变温加热条件下谷物颗粒内的温湿传递机理研究

Due to the low application of mechanized drying technology, grain loss caused by not timely drying is a surprisingly enormous. Grain drying technology and equipment is the short slab in China's process of agricultural mechanization. The grain drying processes generally use thin-layer drying methods at home and abroad. The thick layer drying technology is the only way to meet our country's special requirement for miniaturization and mobility of grain drying equipment. Moisture uniformity is the key issue for thick layer grain drying. Based on many years research, we propose a new method for thick layer grain drying: variable temperature and alternating airflow coupled with vibration (VTAACV). The study includes: indication and calibration of the spectral feature peaks of nuclear magnetic resonance T2 and Raman spectroscopy and the utilization of NMR and Raman spectroscopy in grain moisture measurement; experimental studying the effects of physical structure changing, water distribution and binding water types on moisture diffusion behavior in grain particles in drying process; expressing of the relationship between these effects and the diffusion coefficient; humidity diffusion characteristics in grain particle layer under variable temperature and alternating airflow heating coupled with vibration; Mathematical model of grain drying under VTAACV; and experiment and numerical simulation investigation.

我国谷物机械化干燥普及率低，因未及时干燥造成的粮食损失数量惊人。谷物干燥技术与装备是我国农业机械化进程中的最短板。目前国内外谷物干燥均采用薄层干燥的方式。只有厚层干燥才能满足我国对谷物干燥设备小型化和可移动化的特殊国情要求。厚层干燥的关键是干燥均匀化的问题。在多年研究工作的基础上，我们提出了变温交变气流和振动相结合的厚层干燥新方法。研究内容包括：对谷物颗粒水分核磁共振T2谱和拉曼谱特征峰进行指征与标定,将核磁共振和拉曼谱方法应用于谷物颗粒中的水分扩散机理研究；实验研究干燥过程中谷物颗粒的物理结构、水分分布及结合形式对水分扩散行为的影响；这些影响在扩散系数中的关系表达；振动与变温交变气流耦合干燥过程中谷物的温湿扩散特征；耦合变温交变气流和颗粒对流因素的干燥动力学数学模型的建立与数值模拟研究。项目研究将为发展紧凑（小型化）、高效节能的谷物干燥技术和设备研发奠定理论基础，提供技术支撑。

发展适合我国国情的小型可移动谷物干燥技术与装备，对于提高我国谷物的收得率具有十分重要的意义。本研究项目提出了一种利用振动与变温交变气流相结合的发展小型可移动干燥装置的新方法，并针对新方法所涉及的关键基础科学问题进行了系统研究。主要结果有：1）发展了用核磁共振横向弛豫时间T2谱及分峰技术分析获得小麦颗粒内总水分含量和不同结合形式水分含量的方法，为定量化研究干燥过程中不同结合形式水分的扩散行为和相互转换条件与规律奠定了分析手段，这种方法还可以用于其他物料干燥过程的研究和分析，具有推广价值；2）定量确定了小麦颗粒的水分构成及含量，以及干燥工艺过程中小麦各结合形式水分的变化和相互转化，获得了不同结合形式水分迁移和扩散规律，以及相互扩散和迁移转换的能量势垒，进而获得了不同结合形式水分的扩散系数、总水分有效扩散系数；3）干燥过程中不同结合形式水分间比例的改变以及不同结合形式水分迁移扩散能量势垒的差异是谷物干燥过程扩散系数非线性的内在物理原因。通过掌握不同结合形式水分迁移扩散规律和能量势垒定量描述，可以使扩散系数表达成合理的函数形式，将“万能”的扩散系数从黑箱子变为白箱子。4）获得了振动与气流共同作用下球形颗粒体系和椭球形小麦颗粒的对流和分布相图，获得了用振动和气流的共同作用控制颗粒的对流运动和分布的方法及参数条件；5）交变气流可以有效地改善小麦厚层干燥的均匀性，相比于单向通风干燥工艺，小麦干燥均匀性提升4.94%，改善率为42.30%；变温使干燥均匀性提升1.86%，改善率为28.70%；振动形成的整体对流是干燥均匀性提升4.65%，改善率为71.76%。6）获得了固定床变温交变气流干燥工艺条件中各因素对干燥的影响规律以及振动条件对交变温变气流干燥的影响规律, 为变温交变气流、谷物颗粒循环运动以及谷物颗粒热湿传递过程的协同控制提供了参考依据。