基于柴油机余热的油菜籽干燥系统研究

基于柴油机余热的油菜籽干燥系统研究周光永（湖南农业大学工学院/南方稻田作物熟制现代化生产协同创新中心，长沙410128）摘要：油菜籽是世界第三大植物油和第二大蛋白粉来源。

油菜籽的干燥与储存工艺影响种子的生理特征和作物产量。

为此，在油菜籽干燥要求的基础上，用能量守恒原理探讨了利用联合收割机柴油机余热干燥油菜籽的可行性，且自行设计了基于余热利用的油菜籽干燥系统，并进行了试验研究。

研究表明：利用热管技术及柴油机余热可有效干燥油菜籽，经济上也是可行的。

关键词：柴油机；余热；油菜籽；干燥；热管技术中图分类号：S375文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）05－0250－040引言我国油菜籽主产地分布在四川盆地和长江中下游地区，是南方多熟制地区主要农产品。

收获季节正值江南的梅雨季节，高温、高湿的环境，导致高水分油菜籽霉变。

油菜籽脱粒后的水分在15% 30%左右，而安全水分贮藏要求为9%以下，生产要求应尽可能在短期内干燥至安全储藏水分。

目前，油菜籽联合收割机都不具备干燥功能，干燥工艺作为一个独立的耗能过程，利用燃烧秸秆、煤、天然气获得能量，或者用电作为能源通过远红外线、微波、真空等原理进行干燥，因而收割、脱粒、清杂到干燥的工艺是不连续的。

如果能利用联合收割机上柴油机余热对脱粒后的油菜籽及时进行初步的或完全的干燥，既解决了油菜籽的及时干燥问题，又能充分利用柴油机余热实现节能，降低油菜收割干燥入库过程的成本。

国内相关学者对利用柴油机余热进行了深入研究，也对油菜籽干燥进行了探讨。

湘潭大学袁胜利设计了碳钢－氨重刀式热管换热器，用来回收汽车内燃机废气中的热量，其换热器的废气温度为260ħ，出口温度为65ħ，新鲜空气的进口温度为0 15ħ，出口温度为25ħ［2］。

天津大学高雷等人利用汽车尾气热管式沥青加热炉，在载重5t的EQ1092F型汽车（发动机额定功率为99kW）运行45min以后，沥青温度达到152．5ħ，可满足修补公路的要求［3］。

这些都为本研收稿日期：2014－06－05基金项目：湖南省省长基金项目（62021613029）作者简介：周光永（1963－），男，湖北鄂州人，副教授，（E－mail）1285287598@qq．com。

究提供了思路。

由于油菜籽干燥温度过高会造成油脂溢出，甚至会造成火灾，实际生产中一般干燥的最高温度不大于75ħ。

因此，油菜籽的干燥有其特殊性。

本文在分析自行设计的基于收割机柴油机余热的油菜籽干燥系统基础上，对其技术经济性进行了探讨，并做了验证性试验。

1油菜籽干燥系统原理与结构如图1所示，系统中柴油机高温尾气进入热管换热器，经过热交换加热低温空气降温后排出。

高温尾气与被加热空气在热管换热器中分道流动，既不影响柴油机的正常排气，也不污染被加热空气。

在柴油机一定工况范围内，即一定尾气温度区间内，通过调整热管换热器规格参数，使其排出热空气在60 70ħ之间，适用于油菜籽的干燥。

管道式风机的运行，一方面在热管换热器中形成相对真空从而利用负压将低温空气自动吸入热交换器中，另一方面使热空气产生一定压力和流量向干燥箱输送。

图1干燥系统原理图Fig．1Principle of drying systemDOI:10.13427/ki.njyi.2015.05.056油菜籽干燥箱为自行设计的百叶自动翻转式干燥箱，如图2所示。

其箱体的顶部和底部分别设有进料口和出料口，箱体内部在竖直方向上交错设有两个以上可向下翻转的承料挡板，箱体的侧面设有通入干燥热风的进风口。

工作时，利用油菜籽料的重力产生的扭矩与扭簧额定扭矩的平衡，实现自动翻转，使物料加热均匀，翻转还可自动延时增加加热时间，通过调整扭簧的额定扭矩，能调整加热时间，确保油菜籽的有效干燥。

1．箱体2．通风管道3．进风口4．出料口5．固定块6．扭簧7．承料挡板8．进料口图2干燥箱结构图Fig．2Drying box structure diagram2系统技术的理论研究柴油燃烧释放的总能量（Q f ），包括有效功的能量（Q e ）、排气带的能量（Q ex ）、冷却水带走的能量（Q w ）和其它损失能量（Q u ）。

因此，根据能量守恒原理，可以得到柴油机的热平衡方程为Q f =Q e +Q ex +Q w +Q u（1）燃油燃烧释放的总能量Q e 为Q f =M f ˑH u（2）其中，M f 为燃油质量流量（kg /h ）；H 为燃油的低热值（kJ /kg ），式（1）表明，柴油机在全负荷额定功率下废气带走的热量占燃料释放的总量的31．9%，冷却水占14．2%，忽略其它能量损失Q u ，则柴油机余热带走的热量占46．1%，即输出功消耗的能量占53．9%。

以目前国内油菜籽联合收割机机用柴油机为例，常见柴油机的其额定功率为58．5kW 。

按以上分析，不考虑机型的差异及工况条件的变化，燃油释放的功率为58．5/53．9%=108．5kW ；排气带走的能量为108．5ˑ31．9%=34．6kW ；冷却水带走的能量为108．5ˑ14．2%=15．4kW 。

能量流状况分析表明，柴油机的余热主要是废气的热能，占31．9%，可用功率为34．6kW ，即有效功率为34．6ˑ0．70=24．2kW 。

从系统的必要性和经济性考虑，只利用柴油机的废气的热量，达到干燥油菜籽低于75ħ的温度，从理论来看应该是可行的。

从文献［2］、文献［3］可见，直接利用柴油机的废气的热量，不能满足油菜籽干燥对温度的要求，同时废气中的有害物质对油菜籽的污染对其品质的影响也是显然的。

利用高温尾气与被加热空气在热管换热器中分道流动的特点，能避免废气对油菜籽的污染；调整热管换热器的参数能方便地控制其输出温度，以适应油菜籽干燥。

因而，系统中采用了热管换热器间接加热干燥技术。

根据热力学第二定理，热管换热器的换热量（kJ ）为Q Ｒ=Lx ρC （t 1－t 2）（3）其中，Lx 为新风量（m 2/h ）；ρ为新风密度（kg /m 3），一般取1．2kg /m 3；C 为新风比热容，一般取1．01kJ /kg ；t 1，t 2分别为新风进、出口温度。

且有t 2=t 1－η（t 1－t 3）（4）其中，t 3为废气入口温度。

取η=0．6，t 3为400ħ，t 1为20ħ，则根据式（4），t 2=246ħ，远高于油菜籽干燥需要的75ħ的热风温度。

又由于Qex ·η=QＲ=Lx ρC （t 1－t 2）（5）只需调节新风流量Lx ，就能得到干燥油菜籽需要的温度t 2，并且对热管换热器的性能η要求不高。

以上分析计算表明，该系统理论上完全能满足油菜籽干燥的要求。

可见，本系统达到干燥油菜籽75ħ的温度，从实践来看也是完全可能的。

3试验研究3．1试验材料试验用油菜籽为洞庭湖区油菜籽，品种为湘油15号，含杂率为1%（w．b．）。

试验前参照文献［6］对其进行人工加湿，使其含水率分别达到16．0%（w．b．）20．0%（w．b．）、24．0%（w．b．），与即时收割的油菜籽含水率相当。

3．2试验设备柴油机为国内油菜籽联合收割机机用柴油机，洛拖产LＲC4108T64型，其额定功率为58．5kW。

柴油机余热回收装置采用杭州力强环境工程有限公司产LQDＲ定型机。

干燥箱自行设计，如图2所示。

电脑水分测定仪为绿洲LDS－IF型，其误差允值为0．4%。

固体散料流量计为北京天凯华尊科技产22W－30L 型，其相对误差为0．08%。

3．3试验方法在柴油机稳定工作的条件下，协调（定制）LQDＲ定型机余热回收设备的参数，使其出口热空气温度在60 70ħ之间。

根据油菜籽联合收割机收割效率设定3个油菜籽入箱流量分别为7、8、9kg/min。

结合油菜籽入箱流量和干燥箱规格，选购额定扭矩分别为40、50、60nm3种扭簧。

试验按扭簧的不同分3组进行，将3种不同含水率的物料输入干燥箱，人工控制油菜籽入箱流量，使固体散料流量计显示值基本稳定在所需流量上，用电脑水分测定仪即时测量油菜籽出箱时的含水率，人工记录，取平均值为试验结果。

3．4试验结果与分析测量不同含水率的试样经过干燥箱后含水率。

测量结果如表1 表3所示。

表1油菜籽烘干试验数据（扭簧额定扭矩为40nm）序号油菜籽入箱流量/kg·min－1油菜籽入箱含水率/%油菜籽出箱含水率/%1716．011．2 2720．013．3 3724．016．8 4816．012．6 5820．015．3 6824．0．18．5 7916．013．9 8920．016．2 9924．0．19．1表2油菜籽烘干试验数据（扭簧额定扭矩为50nm）序号油菜籽入箱流量/kg·min－1油菜籽入箱含水率/%油菜籽出箱含水率/%1716．010．4 2720．012．5 3724．015．7 4816．012．0续表2序号油菜籽入箱流量/kg·min－1油菜籽入箱含水率/%油菜籽出箱含水率/% 5820．014．26824．0．16．57916．012．98920．015．69924．0．17．8表3油菜籽烘干试验数据（扭簧额定扭矩为60nm）序号油菜籽入箱流量/kg·min－1油菜籽入箱含水率/%油菜籽出箱含水率/% 1716．08．82720．010．93724．012．54816．09．45820．012．36824．0．14．67916．011．28920．013．39924．0．16．4试验数据表明，系统对油菜籽的干燥效果显著，扭簧额定扭矩越大、油菜籽入箱流量越小，油菜籽在干燥箱的停留时间越长、干燥效果越好。

4技术经济性分析理论上［4］，加热水分耗热量为H=m（I1－I）T（6）其中，m为加热每小时消耗的绝干空气的质量（kg/h）；I，I分别为空气加热前后的焓（kJ/kg）；T为油菜籽干燥到含水率小于11%的时间（h）。

依式（2），加热油菜籽的燃料消耗量为Mf=Qf/Hu=H/Huˑη1=m（I1－I）T/Huˑη1其中，η1为干燥系统燃料热效率。

因此，传统干燥方式的能源成本为Ce=Mfk1=K1m（I1－I）T/Huˑη1其中，K1为燃料单价（元/kg）。

实际生产中，由于干燥工艺不同、管理水平、人工成本的差异，油菜籽干燥成本在30 50元/t之间。

本系统由于利用联合收割机发动机余热干燥，燃料费、人工费几乎为零，干燥成本很低，只是联合收割机加装本系统后单机成本上升。

因此，本文只核算系统的投入成本，如表4所示。

表4系统投入成本元换热器各种温度传感器管道风机干燥箱人工成本总计300020035017012003005220收割机按每小时收割0．2hm2，公顷产按2250kg计算，则每小时收割450kg，传统干燥成本按40元/t计，则收割机1h节约干燥成本为40ˑ450/1000=18元。