糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

趙海瑞

江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站 (南京 210017)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，越來(lái)越多的糧食采用機(jī)械干燥。糧食干燥機(jī)大多采用熱風(fēng)干燥方式，現(xiàn)階段產(chǎn)生熱風(fēng)主要是以煤炭和生物質(zhì)燃料在熱風(fēng)爐中燃燒，通過(guò)換熱器交換熱風(fēng)，主要缺點(diǎn)是環(huán)境污染高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、糧食干燥品質(zhì)差等。在一些有條件地區(qū)也有燃油或燃?xì)饧訜嵝嘛L(fēng)為干燥熱空氣，主要缺點(diǎn)是運(yùn)行成本高、直接熱風(fēng)干燥易造成糧食污染?，F(xiàn)有的直流式熱泵受氣候影響大，當(dāng)大氣溫度≤10 ℃時(shí)，提供的熱風(fēng)溫度低，干燥效率大幅下降，影響了用戶的使用。同時(shí)直流式熱泵干燥的含塵空氣排放，也會(huì)造成環(huán)境污染。

糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵機(jī)組與系統(tǒng)是近幾年出現(xiàn)的新型糧食干燥設(shè)備，在行業(yè)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。本文介紹糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的基本概念，通過(guò)該系統(tǒng)在生產(chǎn)性試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)該機(jī)組和系統(tǒng)性能運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 熱泵機(jī)組與系統(tǒng)介紹

1.1 機(jī)組定義及工作原理

糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)是一種將進(jìn)風(fēng)除濕冷卻再加熱的熱泵機(jī)組，提供的干燥熱空氣用于循環(huán)式糧食干燥機(jī)的糧食水分蒸發(fā)?？諝猸h(huán)流的流動(dòng)方向?yàn)椋杭Z食干燥機(jī)→精密除塵器→環(huán)流風(fēng)機(jī)→除濕供熱熱泵機(jī)組→糧食干燥機(jī)。烘干過(guò)程中，空氣在系統(tǒng)中循環(huán)，無(wú)含塵空氣排放。

糧食干燥環(huán)流型熱泵除濕供熱機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱泵機(jī)組)的工作流程：經(jīng)精密除塵器過(guò)濾后高含水量回風(fēng)→經(jīng)多級(jí)蒸發(fā)器冷卻去除空氣中的水分→在多級(jí)冷凝器中加熱為低含水量干燥高溫空氣→送入烘干機(jī)熱風(fēng)入口。經(jīng)蒸發(fā)器除濕的冷凝水排入下水道。工作流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 糧食干燥環(huán)流除濕供熱熱泵系統(tǒng)圖

需特別注意的是：糧食干燥機(jī)含塵空氣應(yīng)經(jīng)精密除塵器處理至設(shè)定含塵濃度才能進(jìn)入除濕供熱熱泵機(jī)組，否則會(huì)對(duì)熱泵機(jī)組產(chǎn)生不利影響。

1.2 熱泵機(jī)組基本參數(shù)

本文介紹的熱泵機(jī)組，用于容量30 t/批式循環(huán)糧食干燥機(jī)。機(jī)組秋冬季運(yùn)行參數(shù)為：額定供熱量Q=280 kW，送風(fēng)溫度45 ℃～60 ℃，送風(fēng)量24 500 m3/h。熱泵機(jī)組裝機(jī)功率74 kW，其中輔助電加熱器功率為24 kW。系統(tǒng)總裝機(jī)功率為110 kW。

2 工程應(yīng)用

2.1 技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定與分析

生產(chǎn)性試驗(yàn)時(shí)間為2020年11月26日，地點(diǎn)為蘇州某糧食儲(chǔ)備庫(kù)烘干車(chē)間。烘干機(jī)為30 t/批式循環(huán)烘干機(jī)，按烘干機(jī)要求，設(shè)定的最高送風(fēng)溫度為60 ℃。當(dāng)天氣溫7 ℃～12 ℃。

烘干品種為水稻，進(jìn)入烘干機(jī)水稻重量為29 t，入機(jī)水分為18.4%(實(shí)驗(yàn)室烘干法檢測(cè))。烘干開(kāi)始時(shí)間為9∶00，烘干結(jié)束時(shí)間17∶09，共用時(shí)8.15 h。烘干結(jié)束糧食水分13.4%(實(shí)驗(yàn)室烘干法檢測(cè))。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量循環(huán)風(fēng)量24 200 m3/h(采用德圖儀器testo風(fēng)速儀)。試驗(yàn)熱泵機(jī)組用電量和送風(fēng)溫度見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)熱泵機(jī)組用電量和送風(fēng)溫度情況表

由表1可知，將29 t水稻從18.4%降至13.4%，水分差5%，除水量1 450 kg，單位時(shí)間降水率0.613%。送風(fēng)溫度，按第2～8.15 h的平均數(shù)據(jù)，最低送風(fēng)溫度39.6 ℃，最高送風(fēng)溫度59.7 ℃，按第1～8.15 h的平均數(shù)據(jù)，平均送風(fēng)溫度為49.0 ℃，送風(fēng)溫度達(dá)到≥45 ℃的時(shí)間不到3 h。

熱泵機(jī)組用電量408 kW·h，輔助設(shè)備用電量226 kW·h，合計(jì)643 kW·h；系統(tǒng)單位電耗除濕量SMER為2.26，熱泵機(jī)組單位除濕量SMER為3.55；熱泵機(jī)組平均供熱量Q，經(jīng)計(jì)算Q=275 kW，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求；性能系數(shù)COP，平均值為5.49。

2.2 主要性能情況說(shuō)明

(1)糧食烘干單位時(shí)間降水率與產(chǎn)量

對(duì)同一臺(tái)烘干機(jī)，在相同風(fēng)量下，送風(fēng)溫度基本確定了烘干機(jī)的烘干速率和產(chǎn)量。《稻谷干燥技術(shù)規(guī)范》(GB/T 21015—2007)，對(duì)批式循環(huán)干燥機(jī)要求水稻干燥時(shí)的送風(fēng)溫度為45 ℃～50 ℃[1]。本次生產(chǎn)性試驗(yàn)中，熱泵機(jī)組在不到3 h達(dá)到了≥45 ℃，到烘干結(jié)束，送風(fēng)溫度均達(dá)到要求。送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)間，與烘干機(jī)內(nèi)糧食烘前溫度和大氣溫度及糧食水分等有關(guān)，糧溫和大氣溫度低、含水量高，達(dá)到設(shè)定的送風(fēng)溫度的時(shí)間越長(zhǎng)。

本次試驗(yàn)單位時(shí)間降水率0.613%，且在氣溫為7 ℃～12 ℃相對(duì)較低的條件下取得的，說(shuō)明熱泵機(jī)組和系統(tǒng)干燥性能良好。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

糧食干燥環(huán)流型熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要是電費(fèi)和人工。電費(fèi)成本與熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP和單位電耗除濕量SMER有關(guān)，熱泵機(jī)組平均COP為5.49，熱泵機(jī)組除濕量SMER為3.55均為較好數(shù)據(jù)。由于無(wú)燃料燃燒系統(tǒng)，使用的人工較少，且系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化，人工成本最低。

按平均電價(jià)0.58元/kW·h，本次試驗(yàn)水稻降水5%的運(yùn)行電費(fèi)為13元/t，經(jīng)比較為所有不同干燥熱源的最低值[2]，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最佳。

(3)糧食干燥品質(zhì)

烘干期間，穩(wěn)定后的(運(yùn)行3 h后)送風(fēng)溫度為46.7 ℃～59.7 ℃，均控制在設(shè)定值內(nèi)。通過(guò)熱泵機(jī)組運(yùn)行壓縮機(jī)的臺(tái)數(shù)加載與卸載+環(huán)流風(fēng)機(jī)變頻調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，可精確的控制送風(fēng)溫度。由于是低溫干燥，送風(fēng)溫度又能精確控制，且采用大循環(huán)空氣干燥，可以確保被烘干糧食的品質(zhì)。

3 糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)環(huán)境非常友好。烘干系統(tǒng)無(wú)燃料燃燒排煙，也無(wú)烘干后含塵空氣的排放。熱泵機(jī)組消耗的電能，轉(zhuǎn)換為冷凝水排出，基本無(wú)溫室氣體的排放，非常綠色環(huán)保。

(2)良好的干燥效率。與直流式熱泵相比，送風(fēng)溫度更高且波動(dòng)小，干燥能力能力平穩(wěn)和更強(qiáng)，即使氣溫較低也影響較小。同時(shí)熱泵機(jī)組沒(méi)有化霜過(guò)程，使烘干過(guò)程保持連續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行，這意味著烘干機(jī)產(chǎn)量的保證。

(3)非常的節(jié)能。實(shí)際運(yùn)行的熱泵除濕加熱機(jī)組COP≥5.0。

(4)較低的運(yùn)行費(fèi)用。較低的人工成本和電耗，使系統(tǒng)運(yùn)行成本很低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為水稻降水5%的電費(fèi)為13元/t。

(5)干燥品質(zhì)高。30 t/批式循環(huán)干燥機(jī)，按24 500 m3/h大循環(huán)風(fēng)量設(shè)計(jì)。采用低溫空氣干燥：在秋冬季干燥中，熱泵機(jī)組提供的熱空氣溫度≤60 ℃，熱泵機(jī)組采用壓縮機(jī)加卸載+環(huán)流風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，風(fēng)溫波動(dòng)小，谷物烘干品質(zhì)有保證。

(6)降低了操作工工作強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。由于沒(méi)有常規(guī)糧食烘干系統(tǒng)配置的產(chǎn)生熱風(fēng)的燃燒系統(tǒng)，送風(fēng)溫度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，大幅降低了操作人員工作的強(qiáng)度，同時(shí)工作環(huán)境有所改善。

(7)單一能源，項(xiàng)目容易實(shí)施。烘干過(guò)程唯一使用的是電能，無(wú)其他能源需求。

(8)生產(chǎn)過(guò)程更安全。由于無(wú)燃燒裝置，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)明火使用，也無(wú)燃料儲(chǔ)存設(shè)施。處理從烘干機(jī)排出的含塵空氣的精密除塵器為脈沖式除塵，粉塵封閉連續(xù)收集，且與系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備連鎖運(yùn)行，完全符合《粉塵防爆安全規(guī)范》GB 15577—2018中的要求。

(9)項(xiàng)目審批容易通過(guò)。烘干過(guò)程中無(wú)污染物排放，生產(chǎn)過(guò)程的安全性高，為項(xiàng)目審批順利通過(guò)提供了條件。

3.2 存在的不足

(1)初投資較高：主要是環(huán)流熱泵機(jī)組、精密除塵器和環(huán)形風(fēng)道的的投資費(fèi)用較高。

(2)裝機(jī)功率較高，要求供電設(shè)施較大。對(duì)30 t/批式循環(huán)干燥機(jī)，系統(tǒng)裝機(jī)功率約110 kW。對(duì)一些供電設(shè)施不足的地方，實(shí)施相對(duì)困難。

(3)在蘇南地區(qū)秋冬季節(jié)運(yùn)行的熱泵機(jī)組，高于機(jī)組提供≥60 ℃熱風(fēng)不易做到。對(duì)有些類(lèi)型干燥機(jī)(如順流干燥機(jī))和部分谷物品種(如玉米)的烘干不適合，影響其使用范圍。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)具有良好的干燥效率，大幅降低烘干成本，基本實(shí)現(xiàn)污染物和溫室氣體的基本零排放，生產(chǎn)過(guò)程更安全，實(shí)現(xiàn)綠色烘干、節(jié)能增效。通過(guò)后續(xù)對(duì)熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，技術(shù)也逐步完善。針對(duì)華北等地區(qū)氣候特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，使糧食熱泵干燥技術(shù)也能在寒冷地區(qū)使用，擴(kuò)大應(yīng)用區(qū)域。對(duì)投資較高的不足，希望能納入農(nóng)機(jī)專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)貼，根據(jù)實(shí)際投入的資金，適當(dāng)提高補(bǔ)貼額度。

糧食干燥環(huán)流型熱泵除濕供熱系統(tǒng)環(huán)境友好和節(jié)能顯著，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均突出，完全符合節(jié)能減排和碳中和的國(guó)家政策，也符合國(guó)家的優(yōu)質(zhì)糧戰(zhàn)略工程需要，為糧食干燥提供了新技術(shù)和裝備，是未來(lái)低溫干燥的發(fā)展方向，必將得到廣泛的應(yīng)用。