馮丁樹臺灣大學：生物產業機電工程學研究所陳景郎Chen, Drin-LangDrin-LangChen2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52917本研究嘗試以層倉式乾燥法、對數模式與非平衡模式，模擬與分析應用於圓筒倉循環式乾燥。二段式乾燥是目前解決乾燥容量不足的另一種方案，本研究試以低溫暫存筒作為乾燥中心內部儲存部份濕穀之場所，並進行乾燥，以增加乾燥系統之能量。除室內實驗外，並於民國93年6月至8月期間，以宜蘭五結農會乾燥中心之圓筒倉進行二段式乾燥實驗，利用其循環系統，以維持乾燥之運作。就試驗結果，圓筒倉在攝氏50度之熱風乾燥下，每日之乾燥速率約為1%。而整批稻穀自25%乾至19%約需六天。 本研究配合實驗結果，並撰寫MATLAB程式進行模擬。其中包括NTUDRY1、NTUDRY2、NTUDRY3及NTUDRY4。利用這些程式可以分別模擬靜置式、層倉式、循環式與二段乾燥。模擬結果與實驗資料可相互印證。利用模擬過程與室內小型圓筒倉實驗比較，可以得到幾項結論: (1)對數模式能模擬乾燥帶的厚度，可以決定圓筒倉循環式乾燥之循環速度，避免斗升機持續操作所浪費的能源。(2)非平衡模式與層倉式乾燥法，可以有助於了解圓筒倉循環式乾燥系統，不同穀層穀層厚度下所造成之風量，準確地預測整體乾燥時間的長短。(3)風量是主導整體乾燥時間的關鍵，而循環的目的是為了提升乾燥效率與整筒含水率之均勻性。This study intends to simulate hopper bins with circulating elevators using layer-drying, logarithmic and non-equilibrium models. With the temporary bin, as used for cooling proposes, the system capacity can be enhanced by employing a two-stage drying. The hopper bin not only plays a role for the temporary storage of wet paddy, but can act as a slow dryer, thus increasing system capacity. Experiments were performed in labs and at the drying center of the Wo-Jei Farmers’ Association in 2004. The two-stage drying was undergone in a successful manner and, according to the results, the bin had a drying rate of 1% per day, which dried paddy of 25% down to 19% within 6 days under a hot air temperature of 50C. In this study, four MATLAB programs has been developed and validated, namely, NTUDRY1, NTUDRY2, NTUDRY3 and NTUDRY4, which can simulate the stationary dryer, layer dryer, circulating and two-stage drying systems, respectively. With these, conclusions are drawn on the lab results: (a)The logarithmic model is fast and easy to predict the dry-zone in depth, so the circulating rate in a circulating bin can be determined, preventing power loss during operation. (b)The non-equilibrium model and layer drying method are helpful to solve the required airflow at different depths and predict the total drying time. (3) The airflow rate is decisive to the total drying time and plays a role to keep the uniformity of rice drying during the circulating process.目 錄 誌謝 ……………………………………………………………………………. i 中文摘要 ……………………………………………………………………… ii Abstract ……………………………………………………………………….. iii 目錄 …………………………………………………………………………... iv 圖目錄 ……………………………………………………………………….. vii 表目錄 ………………………..……………………………………….…...… xii 符號說明 ……………………………………………………………………. xiii 第一章 前言與研究目的 ………………………………………………….... 1 1.1 前言 ……………………………………………………………………. 1 1.2 研究目的 ………………………………………………………………. 3 第二章 文獻探討 …………………………………………………………… 4 2.1 穀物乾燥原理與技術………………………………………..…………. 4 2.1.1 空氣流動的特性 ………………………………………………… 4 2.1.2 乾燥模擬 …………………………...……………….…………… 7 2.1.3 穀物乾燥品質…………………………………………………… 14 第三章 研究設備與方法 ………………………………………………….. 16 3.1 實驗設備…………………………………………………………..…... 16 3.1.1 室內試驗裝置…………………………………………………… 16 3.1.1.1 靜置式圓筒倉試驗裝置 …………………………………. 24 3.1.1.2 循環式乾燥筒試驗裝置 …………………………………. 32 3.1.2 五結鄉農會乾燥中心圓筒倉試驗設備 ……………………… 36 3.2 研究方法 …………………………………………...………………… 42 3.2.1 實驗目的與方法 ……………………………………………… 42 3.2.1.1 穀層空氣阻力試驗 ……………………………….……… 42 3.2.1.2 靜置式乾燥試驗 ……………………………………….… 44 3.2.1.3 層倉式乾燥試驗 …………………………………….…… 45 3.2.1.4 圓筒倉進行循環乾燥試驗 ………………………………. 47 3.2.1.5 二段式乾燥實驗 ……………………………………….… 49 3.2.2理論模式推導與乾燥程式之建立 ………………….……….…... 51 3.2.2.1 圓筒倉進行靜置式乾燥模擬 …….……….………..……. 51 3.2.2.2圓筒倉進行層倉式乾燥模擬 ……..………..…………..… 82 3.2.2.3 圓筒倉進行循環乾燥模擬 ……..………..……...……..… 91 3.2.2.4 二段式乾燥模擬 …..……...………..……...………..……. 96 第四章 結果與討論 ………………………………………..……………… 107 4.1 空氣阻力實驗 …………..……………………………...…………… 107 4.2 靜置式乾燥實驗 ……………………………………………….…… 111 4.3 層倉式乾燥實驗 …………………………………………….……… 119 4.4 圓筒倉進行循環乾燥實驗 ……………….……...……………….… 123 4.4.1 室內圓筒倉試驗 ...…………...…………….…...………… 123 4.4.2 五結鄉乾燥中心圓筒倉試驗 ...…………….….…………. 126 4.5 二段式乾燥實驗 ….……...……….……...……….……….…...…… 131 第五章 結論 …………………………………………………..…………… 135 第六章 建議 ……………………………………………………………….. 137 參考文獻 …………………………………………………………………… 138 附錄一 ……………………………………………………………………… 145 附錄二 ……………………………………………………………………… 150 附錄三 ……………………………………………………………………… 155 附錄四 ……………………………………………………………………… 172 圖 目 錄 圖2-1 穀物與種子之空氣阻力 (公制) ………………………………………. 6 圖2-2 使用MATLAB模擬薄層乾燥……………..…………………….…… 11 圖2-3 乾燥中心一般乾燥作業流程 ……………………..……………..….. 12 圖2-4 二段式乾燥作業流程圖 …………………………………………..… 13 圖3-1 電子秤(Explorer OHAUS E1RW60 Max4100g精確度 0.01g) ….... 19 圖3-2 精密電子秤(A&D GF600, Max610g 精確度 0.001g) ….……...….. 19 圖3-3 恆溫烤箱(YOUNG CHENN Model CON-545SD) ………………….. 20 圖3-4 風速計(TESTO 435) ..…………………………..……………..…….. 20 圖3-5 橫向型風選機 …………………………………….…………………. 21 圖3-6 傾斜壓力計 ………………………………………….…………...….. 22 圖3-7 溫濕度感測記錄器 ……………………………….……………...….. 23 圖3-8 靜置式圓筒倉設計圖 ……………………………………………….. 27 圖3-9 靜置式乾燥筒實驗設備 …………………………………………….. 28 圖3-10 傾斜壓力計量測風速與壓力降示意圖 ………………….......……. 29 圖3-11 加熱裝置與風機之配置圖 ……...…………..…………….....…….. 30 圖3-12 層倉式乾燥試驗裝置圖 ……………...…………..………….…….. 31 圖3-13 循環式乾燥筒設計示意圖 …..………………..………....……..….. 34 圖3-14 循環式乾燥筒實體圖 …..……..………………………………...…. 35 圖3-15 五結鄉農會乾燥設備配置圖 …..……………………………..…… 38 圖3-16 箭頭方向為圓筒倉穀流可循環方向之示意圖 ………....……..….. 39 圖3-17 控制室之控制面板 …..………………………..………………..….. 41 圖3-18 五結鄉農會圓筒倉外觀 ………..………………………..……..….. 41 圖3-19 NTUDRY1使用者程式介面 ……..…………………………….... 56 圖3-20 對數模式模擬靜置式乾燥之程式流程圖 ..……..……………..….. 57 圖3-21 稻穀薄層乾燥方程式之比較 …………………………………….... 59 圖3-22 薄層乾燥方程式應用於厚層乾燥模擬之修正示意圖 …….……... 59 圖3-23 非平衡模式模擬靜置式乾燥程式流程圖 .…….…..…………..….. 67 圖3-24 靜置式厚層乾燥模擬示意圖 …….……………………………..…. 68 圖3-25 對數模式模擬各層穀物水分變化 ……………………………...…. 71 圖3-26 使用薄層乾燥方程式1(表3-3)模擬各層穀物水分變化 ….……... 71 圖3-27 使用薄層乾燥方程式2(表3-3)模擬各層穀物水分變化 …………. 72 圖3-28 使用薄層乾燥方程式3(表3-3)模擬各層穀物水分變化 ………..... 72 圖3-29 使用薄層乾燥方程式4(表3-3)模擬各層穀物水分變化 .……….... 73 圖3-30 使用薄層乾燥方程式5(表3-3)模擬各層穀物水分變化 …………. 73 圖3-31 使用薄層乾燥方程式6(表3-3)模擬各層穀物水分變化 ……….... 74 圖3-32 使用薄層乾燥方程式7(表3-3)模擬各層穀物水分變化 ……........ 74 圖3-33 對數模式模擬各層風溫變化 …......……………………….……..... 75 圖3-34 使用薄層乾燥方程式1(表3-3)模擬各層風溫變化 ……………..... 75 圖3-35 使用薄層乾燥方程式2(表3-3)模擬各層風溫變化 …….……....... 76 圖3-36 使用薄層乾燥方程式3(表3-3)模擬各層風溫變化 ..…………..… 76 圖3-37 使用薄層乾燥方程式5(表3-3)模擬各層風溫變化 .……………… 77 圖3-38 使用薄層乾燥方程式6(表3-3)模擬各層風溫變化 ..…………..… 77 圖3-39 使用薄層乾燥方程式7(表3-3)模擬各層風溫變化 ..…………..… 77 圖3-40 對數模式模擬各層空氣相對濕度變化 ……………………..…..… 80 圖3-41 對數模式模擬各層空氣濕球降變化 ……….…………………....... 81 圖3-42 對數模式模擬乾燥帶之形成 ……….……………………………... 81 圖3-43 NTUDRY2層倉式乾燥程式流程圖 ……………………….…….. 86 圖3-44 NTUDRY2層倉式乾燥程式使用者介面 …………………………. 87 圖3-45 層倉式乾燥各階段風機與系統特性曲線之匹配 ………………… 88 圖3-46 MATLAB命令視窗顯示層倉式乾燥各階段風量、系統風壓與靜壓效率 …………………………………………………………………………..… 89 圖3-47 NTUDRY2層倉式乾燥模擬結果 ……………………..…………. 90 圖3-48 NTUDRY3程式流程圖 ……………..……………………………. 93 圖3-49 圓筒倉進行循環式乾燥模擬之示意圖 ………....………………… 94 圖3-50 NTUDRY3使用者程式介面 ....…………………………….……… 95 圖3-51 使用薄層乾燥方程式1~3(表3-3)模擬稻穀平均含水率下降過程 . 95 圖3-52 二段式乾燥模式流程圖 …………………………………………… 97 圖3-53 NTUDRY4程式一段式乾燥程式流程圖 ……………………...… 98 圖3-54 不同穀溫對於自由水面與稻穀內部水分蒸發潛熱之比較 …….. 100 圖3-55 不同稻穀含水率對於自由水面與稻穀內部水分蒸發潛熱之比較 . ………………………………………………………………………..… 101 圖3-56 稻穀內部水分蒸發潛熱多於自由水面蒸發潛熱的百分比 …….. 101 圖3-57 稻穀含水率與穀溫對於稻穀內部水分蒸發潛熱值的變化 …….. 102 圖3-58 NTUDRY4程式二段乾燥程式流程圖 …………………………. 103 圖3-59 NTURDY4使用者程式介面 ……………………………….…… 105 圖3-60不同初始含水率乾燥至平均含水率20%之每日乾燥能量 ……… 106 圖3-61 二段乾燥以不同風量乾燥300噸稻穀所需之乾燥時間 ……….. 106 圖4-1 稻穀含水率13.1%空氣阻力試驗值與薛德氏(Shedd’s)阻力曲線之比較 ………...…………………………………………………………………. 109 圖4-2 不同稻穀含水率空氣阻力試驗值與薛德氏(Shedd’s)阻力曲線之比較 …………………………………………………………...………………. 110 圖4-3 靜置式乾燥至第6小時各層稻穀水分之變化 ………………….... 111 圖4-4 靜置式乾燥過程各層風溫之變化 ….………………………...…… 112 圖4-5 對數模式模擬靜置式乾燥各層稻穀含水率與實驗值比較 …..….. 114 圖4-6 非平衡模式模擬靜置式乾燥各層稻穀含水率與實驗值比較 ….... 114 圖4-7 對數模式模擬靜置式乾燥各層稻穀含水率3D圖示 ……………. 115 圖4-8 非平衡模式模擬靜置式乾燥各層稻穀含水率3D圖示 …………. 115 圖4-8 對數模式模擬靜置式乾燥各層風溫與實驗值比較 ……………… 117 圖4-9 非平衡模式模擬靜置式乾燥各層風溫與實驗值比較 .………...… 117 圖4-10 對數模式模擬靜置式乾燥各層風溫3D圖示 …………………… 118 圖4-11 非平衡模式模擬靜置式乾燥各層風溫3D圖示 ………………… 118 圖4-12 不同穀溫範圍下稻穀含水率26.1(%)內部蒸發潛熱之計算 ……. 121 圖4-13 不同稻穀含水率與不同穀溫對於蒸發潛熱之影響 …………….. 121 圖4-14 室內循環式乾燥試驗值與非平衡模式模擬值之比較 ………….. 124 圖4-14 室內循環式乾燥試驗值與熱平衡方程式預測值之比較 ……….. 125 圖4-15 圓筒倉編號H1乾燥試驗值與非平衡模式模擬值之比較 ……... 128 圖4-16 圓筒倉編號H3乾燥試驗值與非平衡模式模擬值之比較 ……… 129 圖4-17 2004年一期作五結鄉農會乾燥中心收穫期間進料情形 …..…… 131 圖4-18 乾燥中心收穫期間每日濕穀平均含水率 ……………………….. 132 圖4-19各乾燥機型由不同初始含水率降至18(%)每日乾燥能量計算 …. 133 圖4-20圓筒倉作為二段乾燥不同噸數稻穀所需乾燥時間 ……………... 134 表 目 錄 表1-1 全省穀物乾燥中心低溫暫存筒倉之容量 ……….………………….. 2 表3-1 乾燥設備規格與固定成本 ………………..………………………… 40 表3-2 五結鄉農會乾燥中心2004年一期作每日入料數據 ……………… 50 表3-3 稻穀薄層乾燥相關乾燥常數值 …………………………..………… 63 表3-4 靜置式乾燥模擬乾燥過程水分與風溫的變化 …………………….. 70 表4-1 不同稻穀含水率空氣阻力值分析結果 …………………………… 108 表4-2 靜置式乾燥條件 …………………………………………………… 112 表4-3 層倉式乾燥條件 ………………………………………………….... 119 表4-4 層倉式乾燥實驗分析結果 ………………………………………… 122 表4-5 室內圓筒倉進行循環乾燥條件 …………………………………… 123 表4-6 圓筒倉編號H1進行循環乾燥平均水分變化 …….……………… 126 表4-7 圓筒倉編號H3進行循環乾燥平均水分變化 …….……………… 126 表4-8 五結鄉農會乾燥中心圓筒倉進行循環乾燥條件 …….…...……… 127 表4-9 實施一段乾燥至不同含水率乾燥中心乾燥容量之提升 ……….... 133 符 號 說 明 a：傾斜壓力計底邊長度(mm) AH：絕對濕度(kg/kg) AHi：入口空氣絕對濕度(kg/kg) AHo：出口空氣絕對濕度(kg/kg) AIRV：風速(m3/m2-s) b：傾斜壓力計對邊長度(mm) bd：穀物的容積密度(kg/m3) BD：圓筒倉直徑(m) cf：自由水面蒸發潛熱修正因子 C：無因次水分比 Ca：空氣比熱(kJ/kg/˚C) CN：切割層數 CR：斗升機循環速率(tons/hr) db：乾基(%) D：無因次厚度 DAY：層倉式乾燥各階段入倉日期 DS：循環式乾燥機乾燥速率(%/hr) dc：對數模式乾燥常數 dryeq：薄層乾燥方程式編號 DM：穀物乾物重(kg) ：熱效率(%) emcc：平衡含水率(%w.b.) Fan：選擇美國Sukup風機型式 Ga：熱空氣流量率(kg/m2-hr) Grain：穀物種類 GD：穀層厚度(m) ：傾斜壓力計斜邊變化(mm) ：經歷乾燥時間區間(hr) ：單層穀層厚度(m) γ：空氣密度(kg/m3) hdried：已乾燥穀層的厚度(m) hfg：穀物蒸發潛熱(kJ/kg) h’ fg：在露點溫度下的水蒸氣蒸發潛熱值(J/kg) ：實際乾燥過程所需的蒸發潛熱Hact(kJ/kg) i：時序數 IniMo：穀物初始含水率(%w.b.) j：穀層數 K：乾燥常數(hr-1) k：乾燥常數(hr-1) L：水之蒸發潛熱(kcal/kg) LGD：不同批次穀物入倉之累計厚度(m) M：乾燥至時間t、穀層厚度y之穀物含水率(%d.b.) Mo_avr：循環乾燥整筒平均含水率(%w.b.) Me：穀物平衡含水率(%d.b.) Mf：乾燥後最終含水率(%d.b.) Mo：未乾燥前，整體穀層的平均含水率(%d.b.) Mo：穀物初始含水率(%d.b.) MOBIN：置入圓筒倉中乾燥之初始穀物含水率(%w.b.) Mi：穀物乾燥前含水率(%d.b.) MRi：乾燥前水分比 MCDB：乾基含水率(%) MCWB：穀物水分矩陣(%w.b.) N：乾燥機數量 N10：10噸型的乾燥機台數 N20：20噸型的乾燥機台數 N30：30噸型的乾燥機台數 Patm：大氣壓力(Pa) PANS：風壓(Pa) Pb：大氣壓力(mm-Hg) Pd：風之動壓(mm-Aq) Pgrain：層倉式乾燥系統各階段的空氣阻力(Pa) Ps：空氣流經之壓力降(mm-Aq) Pswb：濕球溫度下之飽合水蒸氣壓(Pa) PV：水蒸氣分壓(Pa) PVS：飽合蒸氣壓力(Pa) Q：風量(CMM) Qa：層倉式各階段風速(m/s) QANS：風機之操作點風量(CMM) Qv：風速(m3/m2s)。 R：穀物與空氣質量之比 ：穀物容積密度(kg/m3) RH：空氣相對濕度(%) s：乾燥速率(%w.b./hr) S：圓筒倉截面積(m2) Sa：熱空氣比熱(kcal/kg-˚C) SE：靜壓效率(%) t：計算乾燥時間(hr) tank_capacity：單層穀物重量(tons) teq：等效乾燥時間(hr) TASIM：模擬風溫矩陣(˚C) Tc：穀粒溫度(˚C) TC：每日各乾燥機型乾燥容量(噸) Time：乾燥時間矩陣(hr) TIO：穀物進出倉時間 (hr) TOTOAL：整體乾燥中心之總乾燥容量(噸) ：無單位因次時間因子 T：室溫( OC) Tc：每日乾燥噸數 Tg：穀溫(˚C) To：乾燥期間熱風溫度(˚C) Twb：濕球溫度(˚C) Ta：熱風乾燥溫度(˚C) THR：圓筒倉在不同風量之下，乾燥不同噸數之穀物所需要之乾燥時間(hr) v：風速(m/s) va：空氣比容(m3/kg) V：每台乾燥機可容最初稻穀噸數 VA：空氣比容(m3/kg) wb：濕基(%) W：圓筒倉總乾燥噸數 WA：經歷乾燥時間，空氣流經單位圓筒倉截面積之重量(kg/m2) WB：層倉乾燥各階段入倉初始含水率(%w.b.) WRD：不同階段風量下每日乾燥後移除稻穀水分的重量(kg) WG：每平方公尺圓筒倉截面積之穀物重量(kg) y：穀層厚度(m) zob：穀物的容積密度(kg/m3)5306242 bytesapplication/pdfen-US圓筒倉循環式乾燥模擬BinCirculatingDryingSimulationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52917/1/ntu-94-R92631018-1.pdf