李偉釗,盛 偉,張振濤,楊魯偉,張 沖,魏 娟,李 博
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熱管聯(lián)合多級串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng)性能試驗
李偉釗1,2,盛 偉2,張振濤1※,楊魯偉1,張 沖1,魏 娟1,李 博1
(1. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,北京 100190; 2. 河南理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院,焦作 454000)
中國東北地區(qū)現(xiàn)有的糧食干燥系統(tǒng)多為大型多段塔式燃煤干燥系統(tǒng),在糧食干燥過程中,熱空氣與糧食經(jīng)過一次換熱后,生成的高溫高濕廢氣直接排入了大氣,不僅造成了能量的巨大浪費,而且嚴(yán)重污染了環(huán)境。該文針對東北地區(qū)寒冷氣候特點及多段塔式燃煤玉米干燥系統(tǒng)存在的高能耗、高污染問題,開發(fā)了一種熱管聯(lián)合多級串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多段塔式燃煤玉米干燥中廢氣的余熱回收和廢氣中雜質(zhì)的清潔處理,從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研制了50、150和300 t/d的系列化玉米熱泵干燥裝備,進(jìn)行了3種規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范,并對300 t/d的玉米熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了性能試驗。結(jié)果表明,系統(tǒng)每小時的耗電量為538 kW·h,除濕速率為2016 kg/h,熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)COP(coefficient of performance,COP)在3.7~6.7之間,除濕能耗比SMER(specific moisture extraction rate,SMER)為3.75 kg/(kW·h)。對多段塔式玉米熱泵干燥和玉米燃煤干燥經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較研究,結(jié)果表明:得到1 kg干玉米的熱泵干燥成本為0.038元,而燃煤干燥的成本為0.049元,單位玉米的熱泵干燥成本比燃煤干燥成本降低22.4%。與玉米燃煤干燥相比,玉米熱泵干燥能大量降低污染物的排放,節(jié)能減排效果明顯,可為熱泵干燥技術(shù)在糧食烘干領(lǐng)域應(yīng)用提供有價值的參考。
干燥;玉米;試驗;熱泵;熱管;節(jié)能
玉米作為主要農(nóng)作物,在中國大部分地區(qū)都有種植。近幾年來,玉米的產(chǎn)量增長較快,2015年,中國的玉米年總產(chǎn)量達(dá)到2.29億萬t[1-2]。新收獲的玉米水分含量高,需及時降水處理到安全水分以下方可儲藏,否則容易發(fā)生霉變[3-4]。據(jù)統(tǒng)計,中國東北地區(qū)每年的高水分玉米產(chǎn)量約3000萬t,受涼曬條件的限制,需采取機(jī)械烘干的方式對其進(jìn)行烘干[5-6]。玉米的干燥過程是一個大量耗能過程,目前,東北地區(qū)多采用燃煤對流式熱風(fēng)塔式干燥機(jī)對玉米進(jìn)行烘干,該種烘干塔用煤直接供熱,熱利用率低,耗煤量高,環(huán)境污染嚴(yán)重[7]。在中國可持續(xù)發(fā)展及社會節(jié)能減排戰(zhàn)略實施的大背景下,尋求一種節(jié)能環(huán)保的糧食干燥方法頗有意義。
熱泵干燥技術(shù)可以有效回收低溫余熱,實現(xiàn)干燥過程的高效節(jié)能,在世界許多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。其中,熱泵干燥技術(shù)在糧食干燥方面的應(yīng)用引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者[11-15]的興趣,并被學(xué)者們不斷進(jìn)行研究。美國于1950年用熱泵干燥技術(shù)對谷物進(jìn)行了干燥試驗,試驗結(jié)果表明,熱泵干燥系統(tǒng)的除濕能耗比SMER達(dá)到了1.8 kg/(kW·h)左右,比電加熱式谷物干燥過程節(jié)能40%左右[11]。Yang等[12]用一臺可以在4種工況下運行的熱泵式流化床干燥機(jī)對谷物進(jìn)行了干燥試驗研究,結(jié)果表明,系統(tǒng)的除濕能耗比SMER約為2.06 kg/(kW·h),制熱系數(shù)COP約為2.5。在國內(nèi),鄭先哲等[13]對熱泵干燥溫度對稻米食味值的影響進(jìn)行了試驗研究,得出了稻谷臨界干燥溫度方程。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的談文松[14]用一套太陽能聯(lián)合熱泵干燥系統(tǒng)對小麥進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明,在晴天光照狀況較好的情況下,系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP能夠達(dá)到2.4,與蒸汽鍋爐的干燥系統(tǒng)相比,其供熱效率較高、節(jié)能明顯。余龍等[15-16]使用地源熱泵對糧食進(jìn)行了烘干試驗,并分析了整個烘干過程的經(jīng)濟(jì)效益情況,和空氣源熱泵干燥系統(tǒng)相比,該地源熱泵干燥系統(tǒng)每年的運行費用可以降低40%。羅喬軍等[17]進(jìn)行了稻谷熱管輔助熱泵除濕干燥試驗,試驗研究表明與熱泵除濕干燥系統(tǒng)相比,熱管輔助熱泵除濕稻谷干燥系統(tǒng)可以節(jié)能18.2%。
環(huán)路熱管技術(shù)[18]是一種高效的相變傳熱技術(shù),可以利用熱管內(nèi)部工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝傳遞大量熱量,該技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[19-20]以及PC產(chǎn)業(yè)的芯片冷卻[21-23],但在農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域應(yīng)用研究較少。
本文針對東北地區(qū)寒冷氣候特點及多段塔式燃煤玉米烘干系統(tǒng)的高能耗問題,結(jié)合熱泵干燥技術(shù)和環(huán)路熱管技術(shù),提出一種熱管聯(lián)合多級串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng),建立試驗示范項目,并對系統(tǒng)進(jìn)行了性能試驗研究。該玉米干燥系統(tǒng)通過回收烘干塔排濕廢氣的熱量,能夠提高能量利用率,消除污染物的排放,有利于環(huán)境的保護(hù),為工程應(yīng)用推廣提供有價值的參考。
熱管聯(lián)合多級串聯(lián)玉米熱泵干燥系統(tǒng)試驗裝置如圖1所示,系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、熱管回?zé)崞?、玉米烘干塔、風(fēng)道管路、除塵器、風(fēng)機(jī)、電控柜組成。其中,熱泵機(jī)組(如圖1a)共有4臺,每臺機(jī)組都由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、油分離器等部件組成;熱管回?zé)崞鳎ㄈ鐖D1a)由氟泵、吸熱端換熱器、放熱端換熱器等部件組成;玉米烘干塔(如圖2)包括預(yù)熱段(22~24層)、干燥段(4~21層)和冷卻段(1~3層)3部分,容量大小為160 t;風(fēng)道管路(如圖1b)由回風(fēng)管道、送風(fēng)管道及旁通風(fēng)管道組成;除塵器由圓形過濾網(wǎng)轉(zhuǎn)盤、吸塵頭、吸塵管、吸塵風(fēng)機(jī)及除塵布袋組成;風(fēng)機(jī)包括離心式熱風(fēng)機(jī)(2臺)、軸流式回風(fēng)風(fēng)機(jī)(4臺)及離心式冷卻風(fēng)機(jī)(1臺)3部分,系統(tǒng)的總風(fēng)量為132 543 m3/h,主風(fēng)量110 523 m3/h,補(bǔ)風(fēng)量22 020 m3/h。主要試驗裝置和儀器型號及參數(shù)見表1。
圖1 熱管聯(lián)合多級串聯(lián)玉米熱泵干燥系統(tǒng)試驗裝置圖
圖2 玉米烘干塔結(jié)構(gòu)圖
熱管聯(lián)合多級串聯(lián)玉米熱泵干燥系統(tǒng)近似于一個封閉式熱泵干燥系統(tǒng),系統(tǒng)運行過程中,干空氣進(jìn)入玉米烘干塔干燥段并在烘干塔內(nèi)部等焓吸收玉米水分,從而干空氣變?yōu)闈窨諝?。從玉米烘干塔干燥段回風(fēng)室排出的濕空氣經(jīng)除塵器除雜凈化后進(jìn)入熱管吸熱端換熱器和四級蒸發(fā)器,經(jīng)吸熱端換熱器和各級蒸發(fā)器逐級降溫除濕后變?yōu)榈蜏馗稍锏目諝?,與此同時,各級蒸發(fā)器冷凝下來的水分被排出系統(tǒng)外。隨后,低溫干燥的空氣與烘干塔冷卻段排出的空氣混合后一并進(jìn)入熱管吸熱端換熱器和四級冷凝器,經(jīng)放熱端換熱器和各級冷凝器逐級加熱后變?yōu)楦邷馗稍锏目諝猓⒈凰腿胗衩缀娓伤?。在整個干燥過程中,系統(tǒng)沒有廢氣排放到環(huán)境中,并且干燥溫度不受環(huán)境溫度限制。
表1 主要試驗裝置和儀器型號與參數(shù)
本文試驗于2016年12月26日在東北地區(qū)某地進(jìn)行,試驗過程中當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度白天?10~?20 ℃、晚上?18~?25 ℃。試驗所用材料為平均含水率為34%的高水分玉米,經(jīng)過干燥后,從玉米烘干塔排出的玉米含水率為14%左右。為了便于比較,同一時間還用多段塔式燃煤玉米干燥塔(每天濕玉米處理量為78 t)對同一批玉米潮糧進(jìn)行干燥試驗。
試驗開始后,打開提糧機(jī),通過提糧機(jī)對玉米烘干塔充裝玉米,待玉米烘干塔裝滿(160 t左右)玉米后開始對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱過程如下:首先打開送風(fēng)風(fēng)機(jī)、回風(fēng)風(fēng)機(jī)和除塵器,等風(fēng)機(jī)及除塵器運行穩(wěn)定后啟動電加熱,并將系統(tǒng)設(shè)置成自動控制模式;隨著電加熱的不斷工作,系統(tǒng)空氣溫度不斷升高,等第四級蒸發(fā)器出口風(fēng)溫超過10 ℃后,系統(tǒng)將自動啟動第四級熱泵,等第四級蒸發(fā)器出口風(fēng)溫再次超過10 ℃后,第三級熱泵自動啟動,接下來第二級熱泵及第一級熱泵也按照這種啟動模式啟動;等四級熱泵全部啟動完畢后,電加熱自動關(guān)閉,隨著熱泵系統(tǒng)的持續(xù)工作,系統(tǒng)溫度不斷升高,直到第一級熱泵冷凝器出口風(fēng)溫達(dá)到68 ℃左右且出糧口玉米含水率為14%時停止預(yù)熱,系統(tǒng)開始穩(wěn)定運行。
試驗過程中,每隔0.5 h在出料口取3個子樣,每個子樣質(zhì)量為5 kg,將子樣混合均勻后測量樣品平均含水率,根據(jù)出料含水率大小實時調(diào)節(jié)排糧速度。除塵器每隔20 min對除塵網(wǎng)上的玉米絨、糠皮等雜質(zhì)清除一次,保證回風(fēng)流動的暢通。烘干塔的儲糧段安裝有高、低糧位感應(yīng)器,上糧過程中,輸送機(jī)和提糧機(jī)與高、低糧位感應(yīng)器聯(lián)動,當(dāng)高、低糧位感應(yīng)器都無感應(yīng)時,輸送機(jī)和提糧機(jī)開始啟動上糧;當(dāng)高、低2位感應(yīng)器全部感應(yīng)時,輸送機(jī)和提糧機(jī)停止上糧,從而保證干燥塔始終滿糧。
壓縮機(jī)的吸、排氣口布置有溫度傳感器和壓力傳感器,各級蒸發(fā)器、冷凝器的迎風(fēng)側(cè)及出風(fēng)側(cè)布置有溫濕度傳感器,干燥塔的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口以及其干燥段和冷卻段的回風(fēng)室布置有溫濕度傳感器,數(shù)據(jù)采集儀1 s采集1次數(shù)據(jù),耗電量每2 h記錄1次。
制熱系數(shù)(coefficient of performance,COP)是評價熱泵性能的參數(shù)[24-25],定義為熱泵制取的熱量與所消耗的驅(qū)動能量(壓縮機(jī)或燃燒器等熱泵驅(qū)動部件消耗的燃料能或電能)之比,其公式表達(dá)形式為:
式中Q為熱泵的制熱量,kW;為熱泵的消耗功率,kW。
除濕能耗比(specific moisture extraction rate,SMER)是反映熱泵干燥裝置綜合性能的主要指標(biāo),定義為消耗單位能量所除去物料中的水分量[26],具體形式為:
式中SMER為除濕能耗比,kg/(kW·h);de為從物料中除去的水分質(zhì)量,kg;tot為總功率,kW;為干燥時間,h。
試驗過程中,熱管內(nèi)部工質(zhì)及濕空氣狀態(tài)變化如圖3所示,其中圖3a中的進(jìn)口風(fēng)溫和出口風(fēng)溫分別為圖1中點1和點2處的風(fēng)溫,圖3b中的進(jìn)口風(fēng)溫和出口風(fēng)溫分別為圖1中點7和點8處的風(fēng)溫。當(dāng)濕空氣經(jīng)過吸熱端換熱器時,溫度由30.5 ℃降為28.2 ℃,在該過程中換熱器表面有水析出,每小時的析水量為313 kg。與此同時,熱管中的液態(tài)工質(zhì)吸收濕空氣中的熱量并蒸發(fā)為氣態(tài)工質(zhì),其溫度由20.8 ℃升為29.2 ℃。當(dāng)除濕后的低溫干空氣經(jīng)過放熱端換熱器時,溫度由13.3 ℃升為20.2 ℃,與此同時,熱管內(nèi)部的氣態(tài)工質(zhì)向低溫干空氣釋放熱量并液化為液態(tài)工質(zhì),其溫度由25 ℃降為20 ℃。熱管系統(tǒng)在吸熱端吸收濕空氣中的顯熱和大量潛熱并在放熱端用這部分熱量加熱除濕后的干空氣,節(jié)能效果明顯。
試驗過程中,系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)及冷凝器側(cè)濕空氣的溫度變化情況如圖4所示。
圖4中測點位置1-12分別與圖1中的點1-12所對應(yīng),其中,1-6點分別代表熱管吸熱端進(jìn)口、第一級蒸發(fā)器進(jìn)口、第二級蒸發(fā)器進(jìn)口、第三級蒸發(fā)器進(jìn)口、第四級蒸發(fā)器進(jìn)口、第四級蒸發(fā)器出口的濕空氣溫度,濕空氣經(jīng)過熱管吸熱端換熱器及第一級至第四級蒸發(fā)器時的溫降分別為2.3、2.7 、3.3 、4.3 和5.4 ℃,總溫降18 ℃,溫度由30.5 ℃降為12.5 ℃;7-12點分別代表熱管放熱端換熱器進(jìn)口、第四級冷凝器進(jìn)口、第三級冷凝器進(jìn)口、第二級冷凝器進(jìn)口、第一級冷凝器進(jìn)口、第一級冷凝器出口的濕空氣溫度,濕空氣經(jīng)過熱管放熱端換熱器及第四級至第一級冷凝器時的溫升分別為6.9 、13.1 、12.3 、11和10.9 ℃,總溫升43.2 ℃,溫度由13.3 ℃升為67.2 ℃。
圖3 熱管工質(zhì)及濕空氣溫度變化情況
圖4 空氣溫度變化情況
試驗過程中,各級熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度及冷凝溫度如圖5a所示,第一級至第四級機(jī)組的蒸發(fā)溫度分別為21.1 、17.2 、10.5 和7 ℃,冷凝溫度分別為69.1 、60.3 、51.6和39.2 ℃。從圖5中可以看出,從第一級到第四級熱泵機(jī)組,各級熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度差值逐漸減小。各級熱泵機(jī)組的蒸發(fā)壓力及冷凝壓力情況如圖5b所示,第一級至第四級機(jī)組的蒸發(fā)壓力分別0.48、0.44、0.32和0.52 MPa,冷凝壓力分別為1.97、1.59、1.27和1.4 MPa。從圖5中可以看出第一級機(jī)組的壓比(壓縮機(jī)排氣壓力與吸氣壓力之比)最大,第四級機(jī)組的壓比最小,第一級至第四級機(jī)組的壓比逐漸減小。
圖5 各級熱泵機(jī)組運行工況
注: COP為制熱系數(shù),SMER為除濕能耗比。
各級熱泵機(jī)組的功率如圖6a所示,從圖6中可以看出第一級機(jī)組功率最大,第四級機(jī)組功率最小,第一級至第四級熱泵機(jī)組的功率分別為108.6、101.5、96.1和84.3 kW。各級熱泵機(jī)組的除水速率如圖6b所示,第一級至第四級熱泵機(jī)組的除水速率分別為369.6、426.2、461.9和445.3 kg/h,熱泵系統(tǒng)每小時的除水量為1 703 kg,加上熱管吸熱端換熱器每小時的除水量,系統(tǒng)每小時的總除水量為2 016 kg。
各級熱泵機(jī)組的COP及SMER如圖6c所示,第一級至第四級熱泵機(jī)組的COP及SMER均逐漸增大。其中,第一級至第四級熱泵機(jī)組的COP分別為3.7、4.3、5.1和6.7,SMER分別為3.4、4.2、4.8和5.3 kg/(kW·h)。
玉米熱泵干燥和燃煤干燥試驗的經(jīng)濟(jì)性分析比較如表2所示。試驗過程中,熱泵烘干塔每小時的玉米潮糧處理量為8 669 kg,每小時排出的玉米干糧為6 653 kg;燃煤烘干塔每小時的玉米潮糧處理量為3148 kg,每小時排出的玉米干糧為2 416 kg。由表2可知,每得到1 kg干玉米,熱泵干燥比燃煤干燥節(jié)省成本0.011元,因此,玉米熱泵干燥的經(jīng)濟(jì)效益顯著。另外,和玉米燃煤干燥過程相比,玉米熱泵干燥過程清潔、環(huán)保,對環(huán)境沒有污染,所以玉米熱泵干燥具有廣泛的應(yīng)用價值和前景。
表2 玉米熱泵干燥和燃煤干燥的經(jīng)濟(jì)性比較
由表2可知,玉米熱泵干燥過程中,系統(tǒng)每小時的除濕量為2 016 kg,系統(tǒng)每小時耗電量538 kW·h,易得系統(tǒng)除濕能耗比SMER為3.75 kg/(kW·h),說明系統(tǒng)每消耗1度電可以從玉米種除去3.75 kg的水分,整個試驗過程中系統(tǒng)節(jié)能明顯,干燥成本比玉米燃煤干燥成本降低22.4%。
本文針對東北地區(qū)寒冷氣候特點及多段塔式燃煤玉米烘干系統(tǒng)的高能耗問題,提出了一種熱管聯(lián)合多級串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng),并進(jìn)行了系統(tǒng)性能的試驗研究。主要結(jié)論如下:
1)玉米熱泵干燥試驗過程中,系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為67.2 ℃左右,回風(fēng)溫度為30.5 ℃左右;整個系統(tǒng)的除濕速率為2 016 kg/h,其中熱管吸熱端換熱器的除濕速率為313 kg/h,第一級至第四級蒸發(fā)器的除濕速率分別為369.6、426.2、461.9、445.3 kg/h。
2)整個試驗過程中,系統(tǒng)每小時的耗電量為538 kW·h,1級、2級、3級、4級熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP分別達(dá)到了3.7、4.3、5.1和6.7,系統(tǒng)的除濕能耗比SMER為3.75 kg/(kW·h)。
3)與多段塔式燃煤玉米干燥相比,熱管聯(lián)合多級串聯(lián)熱泵玉米干燥系統(tǒng)的單位玉米干燥成本降低22.4%,并能大量降低污染物的排放,節(jié)能減排效果明顯,為熱泵干燥系統(tǒng)技術(shù)在糧食烘干領(lǐng)域應(yīng)用提供有價值的參考。
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Experiment on performance of corn drying system with combination of heat pipe and multi-stage series heat pump equipment
Li Weizhao1,2, Sheng Wei2, Zhang Zhentao1※, Yang Luwei1, Zhang Chong1, Wei Juan1, Li Bo1
(1.,,100190,; 2.,, 454000,)
Most of the existing grain drying systems in the northeast of China are large and multistage tower-type coal drying systems, and in the process of grain drying, the system produces hot and humid exhaust gases directly into the atmosphere after a heat exchange of hot air and grain. It not only caused great waste of energy, but also seriously polluted the environment. Aiming at the characteristics of cold climate in northeast China and the problems of high energy consumption and high pollution of coal-fired corn drying system of the multi-stage tower type, a heat pipe combined with corn drying technology of multistage series heat pump is developed. This technology can realize the recovery of waste heat and exhaust impurities in the corn drying by burning coal in multistage tower-type, so as to achieve the effect of energy saving and emission reduction. On the basis of this technology, the series of 50 t/d, 150 t/d and 300 t/d of corn heat pump drying equipment are developed, and the industrialization demonstration of 3 kinds of scale has been carried out. The performance testing of 300 t/d corn heat pump drying system is carried out.. The results show that the power consumption of per hour is 538 kW. h, the dehumidification rate is 2016 kg/h, the heating coefficient COP of the heat pump is between 3.7-6.7, and the energy consumption ratio SMER of dehumidification is 3.75 kg/(kW·h). In the end , the economy between the heat pump drying of corn and the drying of corn by burning coal of the multi-stage tower are compared .The results show that cost of the heat pump drying to get one kilogram of dry corn is 0.038 yuan, while the cost of coal-fired drying is 0.049 yuan. The cost of heat pump drying of per unit of corn is 22.4% lower than the cost of the coal-fired drying. Compared with the drying of corn by coal, the heat pump drying of corn can greatly reduce pollutant emissions, and the effect of energy saving and emission reduction is obvious, which provides a valuable reference for the application of heat pump drying technology in the field of grain drying.
drying; corn; experiment; heat pump; heat pipe; energy saving
2017-05-10
2018-01-17
林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201504610);國家科技支撐計劃(2015BADB02);國家自然科學(xué)青年基金(21606244)。
李偉釗,男,主要研究方向:熱泵干燥技術(shù)及裝備。Email:LWZ102421@163.com
張振濤,男,博士后,研究員,主要研究方向:熱力過程優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)。Email:zzth1@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.034
TS210.4
A
1002-6819(2018)-04-0278-07
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Li Weizhao, Sheng Wei, Zhang Zhentao, Yang Luwei, Zhang Chong, Wei Juan, Li Bo. Experiment on performance of corn drying system with combination of heat pipe and multi-stage series heat pump equipment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 33(4): 278-284. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.034 http://www.tcsae.org