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东北大学硕士学位论文摘要 粮食烘干过程智能控制的理论与试验研究 摘要 粮食烘干是一个复杂的热质交换过程，粮食本身又是一种复杂的生物化学物 质。 烘干过程不仅受物料和介质参数 ( 热风温度、 湿度、速度等)的影响，而且 还与气候条件和烘干工艺、烘干塔的结构有关。它不仅是一个物理过程，而且还 是一个生物和化学的过程。 粮食烘干系统是一个大时滞、多干扰的强非线性系统。在烘干过程中，粮食 在烘干塔内的时间达 8小时左右。另外，环境的温度、 湿度，热风温度、湿度以 及原粮含水率和原粮含水率的不均等都对出机粮水分有重要影响。而且要获得该 系统的精确数学模型是很困难的。对于这样的大时滞强非线性系统，用传统控制 理论中的反馈和前馈控制都无法解决，而有经验的操作者却可以通过手动调节获 得比较满意的控制效果。 本文以 粮食烘干塔为研究对象，以h t j - 3 0 0型粮食烘干塔的结构为实例， 进 行了大量的实际生产试验。在理论方面，分析了粮食烘干过程中的多孔介质传热 传质中的热质祸合和动力学藕合，对试验所取得的烘千工艺参数数据进行正交试 验分析，对影响粮食烘干过程的主要参数建立回归分析模型。在实际应用方面， 利用正交试验分析结果和回归分析模型，我们开发出了粮食烘干专家系统。粮食 烘干现场的试验结果表明，专家系统能够对烘干工艺参数的实时数据进行及时综 合分析，并给出在不同的情况下不同的控制策略，控制出机粮含水率达到较理想 的效果。本文主要完成了以下几个方面的工作。 ( 1 ) 研究热风温度、热风流量、入机粮含水率、环境温湿度、排粮速度等参 数对干燥过程的影响。利用正交试验，分析影响粮食干燥过程的主要因素，并找 出相对比较好的烘干工艺参数。 ( 2 ) 利用回归分析，建立排粮频率有效系数的回归模型和出机粮含水率的回 归模型。 ( 3 )以正交试验分析、有效系数回归模型和出 机粮含水率回归模型为基础建 立专家系统知识库。 ( 4 )设计粮食干燥专家系统。 关键词大滞后强非线性系统 正交试验 专家系统 回归分析 东北大学硕士学位论文 s t u d y o n t h e t h e o r y a n d e x p e r i m e n t o f t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l me t h o d f o r g r a i n d r y e r ab s t r a c t t h e g r a i n d r y i n g i s a c o m p l ic a t e d h e a t a n d s u b s t a n c e e x c h a n g e c o u r s e , a n d g r a i n i t s e l f i s a l s o a k i n d o f c o m p l i c a t e d b i o c h e m i s t ry m a tt e r . n o t o n l y i s i t s d ryi n g p r o c e s s i n fl u e n c e d b y m a t e r i a l p r o p e r t y a n d m e d i u m p a r a m e t e r ( h o t w i n d t e m p e r a t u r e , h u m i d i t y a n d s p e e d e t c ) , b u t a l s o t h e c l i m a t e c o n d i t i o n s , d ry i n g t e c h n o l o g y a n d s t r u c t u r e o f d r y i n g t o w e r h a v e t h e i m p o rt a n t e ff e c t s o n t h e d r y i n g r e s u lt . t h e g r a i n d r y i n g i s n o t o n ly a p h y s i c a l c o u r s e , b u t a l s o a b i o l o g i c a l a n d c h e m i c a l p r o c e s s . t h e g r a i n d ry i n g s y s t e m i s o n e b i g t i m e l a g a n d s t r o n g n o n l i n e a r s y s t e m w i t h m u c h in t e r f e r e n c e . i t c o s t s a b o u t 8 h o u r s i n t h e d r y i n g c o u r s e t h a t t h e g r a i n s g o t h r o u g h t h e d ry e r . m o r e o v e r , t h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y o f e n v i r o n m e n t , h o t a i r t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y a s w e l l a s t h e m o i s t u r e c o n t e n t a n d e q u a l i t y o f u n p r o c e s s e d g r a i n s a l l h a v e t h e i m p o rt a n t i n fl u e n c e o n fi n a l g r a i n m o i s t u r e c o n t e n t . i t i s i m p o s s i b l e t o d e s c r i b e t h i s c o m p l i c a t e d d r y i n g p r o c e s s w i t h t h e a c c u r a t e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h i s s y s t e m . a s f o r t h i s s y s t e m , f e e d b a c k a n d f e e d f o r w a r d c o n t r o l o f t h e c l a s s i c a l c o n t r o l t h e o ry b o t h c a n n o t r e s o l v e t h i s p r o b l e m , b u t e x p e r ie n c e d w o r k e r s c a n o p e r a t e s a t i s f a c t o r i l y t h e g r a i n d r i e r . t h e r e s e a r c h o b j e c t o f t h i s p a p e r i s g r a i n d r i e r . t h e s t r u c t u r e o f 3 0 0 t o n s o f g r a i n d ry i n g t o w e r i s t h e l i v i n g e x a m p l e . a l o t o f e x p e r im e n t s h a v e b e e n c a r r i e d o u t i n g r a i n d e p o t . i n t h e o ry , g r a i n d ry i n g t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r d a t a a c q u ir e d b y e x p e r i m e n t s a r e a n a l y z e d b y o rt h o g o n a l e x p e r i m e n t m e t h o d . d y n a m i c c o u p l i n g a n d h e a t a n d m a s s c o u p l i n g a r e a n a l y z e d o n h e a t a n d m a s s t r a n s f e r f o r p o r o u s e n c l o s u r e i n t h e p r o c e s s o f g r a i n d ry i n g . t h e r e g r e s s i o n m o d e l o f m a i n i n fl u e n c i n g p a r a m e t e r s i s b u i l t i n t h e p r o c e s s o f g r a i n d ryi n g . e x p e rt s y s t e m o f g r a i n d ry i n g i s d e v e l o p e d b y c o m b i n i n g r e s u l t o f o r th o g o n a l e x p e r i m e n t w it h r e g r e s s i o n m o d e l . t h e r e s u l t s o f i n d u s t r i a l e x p e r i m e n t s s h o w t h a t e x p e rt s y s t e m c a n a n a l y z e s y n t h e t i c a l l y r e a l t i m e t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f g r a i n d ry i n g , a n d t a k e s u it a b l e c o n t r o l s t r a t e g y t o o b t a i n m o r e s a t i s f a c t o r y o u t p u t g r a i n m o i s t u r e . t h e m a i n c o n t e n t s a re n u m e r a t e d in t h e f o l l o w i n g ( 1 ) t h e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o n d r y i n g p r o c e s s i s s t u d i e d , s u c h a s h o t a i r t e m p e r a t u r e , h o t a i r fl o w r a t e , i n l e t g r a i n m o i s t u r e c o n t e n t , c i r c u m s t a n c e t e m p e r a t u r e , r e l a t i v e h u m i d it y , g r a i n fl o w s p e e d , e t c , a n d t h e r e l a t i o n o f f a c t o r s i s o b t a i n e d . b y o r th o g o n a l e x p e r i m e n t m e t h o d , t h e b e s t m a t c h i n g r e l a t i o n s o f g r a i n d r y in g t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s a r e f o u n d o u t . 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 2 ) b y r e g r e s s i o n a n a l y s i s , t h e r e g r e s s i o n m o d e l o f a v a i l a b l e fr e q u e n c y c o e ff ic i e n t a n d o u t p u t m o i s t u r e c o n t e n t i s b u i l t . ( 3 ) t h e k n o w l e d g e b a s e o f e x p e rt s y s t e m i s b u i l t o n t h e b a s i s o f r e g r e s s i o n m o d e l o f a v a i l a b l e c o e f f i c i e n t , r e g r e s s i o n m o d e l o f o u t p u t m o i s t u r e c o n t e n t a n d o r t h o g o n a l i me n t ( 4 ) t h e e x p e r t c o n t r o l s y s t e m o f g r a i n d r y i n g i s d e v e l o p e d . k e y w o r d s t h e s t r o n g n o n l i n e a r s y s t e m , o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t , e x p e rt s y s t e m , r e g r e s s i o n a n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 二: o/t 12, - v r - 卫 一 2 3 学位论文作者签名 日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名 签字日 期: v10 .: 事 .4 策 f - 2 , . 3 导 师 签 名 : 去塔 签字日 期:dv s a- -2 -3 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的目的和意义 中国是一个农业大国， 近年来我国粮食总产量将近 5亿吨，其中有 加% 属于 高水分粮食。以玉米为例，我国玉米产量较大，就黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古 和河北等五省统计，年产达1 亿吨左右，但是玉米水分较高，一般为2 5 % 3 5 %, 有时达 4 0 %。我国粮食由于不能及时烘干到安全水分而造成的霉变和发芽损失是 相当严重的。因此，减少损失，提高粮食烘千效率，降低烘干费用，从而降低粮 食成本，以进一步扩大粮食的工业应用，同时提高粮食烘干后的品质以改善人民 生活质量的要求变的日益紧迫。谷物烘干特别是玉米烘干，是我国粮食储藏中一 个突出的问题。 控制粮食的含水量是保证粮食存储质量的重要措施。然而，粮食烘千是一个 复杂的热质交换过程，粮食本身又是一种复杂的生物化学物质，其烘干过程不仅 受物料和介质参数 ( 热风温度、湿度、速度等)的影响，而且还与气候条件、干 燥工艺和烘干塔的结构有关。它不仅是一个物理过程，而且还是一个生物和化学 过程。 对干燥的要求不仅是去除水分， 而且要求保留它的营养成分和化学成分， 有时还要保持它的色香味。所以，干燥过程研究涉及到生物、化学、热力学、机 械学和流体力学等多种学科，是一个多学科交叉的加工技术。在传统的粮食烘千 过程中，一般每间隔 2小时左右取一次烘千后的粮食样品，用烘箱法检验粮食水 分。由于检验时间长，不能及时检测出机粮含水率的大小，因此主要靠操作人员 手摸、牙咬来判断水分的变化， 作为调整粮食烘干的主要依据。但是人工检测误 差大， 烘箱检验水分又不及时， 因此出 机粮含水率波动幅度比 较大。 以 烘千1 4 . 0 % 水分的玉米为例，经现场检验其水分波动范围在1 1 % 1 7 % 之间。 辽宁省粮食科学研究所h t j -3 0 0 型顺流烘干机采用四段顺流烘干、 两个不同 温度的烘干介质、多段缓苏和常温顺逆流两段正压鼓风冷却的烘干工艺，具有热 效率高、降水幅度大、烘干均匀、适应性强、烘后品质好、烘千费用低等特点。 然而，该型烘干机在控制出机粮水分的过程中却是采用传统的方法，即根据检测 烘千机出口处的粮食含水量，用人工的方法手动控制变频器来调节排粮电机的频 率。 通过控制粮食在烘干机内的停留时间来控制粮食在烘干机出口处的含水量。 而粮食烘干塔是一个大时滞、多扰动的强非线性系统，在烘干过程中，粮食在塔 内的时间一般为 8小时左右。原有的这种控制方法已远远不能满足国家对储备粮 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的目的和意义 中国是一个农业大国， 近年来我国粮食总产量将近 5亿吨，其中有 加% 属于 高水分粮食。以玉米为例，我国玉米产量较大，就黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古 和河北等五省统计，年产达1 亿吨左右，但是玉米水分较高，一般为2 5 % 3 5 %, 有时达 4 0 %。我国粮食由于不能及时烘干到安全水分而造成的霉变和发芽损失是 相当严重的。因此，减少损失，提高粮食烘千效率，降低烘干费用，从而降低粮 食成本，以进一步扩大粮食的工业应用，同时提高粮食烘干后的品质以改善人民 生活质量的要求变的日益紧迫。谷物烘干特别是玉米烘干，是我国粮食储藏中一 个突出的问题。 控制粮食的含水量是保证粮食存储质量的重要措施。然而，粮食烘千是一个 复杂的热质交换过程，粮食本身又是一种复杂的生物化学物质，其烘干过程不仅 受物料和介质参数 ( 热风温度、湿度、速度等)的影响，而且还与气候条件、干 燥工艺和烘干塔的结构有关。它不仅是一个物理过程，而且还是一个生物和化学 过程。 对干燥的要求不仅是去除水分， 而且要求保留它的营养成分和化学成分， 有时还要保持它的色香味。所以，干燥过程研究涉及到生物、化学、热力学、机 械学和流体力学等多种学科，是一个多学科交叉的加工技术。在传统的粮食烘千 过程中，一般每间隔 2小时左右取一次烘千后的粮食样品，用烘箱法检验粮食水 分。由于检验时间长，不能及时检测出机粮含水率的大小，因此主要靠操作人员 手摸、牙咬来判断水分的变化， 作为调整粮食烘干的主要依据。但是人工检测误 差大， 烘箱检验水分又不及时， 因此出 机粮含水率波动幅度比 较大。 以 烘千1 4 . 0 % 水分的玉米为例，经现场检验其水分波动范围在1 1 % 1 7 % 之间。 辽宁省粮食科学研究所h t j -3 0 0 型顺流烘干机采用四段顺流烘干、 两个不同 温度的烘干介质、多段缓苏和常温顺逆流两段正压鼓风冷却的烘干工艺，具有热 效率高、降水幅度大、烘干均匀、适应性强、烘后品质好、烘千费用低等特点。 然而，该型烘干机在控制出机粮水分的过程中却是采用传统的方法，即根据检测 烘千机出口处的粮食含水量，用人工的方法手动控制变频器来调节排粮电机的频 率。 通过控制粮食在烘干机内的停留时间来控制粮食在烘干机出口处的含水量。 而粮食烘干塔是一个大时滞、多扰动的强非线性系统，在烘干过程中，粮食在塔 内的时间一般为 8小时左右。原有的这种控制方法已远远不能满足国家对储备粮 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 含水量 1 4 %士。 5的要求。辽宁粮食科研所和东北大学机械工程与自 动化学院合 作，经过三年多的共同努力，在辽宁省三个粮食储备库进行项目实施，取得了一 定的成果。 在三年多粮食烘干机理的科学研究过程中，我们通过长期的现场调试实践， 发现了一些在国内外粮食烘千理论中没有提到的新现象，取得了很多宝贵的粮食 烘干经验。我们经过多次改进控制方案，于2 0 0 4 年7 月，在抚顺市第二粮油储运 公司试验成功了“ 粮食烘千机计算机监测系统” 。该系统通过监测粮食烘千热力学 系统的状态参量和对以往烘千机在烘干过程中的经验总结，给出了出机粮含水率 的有效系数，可以提前5 一6 个小时预测出机粮含水率，而操作者可以根据现场经 验积累，及时调节热风炉的温度和排粮电机的转速，以保证出机粮的烘干质量。 该系统在抚顺第二粮油储运公司运行了 4个月，现场试验结果表明，通过系统所 抽取的水分预测系数、热力学体系状态参数和系统排粮量的有效结合，可以为现 场操作提供有效的指导作用。 1 .2谷物千燥的研究概况 1 .2 . 1谷物干燥的理论模型 近年来，国内外学者对干燥机理进行了大量的理论研究工作，并开发出各种 各样的干燥设备。在理论研究方面，谷物干燥的物理基础是热传导和水分扩散， 即传热传质基本原理。研究内容主要是各种结构干燥设备的谷物加热和水分的扩 散速率。目 前，研究最多的是谷物干燥过程的计算机模拟，而所建立的谷物干燥 模型归纳起来主要有单粒干燥模型、薄层干燥模型和深床干燥模型。而深床千燥 模型中又 分为 平衡模型， 偏微分方程模型 ( 热质传导 模型 ) 和对数模型等。 我国 学者 曹崇文教授从干燥机理、干燥过程对谷物品质的影响等方面对各种干燥工艺进行 了全面的理论与试验研究工作，为各种干燥设备设计提供了可靠的参数。 李友荣、 邱学农等讨论了谷物千燥机理的非平衡热力学模型。 1 . 2 . 1 . 1 单粒谷物干燥模型 一些高含水率的谷物在干燥开始阶段有一个恒速干燥阶段，接下来是降速干 燥段。 在恒速千燥阶段，一定条件下 ( 空气温度、湿度一定)谷物的干燥速率与 谷物的类型有关，它和同一条件下自由 水分的蒸发速率相同。此阶段的干燥速率 取决于空气温度与谷物表面温度的差值。热空气的速度，热空气的湿度。 此时谷物表面的温度等于湿球温度，恒速千燥段结束时谷物的含水率叫做临 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 含水量 1 4 %士。 5的要求。辽宁粮食科研所和东北大学机械工程与自 动化学院合 作，经过三年多的共同努力，在辽宁省三个粮食储备库进行项目实施，取得了一 定的成果。 在三年多粮食烘干机理的科学研究过程中，我们通过长期的现场调试实践， 发现了一些在国内外粮食烘千理论中没有提到的新现象，取得了很多宝贵的粮食 烘干经验。我们经过多次改进控制方案，于2 0 0 4 年7 月，在抚顺市第二粮油储运 公司试验成功了“ 粮食烘千机计算机监测系统” 。该系统通过监测粮食烘千热力学 系统的状态参量和对以往烘千机在烘干过程中的经验总结，给出了出机粮含水率 的有效系数，可以提前5 一6 个小时预测出机粮含水率，而操作者可以根据现场经 验积累，及时调节热风炉的温度和排粮电机的转速，以保证出机粮的烘干质量。 该系统在抚顺第二粮油储运公司运行了 4个月，现场试验结果表明，通过系统所 抽取的水分预测系数、热力学体系状态参数和系统排粮量的有效结合，可以为现 场操作提供有效的指导作用。 1 .2谷物千燥的研究概况 1 .2 . 1谷物干燥的理论模型 近年来，国内外学者对干燥机理进行了大量的理论研究工作，并开发出各种 各样的干燥设备。在理论研究方面，谷物干燥的物理基础是热传导和水分扩散， 即传热传质基本原理。研究内容主要是各种结构干燥设备的谷物加热和水分的扩 散速率。目 前，研究最多的是谷物干燥过程的计算机模拟，而所建立的谷物干燥 模型归纳起来主要有单粒干燥模型、薄层干燥模型和深床干燥模型。而深床千燥 模型中又 分为 平衡模型， 偏微分方程模型 ( 热质传导 模型 ) 和对数模型等。 我国 学者 曹崇文教授从干燥机理、干燥过程对谷物品质的影响等方面对各种干燥工艺进行 了全面的理论与试验研究工作，为各种干燥设备设计提供了可靠的参数。 李友荣、 邱学农等讨论了谷物千燥机理的非平衡热力学模型。 1 . 2 . 1 . 1 单粒谷物干燥模型 一些高含水率的谷物在干燥开始阶段有一个恒速干燥阶段，接下来是降速干 燥段。 在恒速千燥阶段，一定条件下 ( 空气温度、湿度一定)谷物的干燥速率与 谷物的类型有关，它和同一条件下自由 水分的蒸发速率相同。此阶段的干燥速率 取决于空气温度与谷物表面温度的差值。热空气的速度，热空气的湿度。 此时谷物表面的温度等于湿球温度，恒速千燥段结束时谷物的含水率叫做临 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 含水量 1 4 %士。 5的要求。辽宁粮食科研所和东北大学机械工程与自 动化学院合 作，经过三年多的共同努力，在辽宁省三个粮食储备库进行项目实施，取得了一 定的成果。 在三年多粮食烘干机理的科学研究过程中，我们通过长期的现场调试实践， 发现了一些在国内外粮食烘千理论中没有提到的新现象，取得了很多宝贵的粮食 烘干经验。我们经过多次改进控制方案，于2 0 0 4 年7 月，在抚顺市第二粮油储运 公司试验成功了“ 粮食烘千机计算机监测系统” 。该系统通过监测粮食烘千热力学 系统的状态参量和对以往烘千机在烘干过程中的经验总结，给出了出机粮含水率 的有效系数，可以提前5 一6 个小时预测出机粮含水率，而操作者可以根据现场经 验积累，及时调节热风炉的温度和排粮电机的转速，以保证出机粮的烘干质量。 该系统在抚顺第二粮油储运公司运行了 4个月，现场试验结果表明，通过系统所 抽取的水分预测系数、热力学体系状态参数和系统排粮量的有效结合，可以为现 场操作提供有效的指导作用。 1 .2谷物千燥的研究概况 1 .2 . 1谷物干燥的理论模型 近年来，国内外学者对干燥机理进行了大量的理论研究工作，并开发出各种 各样的干燥设备。在理论研究方面，谷物干燥的物理基础是热传导和水分扩散， 即传热传质基本原理。研究内容主要是各种结构干燥设备的谷物加热和水分的扩 散速率。目 前，研究最多的是谷物干燥过程的计算机模拟，而所建立的谷物干燥 模型归纳起来主要有单粒干燥模型、薄层干燥模型和深床干燥模型。而深床千燥 模型中又 分为 平衡模型， 偏微分方程模型 ( 热质传导 模型 ) 和对数模型等。 我国 学者 曹崇文教授从干燥机理、干燥过程对谷物品质的影响等方面对各种干燥工艺进行 了全面的理论与试验研究工作，为各种干燥设备设计提供了可靠的参数。 李友荣、 邱学农等讨论了谷物千燥机理的非平衡热力学模型。 1 . 2 . 1 . 1 单粒谷物干燥模型 一些高含水率的谷物在干燥开始阶段有一个恒速干燥阶段，接下来是降速干 燥段。 在恒速千燥阶段，一定条件下 ( 空气温度、湿度一定)谷物的干燥速率与 谷物的类型有关，它和同一条件下自由 水分的蒸发速率相同。此阶段的干燥速率 取决于空气温度与谷物表面温度的差值。热空气的速度，热空气的湿度。 此时谷物表面的温度等于湿球温度，恒速千燥段结束时谷物的含水率叫做临 东北大学硕士学位论文 _， _、二_， 。 _ ， _， l _ . 。、二、 d m 一 、 . 。一分。 ， 、 一*一 界言水率，但速十) r 11 p 段阴寸垛迷华- - p i 用 户 口g j l ; 我衣不 dt 第一章 绪论 _dmdt 一 hhha a (t 一 t.) 式中m含水率，%; t热空气的干球温度，0 c , t b - 湿球温度;0 c ; 气 谷 物 中 水 分 的 汽 化 潜 热 ， j l k g ; a -谷物的表面积，m 2 : h 一 传热系数，j l ( m 2 . h . 0 c ) o 一般情况下，谷物干燥均在降速干燥段进行，此时谷物表面的蒸发速率大于 谷粒内 水分的扩散速率， 千燥为内扩散控制与外界条件无关。因此干燥速率下降， 谷物温度升高。 1 . 2 . 1 .2对数模型 早在1 9 4 。 年以 前就出现了 预测烘干机内 谷物和热空气间的热质传递模型。 其 中比 较著名的是美国 w.v h u k i l l 教授的谷物深床干燥模型。他利用一个千燥方程 和一系列的无因次曲线计算干燥过程中 在一定的干燥时间后，谷床内任意深度处 的谷物水分。假设，与谷物中水分蒸发的汽化潜热相比，使谷物升温的显热以 及 使谷物中蒸发出来的水分升温的显热可忽略不计;由于气流相对湿度增加而使气 流增加的显热忽略不计;谷物的密度恒定。 模型中没有采用描述变化气流下的谷物籽粒内部水分扩散的扩散方程，而是 采用了与风量相关的干燥峰的移动速度q 方程，从而减少了模型的复杂性。即 c qg 臀- q h amax 其中 几一城 q二 联立薄层方程可得下列对数模型表达式 .m - m e 二 一e 生一- m 。 一 m , e 0 + e r 一 1 d = k h p g 恤。 一 m e qc. ( t o 一 t . 0 , y=k t 式中g 风量，k g / h ; 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 h 汽化潜热， k j / k g ; q 千燥峰移动速度: t o 热 风初始温度， 0 c ; t , 热风湿球温度， 0 c ; c p - 空 气比 热， j / ( k g - 0 c ) ; d谷床深度因数 ( 无因次) ; y 无因次时间单位; k 干燥常数; p 。 一 一 谷 物 密 度， k g / m 2 ; m q 初始 含 水率 ( % ， 干 基) ; x -深度变量; m p 谷 物 平 衡水分 ( 小 数， 干 基) 。 对数模型的主要优点是计算方法简单、速度快。但总的来说对数模型的精度 不高。同时，该类模型对于不断变化的气流和风量输入条件也是不太合适。 1 .2 . 1 . 3平衡模型 1 9 6 7 年以 来， 美国t .l . t h o m p s o n 教 授对各种类型的 谷物干燥机进行了 大量的 研究，提出了模拟干燥过程的平衡模型。 它的理论依据是假设在一定的时间段内， 谷物水分与一定温度和一定湿度的热空气处于平衡状态。这是一个经验模型，可 以用于模拟低温干燥过程。 分析深床干燥时， 假设在每一个时间间隔内，谷粒和热空气都处于湿热平衡 状态。 这种假设在某些情况下是不符合实际的。但是在很多情况下，这个假设计 算出 来的结果和实际情况接近，尤其是在低温小风量情况下效果较好。 为了 求 得 热 空 气 通 过 第 一 薄 层 后的 温 度t. 湿 含 量h f 和 谷 物 的 最 终 水 分 m f i 可 将 干 燥 过 程 分 为3 个 热 传 导 过 程 ( 1 ) 谷粒和热风达到温度平衡而没有水分蒸发; ( 2 )在平衡温度下蒸发水分; ( 3 )谷粒和空气因谷粒蒸发水分而冷却。 实际上，这3 个过程是同时的， 但这样划分可以大大简化计算。 1 .2 .2谷物干燥的现实状况及发展趋势 1 .2 .2 . 1国外谷物干燥的现实状况 国外现在使用的干燥机按结构及干燥原理分，主要有横流、逆流、顺流、混 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 h 汽化潜热， k j / k g ; q 千燥峰移动速度: t o 热 风初始温度， 0 c ; t , 热风湿球温度， 0 c ; c p - 空 气比 热， j / ( k g - 0 c ) ; d谷床深度因数 ( 无因次) ; y 无因次时间单位; k 干燥常数; p 。 一 一 谷 物 密 度， k g / m 2 ; m q 初始 含 水率 ( % ， 干 基) ; x -深度变量; m p 谷 物 平 衡水分 ( 小 数， 干 基) 。 对数模型的主要优点是计算方法简单、速度快。但总的来说对数模型的精度 不高。同时，该类模型对于不断变化的气流和风量输入条件也是不太合适。 1 .2 . 1 . 3平衡模型 1 9 6 7 年以 来， 美国t .l . t h o m p s o n 教 授对各种类型的 谷物干燥机进行了 大量的 研究，提出了模拟干燥过程的平衡模型。 它的理论依据是假设在一定的时间段内， 谷物水分与一定温度和一定湿度的热空气处于平衡状态。这是一个经验模型，可 以用于模拟低温干燥过程。 分析深床干燥时， 假设在每一个时间间隔内，谷粒和热空气都处于湿热平衡 状态。 这种假设在某些情况下是不符合实际的。但是在很多情况下，这个假设计 算出 来的结果和实际情况接近，尤其是在低温小风量情况下效果较好。 为了 求 得 热 空 气 通 过 第 一 薄 层 后的 温 度t. 湿 含 量h f 和 谷 物 的 最 终 水 分 m f i 可 将 干 燥 过 程 分 为3 个 热 传 导 过 程 ( 1 ) 谷粒和热风达到温度平衡而没有水分蒸发; ( 2 )在平衡温度下蒸发水分; ( 3 )谷粒和空气因谷粒蒸发水分而冷却。 实际上，这3 个过程是同时的， 但这样划分可以大大简化计算。 1 .2 .2谷物干燥的现实状况及发展趋势 1 .2 .2 . 1国外谷物干燥的现实状况 国外现在使用的干燥机按结构及干燥原理分，主要有横流、逆流、顺流、混 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 流和循环式干燥机。 1 . 横流式谷物干燥机 横流式谷物干燥机是目 前美国最流行的一种干燥机，具有结构简单、制造方 便及使用可靠等优点。目 前横流式谷物干燥机的发展主要放在提高干燥后粮食水 分均匀性上。 2顺流式谷物干燥机 在顺流式谷物干燥机中，热风与粮食的流动方向相同，粮食靠重力向下流动 ( 粮层厚度一般为 0 .6 -0 . 9 m) ， 最热的空气先与最湿的粮食接触，故可使用较高 热风。干燥机内没有网筛，一个单级的顺流干燥机一般均有一个热风机和一个冷 风机，废气直接排入大气。大多数顺流干燥机设有二级或三级顺流干燥段和一级 逆流冷却段， 并在两个干燥段间设有缓苏段. 3 . 逆流仓式谷物干燥机 在逆流仓式谷物干燥机中，热风与粮食的流动方向相反，最热的空气首先与 最干的粮食接触，粮温接近热风温度，故使用的热风温度不可太高，而低温潮湿 的粮食则与温度较低的湿空气接触，因而易产生饱和现象。逆流式干燥机一般由 一个圆仓和多孔底板组成。 4 . 混流式谷物千燥机 混流式谷物干燥机是目 前国外应用最广泛的一种干燥设备，其内部设有多排 进、排气角状盒，且进、排气角状盒上下交错排列，谷物靠重力向下流动，受到 以 顺流、逆流、横流方式的热风加热。由于混流式干燥机的通用强，电 耗低，干 燥质量好而日 益得到发展。 5 . 圆筒内 循环式谷物干燥机 圆筒内 循环式谷物干燥机具有生产率高、 干燥速度快、使用方便、谷物循环 速度快等特点。可以使用较高的风温，而不使粮温过高，且千燥均匀。 .2 .2 .2国内谷物干燥的现实状况 我国谷物干燥机的研制工作起步较晚，目 前存在机种较少，规模小，技术水 平低等缺点。但现在己经开始探索新技术在谷物干燥过程的应用问题，如微波干 燥、低温干燥、脉动燃烧千燥、过热蒸汽干燥和计算机控制等。目前，生产中使 用的 连续式谷物干燥机主要有混流或多级混流塔式谷物干燥机、顺流及多级顺流 塔式谷物干燥机、顺逆流塔式谷物千燥机、横流塔式谷物干燥机和干湿粮混合塔 式谷物干燥机。 我国连续式谷物干燥机的发展趋势有以下几方面。 东 北 大 学 硕 士 学 位 论 文_- 兰 - 童竺 竺 ( 1 )自 动控制及微机应用将有较大发展 近十年来，世界各国在干燥机塔体结构及加热冷却段的设计上没有大的改进 和突破，主要在自动控制、微机应用以及计算机模拟方面有较大的进展。我国近 十年来对粮食千燥机的结构进行了大量的理论与实践的研究，在干燥工艺上基本 达到了国际水平，但今后仍需要探讨新的干燥方法和技术，争取有新的突破。目 前我国在自 动控制、微机应用等方面与国外的差距较大，今后这方面将会有较大 的发展。 ( 2 ) 废气余热利用将有较大发展 在利用废气余热方面，国外进行了很多探讨，取得了一些效果，我国今后也 会在这方面继续深入进行研究，以利于节能和提高粮食的干燥品质。 ( 3 )智能化控制的应用将有较大发展 按照国家有关大型粮食干燥机项目的招标文件要求，谷物干燥机必须配备粮 食水分的在线检测系统。随着该系统的普遍应用，整个干燥工艺的自 动控制也就 很容易实现，同时也必将使电器自 动保护、自 动超温报等、故障报警及记忆、热 风风量的自 动调节、粮食入机出机流量的自 动控制等方面都会有进一步的完善、 提高和发展，从而实现智能化控制。 ( 4 )干燥机的适应性将得到重视 谷物千燥机的多适应性将进一步得到重视，主要是适应多种粮食作物干燥的 需要， 再就是适应降水幅度的需要，比如在黑龙江省的机型要做到既能烘干高 水 分玉米，又能烘千水稻及其它作物。 ( 5 )干燥机的制造质量将会提高 随着计算机辅助设计 ( c a d )和计算机辅助制造 ( c a m)的广泛应用，加之 与模具化生产技术的结合，必定会推动粮食干燥机的制造质量迅速提高。 ( 6 )干燥机操作与维修更加方便 随着效能设计的广泛应用和为用户服务意识的大幅度提高，今后的粮食千燥 机必然在操作上更容易， 在维修上更方便。 1 .2 .3目前谷物干燥存在的问题 粮食烘干过程控制在国际范围内，处于计算机指导操作阶段，还没有达到计 算机完全代替人来工作 有以下五个方面的原因 。我们通过两年多烘干机自 控的现场调试经验总结，认为 ( 1 )目 前对粮食千燥理论的研究还没有达到真正认识干燥过程物理本质的程 度，这使得建立起反映生产实际的系统物理模型不可能，因此无法实现对烘干过 东 北 大 学 硕 士 学 位 论 文_- 兰 - 童竺 竺 ( 1 )自 动控制及微机应用将有较大发展 近十年来，世界各国在干燥机塔体结构及加热冷却段的设计上没有大的改进 和突破，主要在自动控制、微机应用以及计算机模拟方面有较大的进展。我国近 十年来对粮食千燥机的结构进行了大量的理论与实践的研究，在干燥工艺上基本 达到了国际水平，但今后仍需要探讨新的干燥方法和技术，争取有新的突破。目 前我国在自 动控制、微机应用等方面与国外的差距较大，今后这方面将会有较大 的发展。 ( 2 ) 废气余热利用将有较大发展 在利用废气余热方面，国外进行了很多探讨，取得了一些效果，我国今后也 会在这方面继续深入进行研究，以利于节能和提高粮食的干燥品质。 ( 3 )智能化控制的应用将有较大发展 按照国家有关大型粮食干燥机项目的招标文件要求，谷物干燥机必须配备粮 食水分的在线检测系统。随着该系统的普遍应用，整个干燥工艺的自 动控制也就 很容易实现，同时也必将使电器自 动保护、自 动超温报等、故障报警及记忆、热 风风量的自 动调节、粮食入机出机流量的自 动控制等方面都会有进一步的完善、 提高和发展，从而实现智能化控制。 ( 4 )干燥机的适应性将得到重视 谷物千燥机的多适应性将进一步得到重视，主要是适应多种粮食作物干燥的 需要， 再就是适应降水幅度的需要，比如在黑龙江省的机型要做到既能烘干高 水 分玉米，又能烘千水稻及其它作物。 ( 5 )干燥机的制造质量将会提高 随着计算机辅助设计 ( c a d )和计算机辅助制造 ( c a m)的广泛应用，加之 与模具化生产技术的结合，必定会推动粮食干燥机的制造质量迅速提高。 ( 6 )干燥机操作与维修更加方便 随着效能设计的广泛应用和为用户服务意识的大幅度提高，今后的粮食千燥 机必然在操作上更容易， 在维修上更方便。 1 .2 .3目前谷物干燥存在的问题 粮食烘干过程控制在国际范围内，处于计算机指导操作阶段，还没有达到计 算机完全代替人来工作 有以下五个方面的原因 。我们通过两年多烘干机自 控的现场调试经验总结，认为 ( 1 )目 前对粮食千燥理论的研究还没有达到真正认识干燥过程物理本质的程 度，这使得建立起反映生产实际的系统物理模型不可能，因此无法实现对烘干过 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 程的计算机控制。 ( 2 ) 影响粮食水分检测的因素比较多， 对水分检测很难达到规定的精度水平， 所以无法为系统提供可靠的数据。为了完成烘干机智能控制系统开发，我们先后 试验了国际上比较先进的德国阿尔伯特公司的水分检测传感器、国产哈尔滨公司 水分传感器，结果表明国产传感器在检测糟度与性能稳定性方面优于德国产品， 但为计算机控制系统提供可靠参考数据还有的一定差距。 在2 0 0 3 年8 月份，国家 粮食局召开的 “ 粮食烘干机水分在线检测与智能控制系统开发与研究”的验收总 结会议上，到会专家与参加研制的6 个科学研究单位，也反映出这一问题。 ( 3 )粮食烘千过程是一个大滞后，强非线性系统。粮食在烘干机内的烘干时 间一般在8 - 1 2 个小时，且影响因素比较多。因此用传统的控制理论对其进行前馈 和反馈控制，都不适合，而应该采用系统状态控制与前馈控制相结合方式。 ( 4 )在谷物千燥过程中，谷物颗粒在自重和排粮板的作用下向下运动，而湿 空气通过五角盒排出到大气中。现场试验观察结果表明，这两个运动之间通过气 固两相摩擦形成较强的祸合关系。我们在清原粮库和抚顺粮库试验期间发现这种 非线性祸合关系，且具有临界值存在。当系统状态达到这个临界值时，湿空气的 排出运动对谷物粒子的运动摩擦急剧增加。 在硬件上，我国连续式谷物千燥机存在的主要问题有以下几方面。 ( 1 ) 干燥机数量不足; ( 2 ) 干燥机制造质量有差距; ( 3 ) 干燥机自 动控制水平低; ( 4 )热源装置及辅助设备还需完善和提高; ( 5 )缺少粉尘收集系统。 1 .3本文研究