引言
美国农业部于1926年开始研究人工籽棉烘干工艺规程，第一台籽棉烘干机于20世纪20年代末期出现在轧花厂。设在密西西比州斯通维尔的美国轧花实验室于1930年建立，从事籽棉烘干和轧花问题的研究。1931年，美国仅有大约15个轧花厂装有烘干机，富通新能源生产销售
滚筒烘干机、
气流式烘干机等干燥烘干机械设备。
为轧花厂研制的一些烘干机包括：支撑在滚柱上的卧式之字形带式烘干机（1924年）；化学制品钙一氯化物无热烘干机（1926年）；卧式配料器一烘干机（1928年）。美国农业都工程师于1926-1930年试验和建造的烘干机型号包括：卧式和立式料盘型烘干机以及卧式和立式牵引型烘干机。在卧式牵引型烘干机中，框架输送机沿着4或6张金属底板牵引籽棉，热空气穿过这些底板流动。
美国农业部研制的立式烘干机取代了料盘型和牵引型烘干机，并在1932棉花年度得到应用，这就是众所周知的“政府塔式烘干机”。立式烘干机装有多层板一搁板，持续的热气流通过搁板输送籽棉。
20世纪30年代轧花厂使用的其它类型的籽棉烘干机还有：改进设计的辊式烘干机（1930年）；装有加热器的立式隐型烘干机（1931年）；双回转园筒形装置（1932年）；配料器装置（1932年）；提净式喂料器一清理机（1934年）和大陆公司输送器一分配器（1934年）。
1936年研制或运行中的烘干机是短型烘干塔、清理机和喂料器、2级烘干；三个类型热风清理机，第4类短型烘干塔和清理机；具有单向热风流的16辊星条臂清理机；热清理机烘干机，并与l_2台（政府烘干塔装置）“政府塔式烘干机”相结合形成多级烘干。
1937年提出大滚筒清花机烘干机；作为多级塔式烘干机，其上部装有平搁板，下部装有打手（开松辊）。1938年，一些制造商开始建造多种政府塔式烘干机。
本文以现今的烘干机类型为目标，对其设计作了评估，评论材料按时间顺序分为两部分一轧花厂烘干机和烘干机研究。这将为轧花厂厂主根据轧花厂需要平衡烘干系统成本时提供指导。
1、轧花厂烘干机
1.1政府塔式烘干机
美国农业部研制的立式烘干机于1932棉花年度开始应用（图1），这就是众所周知的“政府塔式烘干机”。立式烘干机没有运动部件，籽棉穿过烘干机片刻时间，就能使非常湿的棉花得到烘干。塔式烘干机有13~20层搁板，持续的热气流经过这些搁板输送籽棉。这些热空气以大约800—1 000英尺／分的速度穿过烘干塔。
当棉簇从一层到另一层改变方向时，就会碰击烘干塔的金属板壁。烘干空气的温度为150C-200℃，蒸气管向烘干机提供热量。烘干塔可以安放在轧花厂厂房内，也可以安放在厂房门外。
Boardman立式籽棉烘干机采用了位于密西西比州斯道维尔的美国轧花实验室研制的“政府制造”型塔式烘干机时所提出的原理和特性。这可能是商品化制造的第一台塔式烘干机。在付轧籽棉通过提净式喂花机和轧花机之前，烘干机先对潮湿的手摘籽棉进行烘干。从烘干机出来的籽棉通常进入溢流伸缩管（1932年）。
Cen-tennial轧花机公司在20世纪40年代末期在8辊籽棉清理机前使用了18层政府型塔式烘干机。滚筒清花机安装在输送机配棉器和轧花机上方。稍后，Cen-tennial公司在其薄流轧花系统中使用了两台塔式烘干机，第一台塔式烘干机使用了23层搁板，第二台塔式烘干机有18层搁板（1950年）。
大多数轧花厂仍然利用搁板塔式烘干机来烘干籽棉，烘干机按同向流原理运行，烘干空气仍然是输送介质。现今的塔式烘干机含有16~24层搁板，通过搁板的输送气流速度范围通常在1 000~2 000英尺／分。两台离心式风机按推一拉式安装，提供输送热风，穿过塔式烘干机中弯弯曲曲的通道（搁板）。
当输送的籽棉在搁板之间改变方向时，籽棉就碰撞烘干机板壁，这种作用有利于搅动籽棉进而改进了籽棉烘干过程，有助于延长暴露时间，籽棉在于燥机中运行长达12秒钟。对于比较潮湿的籽棉，为了去除过多的水分，通常需要使用2级塔式烘干机（1983年）。
一些制造商制造了塔式烘干机。这些烘干机通常具有坚周的钢部件，并且完全是自立式的。大陆／贸莱公司的塔式烘干机有2个型号，一个型号是6英尺宽6英尺长（图2），另一个型号是6英尺宽11英尺长，其部件设计提供的搁板数为11~24。交替的出口允许偶数或奇数搁板设置，便于选择管道布置(1988年)。
特大容积棉花调湿器设计作为单一的烘干和调湿装置运行，也可以同其他调湿设备组合运行(图3)。潮湿棉花缓慢地流过特大容积调湿器，被暴露在热风中，热风量是塔式烘干机通常使用的4倍左右。2台装有回收装置的清理机利用抛掷法排除棉花中的杂质，回收装置将干净棉花送回系统中。大通道允许棉花自由地流动，而排除大块杂质有助于提高轧花系统中其他清理机的工作效率。
特大容积棉花调湿器还设计为经济运行，大约3/4的热风循环使用，降低了燃料成本（1960年）。带式烘干机
可使用的带式烘干机是1983年在得克萨斯州研制的，设备使用了由50英尺长、2英尺宽平滑金属丝网组成的带式输送机，装有压力通风系统，传送带上方和下方都被封闭。
在实验中，烘干正面在大约65秒钟内强制通过一个18英寸厚的棉层，传送带表面每平方英尺每分钟向下通过50立方英尺的热风。穿过棉层向下通风降低含水率的效果是向上通风时的近两倍。带式烘干机的热风利用率大约是塔式烘干机的2倍(1992年)。
Kimbell带式烘干机1995年在弗吉尼亚州一个商用轧花厂的运行帮助改进了这种系统的技术(图4)。该设计以Laird和Smith在得克萨斯州研制的烘干机为依据，据发现安装了一个金属刮板脱棉辊。刮板距传送带约1英寸，这有助于开松湿籽棉团和更均匀地扩展卸料流量。
当传送机在支承格栅上成波浪形前进时，半开形平滑金属丝网带可以使粉尘和细小杂质通过传送带从棉花中排出。大家认为，带式烘干机应在水平或200倾角运转，最大倾角为250。在目前的轧花厂中，带式烘干机的传送带位置多半是高架的（1996年）。
1.4鼓风箱烘干机 “
高速鼓风箱烘干机大约于1988年在加利福尼亚州试验。人们打算用新型鼓风箱系统代替轧花厂中传统的塔式烘干机。鼓风箱原理包含了一股高速喷射气流，速度超过10000英尺/分，水平指向，顺着籽棉控制器长度方向，当籽棉在矩形管道下突然加速时，将籽棉开松。
基本原理是鼓风箱中高速（喷射的）热气流比搁板式烘干机中低速低温气流能更快地开松湿籽棉并除去湿籽棉中的水分。试验表明高速鼓风箱系统比匀速系统（喷泉式或搁板式）需要更多的空气动力。为了改进鼓风箱烘干机，人们建议角钉打手滚轮（刺钉滚筒）有助于开松棉团，而设计出剥离点为负静压的鼓风箱，可以省去真空落料轮（1989年）。
1.5喷泉式／碰撞式烘干机
大约在1988年，提出设计喷泉式烘干机用来代替搁板型塔式烘干机。喷泉式烘干机没有搁板，它使籽棉漂浮在烘干机内热风中并重新加速它，其主要烘干作用不是发生在烘干机内，而是在它的出口。喷泉式烘干机使用大容量气体，每磅籽棉需50立方英尺热空气。
通过使用分离器可以得到空气／棉花的高比率。分离器在烘干过程的末端接受气流和籽棉，而后将籽棉和大约一半的气流转向第一级倾斜式清理机。剩余的气流用来拾起清杆机下面的棉花并输送到第2级清理机。由于这种烘干机产生的静压比传统的塔式烘干机低，所以仅仅使用了吸力风机，而塔式烘干机需要吹／吸两台风机（1996年）。
碰撞式烘干机是喷泉式烘干机的改进型。这种烘干机将来自棉模喂料器的棉花和热空气送入喷泉室中，同另外的烘干空气发生直接碰撞。顺着这个湍流点，籽棉和热空气混合物被分开，并在出口的上方完成第二次碰撞后被送到分离器。
碰撞式烘干机的压降（热损耗）稍高于传统的喷泉式烘干机，但是该设计因多次碰撞和湍流而提高了烘干效能(2000年)。
1.6熟搁板烘干机
湍流式热搁板烘干系统使用的风量比一些烘干系统的风量小，因为整个系统可以避免温度降低。这一点是由于在搁板之间安装了加热室而实现的，热量从加热室传递到输送棉花的搁板上。
烘干塔有9层搁板，搁板间距为12英寸。籽棉在烘干塔顶部进入，从烘干机底部出来。通常热空气从烘干机底部进入，从烘干塔顶部出来。加热室使用的热空气可以在连续的基础上通过该系统再循环利用，或者同原先的空气管路相结合在混合点拾起棉花，并将棉花输送到烘干塔。
1.7大容量烘干塔
大容量塔式烘干系统使用了6层搁板，搁板间距27英寸。允许使用一台“穿过式”风机系统，省去了推力风机。第一级使用的空气速度为2 000英尺／分，烘干空气约25立方英尺／每磅籽棉。
湍流烘干机收集器安装在于燥机的前面，用来排除青棉桃、石块等杂质。建议二级烘干中，第二级的热空气温度和容量应稍稍减少。
已经制造了两种尺寸的大容量塔式烘干机。一种是48英寸，宽40英寸，湍流烘干机收集器安装在入口处。第二种是72英寸、宽60英寸，湍流收集器安装在人口处。在4英尺和6英尺塔式烘干机中风量分别是18 000和27 000立方英尺／分。
经验法则是第一级烘干系统至少应有4000000英热单位的热量和9 000立方英尺/15包·每小时的风量。第二级烘干系统应有的热量和风量减少到2 000 000英热单位和6 000立方英尺/15包·每小时。第二级烘干系统中，可以采用的风速约为1500-2 000英尺／分。
1.8速差式烘干机
速差式烘干机使用的原理是湍流以及籽棉和烘干空气之间的速差——提高烘干率（图9）。刺钉滚筒或叶板滚筒使棉流减速，但允许热空气穿过棉花，从而产生了速差。按照它的运行，借助喷嘴将热空气喷人叶板滚筒，所产生的射管效果使棉花混合并在无真空轮或旋转空气闸的情况下进入气流中。
1.9竖流式烘干机
籽棉和烘干空气进入竖流式烘干机顶部(图10)。当籽棉进入时，落到定向滚筒上，开松棉团并产生一个蓬松的籽棉流。蓬松籽棉向下滑到由长而薄指状物做成的导流片上，每个指状物之间具有空隙。这些棉花落到另一个滚筒上，滚筒将籽棉抛向另一个方向，这种交替作用重复5次。
在这种烘干机中，没有搁板、筛网和格栅，定向滚筒的开松作用使籽棉团变得蓬松，从而增强了烘干机的烘干作用。当籽棉向下穿过烘干机后，烘干空气将籽棉输送到下道工序。
1.10均衡热塔式烘干机
由联合棉机有限公司制造的Vandergrift均衡热塔式烘干机于2000年在几家轧花厂得到了应用。烘干机制造为4个宽度-3、4、5和7英尺，搁板长8英尺。
在均衡热塔式烘干机中，有7个间距递增的搁板，并装有加热套，供在三个地点喷射热空气。其运行原理是增加烘干塔中下游热量，以保证整个烘干循环中的烘干温度。
在烘干阶段，来自加热器的空气被分为两股气流，一部分空气拾起籽棉并将它输送到均衡热烘干机顶部搁板，另一部分分别在第2、第4和第6层搁板端部喷射，提供多重混合点。热空气以4 000英尺／分的速度由喷嘴喷射，搁板间距随着空气总量增加而增加，以便在烘干塔中保持所希望的2 000~2 500英尺／分的输送速度。在烘干塔搁板的层面上有叶片和凸缘，以提高烘干能力。烘干空气将籽棉从均衡热塔式烘干机底部输送至倾斜式清理机中供空气和棉花分离。
2、轧花厂烘干机研究
2.1烘干机控制
轧花厂应在最低温度下烘干棉花，使轧花机能令人满意地运行。实验室试验表明，棉纤维将在450℃-500℃时烧焦，在450℃时点燃，在550℃-600℃时闪光。烘干系统任何部分的温度在任何情况下也不能超过350℃。棉纤维暴露温度高于350℃时，会引起不可逆转的纤维损伤。
烘干棉花用的典型热源是在烘干气流中的燃烧器火焰，燃烧器热量的最大输出必须足够烘干系统使用。燃烧器最大输出时燃料流量与提供最低可靠火焰时的燃料流量之比称为“调节比”。这个比值在棉花烘干中很重要，如果燃烧器不能调节到最低火焰，其结果将造成棉花过干。一个优良的烘干用燃烧器将具有保证调节比至少为15，根据不同的制造商，调节比可以高达35:1。
温度控制传感器的安装位置很重要，这些传感器调节加热器上的阀门来控制燃烧器火焰，进而控制烘干温度。最好使用双重读数传感器，以防止烧焦棉花和过度损伤棉花。一个传感器应该是上限温度开关（设定350℃），安装在热空气和籽棉混合点的前面。第二个传感器应该是基本的控制传感器，安装在混合点的下游。在这个位置，第二个传感器将使加热器控制器对棉花的数量和湿度作出反应。在塔式烘干系统中，一个推荐的习惯作法是在烘干机顶部安装控制传感器。
2.2空气流量
1978~1979年的试验表明，温度为230℃-240℃时，最低输送空气量就足以除去搁板式烘干系统的水分，试验中使用的是2台24层搁板式烘干机。籽棉由2台按吹吸方式安放的风机输送穿过每层搁板。
研究表明，对于搁板式烘干机，在标准大气条件下测量的最低空气速度大约是：籽棉含水率为18%时，1200英尺／分；籽棉含水率为10%时，1000英尺／分。采用这些速度时的空气／棉花比率为11~13英尺3／磅籽棉。应该指出，所期望的棉花流量是：速度低于900英尺／分，空气／棉花比率低于9.7英尺3／磅。
2.3自动控制
轧花厂籽棉烘干自动控制是1960年在美国斯通维尔论证的，水分检测仪测量了通过两个旋转电极之间的籽棉电阻作为纤维含水率的指数。以测量的含水率为基准，检测仪通过开关三路（多路）烘干机定向阀来改变烘干暴露时间。
水分检测仪使用伺服电动机来确定记录笔的位置，然后通过凸轮和速动开关激发螺线管，从而驱动气动滚筒来操作3路烘干机定向阀。自动系统使干棉花越过烘干机（一层搁板）；使比较湿的棉花越过半个烘干机（13层搁板）；使湿棉花穿过整个烘干机(24层搁板)。
自动烘干工艺于1967年与加湿工艺综合面扩展成一个完整的水分控制系统，除了在3路烘干机中烘干湿籽棉外，在加工干籽棉时，检测仪还驱动一个加湿装置，将相对湿度85%的湿空气加到输送配料器和提净喂花机之间的籽棉层中。因此，在轧花机中纤维与棉籽分离之前，干棉花含水率（低于5%）是被增加的。
使用计算机的烘干机控制于1990年轧花季节在密西西比州的两个轧花厂已经研制出来并进行了试验。根据红外水分仪测得的籽棉烘干前后的含水率来调整烘干温度设定值。控制系统调整空气温度，通过开关燃烧器供料气路上的调节器阀门实现。
在商用轧花厂，大约60个小时的控制系统试验证明该系统有良好的可靠性，在研究中，籽棉含水率按湿量计算很少偏离设定值的0.5%。
2.4对比试验
通用的塔式、鼓风箱式和喷泉式烘干机系统大约于1988年在加利福尼亚州和新墨西哥州进行了现场试验评估，鼓风箱系统和喷泉式烘干机都不如塔式烘干机有效。在三种被试系统中，塔式烘干机似乎具有最好的低温烘干潜力。
被试的鼓风箱系统需要过高的温度来烘干适度湿的籽棉，因此可能没有能力烘干非常湿的籽棉。喷泉式系统需要的空气动力比鼓风箱系统和三台塔式系统小，但是，二台塔式系统就可比较了。鼓风箱系统使用的空气动力是其他两个系统的1.5倍左右。
确定籽棉烘干系统效率的四个基本因素是：烘干空气温度、空气量、暴露时间以及空气与棉花之间的相对速度（滑率）。不同的轧花厂烘干系统这些基本因素的水平是不同的，这些因素有多种组合，都能令人满意地烘干棉花。
3、总结
20世纪20年代末以来，多种烘干机设计已经用于轧花厂人工烘干籽棉。这些不同的轧花厂烘干系统，在确定籽棉烘干机效力的四个基本因素方面呈现不同的水平。这四个基本因素是烘干空气温度、空气容量、暴露时间以及空气与棉花之间的相对速差。这些因素有多种组合，都能令人满意地烘干籽棉。
研究结果表明，棉纤维在含水率低时比含水率高时易断裂。因此，在含水率低时付轧的棉花必然比含水率高时含有更多的断裂（短）纤维。建议调整轧花厂烘干机，使轧花机在籽棉含水率为7%左右时加工皮棉。
为了保证棉花质量，应在能使轧花厂令人满意地运行的最低温度下烘干棉花。在任何情况下，烘干系统任何部位的温度都不应超过350℃。当温度超过300℃时，棉花受到不可逆转的损伤。当用相对湿度较低的外界空气输送籽棉时，可以获得一定程度的烘干作用。
可以证明：烘干的四个基本因素都体现在24层搁板塔式烘干机系统中。塔式烘干机是1931年研制的，在这个系统中，热空气输送籽棉通过搁板，籽棉冲击烘干机机壁，并且在每层搁板之间改变方向，这种作用有助于开松籽棉并在棉花与气流之间提供速度滑率。每级烘干都需要二台按吹吸型式安装的离心式风机来对付所产生的静压。二级塔式烘干机通常足够烘干潮湿籽棉。
几种类型的烘干机设计已经用于轧花厂，多数别的设计所产生的静压比塔式烘干机低，因此只需要一台离心式吸力风机。这些烘干机通常使用大风量，籽棉在热风中暴露的时间比塔式烘干机系统短。负压（一台风机）系统予计需要的投资少，使用的风机动力低，并且使轧花厂建筑物保持清洁。
然而，应该指出某些系统不能充分地开松籽棉或使用充分的暴露时间，在处理非常潮湿棉花时可能会遇到问题。
轧花厂使用的烘干系统包括：特大容积棉花调湿器、高速鼓风箱、喷泉式／碰撞式烘干机、Kimbell带式烘干机、高滑率烘干机、湍流式热搁板和均衡热塔式烘干机以及竖流式烘干机。
现今大多数棉农收获籽棉后以棉模储存以备今后轧花，如果这些收获的籽棉，其纤维含水率大约为8%，而棉籽的含水率不超过10%，则轧花厂仅需要最低限度的烘干。一种成本最低的烘干机设计，可提供最小程度暴露在烘干空气中，就足以排除适量的水分。为了处理更潮湿的棉花，则需要更精心的设计。
对所有轧花厂来说，不存在最好的烘干系统。一个最好的烘干机设计是能满足轧花厂要求的设计。在选择一台烘干机类型时，有两件关心之事，即轧花厂的位置和付轧籽棉的条件。位于潮湿地区加工湿棉的轧花厂比烘干地区加工相对烘干棉花的轧花厂需要一台更多要求和精心设计的烘干机系统。
烘干系统的成本必须根据轧花厂的需要加以平衡。所选择的系统必须使用温度足够低的烘干空气来排除适量的水分；采用开松和暴露籽棉团的工艺；采用足够的暴露时间以便从纤维中排除水分；在棉花和烘干空气之间产生高速差。
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