李長友

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李長友

（華南農業(yè)大學工程學院，廣州 510642）

干燥是不同物系間多場協(xié)同作用的復合系統(tǒng)，期間發(fā)生的?傳遞和轉換特征尚未揭示，工程應用存在不同場間的耦合關系及其作用效果定量表達的理論空缺。為此，該文基于?分析法，解析糧食與干燥介質間的?傳遞和轉換特征，給出熱?、流動?，擴散?及其?效率定量評價理論表達式，基于焓-含濕量狀態(tài)參數(shù)圖，分析干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的內在聯(lián)系及相互制約關系。研究結果表明，干燥是熱?、擴散?和流動?同時作用的結果，熱?是水分汽化必須的有用能；擴散?源于糧食中多余的水分，擴散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)，在擴散過程中，溫度場和壓力場同時存在，溫度梯度與水蒸汽壓差方向相反時，強化?效率，一致時則弱化?效率；流動?維持了熱?和擴散?傳遞所需的勢差，沒有流動?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效進行；在通風干燥系統(tǒng)中，含濕糧食和干燥介質是兩種不同物系，兩種物系之間存在的不平衡勢是干燥?傳遞和轉換的動力；干燥可以歸結為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質狀態(tài)點的?傳遞和轉換的過程；指出了?及?效率都是狀態(tài)函數(shù)，在工程應用時，引入時間坐標，依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定系統(tǒng)中的狀態(tài)變化特性，可以揭示出?流密度及其?效率變化特征，進而對其能量利用效果做出評價；通過系統(tǒng)的?理論表達及其?效率分析，可以清晰地呈現(xiàn)干燥系統(tǒng)最大?損部位及環(huán)節(jié)，為評價干燥系統(tǒng)能量利用水平提供了科學的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明了能量合理利用的技術途徑。

0 引 言

干燥是高耗能的單元操作，為降低能耗，基于干燥耗能的數(shù)量守恒，針對人為提供給干燥系統(tǒng)的能量利用，進行了大量的研究并以干燥效率為主要指標不斷地修訂相應的評價標準，但存在的主要缺陷之一是沒有充分體現(xiàn)自然環(huán)境因素的作用效果，評價時需要針對不同環(huán)境和糧食條件，將測得的性能指標折算到同一個公認的干燥條件，其次是基于能量守恒研究能量在數(shù)量上的平衡，反映的只是能的外部損失，不能從本質上揭示干燥體系內部存在的能量質的貶值和損耗，所以，較難對其技術手段的有效性做出科學、合理地評價。?代表了能量中“量”與“質”統(tǒng)一的部分，解決了不同形式能量間的互比性問題，提供了評價能量的統(tǒng)一尺度，克服了現(xiàn)行評價方法上的缺陷。通過?分析，能夠從理論上揭示出能量傳遞和轉換的本質并診斷出干燥工藝過程的最大?損部位或環(huán)節(jié)，為全面辨識系統(tǒng)的用能情況和工藝過程優(yōu)化提供科學地依據(jù)[1-2]。

在卡諾1824年提出能質概念之后的百余年間，眾多學者對此概念進行了論證[3-4]，1956年Rant把能量分成在一定環(huán)境條件下，可轉換和不可轉換的兩個部分并把理論上可以轉換為其他任何形式能的最大數(shù)量命名為?（Exergy）[5]，此后，對?分析理論和方法的討論成了研究的熱點，圍繞零?參考點選擇，提出了許多特定環(huán)境下的評價模型[6-9]，以相對環(huán)境平衡態(tài)的勢能為基準態(tài)，給出了有效能函數(shù)的表達式[10-11]。由于實際過程中的?傳遞及其傳遞的強度量都與過程的不可逆性有關，熵產(chǎn)強度是特定系統(tǒng)的特征量，所以，指導工程實踐，還必須按照統(tǒng)一的目標，研究物系中勢場的特有屬性，確定系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及其變化規(guī)律，揭示出干燥?轉換和傳遞的特征及其理論表達，才能正確辨識最大?損部位或環(huán)節(jié)，進而進行系統(tǒng)優(yōu)化。

自上世紀80年代以來，?傳遞與轉換研究受到了普遍關注[12-16]，?分析正在由系統(tǒng)分析向著系統(tǒng)綜合過渡。在農產(chǎn)品干燥領域，基于?分析法，研究太陽能干燥系統(tǒng)[17-18]，流化床干燥系統(tǒng)[19-20]，建立評價特定干燥系統(tǒng)的能效分析模型[21-23]，但缺乏對干燥?傳遞和轉換特征及其理論表達的深入研究，計算模型中存在熵強度等籠統(tǒng)地概念，分析過程存在漏洞，對?概念的理解和起算?基準點的把握上存在問題，使得不同學者的評價結果差異較大，存在偏離工程實際較遠的情況。如在基于卡諾定理，解算稻谷干燥機的?效率時，給出了水分蒸發(fā)輸出的濕?僅占人為輸入?的0.5%～1%分析結果[24-25]，雖然指出了?效率低下的主要原因在于熱能發(fā)生裝置和產(chǎn)生的熱空氣與自然介質二次混合以及干燥機內不可逆?zhèn)鳠岷图Z食水分不可逆蒸發(fā)導致的?損失極大的緣故，但未能從理論上給出定量評價的表達式，主要缺陷有：1）分析結果反映的僅僅是干燥介質和水蒸氣受熱膨脹對環(huán)境所做的最大膨脹功的部分，基于最原始的能質定義，沒有體現(xiàn)干燥系最大有效能利用情況，偏離了使汽化，去除水分的干燥目標；2）抽象的是單一勢場系統(tǒng)，而干燥是熱、濕、流動相關聯(lián)的復合系統(tǒng)，不能揭示出糧食干燥?特征及其傳遞規(guī)律；3）采用的?流計算式籠統(tǒng)，存在熵源強度相關參數(shù)的定量問題，取值存在不確定性；4）沒有揭示干燥系多場協(xié)同作用的耦合關系，缺少唯象系數(shù)的具體表達，不能保證評價結果的可靠性和真實性。

糧食干燥系統(tǒng)是具有生命特征的籽粒和流動的介質構成的熱力學體系，它是以去除糧食中多余的水分為統(tǒng)一目標，在干燥體系溫度場、壓力場、干燥介質中水蒸氣和糧食中水分濃度場和生物化學場共同作用下使水分運動、汽化并由流動的干燥介質帶走，其特征有別于一般的工程過程，但該物系中的?轉換與傳遞的定量評價研究非常稀缺，應用基礎研究還很不完善，為此，本文基于?分析法，解析糧食與干燥介質間的?傳遞和轉換特征，給出熱?、流動?，擴散?及其?效率定量評價理論表達式，基于焓-含濕量狀態(tài)參數(shù)圖，分析干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的內在聯(lián)系及相互制約關系，以為評價干燥系統(tǒng)能量利用水平提供科學的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明能量合理利用的技術途徑。

1 干燥?特征及其理論表達

?是能量中能夠轉化為最大做功能力的部分，從干燥物系耗能特征看，有水分汽化消耗熱能、水分擴散克服外力做功和介質流動功損3種情況，經(jīng)歷水分汽化、遷移和被介質帶走的過程。水分汽化過程的熱能傳遞取決于溫度場，溫差是其動力勢；水分遷移和介質流動取決于壓力場，壓差是驅使物質運動的動力勢，其中的介質流動消耗的是系統(tǒng)中的流動能，而水分擴散依賴物系中的水蒸氣分壓力差。物系中的各種動力勢相互關聯(lián)，以去除水分為統(tǒng)一目標，構成了多場協(xié)同作用的復合 系統(tǒng)。

從溫度場源的性質看存在糧食、介質帶入系統(tǒng)的熱能和系統(tǒng)中的物化熱（糧食的生物化學反應熱），其中在系統(tǒng)可逆地變化到環(huán)境平衡態(tài)時，消耗在水分汽化的那部分熱能，是干燥系統(tǒng)中的最大有用熱，定義為熱?，用符號E來表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比熱?用符號e來表示，單位為kJ/kg。擴散和流動分別是水蒸氣分壓力差和流動壓力差做功的表現(xiàn)形式。在此，把系統(tǒng)可逆地擴散到環(huán)境態(tài)所做的擴散功定義為擴散?，用符號E來表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比熱?用符號￠來表示，單位為kJ/kg；把系統(tǒng)可逆地變化到環(huán)境平衡態(tài)時消耗的最大流動能，定義為流動?，用符號E來表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的比流動?用符號e來表示，單位為kJ/kg。

水分汽化的現(xiàn)象（包含集態(tài)變化和擴散）可看作是一定數(shù)量的能量遷移，物系中水分狀態(tài)變化是做功的過程[26-27]，期間發(fā)生的任何形式的傳遞現(xiàn)象，都可歸結為能量和?的傳遞與轉換[1]，以?驅動為共同尺度，就把干燥系統(tǒng)內，復雜的熱、質傳遞和轉換統(tǒng)一成單一的干燥?傳遞和轉換，通過?分析得到干燥系統(tǒng)的理論功，然后，分析實際過程中的?消耗，基于?效率，就能科學地評價系統(tǒng)能量消耗的情況。

熱?是干燥系統(tǒng)的溫度場由高勢位可逆地變化到環(huán)境態(tài)，所能完成的水分汽化最大有用功。自然空氣進入干燥系統(tǒng)，接納水分后，又被排到自然環(huán)境中，回歸初態(tài)，環(huán)境介質中蘊含的熱能，能夠最大限度地轉化給水分汽化所作的功，是客觀的最大有用功，在此定義為客觀熱?，用符號E來表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1kg水消耗的客觀比熱?用符號e來表示,單位為kJ/kg。隨著環(huán)境介質源源不斷地流入干燥系統(tǒng)，水分接受其中的熱能汽化又源源不斷地對外界做功，其過程并不違背熱力學平衡態(tài)的假設，服從熱力學第二定律，這是干燥系不同于一般的工程熱力過程的特征之一。于此相應地，為強化干燥過程，人為提供給干燥系統(tǒng)的能量中，能夠最大限度地轉化為水分汽化所作的功，在此定義為主觀熱?，用符號E來表示，單位為kJ，每蒸發(fā)1 kg水消耗的主觀比熱?用符號e來表示，單位為kJ/kg。其次生物化學反應熱，是糧食自身的屬性，可以由生物化學能變化特征定量表達[26]。

把式（2）和式（3）帶入式（1）得到干燥系統(tǒng)中的熱?效率表達式（4）。

由于糧食表面的水蒸汽分壓力p目前還無法通過物理手段測量，而干燥介質中的飽和水蒸氣分壓力是其溫度的單值函數(shù)，其水蒸氣分壓力可由介質的干球溫度、濕球溫度和飽和水蒸氣分壓力得到，這樣，基于糧食的平衡含水率表達式和可逆條件，就可以計算出從糧食中蒸發(fā)水分時的有效熱能消耗量。

飽和蒸氣壓力與飽和溫度一一對應，是溫度的單值函數(shù)，只取決于水分蒸發(fā)時的溫度，p由式（5）計算，干燥介質中的水蒸氣分壓力p由式（6）計算，而糧食表面的水蒸汽分壓力p由式（7）計算[26]

式中是干燥介質的相對濕度，%。

1.2 擴散 特征及其理論表達

式中p是溫度為t時的飽和水蒸氣分壓力，Pa，0是環(huán)境介質中的水蒸氣分壓力，Pa；

在干燥介質中，水蒸氣分壓力很低且在正常情況下是處于過熱狀態(tài)，比較接近理想氣體，在此，把水蒸氣在干燥介質中的擴散作為理想氣體來處理。那么，基于理想氣體狀態(tài)方程=，就可得到擴散1kg水蒸氣所消耗的擴散?微分式（11），積分后得到式（12）。

式中e是擴散1kg水蒸氣消耗的總擴散?；是水蒸氣的氣體常數(shù)，其單位為kJ/(kg·K)或kN·m/(kg·K)。

積分式（11），得到水蒸氣在糧食內部和介質中擴散所消耗的擴散?表達式（13）和式（14）。

式中e是1 kg水蒸氣擴散到糧食外表面時消耗的比擴散?，kJ/kg；T是汽化點的熱力學溫度，K;T是糧食表面的熱力學溫度K。

式（15）表征①擴散?效率是狀態(tài)函數(shù)，取決于水蒸氣的溫度參數(shù)；②增大T，降低T可提高擴散?效率；③自然介質溫度越高，其擴散?效率相對也越高；④減小T-0值是可使擴散?效率增大。

擴散?源于糧食中多余的水分，擴散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)。在擴散過程中，溫度場和壓力場同時存在，共同構成了干燥場，實現(xiàn)擴散是兩種場同時作用的結果，不能僅僅局限于水蒸氣的分壓力差，由式（13）看出，在糧食的表面溫度高于內部水分汽化溫度時，溫差勢導致的擴散?及其效率為負值，表明溫度梯度與水分擴散方向同向時，溫度場給水分擴散運動施加的是反向力，弱化了干燥過程，導致干燥系內部?損耗。式（13）和式（15）從理論上定量評價了溫度場對水分擴散?的作用及其效果。通過擴散?分析，為強化干燥工藝設計，實現(xiàn)高效節(jié)能干燥提供技術基礎支撐，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1.3 介質流動 特征及其理論表達

干燥系統(tǒng)中的流動?是干燥介質發(fā)生宏觀位移消耗的最大有用功，只有介質流動時才存在，是介質進、出干燥系統(tǒng)與外界交換的推動功，它不是介質本身具有的能量，是隨著介質的流動向下游介質傳遞的能量，是介質流動過程中攜帶的能量。它是由外部的動力設備，如風機提供的，一般消耗的是電能，而電能的能質系數(shù)等于1，所以，理論上介質流動?應等于干燥系動力設備消耗的電能。

干燥系汽化的水分要由流動的介質帶走并維持熱?和濕?傳遞所需的勢差，如果沒有流動?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效進行，所以，干燥是熱?、濕?和流動?同時作用的結果，歸屬復合系統(tǒng)。介質穿越干燥層時的流動?消耗，主要體現(xiàn)在增加其的流動動能，克服流動阻力等做功，部分轉化為熱?和濕?，但流動?也是物系的特征量，在穩(wěn)定流動（介質的狀態(tài)是位置的單值函數(shù)，在確定位置上，介質的狀態(tài)不隨時間發(fā)生變化）的條件下，可以由驅使流動的壓差勢，其實際消耗可按照介質進、出干燥系統(tǒng)的介質狀態(tài)參數(shù)定量評價，比流動?的值等于干燥系的單位氣耗量m，值為（絕干介質（kg）/水（kg）），在進、出入干燥系時的焓差[29-31]。在此，把每蒸發(fā)1 kg水消耗的流動?用符號e來表示，單位為kJ/kg水，可由式（16）計算。

同樣，絕干介質的比流動?e也可用狀態(tài)參數(shù)焓來表示，可由式（17）計算。

式中1、2分別是介質進、出干燥系統(tǒng)時的比焓，kJ/kg；0是環(huán)境介質的焓，kJ/kg。m是單位氣耗量，（kg /kg），在干燥介質中水蒸氣自發(fā)地向上浮升，當介質流向與其浮升方向不一致時，浮升力的作用使水蒸氣流出干燥系的速率降低，導致介質的比焓減小，那么，在相同去水目標的前提下，逆向運動必然要增大m，從而導致流動?內損耗增加?？梢姡?i>m反映了風量糧食比匹配的合理性以及水蒸氣慣性流動情況，是與工藝方式有關的系統(tǒng)特征常數(shù)，其值等于介質進、出干燥系統(tǒng)時的含濕量差的倒數(shù)。即可由式（18）計算。

由式（16）、式（17）得到介質流動?效率η表達式（19）。

式（19）表征了以下事實：①流動?效率是狀態(tài)函數(shù)，取決于介質的狀態(tài)參數(shù)；②增大1，降低2可提高流動?效率（如可以通過逐漸增大流道面積、合理匹配層厚度，使排氣速度降低等技術措施）③自然介質的焓值越高，其流動?效率相對也越高；④減小1-0值或者使2盡可能靠近0是提高流動?效率的有效途徑。

1.4 干燥系統(tǒng) 效率的理論表達式

溫度場和壓力場相互關聯(lián)，且各自獨立地存在于干燥系統(tǒng)中?；谑剑?）、式（15）和式（19）得到干燥系統(tǒng)?效率理論表達式（20）。

干燥系統(tǒng)中不同形式的?，其傳遞和轉換的效率存在差異。式（17）表征出了熱?、擴散?和流動?耦合作用效果及其物系中風量糧食比匹配的合理性。溫度場、壓力場相互關聯(lián)而又獨立存在。

含濕糧食和干燥介質兩種不同的物系相遇時，產(chǎn)生了客觀?傳遞和轉換。基于?分析，不僅可以揭示不同形式干燥?的最大利用效率，同時也能夠清晰的呈現(xiàn)其協(xié)同作用的效果，基于系統(tǒng)和環(huán)境的狀態(tài)參數(shù)，以干燥速率為統(tǒng)一目標，優(yōu)化干燥?，合理地匹配相應形式的能量，是實現(xiàn)高效節(jié)能干燥，科學地評價系統(tǒng)的效能的主要技術途徑，應是未來干燥研究領域的重要任務之一。

1.5 干燥 傳遞耦合多勢場唯象解析

不同形式的?，在干燥系統(tǒng)中的傳遞和轉換效率存在差異，協(xié)同作用的效果取決于?合理的匹配，溫度勢場既可以強化水分擴散，也可以弱化水分擴散，這取決于系統(tǒng)中的溫度梯度和水分遷移的方向，流動?既可以強化傳熱、擴散過程，影響干燥動力勢，但其效果取決于在特定工藝系統(tǒng)中耦合作用。

由于汽化是水由液態(tài)變化為氣態(tài)的過程，而液態(tài)水汽化過程的水蒸汽壓力值等于蒸發(fā)溫度下的飽和蒸汽壓，所以，可以認為糧食中液態(tài)水發(fā)生集態(tài)變化時的蒸汽壓，就是其位置點的飽和蒸汽壓p，其值可逆地變化到環(huán)境態(tài)0時，所傳遞的擴散?可用式（13）和式（14）來表達。

在η的表達式中，把包含了三類能夠定量評價的?消耗，一類是水分汽化消耗熱?，第二類是擴散?，第三類是為保障熱?和擴散?的有效傳遞，去除水分必須的流動?消耗。這三類形式的?在傳遞和轉換過程中，相互聯(lián)系而又獨立存在，都可以由系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)得到定量表達。在糧食中存在多余的水分（干燥中糧食的含水率狀態(tài)變化到環(huán)境平衡態(tài)時，所能去除的水分）時，干燥物系才會有水蒸氣分壓力差，無多余水分則干燥系的擴散?和熱?效率都為零，此時，流動?維持傳遞勢場只有溫度場，干燥系變成了無謂的傳熱，流動?消耗也就變成了無謂的消耗。糧食的干燥特征與不同形式的?之間存在必然的理論聯(lián)系，含濕糧食是在溫差、壓差勢場引發(fā)的?傳遞和轉換耦合作用下實現(xiàn)干燥，期間必然存在可使系統(tǒng)?消耗最小的平衡關系，通過系統(tǒng)的?分析，可清晰地呈現(xiàn)干燥系統(tǒng)最大?損部位或環(huán)節(jié)，能夠更深刻、更本質的為工藝和設備的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 自然通風干燥系統(tǒng) 效率圖解

干燥?及?效率都是態(tài)函數(shù)，其值取決于系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。糧食的狀態(tài)，介質的狀態(tài)和工藝過程的優(yōu)劣綜合體現(xiàn)在狀態(tài)參數(shù)及其變化特征。針對特定工藝系統(tǒng)勢場的固有屬性，按照狀態(tài)函數(shù)?及其傳遞和轉換，解析出特定系統(tǒng)狀態(tài)變化特征是?分析法工程應用關鍵之一，也是科學、公平、合理地評價工藝裝備系統(tǒng)能量利用效果必須的技術基礎。為此，下面以自然通風干燥系統(tǒng)為例，分析說明糧食干燥系統(tǒng)狀態(tài)參及其變化特征并圖解干燥?效率。

2.1 自然通風干燥系統(tǒng)物理模型

自然通風干燥系統(tǒng)是由有限的糧食和自然干燥介質兩個獨立的物系構成。干燥初態(tài)為0，t0的含濕糧食和0,0,0的環(huán)境介質。進入干燥系統(tǒng)后，自發(fā)地進行熱、質傳遞和轉換。在這一過程中糧食消耗自身的內能，使其自由水分汽化，溫度由t0迎著介質的濕球溫度t降為t，于此同時，汽化后的水分在糧食表面與干燥介質中的水蒸汽分壓力差p-p的作用下，進入干燥介質，而介質中的熱能在其與糧食表面溫度差-t的作用下傳向糧食。假設糧食干燥的目標含水率為2并在t2溫度條件下離開干燥系統(tǒng)，干燥介質在2,2,2離開干燥系統(tǒng)，排往環(huán)境，然后完全回歸到環(huán)境態(tài)，依此，得到的干燥系統(tǒng)物理模型如圖1所示。

注：j0、t0和h分別為自然空氣的相對濕度、溫度、焓；j2、t2和h2分別為排氣的相對濕度、溫度和焓；t和j分別是干燥過程的介質溫度和相對濕度；M0和tg0分別是糧食的初始含水率和溫度；Me和M分別是糧食的平衡含水率和干燥過程中含水率；M2和tg2分別是排糧含水率和溫度；p是干燥介質中的水蒸氣分壓力, tgb為下降后的溫度，pgv-pv為蒸汽分壓力差。

2.2 自然通風干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)圖解

自然通風干燥系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)間的關系如圖2所示。自然介質由狀態(tài)點0受風機驅動變化到狀態(tài)點1進入干燥系統(tǒng)，此后，在接納水分的同時，向糧食傳遞熱量，在干燥過程中，水分汽化消耗糧食的內能，其值取決于介質傳遞給糧食的顯熱、糧食帶入系統(tǒng)的熱能及其生化反應熱3個方面。對于充分濕的糧食，其狀態(tài)變化沿3→6→5→0的過程線。從初態(tài)點3，先迎著介質的濕球溫度降溫、去濕到達6狀態(tài)點后，經(jīng)歷升溫、去濕過程到達狀態(tài)點5流出干燥系統(tǒng)，然后，在環(huán)境中，完全回歸到與環(huán)境介質所對應的平衡態(tài)0點，即糧食的含水率經(jīng)歷由0→2→e的狀態(tài)變化過程，于此相應地，干燥介質的焓在增濕過程中逐漸增大，離開干燥系后回歸到初態(tài)，經(jīng)歷從0→1→2→0點的狀態(tài)變化過程。

注：h、t、d、φ分別為空氣的焓、溫度、濕含量、相對濕度，下標0、表示環(huán)境態(tài)；tg、M是糧食溫度、平衡含水率；tw是空氣的濕球溫度；he0是自然空氣在tw狀態(tài)的等焓線；0￠是介質的零?效率狀態(tài)點；d4介質最大等濕含量線；tg2是排糧溫度；t4最低排氣溫度；1、1￠和2、2￠點是進、出干燥系統(tǒng)的介質狀態(tài)點；3、3￠點是糧食初態(tài)點；4、4￠點是最大排濕狀態(tài)點；5、5￠點是干糧狀態(tài)點；6、6￠點是最低糧溫和介質最大濕含量狀態(tài)點,下標含義同上。

在圖2所示的干燥系狀態(tài)變化過程中，每蒸發(fā)1公斤水分，必須的有用能為2-￠2；干燥系統(tǒng)中的總?為2-h0。其中，自然介質經(jīng)過風機獲得的干燥?等于1-0；蒸發(fā)水分；糧食釋放的顯熱（含生化反應熱）和蒸發(fā)出的水分的顯熱之和等于進入干燥系統(tǒng)的介質的焓增量，即2-0。對于穩(wěn)定流動干燥，系統(tǒng)的狀態(tài)僅僅是位置的函數(shù)，其狀態(tài)不隨時間發(fā)生變化，此種情況下，式（20）中的物系狀態(tài)參數(shù)全是確定的常數(shù)，于是，基于圖2解析焓?，就可把糧食在穩(wěn)定流動干燥系(狀態(tài)確定的干燥系或對應確定狀態(tài)下)的?效率表示為式（21）。

式中h0是對應自然介質濕含量、最低糧溫狀態(tài)下的干燥介質的比焓，kJ/kg，2排氣的比焓，kJ/kg；￠2是對應自然介質濕含量和排氣溫度的干燥介質的比焓，kJ/kg。

3 干燥系統(tǒng)狀態(tài)變化特征分析與討論

3.1 干燥系統(tǒng)狀態(tài)變化特征

在通風干燥系，含濕糧食之所以能夠干燥，是因為含濕糧食的狀態(tài)與其對應的干燥介質的狀態(tài)不在同一個狀態(tài)點，2種物系之間存在的不平衡勢導致干燥?傳遞和轉換，基于?分析和圖2，可以干燥把歸結為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質狀態(tài)點的?傳遞和轉換過程。由于干燥一般以空氣為介質，而自然環(huán)境介質是無窮大的物質源和能量源，無論系統(tǒng)與環(huán)境之間有無能量或質量交換，環(huán)境的強度量(溫度、壓力及組分)始終維持不變，所以，把有限的含濕糧食，長期放置在無窮大的自然環(huán)境中，其狀態(tài)必然自發(fā)地趨向于與環(huán)境介質相對應的平衡態(tài)，其含水率會自發(fā)地由0變化到e。從圖2看出，含濕糧食和自然介質從外界進、出干燥系統(tǒng)后、排到環(huán)境介質中，最終完全回歸到與環(huán)境條件對應的平衡態(tài)，其中存在的熱?、擴散?、流動?及其?效率都是狀態(tài)函數(shù)，都可以由系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化得到理論表達。

干燥是糧食的自發(fā)行為，由介質進入干燥系統(tǒng)經(jīng)歷可逆過程時的各理論表達式可以看出，溫度越低，干燥介質和糧食間的溫度差越小，糧食的平衡含水率和干燥介質含濕量之間的差值越小，壓差越小，干燥系統(tǒng)的?損耗越少，?效率越高，也就是說，推動干燥過程所需的各種勢差越小，對干燥?消耗越少。但由于新收獲的任何一種高濕糧食，都對應有較嚴格的安全干燥條件和期限，超過該期限將導致品質劣變，霉變，造成質量和數(shù)量損失，需要人為地依照干燥要求，通過調控介質的狀態(tài)參數(shù)來加快或延緩干燥過程?；诒疚慕o出的干燥?理論表達式，可以清晰地預測水分傳遞的方向、深度以及衡量由于過程不可逆所引起的能量貶值程度，分析出系統(tǒng)中，客觀?和主觀?的作用效果并以主觀?消耗最小、?效率最大優(yōu)化干燥工藝系統(tǒng)。

3.2 干燥 優(yōu)化分析

在干燥過程中，糧食中的水分經(jīng)歷由內部擴散到表面，進入干燥介質而被帶往機外，而單位質量的介質所能接納的最大水分量等于介質進出干燥系統(tǒng)時的含濕量差。排氣溫度越低，出口處糧食對應的干燥介質的平衡含濕量越低，單位氣耗量越大，相應地介質流動?消耗也就越大。也就是說，如果外界提供熱?越少，溫度越低，要達到一定的干燥速度，所需的干燥介質的流量就越大，壓差越大，外界提供的壓?就必須增大。如果外界提供的壓?越小，壓差就越小，干燥介質的流量就越小，要達到一定的干燥速度，必須的干燥介質溫度就越高，所需外界提供的熱?就越大。因此，在保障一定干燥速度的前提下，要使外界提供的總?達到最小，熱?和壓?必然存在一個平衡值，使他們之和達到最小。由此可見，針對特定的干燥工藝系統(tǒng)，干燥?優(yōu)化的實質，就是在保障糧食所需干燥速率的前提下，如何控制干燥介質的進風溫度和壓力，使干燥過程的總?效率最大。

3.3 討 論

糧食干燥系統(tǒng)在不同狀態(tài)點的?效率不同，在自然通風干燥系，糧食與干燥介質等溫相遇的初始點的熱?效率為零，僅存在擴散?和流動?，此點的?效率可表示為式（22）。

隨著糧食去水、降溫過程的進行，排氣溫度在逐漸降低，而干燥?效率逐漸增大，當充分濕的糧食表面（全部被水膜覆蓋）溫度降至接近介質的濕球溫度（糧食的最低溫度）時，干燥?效率到達最大值。此后，糧食溫度和排氣溫度開始回升，干燥?效率相應地減小。在圖2中，自然通風干燥系統(tǒng)的最大干燥?效率發(fā)生在狀態(tài)點6，其可由式（23）來計算。

通風干燥系統(tǒng)的能量消耗，可以用焓—含濕量狀態(tài)參數(shù)圖表達，但焓是導出量，雖然圖2能夠清晰地解析出干燥系狀態(tài)參數(shù)及其?效率變化特征，在工程應用中，評價特定干燥系統(tǒng)的能效，還需要依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定的干燥工藝條件下的實際狀態(tài)參數(shù)值，基于式（20）來定量評價。評價干燥系統(tǒng)能效，優(yōu)化干燥工藝及其操作參數(shù)，需要引入時間坐標，分析?流密度的變化特征。

在干燥過程中介質的濕球溫度是確定的常數(shù)，其值取決于干燥系入口介質的狀態(tài)。干燥系統(tǒng)中的水分擴散和介質流動屬于質量遷移和宏觀運動范疇，所消耗的能量全部為?，是實現(xiàn)干燥不可或缺的?，其值都可系統(tǒng)中的狀態(tài)參數(shù)來表達。

糧食內部的溫度梯度影響?效率，在溫度梯度與水分遷出的方向相反時，強化?效率，一致時則弱化?效率。

4 結 論

1）干燥是熱?、擴散?和流動?同時作用的結果，熱?是水分汽化必須的有用能；擴散?源于糧食中多余的水分，擴散?效率取決于水蒸氣的狀態(tài)，在擴散過程中，溫度場和壓力場同時存在，溫度梯度與水蒸氣分壓力差方向相反時，強化?效率，一致時則弱化?效率；流動?維持了熱?和擴散?傳遞所需的勢差，沒有流動?的存在和消耗，熱?和濕?的傳遞則不能有效地進行。

2）在通風干燥系統(tǒng)中，含濕糧食和干燥介質是兩種不同物系，兩種物系之間存在的不平衡勢是干燥?傳遞和轉換的動力。

3）干燥可以歸結為含濕糧食趨向系統(tǒng)介質狀態(tài)點的?傳遞和轉換的過程，干燥?評價理論模型，能夠清晰地呈現(xiàn)熱?、擴散?、流動?和多勢場協(xié)同作用及其依存關系。

4）通過系統(tǒng)的?理論表達及其?效率分析，可以清晰地預測水分傳遞的方向、深度以及系統(tǒng)內部?損情況，評價出系統(tǒng)中客觀?和主觀?的作用效果，為評價干燥系統(tǒng)能量利用水平提供科學的依據(jù)，為干燥工藝系統(tǒng)優(yōu)化指明能量合理利用的技術途徑。

5）?及?效率都是狀態(tài)函數(shù)，在工程應用中，評價特定干燥系統(tǒng)的能效時，需要引入時間坐標，依據(jù)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和糧食在特定系統(tǒng)中的狀態(tài)變化特性，揭示出?流密度及其?效率變化特征，進而就可對其能量利用效果做出科學、公平、合理的評價。

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Theoretical analysis of exergy transfer and conversion in grain drying process

Li Changyou

(510642,)

The exergy is defined as the maximum useful work possibly during a thermal dynamic process that brings the system into equilibrium. Analysis of exergy utilization provides a fair and effective method for evaluating the energy efficiency. Since drying is a comprehensive process involving complicated interaction among different materials, exergy analysis is especially helpful in rating the efficiency of different drying strategies. However, the mechanism behind the exergy transfer and conversion during drying has not yet been fully investigated and understood. At present, the lack of theoretical analysis is hindering the implementation and progress of the sophisticated applications. The theoretical difficulties include the quantitative understanding and expression of the coupling effects in different exergies. In this article, we analyzed the exergy transfer and conversion between grain and drying medium. In a drying process, the ultimate goal is to reduce the moisture content in the grain until it is in the dryness that is the same as the environment where the grain is stored. Therefore, we define exergy as zero when the system is in equilibrium with the ambientenvironment. Based on the comprehensive coupling of the potential energy difference, temperature gradient and pressure gradient, the theoretical models of thermal exergy, flow exergy, diffusion exergy and exergy efficiency are given. We also studied the relationships and restrictions of different exergies based on the enthalpy-moisture diagram. Our results revealed that drying is the result of the simultaneous action of thermal exergy, diffusion exergy and flow exergy. The conversion and transfer of thermal exergy can be directly characterized by water vaporization, which is driven by the temperature gradient in the system. Most of the thermal exergy is directly converted to the latent heat of evaporation. Regardless of the number and type of the heat sources, thermal exergy transfer is always directly related to the temperature gradient of the drying system. Diffusion exergy originates from the excess water in grain. The vapor pressure difference between the wet grain and the drying medium will naturally drive the water transfer, making the wet grain to dry medium. The temperature gradient and pressure gradient both have important effects on the diffusion process. When the temperature gradient is opposite to the vapor pressure gradient, the exergy efficiency is enhanced; otherwise, the exergy efficiency is weakened. The flow exergy maintains the potential difference necessary for the transfer of heat exergy and diffusion exergy. Without flow exergy, the transfer of heat and wet exergy cannot be effectively carried out. In a ventilation and drying system, the exergy difference between the wet grain and drying medium is the driving force behind the drying process. Drying can be summarized as the process of exergy transfer and conversion, converting physical conditions of wet grain into to conditions of the drying medium. Different from isolated systems, the thermal equilibrium of a drying process is determined by the ambient environment which is always static regardless of the size of energy and mass transfer. The drying process still follows the second law of thermodynamics. However, the entropy increase of the ambient environment is negligible. The thermal exergy, diffusion exergy and flow exergy can all be expressed in state functions. We provided time-dependent state functions of exergy and exergy efficiency to reveal the change of exergy flow density and efficiency according to the environmental conditions and the conditions of the grain. These theoretical models can be applied to make fair and reasonable evaluation on the energy utilization in practical applications. Based on the theoretical analyses of exergy and its efficiency, the largest exergy loss process can be predicted and prevented. These models provide a scientific basis for evaluating the energy utilization in a drying system, and can be used to optimize the drying process.

grain; drying; efficiency; exergy; exergy transfer; energy efficiency evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.001

TS210.1

A

1002-6819(2018)-19-0001-08

2018-07-29

2018-08-30

國家自然科學基金（31671783，31371871）；廣東省科技計劃項目（2014B020207001）

李長友，教授，博士，博士生導師，主要從事農業(yè)裝備技術研究。Email：lichyx@scau.edu.cn

中國農業(yè)工程學會會員：李長友（B041100045S）

Li Changyou. Theoretical analysis of exergy transfer and conversion in grain drying process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.001 http://www.tcsae.org