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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院外文翻譯
關(guān)于離心流化床烘干機(jī)熱量與質(zhì)量傳遞的試驗(yàn)研究
M.H．Shi，H.Wang，Y.L.Hao
中國南京東南大學(xué)電力工程系 210096
摘要
我們正在做一項(xiàng)熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗(yàn)研究，就是前兩天潮濕的物質(zhì)在離心流化床（CFB）烘干機(jī)的干燥過程。每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)要300到500之間。測試材料有濕的沙，玻璃粉和切成片的食物。入口和出口的氣體溫度和濕球溫度，以及床的溫度都被測出。通過質(zhì)量平衡法，在氣體階段立即決定了水分含量?？梢詼y出表面氣流速度、顆粒直徑和形狀、床的厚度、床的轉(zhuǎn)數(shù)以及干燥特性最初的溫度的影響。我們獲得了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可以用來計(jì)算在離心流化干燥器內(nèi)氣體顆粒的熱量傳遞系數(shù)。
關(guān)鍵詞：干燥；熱量和質(zhì)量傳遞；離心流化床
1. 引言
CFB干燥是一項(xiàng)新技術(shù)，潮濕的材料要離心力范圍內(nèi)通過機(jī)床的旋轉(zhuǎn)來完成一個(gè)被高度提高的熱量和質(zhì)量傳遞。這種機(jī)床本質(zhì)上是一個(gè)圍繞對稱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形籃子，上面有一個(gè)能滲水的圓柱形墻體。干燥物進(jìn)入籃子，因?yàn)樾D(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力，它們被迫在籃子周圍形成一個(gè)環(huán)形層。氣體通過能滲水的圓柱墻注入，當(dāng)力量通過流化介質(zhì)平衡了離心力，機(jī)床開始流化。不像垂直機(jī)床一樣有一個(gè)固定的引力力場，離心床的體積力成為一個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，這個(gè)參數(shù)由旋轉(zhuǎn)速度和籃子的半徑?jīng)Q定。原則上，在任何氣體流速情況下，通過改變機(jī)床旋轉(zhuǎn)速度都能達(dá)到最小流化作用。用一個(gè)比引力還大得多的強(qiáng)離心力場，機(jī)床可以經(jīng)得起一個(gè)大的流速，而不形成大的氣泡。因此，在高氣體流速下氣體-液體的聯(lián)系得到了改進(jìn)，并且在干燥過程中能達(dá)到熱量和質(zhì)量傳遞。因?yàn)檫@個(gè)原因，CFB干燥器在干燥業(yè)得到頗多關(guān)注。
文獻(xiàn)中只能找到一些研究CFB干燥的調(diào)查著作。拉扎爾和法卡斯[1,2]布朗[3]執(zhí)行了CFB切片水果和蔬菜的干燥過程，卡爾森[4]調(diào)查了CFB大米干燥情況。這些調(diào)查報(bào)告都非常的有益，但它們主要關(guān)注的是工業(yè)申請CFB的可能性。CFB的流動行為和干燥特性是非常復(fù)雜的，并且仍然不是很清楚。為了評估物體表面溫度，從氣體到物體的熱量傳遞知道是標(biāo)非常有必要的。為了特定的目的，定量的CFBs熱量傳遞特性的知識是必須的。
在這篇論文中，做了一個(gè)關(guān)于流動行為和CFB的氣體-液體的熱量和質(zhì)量傳遞特性的試驗(yàn)，影響干燥過程的主要因素被檢測和討論。
2. 實(shí)驗(yàn)裝置
圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意表。一個(gè)圍繞水平軸的圓柱形籃子安裝在一個(gè)密封的圓柱形盒子內(nèi)?；@子直徑為200mm，寬度為80mm?；@子的側(cè)面有直徑為3mm的洞，用來分散氣體，有22.7%的開放區(qū)域。
圖1.實(shí)驗(yàn)裝置
內(nèi)表覆有200個(gè)不銹鋼絲網(wǎng)，用來防止機(jī)床材料腐蝕。在籃子末端墻體的中心處有一個(gè)直徑為80mm的洞，用來排出氣體。一個(gè)變速發(fā)動機(jī)被用來轉(zhuǎn)動籃子，通過一個(gè)軸來連接籃子墻體的另一端。用一個(gè)LZ-45轉(zhuǎn)速計(jì)來測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速?？諝庥梢粋€(gè)鼓風(fēng)機(jī)吹入?？諝赓|(zhì)量流率的測量采用孔板流量計(jì)?？諝饧訜崾褂玫氖且粋€(gè)電熱器。一個(gè)t形管閥是用來控制流體方向?？諝鉁囟确€(wěn)定在期望值(約100℃)后，打開球上的閥門，干燥實(shí)驗(yàn)便開始了；熱空氣流經(jīng)分散器到達(dá)機(jī)床后進(jìn)入大氣層。壓降是通過一個(gè)U形量表來測量的。一個(gè)壓力探針沿著中心線伸到籃筐里，離端壁10毫米遠(yuǎn)。在相同的操作條件下，也進(jìn)行了不使用機(jī)床材料來獲取穿過分散器的壓力差異的試驗(yàn)。穿過機(jī)床的壓降通過ΔpBed =Δ pTotal ? Δp分散器來測量。入口氣體溫度、出口氣體溫度和在不同位置的床溫度隨時(shí)間變化是使用熱電偶探頭來測量的，數(shù)據(jù)記錄是采用3497A記錄數(shù)據(jù)采集/控制單元。在干燥過程中測試材料的含水量是通過在氣體階段的水分平衡法來測量，即通過測量在氣體階段用干濕燈泡溫度計(jì)來入口與出口處的濕潤度。
圖2.離心流化床的一個(gè)特別部分
時(shí)間間隔從tj到tjC1的水分平衡是 （公式1）。在時(shí)間tj+1,測試材料的水含量是 (公式2）。采用干燥重量法測試材料樣品達(dá)到初始含水率,我們能得到隨著時(shí)間的含水率的變化,因而,干燥率計(jì)算為 （公式3）. 干燥的表面Sp作為測試材料全部表面積為（公式4）。忽略射線熱傳導(dǎo)和周圍的熱損失，如圖2所示，不同體積時(shí), 在任何給定的時(shí)間機(jī)床的能量等式是這樣的：（公式5）。該方程可以使用在整個(gè)機(jī)床來獲得傳熱系數(shù):（公式6）
3.結(jié)果與討論
3.1.機(jī)床的壓降與初始流化特性
圖3顯示機(jī)床壓降的變化，沙床表面氣流速度,在干燥測試中不同的旋轉(zhuǎn)速度，在初始流化階段,壓降增大均隨著流速。
圖3.CFB沙子的流化曲線 (dpD0.245 mm, nD400rpm).材料 (上/下): (m/h) 沙; (d/s) 玻璃珠
當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，壓降將保持幾乎不變。但是，切片，觀察成塊的材料所得的結(jié)果不同。壓降曲線有一個(gè)最大值，它對應(yīng)的臨界液化點(diǎn),如圖4。在初始流化階段,慢慢增大壓力降的增加與流速。當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn),壓降隨著氣速的增加而下降。這是因?yàn)樵陔x心力場內(nèi)，切片材料的自鎖現(xiàn)象逐漸減弱,并且因?yàn)闄C(jī)床變得統(tǒng)一。這造成了一個(gè)流阻。降低機(jī)床轉(zhuǎn)速可以降低機(jī)床壓降和臨界氣速，如圖4。
這是由于減在了床上旋轉(zhuǎn)速度就會削弱離心力場和導(dǎo)致流動阻力減少。它也可以從圖4看出來:切片土豆的臨界流化速度要小于塊狀土豆，是由于片狀材料更大地觸風(fēng)面積。
圖4.不同形狀材料的流化曲線（切片土豆10mm_10mm_1.5 mm, nD300 rpm; (h) 塊狀土豆5mm_5mm_5 mm, nD300 rpm; (s)塊狀土豆5mm_5mm_5 mm, nD250 rpm.
3.2.干燥曲線
典型的氣體溫度和機(jī)床層溫度曲線和濕沙的干燥曲線的在間歇干燥過程中顯示如圖5。
圖5.CFB間歇干燥曲線(sand,dpD0.411mm,MD2.48kg, !D41.9rads?1,U0D1.71ms?1,HinD0.016kg kg?1): (1) Tg;in ; (2) Tg;out ;(3) Tb; (4) R; (5) x.
并且，片狀材料機(jī)床的壓降也小于塊狀物料機(jī)床，是因?yàn)樗槠牧显贑FB有更好的流化特性。這從理論性顆粒物質(zhì)模型[6]是獲得的初始流化關(guān)系并不適合切片材料。不同形狀切片材料的初始流化條件是試驗(yàn)性的，單獨(dú)決定的。
圖6片狀土豆的水份含量變化（曲線6）和干燥率（曲線7）
這也顯示出像沙子這種干燥材料的特點(diǎn),其中水分含量主要是表面的水分, 就像在一個(gè)普通的干燥機(jī)，整個(gè)干燥過程即可分為三個(gè)階段。在一個(gè)簡短的初期階段,材料預(yù)熱和干燥速度迅速增加; 機(jī)床溫度增加到一個(gè)穩(wěn)定值。第二階段是干燥速率恒定階段,從氣體到材料的熱量轉(zhuǎn)移完全為材料表面水分的蒸發(fā)。材料溫度保持不變,干燥速率也不變。最后一個(gè)階段被稱為降速階段，材料的溫度和干燥速率也逐漸增加，直到干燥過程的最后。
CFB片狀食品產(chǎn)品的干燥行為與圖6所示的沙子又有些不同。顯然,CFB切片土豆的干燥特性與在傳統(tǒng)的干燥過程基本相似。在一開始,有一個(gè)短暫的最初階段。在這一時(shí)期,機(jī)床材料預(yù)先加熱;機(jī)床溫度迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，干燥速率快速增加。這個(gè)初步的時(shí)期之后是一個(gè)干燥速率穩(wěn)定階段。在恒定的速率期,測試材料的表面覆蓋著一層很薄的水膜。氣體流動至材料的熱轉(zhuǎn)移用來完全蒸發(fā)水分,所以切片材料的溫度保持平衡，溫度和干燥速度是在最大值。這是很重要的,土豆的主要的水分含量是細(xì)胞水分,所以恒定的速率時(shí)期是很短暫的。最重要的干燥過程是在降速時(shí)期完成的。在降速時(shí)期,表面附近的干燥層出現(xiàn)并由于內(nèi)部水分外流的運(yùn)輸阻力更大而逐漸減弱。這導(dǎo)致熱傳遞阻力增加,干燥速率在第一階段迅速降低。干層后的溫度已上升到一定的值,干燥速率慢慢的減少。這表明,在該降速時(shí)期，切片土豆在循環(huán)流化床干燥機(jī)可以分開成兩個(gè)不同的階段。這對工程設(shè)計(jì)與操作都至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 干燥過程中切片土豆比塊狀土豆有一個(gè)更大的干燥速率和較短的干燥時(shí)間。這是因?yàn)樵谇衅牧现袕膬?nèi)細(xì)胞到外蒸發(fā)表面的水分運(yùn)輸距離比在塊狀材料中要短。特別值得一提的是，在干燥過程中，在第二階段的降速時(shí)期片狀材料更短。
一般來說,由于薄片材料可能被流態(tài)化和混合得很好,干燥時(shí)間極短。例如,CFB切片土豆的干燥時(shí)間比隧道式干燥機(jī)短15倍，比常規(guī)流化干燥器短5倍。
3.3.操作參數(shù)的影響
3.3.1表面氣體流速
很明顯,表面流速的增加將增加流化的程度,因此,氣體階段與固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞可能會大幅提高。這導(dǎo)致了干燥速度更大和干燥時(shí)間短,是,如圖7。這臨界水分含量會隨氣流速度增加而增加，如圖7虛線所示。對于食品原料,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在穩(wěn)定速度時(shí)期和在第一時(shí)期，干燥速度會隨著在低氣流速度區(qū)域的氣體流速的增加而增加。因此,總干燥時(shí)間會減少。然而,當(dāng)流速增加到一定值,恒定的速率會消失,降速時(shí)期的第一階段減短而第二階段增長。 .
圖7表觀氣速對水分含量的影響
(dpD0.411 mm, MD2.50 kg, !D41.9 rad s?1, HinD0.016 kg kg?1): (1)
U0D1.66ms?1; (2) U0D2.17ms?1.
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總干燥時(shí)間就會保持不變;這是因?yàn)轳R鈴薯的主要水含量是內(nèi)層細(xì)胞水和主要的干燥過程是在降速時(shí)期的第二階段。增加進(jìn)口燃?xì)鉁囟?所有的干燥速率和干燥周期總數(shù)增加，干燥時(shí)間就減少。然而,燃?xì)鉁囟鹊脑黾訒苤朴诟稍锸澄锏馁|(zhì)量。我們的測試中,最好的入口氣體溫度大約是100-110℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明, 在相同的操作條件下，固定尺寸的切片蘿卜的干燥速率比切片土豆的更大。這是因?yàn)槲⒂^組織的測試實(shí)例表明,蘿卜比土豆有一個(gè)更大的帶有一種更加規(guī)則性排列細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而且，蘿卜細(xì)胞里液體的粘性更??；這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)讓蘿卜容易干燥。
3.3.2.旋轉(zhuǎn)速度
相同的氣速,降低床上旋轉(zhuǎn)速度將會減少離心力作用于物質(zhì)的流態(tài)化程度,而提高材料的流化程度;這導(dǎo)致氣體階段和固體階段之間的熱量和質(zhì)量傳遞會增加。因此,當(dāng)減少機(jī)床的旋轉(zhuǎn)速度,干燥速度增加了,如圖8。并且整個(gè)機(jī)床的干燥過程會比較均勻。這意味著,對于CFB一個(gè)給定的材料干燥,機(jī)床轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量放低，直到流化狀態(tài)可能就不能維持。當(dāng)通過提高在CFB干燥器內(nèi)的氣體速度來增強(qiáng)干燥過程， 同時(shí),必須增加速度,避免干燥材料從機(jī)床上吹出去。在理論上,通過限制CFB機(jī)床的旋轉(zhuǎn)速度，在任何氣體流速下機(jī)床操作都能是最佳流化狀態(tài)。
圖8.旋轉(zhuǎn)速度的影響 (dpD0.411 mm, MD2.41 kg, U0D
1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) !D52.4 rad s?1; (2) !D41.9 rad s?1.
圖 9. 粒子直徑的影響 (MD2.4 kg, !D41.9 rad s?1, U0D
1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) dpD0.245 mm; (2) dpD0.411 mm.
3.3.3.粒子直徑
圖9顯示了CFB下粒子直徑對干燥行為的影響。顯而易見的是,對于走直徑更大的粒子，由于氣體和固體顆粒之間更大的下滑速度，干燥過程中的熱量與質(zhì)量傳遞將會增強(qiáng)。 因此,CFB干燥速率會隨著粒子直徑的增加而增加，如圖9所示。然而,隨著增加物質(zhì)維度,內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力會增加,因此,對于一個(gè)給定的干燥材料,在特定操作條件下，那對于決定干燥過程中最佳材料規(guī)模是非常重要的。
3.3.4.機(jī)床厚度
圖10顯示初始床厚度的影響上干燥工藝。可以看出,以提高料層厚度,干燥速率會減少,這是因?yàn)闅怏w階段和固體階段之間的熱量與質(zhì)量傳遞的驅(qū)動力在陜窄的機(jī)床條件下更大。
圖 10. 機(jī)床厚度的影響 (dpD0.411 mm, !D41.9 rad s?1,
U0D1.43ms?1, HinD0.0123 kg kg?1): (1) L0D30 mm; (2) L0D20 mm.
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圖 11.初始水分含量(dpD0.411 mm, MD2.48 kg, !D41.9
rad s?1, U0D1.71ms?1, HinD0.016 kg kg?1): (1) x0D0.221 kg kg?1; (2)
x0D0.0574 kg kg?1.
3.3.5.初始水分含量的影響
很明顯,初始水分含量越大的材料干燥時(shí)間更長 (圖11),但是干燥特性都是相同的。唯一的區(qū)別在于恒定速率階段的持續(xù)時(shí)間。
3.4.熱量傳遞關(guān)聯(lián)性
65%的實(shí)驗(yàn)操作都是通過濕沙和玻璃珠進(jìn)行的，機(jī)床高度固定為10-30mm之間，雷諾系數(shù)從5.47到35.3以及離心力這重力的10.08到28倍。熱量傳遞系數(shù)被轉(zhuǎn)換成努塞系數(shù)，看作是平均溫度下的平均直徑和熱電導(dǎo)率。使用迴歸分析的程式，獲得了在干燥過程中的CFB氣體與粒子間熱量傳遞的無量綱關(guān)聯(lián)。擴(kuò)散系數(shù)的指數(shù)比(Prandtl號碼)已被假設(shè)為1 / 3;
圖12.試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較
（公式7）
因此，合適的參數(shù)范圍內(nèi)對上述二者的相互關(guān)系是,FcD10.0-28.0 ReD5.0-42.0。 努塞爾系數(shù)定義為NuDhdp /λ;雷諾數(shù)為ReDρgU0dp / μ;普朗特?cái)?shù)是PrDCpgμ/λ; 然后,無量綱的離心力被定義為Fc=ro ω2/g。圖12顯示的是試驗(yàn)的熱量傳遞與公式7的計(jì)量值比較。這項(xiàng)工作測試得到的所有數(shù)據(jù)偏差在25%以內(nèi)。
4. 結(jié)語
1.CFB可能可以在填充床上操作,剛剛出現(xiàn)的流化或流化機(jī)床在給定的流速下，通過使用一個(gè)強(qiáng)流率的離心力場，可以維持穩(wěn)定的流化狀態(tài)。
2.CFB分散器附近沒有明顯的“活躍區(qū)域”。在表觀氣速、粒子直徑、粒子形狀因子、、粒子密度、機(jī)床厚度和機(jī)床轉(zhuǎn)速的影響下，氣體與團(tuán)體之間的熱傳遞產(chǎn)生。
3.CFB干燥器中，干燥過程可以分為三個(gè)階段,干燥速度隨著表觀氣速和顆粒直徑的增加及旋轉(zhuǎn)速度和初始機(jī)床厚度的減少而增加，
4．在CFB中切片食品產(chǎn)品能夠流化和混合和非常好。壓降曲線有一個(gè)最大值，臨界流化參數(shù)隨著干燥產(chǎn)品及材料本身形狀和大小的變化及操作條件的變化而變化。
5.切片食品產(chǎn)品可以干得很好很快。干燥的主要過程是在降速期間,干燥速率速率取決于干燥產(chǎn)口的材料、形狀、和尺寸以及操作條件。
5．術(shù)語
a 顆粒表面每單位體積
Cpg,Cps 氣體或固體的比熱容
Dp 平均粒子直徑
DAB 分子擴(kuò)散性
Fc 無量鋼的離心力，
G 氣體質(zhì)量流率
h 熱傳系數(shù)
H 機(jī)床寬度；氣體可濕性
Lo 固定床厚度
M 干燥材料的重量
n 機(jī)床轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)速）
Nu 努塞爾數(shù)，hdp/
△P 壓降（kpa）
Pr 普朗特系數(shù)，
R 干燥速率
Re 雷諾系數(shù)
T 溫度
U0 表面氣體流速
x 水分含量
希臘字母
ε 多孔性
λ 導(dǎo)電性
μ 氣體粘度
υ 氣體運(yùn)動粘度
氣體或固體密度
球形
ω 角速度
致謝
本項(xiàng)目由中國國家自然科學(xué)基金會支持。
參考文獻(xiàn)
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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 工 學(xué) 院 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 油菜籽烘干機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) THE DESIGN OF RAPESEED DRYER STRUCTURE 學(xué)生姓名： 熊文廣 學(xué) 號： 200940615115 年級專業(yè)及班級：2009 級農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自 動化(1)班 指導(dǎo)老師及職稱： 吳明亮 教授 學(xué) 部： 工學(xué)院 湖南·長沙 提交日期：2013 年 5 月 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工 作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì) 不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn) 的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘 要： .............................................................1 關(guān)鍵詞： .............................................................1 1 前言 ................................................................3 1.1 油菜籽烘干機(jī)的研究目的和意義 ......................................3 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ....................................................3 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................................3 1.3 本次油菜烘機(jī)械的設(shè)計(jì)要求、烘干工藝要求及工作原理 ..................6 1.3.1 設(shè)計(jì)要求 ........................................................6 2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 ..................................................7 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 ......................................................7 2.1.1 設(shè)計(jì)要求 ........................................................7 2.1.2 任務(wù)分析 .......................................................7 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) ....................................................7 2.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) ......................................................7 2.2.2 電機(jī)的選型 ......................................................9 2.3 定加熱烘干方式 ....................................................9 3 軸設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 ...................................................11 3.1 軸的設(shè)計(jì)尺寸 .....................................................11 3.1.1 軸的工作環(huán)境 ...................................................11 3.1.2 軸的選材 .......................................................11 3.1.3 軸的結(jié)構(gòu)造型 ...................................................11 3.2 軸的強(qiáng)度校核 .....................................................12 3.2.1 曲應(yīng)力校核 .....................................................13 1 3.2.2 疲勞強(qiáng)度校核 ...................................................12 3.2.3 靜校核計(jì)算 .....................................................13 3.2.4 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算 ...................................................14 4 傳動系統(tǒng) ...........................................................16 4.1 傳動比設(shè)計(jì) .......................................................16 4.2 鏈輪設(shè)計(jì) .........................................................16 4.2.1 鏈輪的選型 .....................................................16 4.2.2 鏈輪齒數(shù)及設(shè)計(jì)功率 .............................................16 5 物料回流設(shè)計(jì) .......................................................17 5.1 物料回流的必要性 .................................................17 5.2 油菜籽周向流動分析 ...............................................17 6 油菜籽烘干機(jī)械發(fā)熱箱體的干燥溫度和溫度可調(diào)節(jié)的范圍 .................18 7 確定鼓風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)速可調(diào)節(jié)的范圍 .................................18 7.1 計(jì)算確定滾筒的通風(fēng)量 .............................................18 7.2 如何確定風(fēng)壓強(qiáng)和風(fēng)機(jī)功率 ........................................18 8 結(jié)論 ...............................................................20 9 結(jié)束語 .............................................................19 參考文獻(xiàn) ............................................................20 致 謝 ........................................................... 21 2 油菜籽烘干機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 生：熊文廣 指導(dǎo)老師：吳明亮 (湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128) 摘 要：本畢業(yè)設(shè)計(jì)目的在于研制一臺油菜籽烘干機(jī)，設(shè)計(jì)說明書論述了烘干機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)、 干燥原理、干燥工藝，各指標(biāo)參數(shù)，本機(jī)械制作的目的是測試油菜籽的最佳烘烤溫度和時(shí)間，使 用方便。能夠高效率且均勻的將油菜籽烘干，每小時(shí)100千克左右。油菜籽的直徑1到3毫米不等, 干燥時(shí)要讓堆積在一起的油菜籽充分的與干燥熱氣流接觸。直到油菜籽的含水率降到9%以下。按 照干燥動力學(xué)要求進(jìn)行干燥效率計(jì)算，確定烘干機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，風(fēng)速，干燥溫度的參數(shù)計(jì)算。 設(shè)計(jì)說明概括了此油菜籽烘干機(jī)機(jī)械的烘干原理、構(gòu)造、性能參數(shù)及力學(xué)校核，烘干的方案、 過程、此次油菜籽烘干機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)，短筒物料循環(huán)，熱能循環(huán)。 關(guān)鍵詞：油菜籽；烘干機(jī)；設(shè)計(jì)； The Design Of Rapeseed Dryer Structure Student:Xiong Wenguang Tutor:Wu Mingliang (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract：The purpose of this graduation project is to develop a rapeseed dryer, the design specification discusses the mechanical dryer, drying principle, the drying process, the parameters of each index, the purpose of the mechanical production test rapeseed baking temperature andtime, easy to use. Can high efficiency and uniform drying rapeseed, about 100 kg per hour. The rapeseed diameter ranging from 1-3 mm, let dry stacked rapeseed full contact with the dry hot air. Until the moisture content of rapeseed dropped to below 9%. In accordance with the a drying kinetics request a drying efficiency calculations to determine the size, wind speed, drying temperature, drying machine structure parameter calculating. Design specifications summarized the principle of rapeseed dryer drying machinery, construction, performance parameters and mechanical check, drying the solution process, the innovation of rapeseed dryer, Short materials cycle and heat cycle Key words： Rape seed ;Dryer; Design； 3 1 前言 1.1 油菜籽烘干機(jī)的研究目的和意義 油菜籽在我國油料作物中占有愈來愈大的比例。江南油菜籽收獲時(shí)正值春夏之交 陰雨季節(jié)。由于油菜籽含有高達(dá)20%～25%以上的水分,個(gè)別年份,遇連續(xù)陰雨,一夜之 間油菜籽生芽霉?fàn)€的事例常有發(fā)生。國有植物油企業(yè)收購的油菜籽,水分超標(biāo)越來越 嚴(yán)重。通常一個(gè)榨季發(fā)熱霉變損失上千噸,大部分企業(yè)均遇到此類損失,價(jià)值達(dá)數(shù)十萬 元。 國內(nèi)現(xiàn)在解決水分問題普遍采用原始太陽曬的辦法。但曬場面積有限,每天能曬的油 菜籽噸位遠(yuǎn)小于收購量。如一個(gè)50t/d 的油脂企業(yè),他們將倉庫間通道坪改造成水泥 地坪的曬場,耗資50萬元。每天能曬的油菜籽不足50t,而每天收購的油菜籽卻達(dá)300t 以上人工曬的成本即工資在13元/t以上,個(gè)別達(dá)20～30元/t。要曬2～3天才能降到10% 以下的水分。因此15%～20%水分的油菜籽不得不堆在倉內(nèi)達(dá)1.5～2.0m,等待裝滿幾百 上千噸壓滿風(fēng)道后再機(jī)械通風(fēng),此等待期間以小時(shí)計(jì),油菜籽急劇發(fā)熱霉變失油酸敗。 即使通風(fēng)良好,發(fā)熱冷霉的速度還是高于通風(fēng)降溫散水的速度,而且存在著巨大的通風(fēng) 死角均導(dǎo)致霉變酸敗。目前油菜籽烘干不外是空心槳葉、平板、滾筒和流化這幾類方 式。它們要么產(chǎn)量小,不足10t/h,不適宜收購速度30～200t/h大產(chǎn)量;要么投資巨大, 小時(shí)烘5t成套工程價(jià)格不低于30～40萬元。且均存在熱效率低下不足25%～40%,噸烘 干成本大,超過30～40元,個(gè)別超過60元。一次降水量小不足5%～8%,不能一次性將高 水分油菜籽降低到8.1%安全水分以下。如另一個(gè)油脂企業(yè)建成了一套小時(shí)烘5t油菜籽 工程,三層樓,空心槳葉烘干機(jī)、流化槽冷卻工藝,4t鍋爐供熱,可見到烘干機(jī)排汽大孔 排出130℃以上水蒸氣,實(shí)際流量3t/h,濕籽一次烘不干,須多次?？梢娡顿Y巨大,產(chǎn)量 小,熱效率很低,不足20%,成本高達(dá)百元以上。這種設(shè)備工藝都是落后不成功的。由此 看來,油菜籽烘干技術(shù)還很落后,不能帶來巨大效益。難怪大部分油脂企業(yè)面臨巨大損 失迫切需要烘干機(jī),但面對市場又無可奈何。 油菜籽果真那樣難烘、需要那么大投資及成本嗎?只要研究透油菜籽個(gè)性,就能輕 松地解決油菜籽烘干難題?？上瓤纯从筒俗褑晤w質(zhì)量及表面積。油菜籽一般呈 Φ1.27～Φ2.1的球狀,比重為1050kg/m3,容重為680kg/m3,孔隙度為36%,單粒重 4.2×10-6 kg ,表面積為12.5×10 -6㎡,即相當(dāng)于1000kg油菜籽有3000㎡表面積,這比 稻谷、玉米及小麥等大粒糧食單位質(zhì)量比表面大得多,說明有更大的表面接收熱量、 散發(fā)內(nèi)部水分,水分外移路程短、時(shí)間快,是油菜籽烘干極有利的條件。其次,油菜籽 烘干可以用180℃高溫空氣,而稻麥、玉米類糧食只用70～110℃低溫;第三,油菜籽烘 4 后可直接冷卻,不必像糧食那樣要經(jīng)過復(fù)雜的緩蘇工藝。這都能極大地簡化油菜烘干 工藝及設(shè)備,從而簡化投資及烘干成本一次性將任何高水分烘到安全水分 [1] 。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 作為世界第一油菜籽產(chǎn)銷大國,我國目前的油菜籽干燥設(shè)備形式多樣。而南方丘 陵地區(qū)需要一種可進(jìn)行走鄉(xiāng)串戶作業(yè)的小型移動烘干設(shè)備。我國現(xiàn)有的小型烘干機(jī)有 以下幾種。 (1)小型可移動攪拌式干燥機(jī) 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)從結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、可移動作業(yè)、具有較高的自動化、 智能化等方面著手，研制了一種采用了攪拌形式的滾筒干燥室的小型干燥機(jī),其干燥 能力較強(qiáng),能耗較低,平均處理能力在1.5t左右,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)烘干機(jī)由 二部分組成:干燥室和控制室。干燥室內(nèi)采用螺旋式攪拌器,可以使糧食在干燥室內(nèi)部 自上而下翻轉(zhuǎn)180°,使糧食徹底換向和重新混合,保證所有烘干后的糧食水分的均勻。 干燥室和控制室通過熱風(fēng)管相連,控制室里裝有熱風(fēng)爐,風(fēng)機(jī)和單片機(jī)為核心的干燥機(jī) 控制裝置。整體結(jié)構(gòu)見圖1。該烘干機(jī)可進(jìn)行油菜烘干,具有良好地移動作業(yè)能力,能 進(jìn)行跨區(qū)作業(yè),可以降低作業(yè)成本，能在線檢測水分，實(shí)現(xiàn)了自動化和智能化。由于 油菜籽種皮薄，如果攪拌速度較快易損傷油菜籽，影響油菜籽的品質(zhì)。該烘干機(jī)無提 升機(jī)構(gòu)，裝卸料不方便。 圖 1 干燥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig..l Drier structure diagram (2)小型可移動式循環(huán)干燥機(jī) 該干燥機(jī)由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。主要由機(jī)架、風(fēng)機(jī)、 風(fēng)量分配器、電熱箱（一個(gè)預(yù)加熱器和主加熱器） 、料倉、干燥室、裝料倉、糧食輸 送管和各種閥門組成。整個(gè)干燥機(jī)可通過機(jī)架和地輪方便地移動。工作時(shí),物料從裝 料倉進(jìn)入輸送管,被經(jīng)過預(yù)加熱器加熱的熱風(fēng)(風(fēng)溫30～35℃之間可調(diào))吹入料倉,然后 因重力落入干燥室。由主加熱器加熱的熱風(fēng)(溫度在40～70℃之間可調(diào))切向進(jìn)人外篩 5 筒與圓形干燥室內(nèi)壁之間,形成旋轉(zhuǎn)氣流,然后穿過谷層向上,從而干燥糧食。去除一 定水分的糧食再進(jìn)人上排糧倉,然后又循環(huán)進(jìn)人糧食輸送管。當(dāng)糧食水分滿足要求時(shí), 經(jīng)下排糧閥收集。該烘干機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于熱風(fēng)循環(huán)起到了攪拌作用，可實(shí)現(xiàn)均勻烘干， 適合油菜籽烘干，但是烘干量少，效率低，無在線水分檢測 [2] 。 1.地輪；2.下排糧閥；3.裝料倉；4.上裝料倉；5.外篩筒；6.干燥室；7.內(nèi)篩筒；8.料倉； 9.電熱箱；10.風(fēng)量分配器；11.風(fēng)機(jī)；12.機(jī)架；13輸送管 圖 2 干燥機(jī)總體示意圖 Fig.2 The overall schematic diagram dryer 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 歐美國家的農(nóng)場都比較大，烘干設(shè)備以大型，集中型為主，油菜的烘干設(shè)備也不 例外，如英國Law-Denis公司的CN16/48系列塔式烘干設(shè)備，俄國在20世紀(jì)50年代就已 經(jīng)出現(xiàn)了庫茲巴斯移動式谷物烘干機(jī)；而亞洲國家中以丘陵為主的地區(qū)則以小型的糧 食烘干機(jī)為主，如日本金子公司的小型的烘干設(shè)備SSA-160，越南的SRR-1型簡易糧食 烘干機(jī)等。 (1)英國大型烘干設(shè)備 英國Law-Denis公司的CN16/48系列塔式烘干設(shè)備主要由熱氣室(包括燃油爐、燃 燒室、熱氣室)、原料干燥室、排氣集氣室、廢氣排氣除塵裝置、空氣動力系統(tǒng)、原 料卸料裝置、電氣控制系統(tǒng)、溫濕度檢測系統(tǒng)等組成。該烘干機(jī)可連續(xù)干燥處理物料,處 理能力大。若原料水分在18%以內(nèi),可一次降低水分6%,產(chǎn)量可達(dá)50t/h;若水分高于18% 需進(jìn)行一次干拌或二次處理。整個(gè)系統(tǒng)較完善，采用功能控制器、燃油爐控制器、卸 料控制器和各種專用控制器、控制模塊分別控制各個(gè)系統(tǒng)，具有較高的自動化程度。 能自動對溫度、濕度及工作狀態(tài)進(jìn)行全面的檢測控制，使用安全可靠，實(shí)現(xiàn)了自動卸 6 料，還可除塵。但是該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，只適合大型油脂加工企業(yè)，不適合農(nóng)村 農(nóng)戶使用。不過，其反射混流干燥原理值得借鑒。 (2)日本的小型谷物烘干機(jī) 日本金子公司的SSA-160烘干機(jī)使用單相電源，裝機(jī)容量2t以下，物料可經(jīng)升運(yùn) 器提升至干燥倉；有水分測定裝置，可隨時(shí)觀察物料含水情況，達(dá)到要求的干燥程度 時(shí)能自動停機(jī)；廢氣經(jīng)管道排出室外，能保持良好的作業(yè)環(huán)境，且可靠性強(qiáng)，但是價(jià) 格昂貴 [3]。 1.3 本次油菜烘機(jī)械的設(shè)計(jì)要求、烘干工藝要求及工作原理 1.3.1 設(shè)計(jì)要求 一次烘干油菜籽100kg每小時(shí)。采用臥式定筒式，外筒靜止，油菜籽放在定筒內(nèi) 部，定筒內(nèi)油菜籽被傳動軸帶動的葉片揚(yáng)起呈瀑布狀撒落與通入的熱風(fēng)充分接觸為最 佳。傳動軸由電機(jī)通過鏈條傳動提供動力，機(jī)器可以靈活調(diào)節(jié)傳動軸轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度、 風(fēng)速，在出現(xiàn)意外的情況下能立即停止。 1.3.2 烘干工藝要求 油菜籽呈細(xì)小球形顆粒，含有大量的脂肪(40%)和大量的蛋白質(zhì)(27%)。它的平均 粒徑只有1.27～3.05mm，孔隙細(xì)小，容易吸濕，應(yīng)將其含水率降至9%以下，才能安全 貯藏。油菜籽烘干過程中，如果籽粒溫度過低，則降水緩慢;但如果溫度過高，又會 造成油脂溢出，不利于干燥，還可能發(fā)生火災(zāi)。因此，在烘干過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熱 風(fēng)溫度以及菜籽在定筒中的停留時(shí)間。經(jīng)過定筒烘干的菜籽溫度比較高，應(yīng)對其立即 進(jìn)行冷卻，保證冷卻后的菜籽溫度較環(huán)境溫度不高于5℃。在冷卻的過程中，也會發(fā) 生濕熱交換，進(jìn)一步快速降低菜籽的含水率。 1.3.3.工作原理 工作時(shí)，傳動軸帶動葉片順時(shí)針回轉(zhuǎn)(進(jìn)料時(shí)傳動軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，但裝有風(fēng)機(jī)的 圓筒不旋轉(zhuǎn)。定筒里面裝有與定筒組裝為一體傳動葉片，它被端面的齒輪由下面的電 機(jī)通過鏈條驅(qū)動而回轉(zhuǎn)。油菜籽在葉片的帶動下，被提到定筒頂端呈瀑布狀撒落與通 入的熱風(fēng)充分接觸形成一次干燥流程。定筒兩端安裝軸承，定筒軸從軸承中間伸出來 裝有鏈輪，鏈輪由鏈條接到下面的電機(jī)。出料時(shí)，滾筒軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，谷物從出料閥 板滑出 [4] 。 2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 7 2.1.1 設(shè)計(jì)要求 能夠高效率且均勻的將油菜籽烘干，每小時(shí)100千克左右。油菜籽的直徑1到3毫 米不等,干燥時(shí)要讓堆積在一起的油菜籽充分的與干燥熱氣流接觸。直到油菜籽的含 水率降到9%以下。按照干燥動力學(xué)要求進(jìn)行干燥效率計(jì)算，確定烘干機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，風(fēng) 速，干燥溫度的參數(shù)計(jì)算 [5]。 2.1.2 任務(wù)分析 油菜籽烘干機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求如下 （1）按照每小時(shí)烘干量來確定烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸 （2）設(shè)計(jì)確定電機(jī)的動力傳遞路線； （3）確定定筒和機(jī)架的與傳動軸的安裝及機(jī)架的裝備關(guān)系； （4）物料的進(jìn)料和卸料，熱源的進(jìn)入定筒的路線與結(jié)構(gòu)。 2.2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的油菜籽裝在臥式定筒里面，由里面的葉片帶動揚(yáng)起，再經(jīng)過熱風(fēng)吹拂 而烘干。 機(jī)架的主要目的就是固定定筒的位置，下面裝一個(gè)電機(jī)。機(jī)架上面設(shè)置有電機(jī)固 定位置。大致形狀如下： 圖 3 機(jī)架機(jī)構(gòu)意圖 Fig.3 Rack institutions drawing 以兩根豎立的槽鋼，里面夾著一個(gè)快鋼板，外面加兩根邊角鋼固定好定筒。所有 尺寸都為定筒量身打造 [6]。 8 2.2.2 定筒的設(shè)計(jì) 有了機(jī)架的固定，定筒便可以穩(wěn)固的固定在合適的位置干燥油菜籽。 結(jié)構(gòu)介紹：油菜籽烘干機(jī)采用直定筒，橫向放置。定筒總長 1.8m，直徑 0.6m 參數(shù)計(jì)算： 定筒直徑 60m 定筒體積 V=π×0.3×108=0.509m 3. 按油菜籽堆放時(shí)密度 0.8kg/L. 1.油菜籽在定筒內(nèi)所占 1/4 體積計(jì)算，一次加熱油菜籽質(zhì)量為 V×ρ×(1/4)=0.509×0.8×10 3×(1/4)=101kg; （2） 2.按油菜籽在定筒內(nèi)所占 1/5 體積計(jì)算，一次加熱油菜籽質(zhì)量為 V×ρ×(1/5)=0.509×0.8×10 3×(1/5)=81.4kg. （3） 占定筒內(nèi)體積 1/4 為最大可堆放油菜籽量，故單次烘干量最大加熱質(zhì)量為 100kg。大致體積大小符合要求 [7]。 定筒的上面開進(jìn)料口 φ60mm，下面的進(jìn)料口為 100mm。兩端有軸的安裝孔。熱風(fēng) 的從定筒的左端進(jìn)入，從定筒的右端上口出去。所有接口都設(shè)置有螺栓連接。具體見 示意圖： 圖 4 定筒裝配意圖 Fig.4 Fixed tube assembly drawing (1) 9 2.2.3 電機(jī)的選型 鏈傳動效率：η 1=0.99 電機(jī)蝸輪蝸桿減速器傳動效率：η 2=0.90 動力部分：滾動軸的轉(zhuǎn)動動力源為三相電動機(jī)，其型號的選用與滾筒工作情況相 關(guān) [7]。 滾筒部分裝配后質(zhì)量80kg，里面盛放油菜籽質(zhì)量100kg. 電動機(jī)的選型：初選6級三相電機(jī)，轉(zhuǎn)速910r/min. 根據(jù)公式 {?? ??}?????=??????=100×9.8×0.3=294????? {??}????=???????9550=294×309550=0.923???? 查三相電動機(jī)選型表，選 Y90L-6 三相電機(jī)，額定功率 1.1kw，滿載轉(zhuǎn)速 910r/min，質(zhì)量 27kg 能滿足要求。 驗(yàn)算電機(jī)傳遞到傳動軸上功率大?。?傳動軸上功率： ??=??????1??2=1.1×0.99×0.90=0.98????>0.923???? 符合要求 [9] 。 2.3 定加熱烘干方式 加熱方式：利用電阻加熱，通過可控硅調(diào)節(jié)通過電阻絲的電流調(diào)節(jié)加熱功率，從 而調(diào)節(jié)溫度。熱風(fēng)機(jī)將電阻熱傳遞給滾筒，經(jīng)過滾筒后再從保溫管道流經(jīng)熱交換器， 循環(huán)利用熱能，達(dá)到節(jié)能的效果 [10]。 烘干方式：滾筒內(nèi)進(jìn)熱風(fēng)方向與定筒內(nèi)油菜籽流向相反，即為逆流式烘干方式。 逆流式烘干方式特點(diǎn)如下： 1）熱風(fēng)與谷物逆向流動。 2）熱風(fēng)所攜帶的熱能可以充分利用，排出干燥機(jī)的濕空氣接近飽和狀態(tài)。 3）干燥速度快、單位熱耗低，熱效率較高。 4）物料水分和溫度比較均勻。 2.4 攪拌葉片的設(shè)計(jì) 按參考文獻(xiàn)，滾筒式油菜籽烘干機(jī)揚(yáng)料板擺放傾斜 8～10 度。現(xiàn)在我設(shè)計(jì)的定筒， 采用滾動軸帶動攪拌葉片，揚(yáng)起油菜籽和熱風(fēng)接觸 [10]。 葉片設(shè)計(jì)長度比定筒稍稍短少許，寬度也比定筒少點(diǎn)點(diǎn)！其中長度設(shè)在比定筒內(nèi) (4) (5) (6) 10 長少 40mm，分配到兩端沒端短 20mm。寬度上比定筒短 5mm。這樣當(dāng)葉片在軸轉(zhuǎn)動的時(shí) 候就把揚(yáng)起絕大多少的油菜籽，并且把它提高到筒內(nèi)的 3/4 高度。然后在最高位置灑 落下來，形成瀑布狀充分和熱氣流接觸，增大干燥效率。 在葉片的 3/4 位置裝有提升板，板長 100mm。這樣就可以在提升的時(shí)候揚(yáng)起經(jīng)過 的油菜籽打到最高位置時(shí)才飄落下來。 葉片設(shè)計(jì)成螺旋狀，與軸的角度設(shè)計(jì)在 9.5°。由于在干燥過程中有來自干燥熱 風(fēng)的吹拂，故油菜籽會被風(fēng)帶到出風(fēng)口一端。所以葉片安裝在軸的上成螺旋狀，轉(zhuǎn)動 時(shí)帶動油菜籽向的風(fēng)的反方向流動。形成油菜籽在筒內(nèi)的物料循環(huán) [11]。 ，安裝時(shí)精確到 9.5°。 ??=2arcsin(285×??????5300)=2×4.768°=9.535° 葉片的形狀二位圖如下： 圖 5 攪拌葉片結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.5 Mixing blades structure drawing 3 軸設(shè)計(jì)與校核計(jì)算 3.1 軸的設(shè)計(jì)尺寸 3.1.1 軸的工作環(huán)境 軸的名稱：階梯軸 軸的轉(zhuǎn)向方式：單向恒定 軸的工作情況：無腐蝕條件 軸的轉(zhuǎn)速：20r/min 所設(shè)計(jì)的軸是實(shí)心軸 3.1.2 軸的選材 材料牌號：45 調(diào)質(zhì)。 (7) 11 硬度(HB)：230。 抗拉強(qiáng)度：650MPa。 屈服點(diǎn)：360MPa。 彎曲疲勞極限：270MPa。 扭轉(zhuǎn)疲勞極限：155MPa。 許用靜應(yīng)力：260MPa 。 許用疲勞應(yīng)力：180MPa。 3.1.3 軸的結(jié)構(gòu)造型如下： 軸各段直徑長度： 長度 直徑 15mm 24mm 38mm 35mm 22mm 45mm 1740mm 50mm 22mm 45mm 軸的總長度：1837mm 軸的段數(shù)：5。 圖 6 軸的設(shè)計(jì)示意圖 Fig.6 The structure of the shaft drawing 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊軟件計(jì)算所得所設(shè)計(jì)的軸是實(shí)心軸 A 值為：115 許用剪應(yīng)力范圍：30～40MPa [12]。 最小直徑的理論計(jì)算值：17.79mm 滿足設(shè)計(jì)的最小軸徑：24mm。 12 3.2 軸的強(qiáng)度校核 3.2.1 彎曲應(yīng)力校核如下： 軸的直徑：45mm 危險(xiǎn)截面的彎矩 M：73.43N·mm 扭矩 T：100N·mm 截面的計(jì)算工作應(yīng)力：0.01MPa 許用疲勞應(yīng)力：180MPa 1826mm 處彎曲應(yīng)力校核通過 危險(xiǎn)截面的 x 坐標(biāo)：34mm 直徑：35mm 危險(xiǎn)截面的彎矩 M：100N·mm 扭矩 T：100N·mm 截面的計(jì)算工作應(yīng)力：0.03MPa 許用疲勞應(yīng)力：180MPa 圖 圖 7 彎矩圖 Fig.7 Bending moment diagram 34mm 處彎曲應(yīng)力校核通過 結(jié)論：彎曲應(yīng)力校核通過 3.2.2 疲勞強(qiáng)度校核如下： 13 危險(xiǎn)截面的 x 坐標(biāo)：1826mm 直徑：45mm 危險(xiǎn)截面的彎矩 M：73.43N·mm 扭矩 T：100N·mm 有效應(yīng)力集中系數(shù)（彎曲作用）：2.62 扭轉(zhuǎn)作用：1.89 截面的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) S：7254.52 許用安全系數(shù)[S]：2.0 1826mm 處疲勞強(qiáng)度校核通過 結(jié)論：疲勞強(qiáng)度校核通過 3.2.3 靜校核計(jì)算： 危險(xiǎn)截面的 x 坐標(biāo)：1826mm 直徑：45mm 危險(xiǎn)截面的彎矩 M：73.43N·mm 扭矩 T：100N·mm 截面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)：29535.59 許用安全系數(shù)[Ss]：1.8 1826mm 處靜強(qiáng)度校核通過 結(jié)論：靜強(qiáng)度校核通過 [13]。 3.2.4 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 當(dāng)量直徑 dv：53.99mm 軸截面的慣性距 I：417083.34mm^4 支承距離與 L 的比值：0.96 軸所受的重力：400N 支座形式系數(shù) λ1：9.0 軸的一階臨界轉(zhuǎn)速 ncr1：1584.84r/min 軸的轉(zhuǎn)速為最大 910r/min，大大小于臨界值，符合要求。 危險(xiǎn)截面處：軸的一端 1826mm 處 直徑：45mm 危險(xiǎn)截面的彎矩 M：73.43N·mm 扭矩 T：100N·mm 截面的計(jì)算工作應(yīng)力：0.01MPa 許用疲勞應(yīng)力：180MPa 1826mm 處彎曲應(yīng)力校核通過 [14]。 以上設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)為：功率 P=0.37Kw,軸轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn)/min，最大負(fù)荷為 14 405N·m， 階梯軸的長度分別為 15mm，38mm，22mm，1740mm，22mm，軸的校核與設(shè)計(jì)由《機(jī)械設(shè) 計(jì)手冊》軟件版 V3.0 設(shè)計(jì)所得。 3.2.5 軸的結(jié)構(gòu)計(jì)算如下： ????=??????=9.55×106??0.2??3?? ≤[????] (??????) 依據(jù)截面上產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力,按第三強(qiáng)度理論應(yīng)滿足 ??????=??2??+4??2?? 對于直徑為 d 的實(shí)心圓軸 （10） ????=????≈ ??0.1??3， ????=??????≈ ??0.2??3=??2?? ??????=??2+(????)2?? 注：a 為根據(jù)轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生應(yīng)力的性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)，取 a=0.3. 對于長軸，滾動軸的壓力為 405N.橡膠輪中心與軸承中心的間矩為 232mm. 最大彎矩 Mb2=F2l2=405×232=9.40×104 (N·mm). 鏈輪對軸的載荷為 329N，鏈輪中心與軸承中心距 252mm. 最大彎矩 Mb1=F1l1=329×252=0.829×105 (N·mm). 由扭矩公式 ??=9.55×103{??}????{??}??/?????? 計(jì)算： 定筒傳動軸上扭矩 ????=9.55×103×0.9891 =102.85?????=1.03×105??????? ????=??2 +(????)2 傳動軸鏈輪處彎矩 ?? ??1??=??21+(α????)2= (1.21×105)2+(0.3×1.03×105)2 =1.21×105 ??????? (8) (9) (11) (12) (13) (14) 15 計(jì)算傳動軸的直徑： ??≥3 ????0.1[σ-1??] (????) 傳動軸在滾動軸的彎矩傳動處直徑滿足 428.6*1025sbd?? 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取標(biāo)準(zhǔn)直徑 db2=24mm 符合要求。 4 傳動系統(tǒng) 4.1 傳動比設(shè)計(jì) 根據(jù)電機(jī)的選型和軸的轉(zhuǎn)速需要 電動機(jī)選型表，選 Y90L-6 三相電機(jī)，額定功率 1.1kw，滿載轉(zhuǎn)速 910r/min。 軸的最高轉(zhuǎn)速為 18r/min [15]。 傳動比：N=910/18=50.5。 傳動比選 n=48。 所選電機(jī)自帶減速系統(tǒng)渦輪蝸桿傳動比 6：1。所以設(shè)計(jì)鏈輪傳動比為 8：1。 軸的轉(zhuǎn)速 V=910/8/6=19r/min＞18r/min 故設(shè)計(jì)符合要求。 4.2 鏈輪設(shè)計(jì) 4.2.1 鏈輪的選型 根據(jù)軸的大小為 24mm，小鏈輪選型為 05B-1-24-24。 其中鏈輪的齒數(shù)為 24，內(nèi)徑為 24mm，外徑 68mm.大鏈輪選 05B-1-144-24，其中內(nèi)徑 為 24mm，外徑為 369mm [16]。 4.2.2 鏈輪齒數(shù)及設(shè)計(jì)功率 小鏈輪齒數(shù) z1：24 大鏈輪齒數(shù) z2：144 工況系數(shù) f1:1 主動鏈輪齒數(shù)系數(shù) f2:1 復(fù)排鏈排數(shù)系數(shù) Km：1（即單排鏈） 設(shè)計(jì)功率 Pd:1.0(kW) 4.3 鏈條的選型 (15) (16) (17) 16 4.3.1 鏈條參數(shù)： 鏈條節(jié)距及鏈寬 鏈號：16A 鏈條節(jié)距 p2：25.4(mm) a0 ：39.6p 鏈條各項(xiàng)參數(shù) 鏈長節(jié)數(shù) X0：268.9 鏈條長度 L：6.83(m) 鏈速 v:0.318(m/s) 理論中心距 a ：412(mm) 5 物料回流設(shè)計(jì) 5.1 物料回流的必要性 定筒的加熱設(shè)計(jì)是單側(cè)進(jìn)熱風(fēng)，另一側(cè)出風(fēng)，勢必會造成進(jìn)風(fēng)口處溫度高于出風(fēng) 口，加熱溫度呈階梯狀分布，由此設(shè)計(jì)的物料循環(huán)系統(tǒng)，可以將油菜籽在定筒內(nèi)軸向 來回流動，形成循環(huán)，使各處的油菜籽受熱均勻 [16]。 5.2 油菜籽周向流動分析 油菜籽在周向的運(yùn)動是呈拋物狀撒落，在調(diào)節(jié)變頻器（0～50Hz）的同時(shí)，電機(jī) 轉(zhuǎn)速跟著改變，從而控制油菜籽撒落的最高點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)在周向達(dá)到與熱風(fēng)最大接觸 面積。注意拼接滾筒時(shí)，保證兩相鄰滾筒之間的揚(yáng)料板錯開一定的角度，這樣可以在 每個(gè)時(shí)刻都有物料在最高撒落點(diǎn)，保證與通入的熱風(fēng)接觸均勻 [17]。 舉料板設(shè)計(jì)選用 5mm 厚鋼板，裝在葉片上面，起到舉升油菜籽的作用。 17 圖 8 提升板周向拋散示意圖 Fig.8 Raise board working simulate 提升板徑向傾斜角 9.5°度做設(shè)計(jì)角度。試油菜籽徑向移動，抵消風(fēng)吹的反向 徑向力。形成油菜籽內(nèi)部上下和前后循環(huán)。 6 油菜籽烘干機(jī)械發(fā)熱箱體的干燥溫度和溫度可調(diào)節(jié)的范圍 采用三久牌電加熱熱風(fēng)烘干機(jī)。本實(shí)驗(yàn)裝料50kg油菜籽，平均含水量20%。試驗(yàn) 時(shí)間180min。按固定時(shí)間取樣的方法，抽取4個(gè)位置的樣品，現(xiàn)場做含水量測定試驗(yàn)。 初始變頻器調(diào)節(jié)值10Hz，按50Hz下轉(zhuǎn)速17.6計(jì)算，滾筒轉(zhuǎn)速 n1=10/50×17.6=3.52r/min.設(shè)定保護(hù)溫度80℃，最低溫度70℃，根據(jù)溫度傳感器可 以觀測到此工況下平均進(jìn)風(fēng)溫度為75℃。在保證烘干效率和油菜籽的活性下確定干燥 溫度在75℃最適宜，可調(diào)節(jié)范圍在50和85℃之間。 檢測：由于油菜籽胚成熟較早，吸濕性強(qiáng)，在植株上就具有發(fā)芽能力，收獲后若 含水量較高易發(fā)芽霉變，其安全含水量為 9%，以含水量為 9%為檢測標(biāo)準(zhǔn)。 烘干的影響因素：濕基含水量、熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、干燥時(shí)間、油菜籽品種 [18]。 7 確定鼓風(fēng)機(jī)的功率和風(fēng)速可調(diào)節(jié)的范圍 7.1 計(jì)算確定滾筒的通風(fēng)量 風(fēng)機(jī)風(fēng)量的定義為:風(fēng)速 V 與風(fēng)道截面積 F 的乘積.大型風(fēng)機(jī)由于能夠用風(fēng)速計(jì)準(zhǔn) 確測出風(fēng)量，所以風(fēng)量計(jì)算也很簡單.直接用公式 Q=VF.便可算出風(fēng)量。 Q=2M/S·ΠR·R (18) Q=2?3.14?0.14·0.14=0.123 風(fēng)機(jī)數(shù)量的確定 根據(jù)所選房間的換氣次數(shù).計(jì)算廠房所需總風(fēng)量.進(jìn)而計(jì)算得風(fēng) 18 機(jī)數(shù)量. 計(jì)算公式:N=V×n/Q 其中:N--風(fēng)機(jī)數(shù)量(臺), V--場地體積(m3), n--換氣次 數(shù)(次/時(shí)), Q--所選風(fēng)機(jī)型號的單臺風(fēng)量(m3/h). 風(fēng)機(jī)型號的選擇應(yīng)該根據(jù)廠房實(shí)際 情況.盡量選取與原窗口尺寸相匹配的風(fēng)機(jī)型號.風(fēng)機(jī)與濕簾盡量保持一定的距離(盡 可能分別裝在廠房的山墻兩側(cè)).實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)換氣效果.排風(fēng)側(cè)盡量不靠近附近建 筑物.以防影響附近住戶.如從室內(nèi)帶出的空氣中含有污染環(huán)境.可以在風(fēng)口安裝噴水 裝置.吸附近污染物集中回收.不污染環(huán)境 [19]。 7.2 如何確定風(fēng)壓強(qiáng)和風(fēng)機(jī)功率 選用的電機(jī)功率 N=（Q/3600）?P/（1000?η）?K (19) 其中風(fēng)量 Q 單位為 m3/h，全壓 P 單位為 Pa，功率 N 單位為 kW，η 風(fēng)機(jī)全壓效率(按 風(fēng)機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，全壓效率不得低于 0.7,實(shí)際估算效率可取小些,也可以取 0.6,小風(fēng)機(jī) 取小值,大風(fēng)機(jī)取大值)， K 為電機(jī)容量系數(shù),參見下表 [20]。 1、離心風(fēng)機(jī) 功率 KW 一般用 灰塵 高溫 小于 0.5 1.5 1.2 1.3 0.5-1 1.4 1-2 1.3 2-5 1.2 大于 5 1.1-1.15 選用的電機(jī)功率 N=（Q/3600）?P/（1000?η）?K (20) 風(fēng)機(jī)的功率 P（KW）計(jì)算公式為 P=Q?p/（3600?1000?η0? η1） Q—風(fēng)量，m3/h； p—風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，Pa； η0—風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率，一般取 0.75~0.85，小風(fēng)機(jī)取低值、大風(fēng)機(jī)取高值 η1—機(jī)械效率，1、風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)取 1；2、聯(lián)軸器聯(lián)接取 0.95~0.98；3、用 三角皮帶聯(lián)接取 0.9~0.95；4、用平皮帶傳動取 0.85[21]。 如何計(jì)算電機(jī)的電流： I=（電機(jī)功率/電壓）?c 功率單位為 KW 電壓單位：KV C：0.76（功率因數(shù) 0.85 和功率效率 0.9 乘積） P=V?V/1600(kPa) 19 故 N=（Q/3600）?P/（1000?η）?K =(0.123/3600)2.0?2.0/1600/(1000?0.75)?0.76 =275W 鼓風(fēng)機(jī)功率選用 370W，型號為 CZR 型離心式交流鼓風(fēng)機(jī) 3800r/min。 根據(jù)對干燥速度的計(jì)算數(shù)據(jù)需要選擇型號為 CZR 型離心式交流鼓風(fēng)機(jī)，其具體參數(shù)如 下所示： 型號 相數(shù) 頻率 功率 額定電 壓 額定電 流 最大流 量 最大 吸力 最大 吹力 噪聲 重量 CZR310 A01 1 50 0.37KW 220V 3.7A 100m3 /h -120 mbar 120 mbar 55 Db 13 kg 圖 9 鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)表 Fig.9 Blowers parameter table 8 結(jié)論 該烘干機(jī)的物料上下前后回流對油菜籽烘干效果的作用，在一個(gè)有循環(huán)流動，加 熱均勻的筒內(nèi)烘干，油菜籽的降水率及受熱質(zhì)地均勻，降低了霉變的可能性，能有效 的保證種子發(fā)芽率和油菜的出油率。 9 結(jié)束語 為期一個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束了，在這將近一個(gè)月里我在同學(xué)和老師的幫助 下完成了油菜烘干機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為綜合性的設(shè)計(jì)，它不同于以前教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)。 以前的所做的一些設(shè)計(jì)主要是根據(jù)相關(guān)的課本及老師所給資料去完成的，有一定的參 照性，所以相對而言比較簡單，不能完全達(dá)到鍛煉自己動手能力的目的。而畢業(yè)設(shè)計(jì) 則是對我們大學(xué)四年所學(xué)知識的一個(gè)綜合的訓(xùn)練及考核，是對所學(xué)知識的應(yīng)用能力和 大學(xué)所學(xué)理論知識對實(shí)踐技能相結(jié)合的全面的檢驗(yàn)。并對我們?nèi)绾胃鶕?jù)要做的課題對 現(xiàn)有的資料進(jìn)行理解和運(yùn)用的能力的考核。真正做到了理論聯(lián)系實(shí)際，把以前所學(xué)的 知識綜合貫通進(jìn)行實(shí)踐，并在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)和自我完善。 從剛確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題以來，我首先是查找一些相關(guān)的書籍及資料，然后分析設(shè) 計(jì)，并根據(jù)實(shí)際情況擬定設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到優(yōu)化方案。同時(shí)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)， 我們在各個(gè)方面都有了很大的提高，特別是在理論和實(shí)踐結(jié)合方面使我們受益匪淺， 使大學(xué)里學(xué)習(xí)的理論知識在根本上得到一次最完整的實(shí)踐和提高。也為我即將面臨的 工作奠定了很好的基礎(chǔ)。 20 同時(shí)，在遠(yuǎn)大的實(shí)習(xí)和工作中，我對實(shí)際生成的需要和設(shè)計(jì)有了一定的經(jīng)驗(yàn)。在 本次設(shè)計(jì)中由應(yīng)用，雖然在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中還有很多的不足和設(shè)計(jì)缺陷，但是我嚴(yán)格 要求自己，每一環(huán)節(jié)都認(rèn)真對待，定期向知道老師報(bào)告進(jìn)展情況和請教不懂的地方， 得以完成任務(wù)。 在以后的工作中，我們必須進(jìn)一步深化在實(shí)踐中去豐富理論，完善知識結(jié)構(gòu)。由 于環(huán)境條件的影響，理論和實(shí)踐踐還是有一定的差距，這也要求我們在實(shí)踐中注意檢 驗(yàn)的積累。 參考文獻(xiàn) [1] 趙德春,龐愛國,蔡曉華,劉洪義.5HTB-15型混流式谷物干燥機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2008,10:85-88 [2] 許哲華,宋鋒.RVF700遠(yuǎn)紅外線谷物烘干機(jī)烘干油菜籽試驗(yàn)報(bào)告[J].糧油倉儲科技通訊, 2005,1:30-35 [3] 孫乃強(qiáng),張建農(nóng).潮油菜籽機(jī)械烘干降水技術(shù)的研究[J].糧食儲藏技術(shù),1996,5:13-15 [4] 梁衛(wèi).葛粉氣流干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].學(xué)術(shù)研究,2011,1:45-46 [5] 郭小鋒.滾筒式油菜籽烘干機(jī)的研究[D].重慶:西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,2011:26-29 [6] 劉立山,李娟,匡軍,王至秋,于建東.滾筒式作物種子干燥機(jī)自動控制裝置的研制[J].農(nóng)業(yè)工程 學(xué)報(bào),2004,7:108-110 [7] 田春雷,馬瀏軒,張學(xué)剛.墾區(qū)亟待開發(fā)研制油菜籽專用烘干機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化,2010,5:39-40 [8] 周天智,唐一兵.流化槽烘干機(jī)烘干高水分油菜籽的試驗(yàn)報(bào)告[J].鄭州工程學(xué)院學(xué)報(bào), 1989,2:86-88 [9] 曾益坤.平板烘干機(jī)應(yīng)用于油菜籽預(yù)榨的工藝與實(shí)踐[J].中國油脂,1999,1:22-23 [10] 李業(yè)德,李業(yè)剛.順流式谷物烘干機(jī)的模糊控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,1:162-166 [11] 武繼禮,張澤,王忠智.塔式烘干機(jī)干燥玉米小麥高粱油菜籽的技術(shù)處理[J].中國農(nóng)機(jī)化, 2002,6:174-176 [12] 莫愁,陳霖,陳懿,陳歡歡.微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械,2011,3:79-80 [13] 侯建華.小型滾筒式谷物烘干機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,10:104-106 [14] 謝艷群.小型可移動式油菜籽烘干機(jī)探討[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,2010:19-21 21 [15] 李汴生,申曉曦,劉偉濤,阮征.小型全天候太陽能干燥機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].廣州:華南理工大 學(xué)輕工與食品學(xué)院,2011:336-338 [16] 李凱.油菜烘干機(jī)試驗(yàn)臺的研制[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,2008:5-15 [17] 廖慶喜，舒彩霞，余禮明，等。微波干燥中油821 油菜子試驗(yàn)研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 1999,6 [18] 周天智，唐一兵．流化槽烘干機(jī)烘干高水分油菜籽的試驗(yàn)報(bào)告[J]．鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)， 1989(1)：83–86． [19] 王俊發(fā)，馬瀏軒．油料種子熱風(fēng)干燥特性的試驗(yàn)研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2002，20(2)：148–151． [20] Lawrence D. 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