熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕在谷物就倉(cāng)干燥中的應(yīng)用

彭冬根, 聶江濤, 孫萬(wàn)富

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院, 南昌 330031; 2.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214153)

我國(guó)主要糧食作物收獲時(shí)含水率較高，若未及時(shí)進(jìn)行干燥處理會(huì)引起發(fā)芽或霉變等,造成較大的損失[1],濕糧需干燥至安全水分才能進(jìn)行儲(chǔ)藏。隨著糧食產(chǎn)量的增長(zhǎng)，濕糧干燥問(wèn)題日益突出。目前糧食干燥技術(shù)有真空干燥[2]、紅外輻射干燥[3]、微波干燥[4]、太陽(yáng)能干燥[5]等。

就倉(cāng)干燥是將新收獲的高水分谷物直接入倉(cāng)進(jìn)行通風(fēng)干燥，干燥完成后仍在該倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)藏，可減少倉(cāng)外晾曬、烘干等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)大批量處理，能較大限度地保持谷物品質(zhì)。根據(jù)入倉(cāng)的空氣狀態(tài)，目前盛行的谷物就倉(cāng)干燥方式為自然和加熱通風(fēng)干燥。自然通風(fēng)干燥直接將外界空氣通入糧倉(cāng)，其方便且實(shí)用，但干燥周期長(zhǎng)、易受天氣影響。加熱通風(fēng)干燥將外界空氣升溫后送入糧堆干燥，可較好解決自然通風(fēng)干燥存在問(wèn)題[6]，但干燥空氣溫度較高會(huì)降低稻谷外觀品質(zhì)和食味值[7-8]。若因操作不當(dāng)導(dǎo)致空氣溫度過(guò)高，或因提高干燥速率而過(guò)大增加空氣溫度時(shí)，將無(wú)法保持谷物品質(zhì)。在稻谷干燥模擬過(guò)程中，干燥空氣含濕量比空氣溫度對(duì)干燥速率的影響要大[9]?？刹捎靡缘秃瑵窳壳覝囟炔挥绊懝任锲焚|(zhì)的空氣來(lái)進(jìn)行谷物干燥。溶液除濕技術(shù)[10-11]可利用吸濕能力強(qiáng)的液體(如LiCl溶液[12])使潮濕空氣達(dá)到低含濕量的狀態(tài)，從而得到所需的干燥空氣。利用溫度較低的干燥空氣進(jìn)行谷物就倉(cāng)干燥，不會(huì)影響谷物品質(zhì)，且除濕鹽溶液可去除空氣中的部分霉菌、細(xì)菌[13]，有利于谷物干燥完成后的儲(chǔ)存。因此，可將除濕技術(shù)應(yīng)用于谷物就倉(cāng)干燥領(lǐng)域。

在溶液除濕系統(tǒng)中，再生器和除濕器分別需要熱源和冷源，而熱泵可以結(jié)合系統(tǒng)中除濕及再生兩個(gè)過(guò)程。熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)常用于建筑空調(diào)系統(tǒng)中[14]，對(duì)于谷物干燥領(lǐng)域應(yīng)用較少。合理的采用不同谷物就倉(cāng)干燥方式是糧食干燥領(lǐng)域的有益嘗試，對(duì)發(fā)展谷物就倉(cāng)干燥新型技術(shù)具有重大的意義。因而，本文基于上述構(gòu)思將熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)應(yīng)用于谷物就倉(cāng)干燥，采用最佳通風(fēng)量對(duì)在全自然通風(fēng)、溶液除濕系統(tǒng)和混合干燥三種方式下的干燥時(shí)長(zhǎng)、谷物含水率和系統(tǒng)COP(coefficient of performance)的變化情況進(jìn)行分析，可為實(shí)現(xiàn)安全、高效、節(jié)能的谷物就倉(cāng)干燥過(guò)程提供選擇。

1 材料與方法

1.1 溶液除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由溶液除濕和就倉(cāng)干燥兩部分組成，如圖1所示。溶液除濕部分對(duì)室外空氣進(jìn)行處理，使空氣達(dá)到滿足干燥要求低含濕量的狀態(tài)。就倉(cāng)干燥部分利用溶液除濕過(guò)程處理的空氣進(jìn)行糧食干燥降水，使糧食達(dá)到安全水分。系統(tǒng)包括除濕溶液循環(huán)、制冷劑循環(huán)、空氣循環(huán)三個(gè)過(guò)程。

1.1.1除濕溶液循環(huán) 濃溶液進(jìn)入除濕器與待處理空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換后成為稀溶液，經(jīng)溶液泵送至溶液-溶液熱回收器中換熱，然后經(jīng)過(guò)冷凝器升溫后進(jìn)入溶液再生器中，被再生空氣處理成濃溶液，再次回至溶液-溶液熱回收器中與稀溶液進(jìn)行熱交換降溫，最后在蒸發(fā)器中降溫進(jìn)入除濕器進(jìn)行下一輪循環(huán)。在循環(huán)過(guò)程中，采用熱回收器有利于提高除濕效率。

1.1.2制冷劑循環(huán) 制冷劑循環(huán)發(fā)生在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥以及蒸發(fā)器之間，制冷劑首先通過(guò)壓縮機(jī)從低壓變?yōu)楦邏籂顟B(tài)，然后進(jìn)入冷凝器將放出的熱量傳遞給稀溶液，隨后通過(guò)膨脹閥變?yōu)榈蛪籂顟B(tài)，并在蒸發(fā)器中吸收濃溶液的熱量，最后進(jìn)入壓縮機(jī)完成一輪循環(huán)。

1.1.3空氣循環(huán) 在再生器側(cè)進(jìn)行再生空氣循環(huán)，環(huán)境空氣進(jìn)入再生器中使溶液進(jìn)行再生過(guò)程后進(jìn)入空氣與空氣換熱器中與出除濕器的干燥空氣換熱，之后進(jìn)入環(huán)境空氣中。在除濕器側(cè)進(jìn)行干燥空氣循環(huán)，經(jīng)除濕器中處理后的低含濕量空氣在風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入空氣與空氣換熱器中，與再生器中出來(lái)的再生空氣進(jìn)行換熱升溫后，采用上行式通風(fēng)經(jīng)糧倉(cāng)底部進(jìn)入糧堆向上流動(dòng)進(jìn)行干燥。糧倉(cāng)出口空氣含濕量若小于環(huán)境空氣則可直接進(jìn)入除濕器中循環(huán)(開啟空氣閥2，關(guān)閉空氣閥1、3)，否則采用室外環(huán)境空氣進(jìn)行循環(huán)(開啟空氣閥1、3，關(guān)閉空氣閥2)。此過(guò)程可利用溶液再生過(guò)程再生空氣產(chǎn)生的熱量，升高入倉(cāng)干燥的空氣溫度，有效地提高了谷物干燥的效率，并且熱回收器升溫有限，不會(huì)破壞谷物品質(zhì)。

注：1—環(huán)境空氣；2—再生器；3—溶液泵；4—溶液與溶液換熱器；5—除濕器；6—溶液閥；7—壓縮機(jī)；8—蒸發(fā)器；9—冷凝器；10—膨脹閥；11—風(fēng)機(jī)；12—空氣-空氣換熱器；13—糧倉(cāng)；14—谷物；15—空氣閥1；16—空氣閥2； 17—空氣閥3。Note:1—Ambient air; 2—Regenerator; 3—Solution pump; 4—Solution-solution heat exchanger; 5—Dehumidifier; 6—Solution valve; 7—Compressor; 8—Evaporator; 9—Condenser; 10—Expansion valve; 11—Blower; 12—Air-air heat exchanger; 13—Grain bin; 14—Grain; 15—Air valve 1; 16—Air valve 2; 17—Air valve 3.圖1 熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)Fig.1 System of liquid desiccant dehumidification driven by heat pump for grain in-bin drying

1.2 模型建立

1.2.1除濕器/再生器模型 溶液除濕/再生系統(tǒng)采用叉流裝置,基于已有研究基礎(chǔ)來(lái)簡(jiǎn)便分析其熱質(zhì)交換過(guò)程[15]，叉流裝置除濕/再生過(guò)程的能量和質(zhì)量守恒方程如下。

①空氣側(cè)熱質(zhì)交換。

(1)

(2)

②空氣與溶液熱質(zhì)守恒。

(3)

(4)

式中，ma、ms分別為空氣和溶液的質(zhì)量流量，kg·s-1；ha、hs、heq分別為空氣、溶液及與溶液平衡的空氣焓值，kJ·kg-1；wa、weq為空氣及與溶液平衡的空氣含濕量，kg·kg干-1；ξ為溶液的質(zhì)量濃度，kg·kg-1；γ為水蒸發(fā)潛熱，kJ·kg-1；NTU為溶液和空氣傳熱單元數(shù)；Le為劉易斯數(shù)。

1.2.2熱泵數(shù)學(xué)模型 冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑和冷卻(凍)水基于能量守恒傳熱原理，數(shù)學(xué)模型如下。

Qc=mw,cCp,w,c(tw,out,c-tw,in,c)=mref(hc,in-hc,out)

(5)

Qe=mw,eCp,w,e(tw,in,e-tw,out,e)=mref(he,out-he,in)

(6)

式中，Qc為熱泵冷凝器釋放熱量，kW；Qe為熱泵蒸發(fā)器吸收熱量，kW；mw,c、mw,e、mref分別為冷卻水、冷凍水、制冷劑的質(zhì)量流量，kg·s-1；Cp,w,c、Cp,w,e為冷卻水和冷凍水的比熱，kJ·kg-1·℃-1；tw,in,c、tw,out,c為冷卻水的入口及出口溫度，℃；tw,in,e、tw,out,e為冷凍水的入口及出口溫度，℃；hc,in、hc,out、he,in、he,out分別是冷凝器中制冷劑和蒸發(fā)器中制冷劑的入口和出口焓，kJ·kg-1。

壓縮機(jī)運(yùn)行是一個(gè)涉及傳熱、傳質(zhì)較為復(fù)雜的多變壓縮過(guò)程，參照文獻(xiàn)[16]簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型如下。

(7)

mref=(ηvVth)/vp,in)

(8)

(9)

hp,out=hp,in+Wp

(10)

式中，Ti、To分別為壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度，K；Pc、Pe分別為冷凝器壓力和蒸發(fā)器壓力，Pa；Vth為壓縮機(jī)的理論容積排氣量，m3·s-1；Wp為壓縮機(jī)耗功，kW；k為壓縮機(jī)的絕熱指數(shù)；hv為壓縮機(jī)的容積效率；vp,in為壓縮機(jī)的制冷劑氣體進(jìn)口比容，m3·kg-1；hp,in、hp,out分別為壓縮機(jī)進(jìn)出口制冷劑焓，kJ·kg-1。

1.2.3膨脹閥數(shù)學(xué)模型 熱力膨脹閥的制冷劑流量計(jì)算公式如下[16]。

(11)

(12)

式中，Av為膨脹閥的通道面積，m2；CD為流量系數(shù)；rev,in為膨脹閥的制冷劑進(jìn)口密度，kg·m-3；vev,in、vev,out為膨脹閥進(jìn)出口制冷劑比容，m3·kg-1。

1.2.4熱回收效率模型 假定工質(zhì)在熱回收器內(nèi)物性參數(shù)不變且熱回收器對(duì)環(huán)境無(wú)散熱來(lái)簡(jiǎn)化熱回收效率數(shù)學(xué)模型?？諝?空氣熱回收器的換熱效率(ε)計(jì)算公式[17]如式(13)所示。

ε=

(13)

式中，(qmc)min、(qmc)max分別為換熱器中兩種流體的質(zhì)量流量與其比熱乘積之間的小者與大者；NTUhe為換熱器傳熱單元數(shù)。

溶液-溶液熱回收器兩側(cè)換熱溶液的流量和比熱都近似相等，其換熱效率ε計(jì)算公式[17]如下。

(14)

1.2.5谷物就倉(cāng)干燥模型 本文主要將溶液除濕系統(tǒng)應(yīng)用于谷物干燥中，由于以熱濕傳遞為依據(jù)的谷物干燥過(guò)程非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：采用集中參數(shù)法，將糧倉(cāng)視為一個(gè)整體，整個(gè)糧倉(cāng)在同一瞬間處于同一狀態(tài)下；認(rèn)為糧堆內(nèi)谷物顆粒大小及孔隙分布均勻，整個(gè)干燥過(guò)程均勻干燥；在谷物干燥過(guò)程中，認(rèn)為谷物與干燥空氣充分接觸，從非平衡熱濕狀態(tài)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。分別以空氣和谷物為研究對(duì)象建立以下數(shù)學(xué)模型。

①以空氣為對(duì)象。

CpaVερa(bǔ)dta=hVΩ(tg-ta)dτ+maCpa(tai-ta)dτ

(15)

Vερa(bǔ)dYa=hmVΩ(Yg-Ya)dτ+maCpa(Yai-Ya)dτ

(16)

②以谷物為對(duì)象。

CgV(1-ε)ρgdtg=[Qh-hVΩ(tg-ta)-hmVΩ(Yg-Ya)γ]dτ

(17)

V(1-ε)ρbsdX=[Qm-hmVΩ(Yg-Ya)]dτ

(18)

式中，V、Ω分別為糧堆體積、谷物的比表面積，m3、m2·m-3；ε為糧堆孔隙率；tg、ta、tai分別是谷物溫度、空氣溫度、初始入倉(cāng)溫度，K；Ya、Yg、Yai分別是空氣含濕量、谷物表面與平衡空氣的含濕量、倉(cāng)內(nèi)初始空氣含濕量，kg·kg-1；Cpa、Cg分別是空氣和谷物比熱，kJ·kg-1·K-1；ρa(bǔ)、ρg、ρbs分別為空氣密度、谷物密度、谷物干物質(zhì)的密度，kg·m-3；dτ為時(shí)間步長(zhǎng)，h；h、hm分別是空氣與谷物之間的傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)，kJ·m-2·K-1·h-1、kg·m2·h-1；X為谷物含水率(干基)；Qh、Qm分別為谷物呼吸產(chǎn)熱量和產(chǎn)濕量[18]，kJ、kg。

上述公式(15)～(18)中，hm、h[19]表達(dá)式和稻谷參數(shù)Cg、ρg表達(dá)式[19]如下。

(19)

(20)

式中，v為流經(jīng)谷物表面的風(fēng)速，m·s-1；M為谷物含水率(濕基)，%。

1.3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

糧倉(cāng)干燥采用兩種干燥方式性能系數(shù)指標(biāo):溶液除濕系統(tǒng)干燥(COPr)和自然通風(fēng)干燥(COPz)。

(21)

(22)

Qa=|maCpa(Tao-Tai)|+|maγ(Yao-Yai)|

(23)

Qq=maγ(Yao-Yai)

(24)

式中，Wp、Wb為壓縮機(jī)功率和風(fēng)機(jī)功率，kW；Qa為糧倉(cāng)進(jìn)出口空氣顯熱量與潛熱量絕對(duì)值之和，kW；Qq為除去糧倉(cāng)水分潛熱量，kW；ma為空氣流量，kg·s-1；Tai、Tao為糧倉(cāng)進(jìn)出口空氣溫度，℃；Yai、Yao為糧倉(cāng)進(jìn)出口空氣含濕量，kg·kg-1。

1.4 模型驗(yàn)證

為評(píng)價(jià)本文提出的熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕谷物就倉(cāng)干燥系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。選用已有研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)作為參考對(duì)象與在相同條件下利用模擬所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。驗(yàn)證熱泵模型熱泵的制冷量Qe和制熱量Qc來(lái)源于文獻(xiàn)[20-21]，除濕器的除濕率mde和再生器的再生率mre來(lái)源于文獻(xiàn)[22]，谷物含水率來(lái)源于文獻(xiàn)[23]，分別用于驗(yàn)證熱泵模型、除濕器和再生器模型和谷物就倉(cāng)干燥模型。實(shí)驗(yàn)值為M1，模擬值為M2,誤差率e計(jì)算公式如下。

(25)

1.5 模擬方法

根據(jù)上述系統(tǒng)組成及構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB進(jìn)行程序編譯，模擬熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)應(yīng)用下的谷物就倉(cāng)干燥過(guò)程，熱泵系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。選取江西南昌地區(qū)10月份中下旬稻谷收割時(shí)節(jié)稻谷及天氣等各項(xiàng)參數(shù)作為模擬的初始參數(shù)，谷物類型為粳稻，相關(guān)參數(shù)如表2所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定，所選糧食及糧倉(cāng)參數(shù)的安全干燥期為14 d[24]，儲(chǔ)藏安全水分為14.5%以下[25]。谷物干燥過(guò)程系統(tǒng)能量消耗設(shè)備來(lái)源主要為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，總耗能為兩者運(yùn)行所需的能量消耗之和。采用自然通風(fēng)干燥時(shí)亦采取上行式通風(fēng)，僅考慮糧層阻力，布置較為簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)功率選取為11.5 kW；采用溶液除濕系統(tǒng)干燥時(shí)，考慮風(fēng)道和溶液等阻力，風(fēng)機(jī)功率選取為17.5 kW。

表1 熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of the liquid desiccant dehumidification system driven by heat pump

表2 模擬糧倉(cāng)、谷物及天氣相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of simulation grain bin, grain and weather

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證結(jié)果分析

2.1.1谷物就倉(cāng)干燥數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證 谷物就倉(cāng)干燥模型驗(yàn)證結(jié)果如表3所示，可知谷物含水率實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值誤差范圍處于±3%以內(nèi)，二者吻合較好，說(shuō)明此模型能較好地預(yù)測(cè)谷物干燥過(guò)程含水率變化情況。

表3 谷物就倉(cāng)干燥數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Validation of grain in-bin drying mathematical model

2.1.2熱泵模型和除濕器/再生器模型驗(yàn)證 熱泵模型和除濕器/再生器模型驗(yàn)證情況如圖2所示，驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)分別如表4和表5所示，可知熱泵模型和除濕器/再生器模型相對(duì)誤差范圍均處于±15%以內(nèi)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間誤差較低，從而驗(yàn)證了熱泵及除濕器/再生器模型的準(zhǔn)確性。

表4 除濕器/再生器模型驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of Dehumidifier/Regenerator model validation

表5 熱泵模型驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)Table 5 Parameters of heat pump model validation

圖2 熱泵和溶液除濕器/再生器數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證Fig.2 Validation of heat pump and Dehumidifier/Regenerator mathematical model

2.2 糧倉(cāng)通風(fēng)量對(duì)溶液除濕谷物就倉(cāng)干燥的影響

在滿足安全干燥期的要求下,不同風(fēng)量對(duì)稻谷干燥的時(shí)長(zhǎng)及總能耗的影響如圖3所示。可以看出：整體而言，隨著風(fēng)量的增加，干燥時(shí)長(zhǎng)相應(yīng)地降低，而干燥總耗能先部分減小后再增加。風(fēng)量較低時(shí)干燥時(shí)間較長(zhǎng)，隨著的風(fēng)量逐步增加(150～250 m3·h-1·t-1)，干燥時(shí)間降低的較快，隨著風(fēng)量繼續(xù)增大(>300 m3·h-1·t-1)，干燥時(shí)間下降速度趨于平緩。這表明當(dāng)風(fēng)量增加達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，干燥效果減緩。系統(tǒng)耗能為先降后增的趨勢(shì)，這是由于風(fēng)量很低時(shí)，雖然風(fēng)機(jī)功率較低，但整個(gè)干燥時(shí)間較長(zhǎng)，整體耗能較高；當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增加時(shí)(>200 m3·h-1·t-1)，干燥時(shí)間下降較快，干燥效果較好，耗能逐步上升。從上述分析可知，在滿足谷物安全干燥期的基本要求下，選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量有利于系統(tǒng)干燥效果的提升和能耗的節(jié)約。

圖3 干燥時(shí)間及總耗能隨風(fēng)量的變化情況Fig.3 Changes of drying time and total energy consumption with air flow rate

從上述模擬結(jié)果可知，利用溶液除濕系統(tǒng)對(duì)谷物進(jìn)行就倉(cāng)干燥，采用風(fēng)量為200 m3·h-1·t-1時(shí)，谷物達(dá)到安全水分時(shí)長(zhǎng)為200 h，滿足安全干燥期要求且系統(tǒng)耗能較低。因此，本研究確定耗能最低的最佳通風(fēng)量為200 m3·h-1·t-1，滿足文獻(xiàn)[24]中對(duì)風(fēng)量的要求，下文基于該最佳通風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。

2.3 三種不同的干燥方式對(duì)谷物含水率的影響

圖4顯示了在全自然通風(fēng)、溶液除濕干燥及兩者結(jié)合的混合干燥三種干燥方式下谷物含水率的變化情況?？梢钥闯觯?dāng)僅采用全自然通風(fēng)或溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行谷物干燥時(shí)，在整個(gè)干燥過(guò)程中谷物含水率均呈逐漸減緩的趨勢(shì)下降；在混合干燥過(guò)程中，前期為自然通風(fēng)，谷物含水率下降速率較低，后期為溶液除濕，谷物含水率下降速率增高，直至干燥完成。當(dāng)采用全自然通風(fēng)干燥時(shí)，在安全干燥期內(nèi)，谷物水分降低較少且無(wú)法降至安全儲(chǔ)存要求。當(dāng)以溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行干燥處理時(shí)，干燥時(shí)長(zhǎng)較短，遠(yuǎn)低于安全干燥期；利用混合干燥方式亦可以將谷物降至安全水分，但需考慮安全干燥期對(duì)自然通風(fēng)時(shí)間的限制。在混合干燥下，當(dāng)自然通風(fēng)時(shí)間為165 h時(shí)，干燥總時(shí)間略小于安全干燥期，故應(yīng)控制自然通風(fēng)時(shí)間在165 h以內(nèi)以滿足安全干燥期的要求。

注：LD—溶液除濕干燥；C65—混合干燥，自然通風(fēng)65 h；C105—混合干燥，自然通風(fēng)105 h；C165—混合干燥，自然通風(fēng)165 h；ND—全自然通風(fēng)干燥。Note: LD—Liquid desiccant dehumidification drying；C65—Combination drying, natural ventilation for 65 h；C105—Combination drying, natural ventilation for 105 h；C165—Combination drying, natural ventilation for 165 h; ND—Natural ventilation drying.圖4 在三種不同的干燥方式下干燥過(guò)程中谷物含水率的變化情況Fig.4 Change of grain moisture content during drying under three different drying methods

2.4 混合干燥方式下自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)干燥時(shí)間及耗能的影響

在混合干燥下，選取合適的自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)雖然可以滿足安全干燥期要求，但自然通風(fēng)干燥能力有限，需考慮自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)能耗的影響。谷物達(dá)到安全水分所需時(shí)間及總耗能隨自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)變化情況如圖5所示。隨著自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)不斷增加，溶液除濕系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)地減少，而完成干燥所需總時(shí)間不斷增加。溶液除濕系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)谷物含水率相應(yīng)地降低，因此其運(yùn)行時(shí)間減少；而自然通風(fēng)處理谷物的干燥效果低于溶液除濕系統(tǒng)，故而完成干燥的總時(shí)間增加。系統(tǒng)總耗能為先降后增的趨勢(shì)，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)楣任锍跏己瘦^高，采用自然通風(fēng)干燥時(shí)，短時(shí)間內(nèi)去除谷物的水分較快，之后隨著時(shí)間增加，谷物含水率下降呈逐漸減緩的趨勢(shì)，去除水分的能力逐漸降低。因此，采用混合干燥方式進(jìn)行干燥時(shí)，選取合適的自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)有利于降低系統(tǒng)的耗能。自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為65 h時(shí)，混合干燥系統(tǒng)總耗能最低，為耗能最低的最佳自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)。采用混合干燥時(shí)，在無(wú)特殊干燥時(shí)間要求下，應(yīng)采用最佳自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)以節(jié)約能耗。

圖5 干燥時(shí)間及總耗能隨自然通風(fēng)時(shí)間變化情況Fig.5 Change of drying time and total energy consumption with natural ventilation time

2.5 三種干燥方式下系統(tǒng)COP變化情況

上述三種方式干燥過(guò)程中系統(tǒng)整體COP變化情況如圖6所示。全自然通風(fēng)干燥時(shí)間為規(guī)定安全干燥期，另外兩種方式為谷物至安全水分所需時(shí)間。

圖6 干燥過(guò)程中三種干燥方式COP變化情況Fig.6 COP changes of three drying methods in drying process

全自然通風(fēng)干燥COP處于1.1～2.7之間，均值為1.5，由于室外空氣含濕量較高，對(duì)谷物降水效果較差，且隨著干燥時(shí)長(zhǎng)的增加谷物降水能力下降，因而在整個(gè)干燥過(guò)程中COP偏低且呈下降的趨勢(shì)。溶液除濕系統(tǒng)COP范圍在3.2～5.5之間，均值為4.3，隨著干燥過(guò)程的不斷進(jìn)行其值不斷下降，這是由于隨著干燥時(shí)間的增加，谷物降水能力下降。在整個(gè)干燥過(guò)程中，糧倉(cāng)進(jìn)出口空氣含濕量差由3.83降至1.345 g·kg-1，空氣溫差由5.3降至3.6 ℃，兩者不斷減小，導(dǎo)致潛熱量和顯熱量均降低。混合干燥為采用最佳自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)下的干燥過(guò)程，COP均值為3.8，在自然通風(fēng)時(shí)間內(nèi)COP偏低，自然通風(fēng)結(jié)束后為溶液除濕干燥，COP突增，之后與溶液除濕干燥趨勢(shì)一致隨著干燥過(guò)程進(jìn)行而不斷降低。

2.6 不同干燥方式性能對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證溶液除濕谷物干燥過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，與其他谷物干燥方式進(jìn)行對(duì)比。代建國(guó)等[26]通過(guò)利用熱泵進(jìn)行谷物就倉(cāng)干燥，得出了干燥過(guò)程中熱泵的性能系數(shù)。在相同天氣及谷物參數(shù)條件下，單獨(dú)采用溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行干燥，運(yùn)行工作1 d內(nèi)二者COP對(duì)比情況如表6所示。由表6可知，本文溶液除濕系統(tǒng)干燥整體COP范圍在3.7～4.1之間，均值為3.9，較高于熱泵COP。由于溶液除濕熱泵的冷凝和蒸發(fā)壓差較傳統(tǒng)熱泵小，故其COP較高?？梢钥闯觯捎萌芤撼凉裣到y(tǒng)進(jìn)行谷物就倉(cāng)干燥相對(duì)于熱泵干燥方式較好，具有一定的優(yōu)越性。

表6 不同干燥方式系統(tǒng)性能系數(shù)對(duì)比Table 6 Comparison of system coefficients of performance in different drying methods

3 討論

對(duì)于谷物干燥而言，首先考慮干燥時(shí)間是否滿足谷物的安全干燥期要求，其次考慮對(duì)干燥時(shí)間及耗能的優(yōu)化。由于稻谷收割入倉(cāng)時(shí)含水率較高，采用自然通風(fēng)方式能有效地去除稻谷的部分水分，因此提出以在干燥前期采用自然通風(fēng)干燥，后期采用溶液除濕系統(tǒng)干燥的混合方式進(jìn)行谷物干燥。本文將溶液除濕技術(shù)應(yīng)用于就倉(cāng)干燥領(lǐng)域，提出熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕谷物就倉(cāng)干燥系統(tǒng)。分別對(duì)系統(tǒng)中各部件數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立及準(zhǔn)確性驗(yàn)證，熱泵和除濕器/再生器模型輸出參數(shù)分別與前人實(shí)驗(yàn)參數(shù)[20-22]對(duì)比，誤差范圍較小，谷物就倉(cāng)干燥模型所得谷物含水率模擬值與實(shí)驗(yàn)值[23]二者吻合較好，各模型準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

糧倉(cāng)通風(fēng)量是影響谷物干燥的一個(gè)重要因素，為了尋求滿足基本干燥要求下的最佳通風(fēng)量，研究了風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)的耗時(shí)及耗能影響，及在全自然通風(fēng)、溶液除濕系統(tǒng)和混合干燥三種方式下谷物含水率和系統(tǒng)COP的變化情況，通過(guò)研究不同通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)干燥時(shí)間及耗能的影響來(lái)確定其最佳通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)。在南昌地區(qū)秋季谷物收獲時(shí)期，利用溶液除濕系統(tǒng)將谷物干燥至安全水分且要求能耗較低的情況下，最佳通風(fēng)量選擇為200 m3·h-1·t-1，此時(shí)干燥時(shí)間短，為200 h(約8 d)，符合安全干燥期14 d的要求[24]。采用最佳通風(fēng)量，在三種干燥方式下對(duì)谷物進(jìn)行干燥對(duì)比，采用全自然通風(fēng)干燥無(wú)法滿足干燥要求，采用混合干燥方式有利于降低耗能，耗能最低的最佳自然通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)為65 h。

為研究干燥過(guò)程中熱力學(xué)上的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)上述三種方式干燥過(guò)程中系統(tǒng)整體COP變化情況進(jìn)行分析。溶液除濕干燥過(guò)程熱力學(xué)上的收益為糧倉(cāng)進(jìn)出口空氣焓差，自然通風(fēng)干燥收益為除去谷物水分的潛熱量，收益與輸入代價(jià)比值為系統(tǒng)性能系數(shù)COP。全自然通風(fēng)和溶液除濕系統(tǒng)干燥過(guò)程COP變化均隨干燥時(shí)間增加而降低，且溶液除濕系統(tǒng)干燥過(guò)程COP范圍為3.2～5.5較高于自然通風(fēng)干燥。在相同條件下單獨(dú)利用溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行谷物干燥，干燥過(guò)程中系統(tǒng)COP與熱泵干燥[26]相比較高，可知溶液除濕系統(tǒng)干燥效果較好。