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粮食问题是国民经济的头等大事,但我国粮食获后干燥的自控能力很低,以致在正常情况下,每年因不能及时干燥或者处理方法不当造成的粮食霉变,发芽等数量损失约占总产量的5%,即相当于少产2500万吨粮。若每人每天食用500g粮,2500万吨粮则可供一亿三千七百万人食用一年。由于干燥装备技术水平落后,我国有80%的粮食入库水分不达标。依赖农民晾晒,数量损失大且质量难以保障;农村缺少晒粮场所,一些农民铤而走险,伺机公路晒粮,由此引发的交通事故屡屡发生。几十年来,政府采取了各种措施推广粮食机械化干燥,但普及推广的效果甚微,投放到市场上的设备并没有发挥出应有的作用。全国的粮食干燥机械化水平一直徘徊在1%。机械化干燥推广不开的主要原因就是干燥装备技术水平低,干燥能量利用不合理,能耗较高,经营者不能在粮食干燥环节获得切实的利益回报,而问题的根源在于干燥工艺技术装备设计理论指导跟不上,在粮食干燥装备设计时,一直沿袭传统的基于物质、能量、动量守恒原理,单纯分析干燥系统与外部的能量损失而没有清楚地揭示干燥系统内部的能量品位。设计的干燥系统没有很好地反映出系统中的能量的质量,也就不能从本质上说明其利用的合理性。实际的粮食干燥系统,存在客观热势、湿势和生物化学势,这些势都是驱使水分蒸发的有效动力源,正确地评价和利用这些势,是实现高效节能干燥的有效途径,而能够有效评价干燥系统中这些能量势场强度的共同尺度就是状态参数。为弥补粮食干燥领域存在的应用技术基础理论空缺,本研究就基于理论的粮食干燥系统能量评价法展开系统的理论和试验考察。主要内容如下:
⑴从干燥体系的函数的概念和函数基准态的选取以及相关特性入手,对干燥体系能分析法进行了比较,论述了粮食干燥体的传递和转换特征及评价准则。
⑵对粮食干燥体系的能量结构进行深入的热力学分析,建立谷物深床干燥质平衡方程,能量平衡方程以及熵平衡方程,利用熵平衡方程,导出熵产生率密度表达式。
⑶根据非平衡热力学唯象假设,导出干燥介质通过热传导输入的热流密度和谷物水分蒸发进入干燥介质的扩散流密度的唯象系数表达式,推导出多势场作用下干燥介质和谷物的方程表达式,得到多势场作用下干燥介质和谷物传递唯象系数,根据场影响因子计算方法,推导出温度场、谷物水分浓度场对干燥介质热流和湿流的场影响因子计算式。
⑷提出了粮食干燥体系优化概念,建立了粮食优化干燥的理论和方法,导出了优化方程并对方程进行求解,得到了确定优化干燥控制参数的方法,编制了计算优化干燥控制参数的计算机软件,通过炯优化干燥过程实验证实了优化干燥过程具有显著的节能效果。此优化干燥的研究结果可以结合粮食干燥过程的自动控制技术,实现干燥过程的自动节化控制。
⑸试验测定了多势场作用下的粮食干燥体系唯象方程系数,对热流密度和扩散流密度方程进行二元线性回归,利用回归系数计算和讨论温度场和水分浓度场对谷物水分湿流的场影响因子,分析结果表明,温度场和水分浓度场对谷物湿流的场影响因子相比,温度场对谷物水分湿流的影响要小的多,说明温差虽能引起扩散,也即Soret效应,但是程度很小,影响谷物湿流的主导势场是水分的浓度场。
⑹谷物具有生物化学能,在一定条件下,生物化学能可以对谷物的干燥和储存过程产生一定的影响,在说明谷物的生物化学能和生物化学炯的变化和传递规律的基础上,给出了利用生物化学能进行干燥的理论模型,试验验证了模型的可靠性。