低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧系統(tǒng)及特性分析

閆俊海，高 龍，劉 寅，孟照峰，王 順，吳飛駿，謝亞琦，張士雯

（中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007）

我國每年糧食因霉變及蟲害損失巨大[1]。為了保證糧食的安全儲藏，必須對其進(jìn)行適度的干燥處理，目前糧食產(chǎn)后的機械干燥方法主要有常壓熱風(fēng)干燥、熱泵干燥、冷凝法除濕干燥等[2]。熱風(fēng)干燥是傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的糧食干燥方法之一，烘干機[3-5]就是其中一種，其熱源大部分采用煤炭，也有少部分利用生物秸稈、稻殼及燃油等，能耗高，對環(huán)境有較大污染。熱泵干燥技術(shù)[6-9]，當(dāng)前在英國、德國等發(fā)達(dá)國家已在谷物干燥中得到了廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)也已廣泛應(yīng)用于谷物、果蔬、水產(chǎn)品等物料加工過程。冷凝法除濕干燥技術(shù)[10-12]，屬于低溫慢速干燥范疇，雖然也能滿足糧食的干燥要求，但是設(shè)備運行成本較高，存在著高濕、大風(fēng)量情況下效率低，運行中排水不便等問題。低溫慢速干燥[13-16]相比于高溫干燥的烘干機，雖然干燥耗時較長，但糧食干燥后的品質(zhì)較高，目前國內(nèi)外均對該技術(shù)開展了廣泛研究。溶液除濕相比于冷凝法去濕，除濕能力強，可精準(zhǔn)調(diào)溫調(diào)濕，系統(tǒng)節(jié)能更顯著，近年來已有學(xué)者對溶液除濕機組在糧庫中應(yīng)用進(jìn)行了研究[17-20]，但主要集中在理論研究方面。

糧食完成干燥后，進(jìn)入儲藏階段。低溫儲糧技術(shù)[21-22]是目前發(fā)展起來的一種常見的生態(tài)儲糧模式，其將平均糧溫控制在 15 ℃（最高不超過 20 ℃）以下，避免了常規(guī)儲糧模式使用化學(xué)農(nóng)藥治理霉菌及害蟲的生長，因此大大降低了糧食化學(xué)藥劑殘留，提高糧食品質(zhì)。另外，低溫儲糧可降低糧食呼吸量，減緩糧食的新陳代謝，延長儲藏時間，也減少或避免糧食儲藏過程中的倒倉，節(jié)省人力和物力，低溫儲糧是綠色儲糧的首選方法。

隨著糧食儲存時間的延長，水分會散失，水分過低，會帶來糧食的外觀質(zhì)量下降；糧食食用品質(zhì)下降；糧食的機械加工特性受到影響；糧食損耗嚴(yán)重，企業(yè)的經(jīng)濟效益會受到影響等問題?！凹訚裾{(diào)質(zhì)”是指經(jīng)過選擇或控制的高濕空氣通入糧堆，利用糧粒吸附解析特性，增大糧食水分含量的通風(fēng)方式。加濕的方式常見的有：直接噴干蒸汽、噴霧蒸發(fā)、紅外線加濕、濕膜加濕等。濕膜加濕的加濕效率較高，并且對加濕的空氣有清潔效果，能耗較低，是常用的一種加濕方式[23-24]。

結(jié)合以上背景，本項目圍繞溶液除濕方式，提出了低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)糧食低溫干燥、低溫冷藏和加濕調(diào)質(zhì)三種功能，根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)及市場調(diào)研，目前市場上還未見到類似設(shè)備。該系統(tǒng)以電能驅(qū)動，環(huán)境友好，而溶液循環(huán)又利用冷凝廢熱作為驅(qū)動能源，系統(tǒng)整體節(jié)能效果顯著。因此，無論從儲糧品質(zhì)優(yōu)勢、節(jié)能減排和經(jīng)濟效益來考慮，該設(shè)備都具有廣闊的市場應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

本設(shè)計基于溶液除濕和熱泵技術(shù)構(gòu)建了低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、溶液除濕循環(huán)、制冷循環(huán)，制冷循環(huán)又分為制冷循環(huán)1和制冷循環(huán)2兩部分，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1. 環(huán)境空氣 2. 環(huán)境空氣 3. 再生器 4. 儲液箱1 5. 風(fēng)機1 6. 空氣冷凝器 7. 膨脹閥1 8. 壓縮機1 9. 空氣蒸發(fā)器 10. 空氣 11. 電加熱器1 12. 除濕器 13. 儲液箱2 14. 水閥 15. 電加熱器2 16. 風(fēng)機2. 17. 流量調(diào)節(jié)閥1 18. 流量調(diào)節(jié)閥2 19. 流量調(diào)節(jié)閥3 20. 流量調(diào)節(jié)閥4 21. 溶液與溶液換熱器 22. 溶液泵1 23. 溶液泵2 24. 溶液冷凝器 25. 膨脹閥2 26. 壓縮機2 27. 溶液蒸發(fā)器Note: 1. Ambient air 2. Ambient air 3. Regenerator 4. Liquid storage tank1 5. Fan1 6. Air condenser 7. Expansion valve1 8. Compressor1 9. Air evaporator 10. Air 11. Electric heator1 12. Dehumidifier 13. Liquid storage tank2 14. Water valve 15. Electric heator2 16. Fan2 17. Flow regulating valve1 18. Flow regulating valve2 19. Flow regulating valve3 20. Flow regulating valve4 21. Solution-solution heat exchanger 22. Solution pump1 23. Solution pump2 24. Solution condenser 25. Expansion valve2 26. Compressor2 27. Solution evaporator

低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧系統(tǒng)有三種運行模式，即低溫干燥模式、低溫冷藏模式和加濕調(diào)質(zhì)模式，其工作過程如下。

1.1 低溫干燥模式

通風(fēng)系統(tǒng)。除濕側(cè)，空氣流經(jīng)蒸發(fā)器與低溫制冷劑換熱被冷卻除濕后，進(jìn)入溶液除濕器與低溫溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換，空氣被再次除濕，獲得的低溫低濕空氣經(jīng)過電加熱器，機組出口空氣參數(shù)控制在（20±0.5）℃、相對濕度控制在 70%以下[25]（空氣相對濕度可根據(jù)糧食種類，在保證糧食品質(zhì)下，盡可能采用較低值提高糧食干燥速度，本機組采用的溶液除濕系統(tǒng)可精確控制空氣的相對濕度大?。?。機組出口空氣由風(fēng)機送入進(jìn)風(fēng)管道，經(jīng)進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)入糧倉的環(huán)形地籠風(fēng)網(wǎng)，低溫干燥空氣穿過分風(fēng)地籠細(xì)開孔進(jìn)入糧層，對于高大平房倉可采用地上籠通風(fēng)與立體插管相結(jié)合的通風(fēng)方式，空氣向上移動穿過糧層吸收糧食水分后通過倉上排氣孔排入大氣或通過回風(fēng)管道再次回到機組（視環(huán)境空氣參數(shù)而定）。再生側(cè)，環(huán)境空氣進(jìn)入空氣冷凝器與高溫制冷劑換熱升溫后，流經(jīng)再生器與稀溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換空氣被加濕，通過風(fēng)機排入環(huán)境空氣中。

溶液除濕循環(huán)。濃溶液在溶液除濕器中吸收空氣水分后成為稀溶液，然后分為兩路，一路稀溶液通過熱交換器與來自再生溶液箱的一路濃溶液換熱升溫，然后與來自再生溶液箱中另一路濃溶液混合，經(jīng)溶液泵進(jìn)入冷凝器加熱，再送入再生器與熱空氣進(jìn)行熱、質(zhì)交換變?yōu)闈馊芤?。溶液除濕器中另一路稀溶液，與來自再生器的另一路經(jīng)熱交換器換熱冷卻的濃溶液按一定比例混合，經(jīng)溶液泵進(jìn)入蒸發(fā)器與制冷劑換熱冷卻，然后進(jìn)溶液除濕器再一次對空氣除濕，從而完成了一個循環(huán)。

制冷循環(huán)。該循環(huán)分為制冷循環(huán)1和制冷循環(huán)2兩個循環(huán)系統(tǒng)。制冷循環(huán)1，從壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體，進(jìn)冷凝器與環(huán)境空氣換熱凝結(jié)成高壓液體，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，變成低壓低溫濕蒸汽，進(jìn)入蒸發(fā)器與空氣換熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w回到壓縮機從而完成一個制冷循環(huán)。制冷循環(huán) 2，從壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體，進(jìn)冷凝器與稀溶液換熱凝結(jié)成高壓液體，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，變成低溫低壓濕蒸汽，進(jìn)入蒸發(fā)器與除濕溶液換熱變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w回到壓縮機，從而完成一個循環(huán)。制冷循環(huán)的冷量用來冷卻空氣和溶液，提高溶液除濕效率，而冷凝熱用作溶液除濕循環(huán)的驅(qū)動能源，用來加熱空氣和溶液。

1.2 低溫冷藏模式

低溫冷藏模式，系統(tǒng)僅運行制冷循環(huán)1風(fēng)機5和風(fēng)機16，溶液除濕循環(huán)和制冷循環(huán)2不運行?？諝饬鹘?jīng)除濕器進(jìn)入蒸發(fā)器與低溫制冷劑換熱冷卻，獲得的低溫空氣通過電加熱器進(jìn)入風(fēng)機，然后送入糧倉，進(jìn)入糧倉的空氣參數(shù)溫度控制在（10±0.5）℃、相對濕度控制在70%～80%[25]。

1.3 加濕調(diào)質(zhì)模式

根據(jù)實驗[8]，當(dāng)空氣相對濕度不大于96%時，風(fēng)道壁干燥，符合安全儲糧要求。當(dāng)儲糧需要加濕調(diào)質(zhì)時，關(guān)閉再生器下部儲液箱上兩路閥門，啟動再生側(cè)溶液循環(huán)泵，將除濕器下部儲液箱的溶液全部抽吸到再生器下部的儲液箱，然后關(guān)閉再生溶液泵，關(guān)閉除濕器下部儲液箱上進(jìn)入熱交換器這一管路上的閥門，此時除濕器下部儲液箱溶液已排空，然后開啟儲液箱上的水閥進(jìn)行充水，充水完畢后，關(guān)閉水閥，啟動除濕器側(cè)風(fēng)機、除濕側(cè)循環(huán)泵，空氣流經(jīng)除濕器與水進(jìn)行熱、質(zhì)交換，空氣濕度被加濕到95%以下，獲得的高濕空氣送入糧倉實現(xiàn)對低水分糧食的加濕調(diào)質(zhì)。

2 機組設(shè)計性能測試

為了驗證機組的低溫干燥、冷藏和加濕的性能，本文在不同室外空氣狀況下對機組各運行模式下的性能進(jìn)行了實驗測試。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗證低溫干燥的效果，選取新收獲的玉米和蘿卜進(jìn)行了干燥實驗，實驗裝置如圖2所示。

圖2 低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧設(shè)備實驗臺Fig.2 Experimental bench of multi-functional grain storage equipment for low temperature drying,refrigeration and humidification

2.1 低溫干燥性能測試

為了驗證低溫干燥模式下機組除濕側(cè)的出風(fēng)參數(shù)能否滿足設(shè)計要求，本文對不同工況下機組的出風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如圖3所示。圖中每個數(shù)字代表一種工況與帶上標(biāo)的數(shù)字工況相對應(yīng)。從圖3可以看出，在不同工況下，入口空氣經(jīng)過機組處理后，機組除濕側(cè)出口空氣溫度均在（20±0.5）℃，相對濕度在 32%以下，滿足機組設(shè)計要求。

圖3 低溫干燥模式機組除濕側(cè)進(jìn)、出口空氣參數(shù)Fig.3 Variation of air parameters at inlet and outlet of dehumidification side of unit in low-temperature drying mode

2.2 低溫冷藏性能測試

糧食干燥結(jié)束后，機組直接切換為低溫冷藏模式。為了驗證機組低溫冷藏模式下的性能，對不同工況下機組的出風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，其結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，不同工況下，入口空氣經(jīng)機組蒸發(fā)器冷卻后，空氣溫度均在（10±0.5）℃，空氣相對濕度在 70%～80%之間，滿足機組設(shè)計要求。

圖4 低溫冷藏模式機組除濕側(cè)進(jìn)口、出口空氣參數(shù)Fig.4 Variation of air parameters at inlet and outlet of dehumidification side of unit in cold storage mode

2.3 加濕性能測試

糧食過分干燥不僅會影響糧食品質(zhì)，也減少了糧食企業(yè)的經(jīng)濟效益，可通過高濕空氣對糧食進(jìn)行加濕調(diào)質(zhì)。本機組通過濕膜對入口空氣進(jìn)行加濕，為驗證機組加濕性能，對不同工況下，機組出口空氣參數(shù)進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，不同工況下，入口空氣參數(shù)經(jīng)機組加濕后，空氣相對濕度在95%左右，滿足機組設(shè)計要求。

圖5 加濕調(diào)質(zhì)模式機組除濕側(cè)進(jìn)口、出口空氣參數(shù)Fig.5 Variation of air parameters at inlet and outlet of dehumidification side of unit in humidification and conditioning mode

2.4 物料干燥初步測試

為了進(jìn)一步驗證機組的性能，對玉米和蘿卜進(jìn)行了干燥測試。實驗結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出蘿卜在前12小時內(nèi)干燥速率大，然后逐漸平緩并趨于穩(wěn)定。玉米在整個干燥過程中干燥速率相對穩(wěn)定。在此干燥過程中，玉米平均干燥速度為1.1%/h、蘿卜干燥平均干燥速度為2.9%/h。

圖6 低溫干燥模式下玉米蘿卜質(zhì)量隨時間的變化Fig.6 Changes of corn radish quality over time in low-temperature drying mode

3 系統(tǒng)能耗分析

糧食干燥過程中的熱量消耗，主要可分為三個部分：糧食內(nèi)部水分蒸發(fā)需要的熱量、升溫需要的熱量和干燥過程中干燥器的熱損失。

糧食水分蒸發(fā)需要的熱量設(shè)為Q1：

式中：

m1——干燥前糧食質(zhì)量，kg

m2——干燥后糧食質(zhì)量，kg

γ——水的氣化潛熱，2 500 kJ/kg

w1——干燥前糧食水分

w2——干燥后糧食水分

糧食升溫需要的熱量設(shè)為Q2：

式中：

c——糧食的比熱容，kJ/(kg·K)

t1——干燥前糧食溫度，℃

t2——預(yù)熱后的溫度，℃。

在整個干燥過程中，假定損失的熱量占總干燥熱量的10%，則干燥過程的熱損失Q3為：

則糧食干燥需要的熱量為：

機組單位耗能除水量定義為DPC：

式中：

W——標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kg（標(biāo)煤）

設(shè)備節(jié)能率E為：

式中：

N1——干燥設(shè)備1的能耗，kJ

N2——干燥設(shè)備2的能耗，kJ

本文以110 t小麥為例，設(shè)定干燥前含水率為25%，干燥后含水率為 13%，將本機組與烘干機和冷凝去濕干燥機進(jìn)行了對比分析。為了便于比較，各機組單位能耗除水量，機組能耗均折算為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量。本機組和冷凝法去濕干燥機以進(jìn)口空氣溫度 30.9 ℃、相對濕度 76%，機組出口空氣溫度20 ℃，相對濕度43%，對應(yīng)的本機組運行能耗為37.2 kW，冷凝去濕干燥機組制冷性能系數(shù)COP取3.4進(jìn)行計算。煤發(fā)電的一次能源轉(zhuǎn)換效率按40%計算，新設(shè)計機組的低溫干燥糧食降水速率取0.11%/h[13]。

通過分析計算，不同機組單位能耗除水量如圖7所示。從圖7可以看出，本機組相比于烘干機和冷凝法去濕干燥機，其單位能耗除水量DPC最大，約為12.2 kg（水）/kg（標(biāo)煤）。冷凝法去濕干燥機單位能耗除水量DPC最小，約為5.9 kg（水）/kg（標(biāo)煤）。從各機組單位能耗除水量大小可以看出，在相同糧食干燥條件下，本機組的需要的能耗最小，烘干機的能耗小于冷凝法去濕干燥機的能耗。

圖7 不同機組單位能耗除水量比較Fig.7 Comparison of water removal per unit energy consumption of different units

為了進(jìn)一步分析機組的能效特點，本文對本機組與市場上廣泛使用的烘干機及冷凝去濕干燥機的能耗進(jìn)行了對比分析，機組的節(jié)能率比較結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，本機組與烘干機相比節(jié)能率約為 19.4%，與冷凝法去濕干燥機相比可節(jié)能約51.7%，節(jié)能效果明顯。

圖8 機組節(jié)能率比較Fig.8 Comparison of energy saving rate of different units

4 結(jié)論

本文提出了一種低溫干燥冷藏調(diào)濕多功能儲糧系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低溫慢速干燥功能、低溫儲藏功能和加濕調(diào)質(zhì)功能，并基于該系統(tǒng)開發(fā)了設(shè)備。通過實驗和性能分析可知：（1）通過實驗測試了機組在低溫干燥模式、低溫冷藏工作模式和加濕調(diào)質(zhì)模式，不同進(jìn)風(fēng)工況下，機組除濕側(cè)出口空氣參數(shù)均滿足了設(shè)計要求。（2）選擇了玉米和蘿卜片進(jìn)行了初步干燥實驗，結(jié)果表明，玉米的平均干燥速度為1.1%/h、蘿卜干燥平均干燥速度為2.9%/h。（3）本機組相比于烘干機和冷凝去濕干燥機，單位能耗除水量最大約12.2 kg（水）/kg（標(biāo)煤）左右。（4）本機組與烘干機相比可節(jié)能19.4%左右，與冷凝去濕干燥機相比可節(jié)能51.7%左右。

本設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)“一站式”儲糧，糧食干燥完成后能夠直接轉(zhuǎn)入低溫冷藏模式，糧食出庫時，設(shè)備可切換到加濕調(diào)質(zhì)工作模式，對糧食進(jìn)行加濕，提高了糧食后期加工品質(zhì)及糧食企業(yè)效益。另外，本設(shè)備的驅(qū)動能源為電能，對環(huán)境無污染，充分利用冷凝廢熱作為溶液除濕的驅(qū)動能源，系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。因此，該設(shè)備市場應(yīng)用潛力巨大。