基于分層模型的溶液除濕谷物就倉干燥系統(tǒng)性能及能耗

彭冬根，聶江濤，陳文華

（南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，南昌330031）

0 引 言

中國的主要糧食作物在其收獲后含水率普遍較高，每年因不能及時(shí)干燥而發(fā)芽或霉變等造成的損失占收獲糧食至少5%以上[1]。且隨著糧食產(chǎn)量逐年增長，對濕糧進(jìn)行干燥并入庫儲(chǔ)存問題也日益突出[2]。在目前糧食干燥技術(shù)中[3-8]，就倉干燥可實(shí)現(xiàn)將高含水率谷物在倉內(nèi)干燥至安全水分并儲(chǔ)藏，具有可減少中轉(zhuǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，一次性處理數(shù)量大，能較大限度地保持谷物品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

根據(jù)入倉的空氣狀態(tài)，谷物就倉干燥方式主要為自然通風(fēng)干燥和加熱通風(fēng)干燥。自然通風(fēng)干燥簡單且實(shí)用，但存在干燥周期長，受天氣影響大等問題[9]；加熱通風(fēng)干燥可較好地解決上述問題，但應(yīng)合理控制空氣溫度以保證谷物的品質(zhì)，空氣溫度較高時(shí)干燥稻谷會(huì)降低其相關(guān)品質(zhì)[10-11]。相關(guān)稻谷干燥研究表明，干燥空氣含濕量比空氣溫度對干燥速率的影響要大[12]；對干燥空氣除濕處理具有提高干燥速率的更大潛力，低溫、低相對濕度的干燥空氣對稻谷的色澤沒有不利影響[13]。溶液除濕技術(shù)[14-15]利用吸濕能力強(qiáng)的液體（如LiCl溶液[16]）對潮濕室外空氣處理可獲得低溫、低濕干燥空氣，Ertas等[17]利用混合鹽溶液進(jìn)行干燥試驗(yàn)，結(jié)果表明液體干燥劑系統(tǒng)干燥花生和其他農(nóng)產(chǎn)品具有良好的應(yīng)用前景，Dorouzi等[18]研制了一種液體干燥劑輔助太陽能干燥裝置以干燥番茄片，但此技術(shù)對于谷物就倉干燥領(lǐng)域的應(yīng)用較少。除濕鹽溶液可去除空氣中的部分霉菌、細(xì)菌[19]，利于谷物干燥完成后的儲(chǔ)存。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，而熱泵可較好地可以結(jié)合系統(tǒng)中除濕及再生兩個(gè)過程，且作為驅(qū)動(dòng)熱源具有不受地域限制和天氣影響等特點(diǎn)[20]，可知其應(yīng)用于谷物干燥范圍廣，普遍性較高。畢文雅等[2]指出，針對中國當(dāng)前糧食干燥存在的地域遼闊、各地氣候差異大等問題，要較好地解決濕糧的干燥問題需因地制宜采用多種干燥方式。合理的采用不同谷物就倉干燥方式是糧食干燥領(lǐng)域的有益嘗試，對發(fā)展谷物就倉干燥新技術(shù)具有較大意義。

本文為實(shí)現(xiàn)安全且高效的糧食干燥過程，提出一種基于分層模型的熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕谷物就倉干燥系統(tǒng)，模擬在不同天氣條件下的稻谷干燥情況，對干燥完成時(shí)間、系統(tǒng)單位能耗和總耗能、干燥后頂層稻谷干物質(zhì)損失和色澤等方面進(jìn)行研究，可為實(shí)現(xiàn)安全、高效且節(jié)能的谷物就倉干燥提供一種選擇。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由溶液除濕和就倉干燥兩個(gè)部分組成。溶液除濕部分對室外空氣進(jìn)行除濕處理獲取低含濕量的干燥空氣，就倉干燥部分利用上述空氣換熱升溫后進(jìn)行糧食干燥降水。系統(tǒng)包括以下三個(gè)循環(huán)過程：

溶液除濕循環(huán)。濃溶液進(jìn)入除濕器與待處理空氣接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換成為稀溶液后，經(jīng)溶液泵送至溶液—溶液熱回收器中換熱升溫，又經(jīng)過冷凝器再次升溫后進(jìn)入溶液再生器中，被再生空氣處理再次成為濃溶液，然后再回至溶液—溶液熱回收器中與稀溶液進(jìn)行熱交換降溫，之后在蒸發(fā)器中進(jìn)一步降溫進(jìn)入除濕器進(jìn)行下一輪循環(huán)。在循環(huán)過程中，采用熱回收器有利于提高除濕效率。

制冷劑循環(huán)。制冷劑首先通過壓縮機(jī)從低壓變?yōu)楦邏籂顟B(tài)，然后在冷凝器中放量將熱量傳遞給稀溶液，隨后通過膨脹閥后又變?yōu)榈蛪籂顟B(tài)，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收濃溶液的熱量，之后進(jìn)入壓縮機(jī)完成一輪循環(huán)。

空氣循環(huán)。再生器側(cè)為再生空氣循環(huán)，環(huán)境空氣進(jìn)入再生器中使溶液再生后進(jìn)入空氣與空氣換熱器中與出除濕器的干燥空氣進(jìn)行換熱，隨后進(jìn)入環(huán)境空氣中。除濕器側(cè)為干燥空氣循環(huán)，經(jīng)除濕器除濕處理后的干燥空氣進(jìn)入空氣與空氣換熱器中與再生空氣進(jìn)行換熱加熱后，采用上行式通風(fēng)進(jìn)入糧倉干燥。一般而言，干燥空氣中攜帶微量的溶液離子不會(huì)產(chǎn)生安全性問題[19]。將出倉空氣與室外空氣含濕量進(jìn)行對比，采用含濕量低的空氣進(jìn)入除濕器循環(huán)。若出倉空氣含濕量低于室外空氣則可直接進(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）。此過程可較好地提高除濕器的除濕效果以及利用再生空氣產(chǎn)生的熱量用于加熱入倉干燥的空氣，有效地提高系統(tǒng)的干燥效能。

2 模型的建立

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，采用下列假設(shè)[21]來簡便分析其熱質(zhì)交換過程：溶液與空氣進(jìn)行的熱質(zhì)交換為穩(wěn)態(tài)過程，物性參數(shù)為常數(shù)；除濕/再生裝置填料與外界環(huán)境無熱質(zhì)交換，裝置中為絕熱除濕或再生過程；溶液在填料上噴灑均勻，認(rèn)為傳熱與傳質(zhì)過程面積相等；將叉流除濕過程簡化為二維傳熱傳質(zhì)過程，熱濕傳遞僅在溶液和空氣流動(dòng)方向進(jìn)行；忽略在溶液和空氣流動(dòng)方向的導(dǎo)熱和質(zhì)量擴(kuò)散，只考慮對流傳熱傳質(zhì)。叉流裝置除濕/再生過程的能量和質(zhì)量守恒方程如下：

空氣側(cè)熱質(zhì)交換

空氣與溶液熱質(zhì)守恒

式中ma，ms分別為風(fēng)量和溶液的質(zhì)量流量，m3/(h·t)，kg/s；ha，hs，heq分別為空氣、溶液及與溶液平衡的空氣焓值，kJ/kg；ωa，ωeq為空氣及與溶液平衡的空氣含濕量，kg/kg；ξ為溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；γ為水蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；NTU為溶液和空氣傳熱單元數(shù)；Le為劉易斯數(shù)；L，H分別為裝置的長和高，m；x，y分別為沿空氣和溶液流向的局部坐標(biāo)，m。

2.2 熱泵數(shù)學(xué)模型

2.2.1 冷凝器和蒸發(fā)器數(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數(shù)學(xué)模型為

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；Cp,w,c、Cp,w,e為冷卻水和冷凍水的比熱，kJ/(kg·℃)；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。

2.2.2 壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型

壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)是一個(gè)涉及傳熱、傳質(zhì)較為復(fù)雜的多變壓縮過程，為了方便分析，采用下列假設(shè)[22]：

認(rèn)為壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的氣體壓縮為理想絕熱壓縮過程；

在絕熱壓縮過程中，氣體的絕熱指數(shù)保持恒定；

認(rèn)為壓縮機(jī)腔吸氣與排氣過程為等壓過程，壓力分別與蒸發(fā)壓力和冷凝壓力相等；

不考慮潤滑油對制冷劑熱工特性及壓縮機(jī)運(yùn)行的影響。

經(jīng)上述假設(shè)數(shù)學(xué)模型簡化為

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；Wp為壓縮機(jī)耗功，kW；k為壓縮機(jī)的絕熱指數(shù)；ηv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；hp,in、hp,out分別為壓縮機(jī)進(jìn)出口制冷劑焓，kJ/kg。

2.2.3 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[22]

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

2.3 熱回收效率模型

可假定工質(zhì)在熱回收器內(nèi)物性參數(shù)不變且熱回收器對環(huán)境無散熱來簡化熱回收效率數(shù)學(xué)模型?？諝?空氣熱回收器的換熱效率ε計(jì)算公式為[23]

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由如下公式計(jì)算

式中k為傳熱系數(shù)，kJ/(m2·K)；A1為接觸面積，m2。

2.4 就倉干燥分層模型

文章采用Soponronnarit熱平衡模型[24]，將糧堆分為若干個(gè)均勻的薄層，在特定的谷物薄層和較小的干燥時(shí)間步長之下，假定空氣和谷物僅為熱平衡狀態(tài)。平衡水分方程采用修正的Chung-Pfost方程形式，并通過曲線擬合來提高與中國《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》規(guī)范所示稻谷解吸濕平衡水分的吻合度，確定了各常數(shù)項(xiàng)值（A=409.208 7，B=0.181 26，C=26.424 48）和相關(guān)系數(shù)（R2=0.995 12）。薄層干燥方程為 Page方程形式，采用Ondier等[13]對稻谷進(jìn)行了低溫和低相對濕度薄層干燥的試驗(yàn)研究所述方程?；诖藷崞胶饽Ｐ托问?，將其中平衡水分方程和薄層干燥方程進(jìn)行適當(dāng)修改，來對文章所述溶液除濕谷物就倉干燥進(jìn)行研究。具體方程形式如下：

能量平衡方程

質(zhì)量平衡方程

平衡水分方程

薄層干燥方程

式中ca、cv為空氣、水蒸氣比熱容，kJ/(kg·K)；cpw為谷物的比熱，kJ/kg；To、Tf為干燥前、后空氣溫度，℃；θ為谷物溫度；Wo、Wf為干燥前、后空氣含濕量，kg/kg；R為干顆粒質(zhì)量與干空氣質(zhì)量的比值；Me為平衡含水量（干基），%；RH是空氣相對濕度，A、B和C是特定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；MR為水分比；Mi、M為初始含水率、干燥后的含水率（干基），%；t為干燥時(shí)間，h；k，n為干燥常數(shù)。

采用Seib等[25]建立了稻谷干物質(zhì)損失（DML）方程，結(jié)果表明水稻干物質(zhì)的損失取決于稻谷溫度和含水率，并考慮呼吸作用的產(chǎn)熱產(chǎn)濕，如下

式中DML為干物質(zhì)損失；t為儲(chǔ)存時(shí)間，10-3h；T為谷物溫度，℃；MC為濕基水分含量；λ、θ、β、γ為常數(shù)；ΔTh為谷物上升的溫度，℃；ΔMh為谷物增加的水分（干基）。

Bason等[26]研究發(fā)現(xiàn)稻谷的黃變率（Yellowness）可由空氣溫度和相對濕度及大氣成分來確定。如下公式

式中k為稻谷黃度變化率常數(shù)（每天）；aw為水活度（=RH/100）；[O2]為谷物中的氧氣濃度，mol/m3；α、β、δ、γ為常數(shù)。

Soponronnarit等[27]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過線性回歸所得稻米的白度值（Whiteness）經(jīng)驗(yàn)方程如下

式中b為稻谷黃度變化率（每天）；Wh為稻谷的白度值。

2.5 系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)

谷物干燥的單位能耗計(jì)算公式如下[28]

式中Ew為降低糧食水分的單位能耗，kW·h/(%·t)；E總為干燥總耗能，kW·h；m1為被干燥糧食的初始質(zhì)量，t；W1為被干燥前糧食的初始平均水分含量；W2為被干燥后糧食的平均水分含量。

3 模型驗(yàn)證

對于文章所述基于分層模型的溶液除濕谷物就倉干燥系統(tǒng)中主要模型的準(zhǔn)確性可進(jìn)行模型驗(yàn)證，在同樣條件下，利用模擬計(jì)算的結(jié)果與目前已有文獻(xiàn)中試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。采用文獻(xiàn)[29-30]中的熱泵的制冷量Qe和制熱量Qc以及文獻(xiàn)[31]中的除濕器的除濕率mde和再生器的再生率mre來分別驗(yàn)證熱泵模型以及除濕器和再生器模型；利用文獻(xiàn)[32]中干燥過程中谷物含水率變化來驗(yàn)證谷物就倉干燥模型。

模型驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示?？芍獰岜媚Ｐ秃统凉衿?再生器模型相對誤差范圍均處于±15%以內(nèi)，谷物含水率試驗(yàn)值與模型值誤差總體范圍為±5%以內(nèi)。各模擬值與試值之間誤差較低，從而分別驗(yàn)證了熱泵、除濕器/再生器模型以及谷物就倉干燥模型的準(zhǔn)確性。

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及各部件的數(shù)學(xué)模型，利用程序編譯模擬來研究熱泵驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)在不同天氣條件下的谷物就倉干燥過程。表1為熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，糧倉谷物以及天氣等相關(guān)參數(shù)如表2所示。選取的天氣參數(shù)范圍為典型氣象年下全國大部分地區(qū)稻谷收割時(shí)節(jié)的天氣參數(shù)月平均值所處范圍，谷物類型為秈稻，谷物初始溫度為相應(yīng)室外天氣溫度，風(fēng)量為文獻(xiàn)[28]中根據(jù)糧堆高度以及初始谷物含水率確定的最低風(fēng)量，由于系統(tǒng)中糧倉采用上行式通風(fēng)，干燥過程頂層（N30）谷物為最不利層，故研究基于分層模型下頂層谷物達(dá)到規(guī)范的安全水分13.5%的相關(guān)參數(shù)變化。

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

4.1 干燥完成時(shí)間及水分變化

圖3為頂層稻谷干燥至安全水分所需時(shí)間隨著室外空氣狀態(tài)的變化及南昌夏季（7月）平均溫濕度參數(shù)（Ta=29.4 ℃，RH=74.8%）下各層谷物水分變化情況，完成干燥所需時(shí)間整體范圍為194～358 h，不同天氣狀態(tài)下差別較大。在相同室外空氣溫度下，隨著相對濕度增大完成干燥的所需時(shí)間增長；在相同相對濕度下，完成干燥的所需時(shí)間隨著溫度的上升而降低，表現(xiàn)為室外空氣溫度較高或相對濕度較低的狀態(tài)下有利于系統(tǒng)的干燥速率的提升?？梢钥吹礁飨嗤彝饪諝鉁囟?，在特定相對濕度降幅下完成干燥所需的時(shí)間差在溫度較低時(shí)較長，例如溫度為20 ℃時(shí)，相對濕度由65%降為55%兩者完成干燥時(shí)間差為48 h高于30 ℃時(shí)的23 h，這也表明進(jìn)行除濕干燥時(shí)溫度較低時(shí)對提升干燥速率有更高的潛力。

由圖3b南昌夏季平均溫濕度參數(shù)下各層稻谷水分變化可知干燥過程中干燥區(qū)自下而上遷移，底層稻谷水分降低較快而率先達(dá)到平衡水分，之后中上層稻谷水分逐漸降低至安全水分以下，而頂層稻谷作為最不利層最后達(dá)到安全水分。

對于溶液除濕系統(tǒng)干燥下的完成干燥時(shí)間可與規(guī)范[28]中的安全干燥期要求進(jìn)行對比，在選定的初始水分 0.2下，規(guī)范中所述糧溫為 20 ℃和 25 ℃下的安全干燥期分別為21 d（504 h）和14 d（336 h），由圖3a可知在兩種糧溫下并于圖中相對濕度范圍內(nèi)均在規(guī)范中安全干燥期以內(nèi)完成干燥。表明在此選定相關(guān)參數(shù)下，采用系統(tǒng)溶液除濕系統(tǒng)干燥能滿足干燥時(shí)間要求，從而確定了其在時(shí)間規(guī)范上的可行性。

4.2 頂層稻谷干物質(zhì)損失和白度值

圖4為系統(tǒng)在各天氣參數(shù)下干燥完成后的頂層稻谷的干物質(zhì)損失和白度值變化情況，整體范圍下干物質(zhì)損失為0.33%～0.52%，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定DML＜0.5%為谷物不發(fā)生霉變[25]；白度初始值為 51.5，干燥后為 51.331～51.452，整體干燥后白度色澤差距較小，均遠(yuǎn)高于市場可接受水平（＞45）。在相同的相對濕度下，干物質(zhì)損失和白度值分別隨著溫度的上升而增加和降低；但在各相同溫度下，隨著空氣相對濕度增大干燥后的頂層稻谷干物質(zhì)損失出現(xiàn)先降后增而白度值先增后減的變化趨勢。此結(jié)果是由經(jīng)過出倉空氣與室外空氣的對比導(dǎo)致入倉空氣狀態(tài)變化，而稻谷溫度和含濕量相應(yīng)地變化所致。

如圖5看到，以22 ℃為例，室外空氣相對濕度為65%時(shí)，入倉空氣和谷物溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)間較短；而相對濕度為55%增為65%時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間大大增長，出現(xiàn)拐點(diǎn)前為室外空氣進(jìn)入除濕器，導(dǎo)致入倉空氣溫度較高，相應(yīng)地導(dǎo)致谷物溫度較高，在此范圍內(nèi)隨著相對濕度的減小消耗地干物質(zhì)量增加且谷物白度值降低。此外可以看到，此時(shí)整個(gè)干燥過程入倉空氣以接近于室外空氣溫度、低相對濕度的狀態(tài)進(jìn)入糧倉干燥，也驗(yàn)證了采用低溫干燥的熱平衡模型以及薄層干燥方程選取的恰當(dāng)性。

由上述可知，室外空氣溫度較高時(shí)干燥后稻谷的干物質(zhì)損失和白度值品質(zhì)指標(biāo)不如溫度較低時(shí)，亦知南昌地區(qū)夏季參數(shù)下干燥不如秋季參數(shù)，且溫度過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂層稻谷干物質(zhì)損失大于 0.5%而導(dǎo)致發(fā)生霉變的情況。發(fā)現(xiàn)室外空氣相對濕度范圍為55%～80%范圍內(nèi)，可知溫度為30 ℃以下時(shí)均能滿足整倉稻谷的干物質(zhì)損失小于0.5%的要求。

4.3 系統(tǒng)干燥的單位能耗和總耗能

上文對各室外空氣參數(shù)下系統(tǒng)完成干燥的所需時(shí)間和頂層稻谷相關(guān)品質(zhì)方面進(jìn)行了研究，得出了相關(guān)的結(jié)論，下面將研究各室外空氣參數(shù)對系統(tǒng)干燥的能耗方面影響。

谷物干燥過程能量消耗來源主要為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，系統(tǒng)總耗能確定為兩者運(yùn)行消耗的能量之和。在各天氣參數(shù)下采用溶液除濕系統(tǒng)完成干燥后的單位能耗和總耗能變化情況如圖6所示，可以看到如下趨勢：單位能耗和總耗能在相同室外空氣溫度下隨著相對濕度增加而增大，而在相同的相對濕度下隨著溫度的上升而降低。從整體來看，各空氣參數(shù)下單位能耗范圍為 2.09～3.25 kW·h/(%·t)，總耗能為6 930～9 530 kW·h。根據(jù)《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中所述的降水通風(fēng)的要求，Ew需滿足小于2.5 kW·h/(%·t)。在圖6中以Ew=2.5平面為界可以看出，在室外空氣溫度較高的相關(guān)參數(shù)下單位能耗大多低于規(guī)范值，而溫度較低的相關(guān)參數(shù)下單位能耗較高，以圖中所示室外空氣相對濕度范圍為55%～80%范圍內(nèi)，可知溫度為 30 ℃以上時(shí)均能滿足規(guī)范值要求。此處表明在溫度較高的室外空氣條件下更利于溶液除濕系統(tǒng)干燥降低單位能耗值和總能耗，提高干燥的效能。綜上可發(fā)現(xiàn)室外空氣溫度為30 ℃時(shí)，在55%～80%的相對濕度范圍內(nèi)，采用溶液除濕系統(tǒng)干燥能很好地滿足干物質(zhì)損失和單位能耗的雙重規(guī)范要求，具有良好的干燥效果。

在典型氣象年天氣參數(shù)下，選取南昌地區(qū)稻谷夏秋兩季收割季節(jié)的室外天氣7月（29.4 ℃，RH=74.8%）和10月（20 ℃，RH=75.6%）月平均溫濕度參數(shù)為例，由圖3和圖6中對比可知南昌地區(qū)采用溶液除濕系統(tǒng)干燥稻谷在夏季參數(shù)下完成干燥的所需時(shí)間、單位能耗和總耗能均低于秋季參數(shù)，且夏季參數(shù)下干燥的單位能耗滿足規(guī)范值而秋季參數(shù)高于規(guī)范值。可知此時(shí)夏季參數(shù)下采用溶液除濕系統(tǒng)干燥在干燥速率以及系統(tǒng)能耗方面均優(yōu)于秋季參數(shù)，干燥效果較秋季更佳。

4.4 不同干燥形式性能對比分析

為確定本文所述系統(tǒng)干燥的優(yōu)越性，與加熱通風(fēng)干燥進(jìn)行性能對比分析（表3）。加熱方式選擇為熱泵系統(tǒng)加熱，采用文獻(xiàn)[33]中所述空氣源熱泵原理，熱泵總功率18 kW，每小時(shí)制熱量 2.25×105～2.6×105kJ，能效比 3.5～4。選定天氣條件為南昌夏季（7月）平均值參數(shù)，谷物初始溫度為室外空氣溫度，其他相關(guān)參數(shù)為表2中所述。熱泵加熱采用空氣最高溫升計(jì)算，干燥完成條件亦為頂層稻谷水分達(dá)到13.5%。

表3 兩種干燥方式結(jié)果對比Table 3 Comparison of the results of two drying methods

可以看到，在南昌夏季平均溫濕度參數(shù)下采用兩種方式干燥，溶液除濕系統(tǒng)的完成時(shí)間、系統(tǒng)單位能耗以及總耗能均低于熱泵加熱干燥，頂層稻谷和整倉稻谷平均干物質(zhì)損失低于熱泵加熱且白度值均高于熱泵加熱，前者整倉稻谷干物質(zhì)損失均低于0.5%，而后者頂層稻谷出現(xiàn)發(fā)生霉變的情況。這表明此時(shí)溶液除濕系統(tǒng)干燥與熱泵加熱干燥相比干燥速率較快，能量消耗較少，干燥后谷物相關(guān)品質(zhì)較優(yōu)，具有優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

文章提出一種基于分層模型的溶液除濕谷物就倉干燥系統(tǒng)，建立并驗(yàn)證系統(tǒng)中各部件數(shù)學(xué)模型。模擬了系統(tǒng)在不同室外天氣參數(shù)下干燥致頂層稻谷達(dá)到安全水分的過程，對干燥完成時(shí)間、干燥后頂層稻谷干物質(zhì)損失和白度值、以及系統(tǒng)單位能耗和總耗能進(jìn)行研究，并將系統(tǒng)與其他干燥方式進(jìn)行了性能對比，得出以下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了一種基于分層模型的溶液除濕谷物就倉干燥系統(tǒng)，對系統(tǒng)中各部件數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證；室外空氣經(jīng)除濕換熱后以接近于室外空氣溫度、低含濕量狀態(tài)進(jìn)入糧倉，從而驗(yàn)證了就倉干燥模型及方程選取的恰當(dāng)性；系統(tǒng)充分利用再生空氣熱量以及采用出倉空氣和室外空氣兩者中含濕量較低者進(jìn)行干燥空氣循環(huán)，有效地提高了系統(tǒng)的干燥效能。

2）糧堆高度 3 m、初始水分 0.2的稻谷采用通風(fēng)量為 120 m3/(h·t)在空氣溫度 20～32℃，相對濕度 55%～80%的天氣參數(shù)下干燥致頂層稻谷達(dá)到安全水分的過程下，完成干燥所需時(shí)間整體范圍為 194～358 h，確定了干燥時(shí)間規(guī)范上的可行性；干燥后的頂層稻谷干物質(zhì)損失為0.33%～0.52%，大部分天氣參數(shù)滿足規(guī)范要求，白度值為51.331～51.452，整體白度值降低較小，色澤較好；單位能耗范圍為2.09～3.25 kW·h/(%·t)，總耗能為6 930～9 530 kW·h，大部分天氣參數(shù)下滿足單位能耗要求。

3）室外空氣溫度較高時(shí)，有利于系統(tǒng)干燥速率的提升以及能耗的降低，但過高的溫度有可能導(dǎo)致頂層稻谷損失較多的干物質(zhì)；一般而言，夏季參數(shù)下系統(tǒng)干燥速率和耗能方面優(yōu)于秋季參數(shù)，而干物質(zhì)損失和色澤差于秋季參數(shù)?？筛鶕?jù)不同干燥的目的和天氣條件，制定相應(yīng)的溶液除濕系統(tǒng)糧食干燥策略。

4）在南昌夏季平均溫濕度參數(shù)下，系統(tǒng)在干燥速率、能耗以及干燥后稻谷干物質(zhì)損失和白度值方面優(yōu)于熱泵加熱，具有優(yōu)越性，可實(shí)現(xiàn)安全、高效且節(jié)能的谷物就倉干燥過程。