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摘要：目前，粮食干燥作业中多用列管式换热器，这种换热器结构简单、制造容易、检修方便。干燥行业中换热器的热介质是烧无烟煤或其他燃料产生的高温烟道气。能够详尽地预测各种因素对流场和传热过程的影响，有利于换热器综合性能的提高和新型换热结构的开发。
关键词：粮食干燥机；旋转管壳式换热器设计
随着我国粮食烘干产业的发展,提高烘干系统中换热器的能源利用率,降低一次能源消耗,满足节能减排的需求,提高单位能耗的产值已成为烘干产业的潮流,是干燥节能技术的关键 。粮食干燥适逢初冬时节,热能损耗更为严重,而烘储的质量和成本取决于高效换热技术的应用。传统的粮食干燥机换热器多为板式换热器和列管式换热器。
一、存在的问题
粮食干燥机是粮食存储的主要机械设备，在美国、德国等发达国家，粮食干燥机的机械化水平在95% 以上，同时兼具节能和环保的功能。秋季气温比较潮湿，水稻、玉米等粮食作物含水量比较高，如果不进行干燥处理，很难在冬季达到安全水分，也就无法进行仓储和投入市场销售。目前粮食干燥机在运行中普遍存在的问题主要体现在以下几个方面：（1）热效率比较低，余热难以回收再利用，排出废气温度比较高。（2）粮食干燥过程中，产生的玉米屑会直接排放到空气中，从而对造成严重的空气污染。（3）部分粮食干燥机结构设置不合理，存在一定的先天缺陷。（4）在热风炉中没有设置脱硫装置，在煤炭燃烧过程中，二氧化硫等有害气体会直接排放到空气中。国内外设计了多种不同结构的换热器,许多学者运用对各种结构的换热器的传热性能进行了分析 。根据传热原理和实现热交换的方法,将换热器分为间壁式、混合式和蓄热式。目前,换热器技术发展良好,但大部分结构复杂、成本较高,并不适用于大批量的粮食干燥生产中。
二、粮食干燥机旋转管壳式换热器设计
1.废气回收利用设计。连续式粮食干燥机在运行中产生的废弃尾部干燥废气和冷却废气2 种，为提升回收再利用率，需要对现有粮食干燥机产生的废气温度、湿度等指标进行全面检测，检测结果表明，尾部干燥段排出废气的温度在50~65℃之间，相对湿度在30%~40% 之间。冷却段排除的气体温度在20~40℃之间，相对湿度在20%~40% 之间。废气余热回收再利用的方法2 种，一种是对工件进行预热处理，另一种是预热空气进行助燃，在连续式粮食干燥机中可以采用第二种方法，将其配置在加热炉上，提升加热炉的升温速度和热工性能，既能有效满足工艺需求，还具有良好的节能效果。
2.热风炉烟气余热回收再利用。大量实例表明，连续式粮食干燥机在运行中，热风炉烟气带走的热量是整个粮食干燥机热量的主要部分，温度测量结果表明，热风炉烟气的温度普遍在120~150℃之间，而1 台HGT—50 型连续式粮食干燥机如果持续工作24h，可释放出40~45 万m³ 烟气。实现对热风炉烟气余热的回收再利用，可大幅度节约煤炭消耗量。基于强化传热原理,针对传统的逆流列管式换热器,为了提高其换热性能,解决气体分布不均匀等问题,可通过扩展传热表面、增加扰流的方法来提高换热器的壳程传热性能。因此,在壳程内侧安装螺旋叶片,并使其具有转速,形成旋转叶片机构。使壳程内烟气形成扰流,增大了换热面积,延长冷、热气体的传热时间,避免热烟气快速通过换热器。因此，在具体设计时，可以在热风炉的引风机和烟道之间设置换热器，并配置1 台小型风机辅助进风，则可实现对热风炉烟气余热的回收再利用。或者采用无底火多风道煤粉燃烧装置，此种装置的燃烧方式为悬浮式，可大幅度提升煤粉和空气的接触面积，提升进氧量，促使煤粉充分燃烧，减少对环境污染，粉尘也可以回收再利用，不会造成大气污染。
3.设备保温效果设计。在粮食干燥机设计，要注重对设备保温效果的设计，常用的设计方法有以下3 种：第一种，在热风机和风门处用角钢做骨架，岩棉作为保温材料，在最外侧用彩钢板密封，即可达到保温节能效果，也具有一定的防雨作用；第二种，目前很多粮食干燥机的热风炉和换热器顶盖的表面积在40~50 ㎡之间，只采用炉渣进行覆盖保温，其保温效果比较差，导致大量热量无故损失，新设计方案是：先清除炉渣，覆盖上2 层60mm 的硅酸铝板，再用经过筛选炉灰覆盖压实，最后在炉灰上方铺设一层耐火土；第三种，针对砌筑式热风室，增加换热器外墙，以降低热量的损失。
4.调整烟道走向。目前很多粮食干燥机在运行中，烟气除尘主要以沉降法为主，就连续式粮食干燥机而言，需要设置3～5个沉降室才能满足实际需求。烟气需要经过换热器、沉降室、地下烟道才能排放空气中。为实现节能环保效果，可根据粮食干燥机运行的实际情况，适当增加烟道截面积，确保产生的烟尘能全部沉降，才能在提升除尘效率的同时减少烟尘排放量。如果粮食干燥机附近空间足够大，则还可以调整烟道走向，针对更换换热器的干燥系统，则可适当增加沉降室的深度，可有效提升干燥系统清炉的效率，既能有效保证粮食干燥机运行的连续性，还能提升节能环保效果。
5.合理设置分层给煤装置。在连续式粮食干燥机中热风炉主要为链条炉排，在运行中要求煤块粒径不能超过40mm，而小于3mm的煤块则超过煤块总量的30%。但在具体应用中，仍然有很多煤沫通过炉排片进入风道中，难以实现充分燃烧。而如果采用分层给煤装置，则可以有效解决这一问题，通过分层给煤，既能有效确保较大颗粒的煤块更加贴近炉排，又能确保粒径较小的煤块附着在大煤块上方，增加煤炭燃烧的透气性，降低风阻。大量应用实例表明，通过此种设计方法，不但可以有效改善燃煤条件，而且还能提升煤炭的燃烧效率，降低漏煤量，提升连续式粮食干燥机的热效率。
6.合理更换换热器。当粮食干燥机使用年限超过5 年后，列管堵塞非常严重，换热器功能大幅度降低，从而影响整个粮食干燥机的换热效果。此时可以通过更换换热器的方法来提升粮食干燥机换热效果。同时把砌筑式换热器更改为钢结构换热，提升其保温性和换热效率。按照以上设计后的粮食干燥机进行生产测试，当天的环境温度为8.6℃。生产效率为14.6t/h，耗煤514.6kg/h，煤炭发热为19710KJ/kg，热风机输送风量为75000m³/h，冷却机的风量为34000m³/h。回收干燥废气的平均温度为50℃，回收到的热量为1.24×106KJ/h，相当于42kg 标准燃煤。通过换热器以后，温度下降到60℃左右，比较环境温度升高大约12℃，回收热量为2.42×106KJ/h，现对于6kg 标准燃煤。共节约率为28.6%，远远大于预期25% 的节煤率，超出节煤指标3.6%。在不增加外在动力的条件下，换热器进口风温比环境温度高处30% 左右，同时排放出粉尘和皮屑超过85% 得到沉降回收，通过这样的设计，既大幅度节约了资源，而且对周围自然生态环境的影响也比较低，值得大范围推广应用。
在绿色、低碳、环保理念的倡导下，粮食干燥机实现节能环保是为未来的主要趋势，各大生产厂家，要想在激烈的市场竞争中占得一席之地，就必须通过一系列先进、科学的设计方法，提升粮食干燥机运行效率，降低能源消耗量，避免对周围的自然生态环境造成更加严重的危害。针对粮食干燥机换热器现有的问题进行了分析,基于强化传热创新设计了适用于大批量粮食干燥机的旋转式换热器,解决了烟气沉积,换热效率低,能源利用率低等问题。
参考文献：
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[2]刘珏, 刘啟觉. 微振扰动式农用干燥机的研究与关键部件设计[J].农机化研究,2019,41(05):237-242.