJ/ · kg( 水犷 , 1 6 5 9 1 18 4 1 4 8 8 9 9 4 注 : * 含湿量 由 20 降至 13 % ; * * 含湿量由 23 降至 13 % 值 与计 算值 误差 较大 , 但 实验值 与 计算值 的最 大 相 对误 差 小于 3 % , 可 以满足 生产 要求 , 这 证 明前 期 的设想 是可 行 的 . .2 3 热泵 流 化床 谷物 干燥 系统 的经 济性 分析 采用 图 5 所 示的 空气 循环 流 程 , 进 行 了 一 系 列 干燥 实验 , 对 热泵流 化床 干燥 样机 的性 能进 行 了全 面 的测 定 . 图 7 为蒸 发器 回路 风 量是 2 5 0 m 3爪 时 , 热 泵 的制热 量 及功 耗 曲线 . 从 图 中可见 , 热 泵 实际制 热 量达 10 k w 以上 , 而 理论 制热 量 为 12 一 14 k w , 即实 际制 热 量略 小 于理 论制 热量 . 显 然 , 热泵 的制 热 能力基 本充 分发挥 出来 . 此 时 , 热 泵 的 实际 制 热 系数 在 .2 6 左 右 , 略 小于 理论 制 热 系 数 2 . 8一3 . 1 . 经过 实验 测量 和 数据整 理 , 在 连续 运行 工 况 下 , 热 泵流 化床 干燥 样 机相 关 技术 指标 如表 1 所 示 . 表 中单位 能耗 除 湿量 表 示每 消耗 I k w 时 能 量可 以除 去 的水分 . 传 统干燥 器 的单位 能耗 除湿 量 为 .0 5 一 l 叼(k W · h) . 由此可 见 , 使 用 热泵作 为热 源可 大大 降低 能耗 , 采 用流 化床作 为干 燥器 可 以 提 高干燥 速 度 . , 门卜一一月卜~ ~ . ~ ,~ ~ 、 , , O L es es es 一 一 J - e一 . - - . ` 一 一 - - -山一 - - - - - - -` - -一 一 」 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 干燥时间 m/ in 图 , 热泵 蒸发 器 回路 风 量为 2 5 0 m 3几 时 ,热 泵制 热量 与功 耗 的变化 曲线 F ig . 7 P or n l e o f h e a it n g o u t Pu t a n d P O W e r e o n s u 口 Pit o n a t a n a i r fl o w o f 2 5 0() m恤 in t h e ve a P o r a ot r e i cr u i t 3 结 论 ( l) 以小麦 为 干燥 对象 , 通 过薄 层干 燥 实验 , 对其 干燥 特性 曲线 进行 研 究 , 综 合分 析 各种 影响 因素 , 经 过合 理 简化 , 回 归 出适 用 于 指导 流化 床 小麦 干燥 生产 的经 验 公式 , 并通 过样 机 实验对 其 可行 性进 行 了验证 . 结 果表 明 : 以实验 为基 础 , 以 干燥温 度 、 空气相 对湿 度和 谷物 的初 始含 湿 量为 参数 , 建 立 半经验 回 归公式 用 以指导 流化 床 谷物 干燥 生产 (干 燥温 度 低 于 90 ℃ ) 是可 行 的 . (2) 样 机 实验 结 果表 明 , 采 用热 泵 为热 源 , 流 化床 作 为干 燥器 , 不但 节 能 环保 , 而且 能 有 效提 高 小麦干 燥 速度 , 具有 继 续 开发 推广 的 价值 . 参 考 文 献 11] 张延 平 , 王 立 . 气 固流 化床 系统 非线性 机理研 究进 展 . 北 京科 技大 学学报 , 2 0 0 4 , 2 6 ( 6 ) : 6 4 5 [2 ] 丫切 g J , w 如 g L , X ian g F . e t al . E X P e run e n t re s e ar e h on g r a l l l dry 雌 P r o e e s s in h e at P 切m P as s i s te d fl u id泳d b e ds . J IJ . i v S e i eT c h n o l B e ij i n g , 2 0 04 , 1 1( 4 ) : 3 7 3 【3 ] A n a 】i a L G , 形at M .A S e 嗯1 0 A G . W h e at d巧in g k in et i e s . D i -f fu s i v i t i e s ofr s hP e re an d e lliP s o id 勿 if n ite e l e m e n ts . J F o o d E n g , 2 0 0 2 , 5 2 : 3 13 [ 4 ] G in e r S A , Mas e he orn i R H . D i而 s i v e 勿 山 9 ik n e t i c s i n w h e at , P art l : P ot e nt i a l ofr a s l m P liif de an a 】yt i e al s o l iut o n . J A g ir e E n g eR s , 2 0 0 1 , 80 ( 4 ) : 3 5 1 1 5 ] I n l d a y ar 乓I J , w U Y F in ite e l e m ent an a 1y s i s o f e o u p l e d h e at , m as s an d P r e s s ur e tr a n s fe r in po ro u s b i o m a t e r ial s . N u m . r H e a t 介 a n s介 r p a rt A , 19 94 , 2 6 ( 3) : 3 3 7 [ 6 ] J盯as D S , C e nk o w s ik S , P ab i s S , et a l . R e v i e w o f ht in l盯e r d叮 i n g an d w e tt ign e q atU i o n s . D州 n g l ’e c 卜n o l , 19 9 1 , 9 ( 3 ) : 55 1 【7 ] B ru e e D . M . E x P o s e d lay e r b ar l e y d ry in g门、 r e e m o de l s if it e d t o n e w d at 即 to 15 0 oC . J A g ir e E n g R es , 19 8 5 , 32 : 33 7 [ 8 ] p of st H B , M a u r e r S G , C h u n g D S , e t a l . S um m iar 朋9 an d re - P o rt i n g e q u illb r i u m m o i s奴犷 e d a t a of r gr a l n s . A m S o e A g ir e E n g , 19 7 6 , 7 6 : 3 5 2 0 [ 9 ] S in i e o R . hT in 一 1盯 e r d ry in g an d w et ing o f w h e at . P o s ht var e s t B i o l l t c h n o l , 19 9 5 , 5 : 2 6 1 【明 向飞 . 热泵 流化床 谷物 干燥技 术 的研究 :l 学 位论文 ] . 北 京 : 北 京科技 大学 , 2 0 03 nU o0 ”nU 420只à`U J 斗`, 沐乏锌俘

Vol.27 No.1 向飞等：小麦流态化干燥实验关联式及在热泵流化床谷物干燥中的应用 ◆113 Wheat drying correlation and their applications in a fluidized bed dryer with heat pump XIANG Fei,YANG Jing,WANG Li,TONG Lige Department of Thermal Engineering,Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083,China ABSTRACT Based on the fluidized bed theory,a series of thin layer wheat drying experiments were carried out in an electric drying oven with gentle breeze in it to simulate the wheat drying process in fluidized bed.As a result, the wheat drying correlation was devel oped from those experiment data for predicting the wheat drying time in flu- idized bed.An experiment system combining fluidized bed with heat pump was designed and experiments on which indicated that the correlation could predict the drying time reasonably.Further economical analysis proved the effi- ciency and a promising future of the fluidized bed drying with heat pump. KEY WORDS wheat;fluidization;regression;heat pump;drying (上接第23页) Research on treatment of landfill leachates by flocculation-adsorption ZHANG Futao 2,FANG Shaoming,SONG Quanyuan 1)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)College of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110004,China 3)Department of Chemical Engineering,Zhengzhou Institute of Light Industry,Zhengzhou 450002,China ABSTRACT Landfill leachate,whose main pollutants are organic matter,heavy metals and ammoniacal nitrogen, is a kind of poisonous,harmful and organic wastewater.The pretreatment of landfill leachate by flocculation-adsor- ption was investigated.Polyaluminium chloride(PAC)was used as the flocculant and its optimum dosage was 500 mg/L.The adsorbent was self-made modified bentonite.Experimental results showed that approximately 79%of CODe,and 46%of ammoniacal nitrogen were removed.As to heavy metals,the removal ratios were from 53%to 98%according to different kinds of landfill leachate. KEY WORDS leachate;pretreatment;polyaluminium chloride;modified bentonite

、 b 】 . 2 7 N o. 1 向飞 等 : 小麦流 态化 干燥 实验关 联式 及在热 泵流 化床 谷物 干燥 中的应 用 . 1 13 . Wh e at dry i n g e o r e l at i o n an d th e i r aP P li e at i o n s in a fl u id i z e d b e d d ry e r w ith h e at p l l P J 砚咬N G Fe i, YA N G Ji n g , 环勺万G L i, 刃ON G L ige D e Par ot l e n t o f T h e n n a 1 E n g ien e n n g , M e e h画 e a 1 E n g l n e e r ln g s ch o l , U O i v m ity of s e i en ce an d eT e b n o 】o gy B e ij ign , B e ij in g , 10 00 83 , hC in a A B S T R A C T B as e d o n ht e fl u i d iZ e d b e d ht e o 仁转 a s e ir e s o f t h l n l ay er hw e at 勿ign e xP e nm e in s w er e a 币e d o u t in an e l e e itr c d习功9 o v en iw ht g e n t l e b r e ez e in it t o s如ul ate hte w h e at 勿ign P r o e e s s in fl u 1id z e d b e d . A s a r e s ult , ht e hw e at d叮ign c o er l at i o n was d e v e l op e d fr o m ht o s e e x p emn ent d at a for P r e id e t ign het hw e at 勿ign t im e in flu - i d i z e d be d . iA l e x P e n m ent s y s t em e om b加gn fl u i d i z e d b e d w iht h e at P钊m P w as de s ign e d an d e xP e ir m e in s o n w h i ch i n d i e aet d ht at het e o 甘e l at i on e o u l d P r e d i e t ht e 勿ign t im e r e a s on ab l.y F u rt h er e e o n o m i e al an aly s i s P r o v e d ht e e if - c i e cn y an d a P r o m i s i gn 加 ut r e o f ht e fl u id i z e d b e d d尽ign iw ht h e at P um P . K E Y W O R D S hw e at ; fl ul d iaz t i o n ; er 笋 s s ion ; h e at p um p ; d珍ign ( 上接 第 23 页 ) R e s e ar e h o n tr e a t m e n t o f lan d if ll l e a c h at e s b y fl o e c ul at i o n 一 a d s o rp t i o n 乙E 戒刃G uF at o ’ ,)z FA N G hS ao m i力扩), S ON G Q u a 叹v u a 刀 l , l ) Civi l an d nE v ior mn e n at 1 E n g ien e n n g S e h o o l , t j n i v e rs ity o f S e i enc e an d eT c hn o l o gy B e ij in g, B e ij ign l 0 0 0 83 , C h in a 2 ) C o ll e g e o f M a t e r i a l s an d M e at ll u 雌异 l N o rt h e as t e rn nU i v e rs i ty, S h e yn an g l l 0 0 04 , hC in a 3 ) D eP 田七n e nt o f 以em i e 时 E D g in e e r川g , hZ e n g 山o u ih st itu te o f L i gh t l n d u s t巧、 Z h e n g劝o u 4 50 0 0 2 , C h in a A B S T R A C T L an d if ll l e ac h ate , w h o s e m ian P o l l u tan t s aer o gr 咖 e m at er, h e a v y m e at l s an d aJ叮们 n o n i ac a l n itr o g en , 1 5 a k i n d o f P o i s o no u s , h a n n fu l a n d o gr a n l c 、 v a ` t e w a t e .r hT e P r e tr e a h n en t o f l an idf 川 e ac h aet by fl o e e u l iat o -n ad s or - P t i o n aws ivn e s it g aet d . P o ly al um in i um e hl ior d e (PA C ) aws us e d as ht e fl o e e u l an t an d ist o P t lm um d o s ag e w as 50 0 m g/ L . T h e ad s o br e n t 、 v a s s e l -f m a d e m o d iif e d b e n to n i t e . E x P e r 庄n e ant l er s ul t s s h o w e d ht at ap P r o x im at e ly 7 9% o f C O cD , an d 4 6% o f aj rn 们。 o 山ac a l in otr g e n 协℃ r e r e r n o ve d . A s ot h e a V y m e at l s , ht e er m vao l art i o s w er e fr o m 5 3% t o 9 8% ac e o dr in g ot d i fe er n t k i n d s o f lan d if l l l ae e h a t e . K E Y W O R D S l e ac h a t e ; P er etr a lt n e n t : P o l y al um i in um e ih o ir d e : m o d i if e d b e n t o n iet