基于排風(fēng)熱回收的空氣源熱泵糧食干燥系統(tǒng)運(yùn)行特性的研究

吳 煒，倪美琴，江瑩瑩，汪 峰，吳文婧，陳 浩

（1.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇華源建筑設(shè)計研究院股份有限公司，江蘇 常州 213000；3.江蘇省建筑科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

糧食安全是一個長期困擾人類的難題，一直以來受到廣泛關(guān)注[1]。目前，我國水稻產(chǎn)區(qū)因缺少必要的烘干設(shè)備，每年稻谷收獲后的損失量高達(dá)1000萬t，折合人民幣約200億元[2]。因此，如何降低糧食收獲后的損失和實(shí)現(xiàn)糧食高效、安全、經(jīng)濟(jì)的干燥，對我國的糧食安全具有重大意義，同時也是一項(xiàng)異常艱巨的任務(wù)。

空氣源熱泵技術(shù)因其能源利用率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于干燥領(lǐng)域[3]，[4]，且應(yīng)用前景廣闊。對此，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。Thing[5]分別用太陽能干燥、太陽能間歇熱泵干燥、熱風(fēng)干燥和空氣源熱泵干燥等不同干燥方式對玫瑰茄進(jìn)行了干燥，結(jié)果表明，空氣源熱泵的干燥速率最高，干燥后的玫瑰茄無顯著顏色損失。Kloeker[6]提出了以CO2為制冷工質(zhì)的熱泵干燥系統(tǒng)，并與制冷工質(zhì)為R134a的熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行比較，得出其系統(tǒng)性能系數(shù)COP和單位耗能除濕量SMER均優(yōu)于R134a熱泵干燥系統(tǒng)。Liu[7]在閉式空氣源熱泵干燥系統(tǒng)上采用蒸發(fā)器熱風(fēng)旁通裝置，對胡蘿卜片進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用該熱風(fēng)旁通裝置可使含水率達(dá)到20%的干燥時間縮短15%，能耗降低30%。劉濤[8]研究了空氣源熱泵技術(shù)在菊花烘干中的性能，發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵干燥系統(tǒng)在菊花烘干中，不僅干燥時間短，而且干制品品質(zhì)較好。

目前的空氣源熱泵干燥技術(shù)主要著眼于除濕干燥，即熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度較低、冷凝溫度較高，這對熱泵性能不利。同時，糧食烘干后會產(chǎn)生大量含有灰塵、雜質(zhì)的熱濕空氣，若直接排到大氣環(huán)境中，會造成環(huán)境污染和能量浪費(fèi)[9]。因此，做好排風(fēng)除塵及余熱回收利用是提高熱泵糧食烘干系統(tǒng)能源利用率的關(guān)鍵。本文將針對開式和半開式空氣源熱泵糧食干燥系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究排風(fēng)熱回收應(yīng)用于熱泵稻谷烘干系統(tǒng)的可行性以及對干燥運(yùn)行特性影響，為空氣源熱泵稻谷干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)風(fēng)來源，空氣源熱泵干燥系統(tǒng)可分為閉式、開式和半開式3種形式[10]，其原理分別如圖1所示?？諝鉁囟燃蠢淠鞯倪M(jìn)風(fēng)溫度經(jīng)閉式系統(tǒng)經(jīng)蒸發(fā)器后低于環(huán)境溫度，這將導(dǎo)致系統(tǒng)送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值所需的制熱量增大，耗功增加。此外，閉式系統(tǒng)經(jīng)烘干塔后的再循環(huán)空氣中灰塵較多，會造成蒸發(fā)器和冷凝器翅片堵塞，從而降低系統(tǒng)效率，這兩方面原因限制了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。而開式系統(tǒng)形式較為簡單，在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。但是，干燥介質(zhì)受室外空氣參數(shù)的影響較大，系統(tǒng)的干燥性能和能耗易受環(huán)境空氣的影響。此外，烘干塔排風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度，直接排放既污染環(huán)境又會使余熱沒有得到有效利用，不利于節(jié)能減排。

圖1 空氣源熱泵干燥系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump drying system

本文提出的半開式系統(tǒng)首先將烘干塔排出的熱濕空氣經(jīng)過布袋式除塵器除塵，然后排入灰房。圖2為灰房平面布置圖。熱泵稻谷干燥系統(tǒng)的相關(guān)部件均放置在灰房里，蒸發(fā)器與冷凝器的進(jìn)風(fēng)均為環(huán)境空氣和除塵后排風(fēng)的混合風(fēng)。蒸發(fā)器吸收混合風(fēng)的熱量，并將其排出室外；冷凝器加熱混合風(fēng)后送至烘干塔中?；旌巷L(fēng)既可當(dāng)做熱泵的低溫?zé)嵩?，增加蒸發(fā)器吸熱量，又可提高冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度，以滿足在相同送風(fēng)溫度的前提下，減少空氣加熱所需的制熱量。基于此，本文選擇半開式系統(tǒng)用于南京某稻谷烘干系統(tǒng)，并與儀征某開式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，以探索排風(fēng)熱回收方式應(yīng)用于熱泵稻谷烘干的可行性。兩者的烘干塔和熱泵機(jī)組型號均相同。烘干塔型號5HXG-30C、外型尺寸4815mm×4525mm×11625mm、循 環(huán) 風(fēng) 量20000 m3/h、功率16.22kW、容量30000kg。熱泵機(jī)組型號HZHG140、制熱量140kW、數(shù)量10臺。且儀征與南京地理位置相鄰，氣候條件相似。

圖2 灰房平面布置圖Fig.2 Layout of ash room

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

該半開式系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)灰房窗戶開啟度控制新回風(fēng)的比例，從而控制系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫濕度。在本實(shí)驗(yàn)測試中，半開式系統(tǒng)為窗戶全開模式。稻谷烘干均從2019年10月15日13：00開始至10月16日13：00結(jié)束，測試當(dāng)天南京氣溫為15～24℃、相對濕度為51.0%～90.2%，儀征氣溫為16～23℃、相對濕度為54.3%～91.5%，稻谷的初始含水率均為32.5%。糧食烘干對溫度的控制較為嚴(yán)格，并且不同種類的糧食最佳烘干溫度也不同。烘干溫度過高，糧食容易爆腰；溫度過低，糧食所需的干燥時間更長，且不經(jīng)濟(jì)。因此，南京和儀征兩個烘干中心根據(jù)稻谷烘干的需求，將熱泵機(jī)組的送風(fēng)溫度均設(shè)定為65℃。實(shí)驗(yàn)過程中需測量空氣的溫濕度、烘干塔內(nèi)稻谷含水率、熱泵耗功和風(fēng)量等參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分別從進(jìn)、出風(fēng)溫濕度、系統(tǒng)耗功、COP、SMER和含水率等方面進(jìn)行對比分析，研究兩種形式干燥系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

2.1 進(jìn)風(fēng)溫濕度

兩種熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)溫濕度隨干燥時間變化如圖3所示。

圖3 兩種熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)溫濕度隨干燥時間變化Fig.3 Variation of inlet air temperature and humidity with drying time of two heat pump systems

由圖3可知，半開式系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫度為22～27℃，相對濕度為75.8%～95.3%，進(jìn)風(fēng)溫度較為穩(wěn)定，但相對濕度較大，尤其是在夜晚，這是對排風(fēng)進(jìn)行熱回收所導(dǎo)致的，且該實(shí)驗(yàn)時間段處于秋季，夜晚環(huán)境空氣相對濕度較大。開式系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫濕度隨環(huán)境溫濕度而變，進(jìn)風(fēng)溫度為16.5～22.8℃，相對濕度為51.0%～90.5%。顯然，半開式系統(tǒng)蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)溫濕度均高于開式系統(tǒng)。并且環(huán)境溫度越低，開式與半開式系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫濕度差異越大。因此，與開式系統(tǒng)相比，半開式系統(tǒng)的蒸發(fā)器因進(jìn)風(fēng)溫濕度高使吸熱量大，且冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度也高于開式系統(tǒng)，這有利于送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度。當(dāng)環(huán)境溫度降低時，開式系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)風(fēng)溫度也隨之降低，影響蒸發(fā)器的吸熱量，導(dǎo)致送風(fēng)溫度不能達(dá)到設(shè)定溫度要求，從而影響干燥產(chǎn)品質(zhì)量。半開式系統(tǒng)利用排風(fēng)熱回收方式將排風(fēng)除塵后與環(huán)境空氣混合，增加蒸發(fā)器的吸熱量，可確保送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度要求，從而保證干燥產(chǎn)品質(zhì)量。但是，半開式系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的相對濕度大于開式系統(tǒng)，這對稻谷干燥速率會產(chǎn)生一定影響。

2.2 送風(fēng)溫濕度

送風(fēng)溫度和濕度是影響稻谷烘干效果的兩個主要因素，兩種熱泵干燥系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)均是經(jīng)過冷凝器等濕加熱后再送入烘干塔，則送風(fēng)含濕量與進(jìn)風(fēng)含濕量相等。兩種熱泵干燥系統(tǒng)的送風(fēng)含濕量隨干燥時間的變化過程如圖4所示。

由圖4可知，開式與半開式熱泵干燥系統(tǒng)的送風(fēng)含濕量隨干燥時間的變化均較為平緩，半開式系統(tǒng)送風(fēng)含濕量較大，平均為16.8g/kg；開式系統(tǒng)送風(fēng)含濕量較小，平均為9.8g/kg。這是因?yàn)榘腴_式系統(tǒng)回收了高溫高濕的排風(fēng)，使得冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度、相對濕度均增大，這對稻谷干燥速率和最終含水率均會產(chǎn)生一定影響。在本實(shí)驗(yàn)中，半開式系統(tǒng)的灰房窗戶均開啟，即排風(fēng)與新風(fēng)之比較小。若灰房窗戶均關(guān)閉，則會使半開式系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)含濕量過大，導(dǎo)致稻谷最終含水率不能滿足要求。

圖5為兩個干燥系統(tǒng)的送風(fēng)溫度隨干燥時間的變化。由圖5可知，半開式系統(tǒng)的送風(fēng)溫度大部分時間都在64～65.5℃，且相對平穩(wěn)。開式系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為62～65℃，顯然開式系統(tǒng)的送風(fēng)溫度波動較大。尤其是在21：00-3：00室外氣溫較低時，送風(fēng)溫度為62～64℃，未達(dá)到送風(fēng)溫度要求，較低的送風(fēng)溫度將對干燥品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

圖5 兩種熱泵干燥系統(tǒng)送風(fēng)溫度隨干燥時間變化Fig.5 Variation of supply air temperature with drying time of two heat pump systems

2.3 熱泵系統(tǒng)制熱量

熱泵干燥系統(tǒng)制熱量隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化如圖6所示。

圖6 熱泵干燥系統(tǒng)制熱量隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化Fig.6 Variation of heating capacity of heat pump drying system with inlet air temperature

由圖6可知，開式與半開式系統(tǒng)的制熱量均隨進(jìn)風(fēng)溫度的降低而增加，這是因?yàn)橐顾惋L(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)風(fēng)溫度的降低會使所需的制熱量增加。開式系統(tǒng)的平均制熱量為125.82kW，半開式系統(tǒng)的平均制熱量為117.59kW，可以看出，開式系統(tǒng)的平均制熱量大于半開式系統(tǒng)，這是因?yàn)殚_式系統(tǒng)冷凝器側(cè)的進(jìn)風(fēng)溫度為環(huán)境溫度，比半開式系統(tǒng)冷凝器側(cè)的進(jìn)風(fēng)溫度低。結(jié)合圖5和圖6（a），在21：00-3：00，開 式 系 統(tǒng) 冷 凝 器 側(cè) 的 進(jìn)風(fēng)溫度降低、制熱量增加，但仍未達(dá)到加熱空氣所需的供熱量要求，因此開式系統(tǒng)在該時段的送風(fēng)溫度未達(dá)到設(shè)定送風(fēng)溫度65℃，對稻谷干燥產(chǎn)生不利影響。由圖5和圖6（b）可知，在夜晚，即使隨著冷凝器側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度的降低，半開式系統(tǒng)制熱量不及開式系統(tǒng)大，但半開式系統(tǒng)的送風(fēng)溫度依然能達(dá)到設(shè)定送風(fēng)溫度要求。由此可見，半開式系統(tǒng)對排風(fēng)除塵后進(jìn)行熱回收，在確保送風(fēng)溫度的同時又可滿足供熱量要求。

2.4 熱泵系統(tǒng)耗功率和制熱性能系數(shù)COP

開式與半開式系統(tǒng)的耗功率隨干燥時間的變化如圖7所示。

圖7 兩種熱泵干燥系統(tǒng)耗功率隨干燥時間變化Fig.7 Variation of power consumption of two heat pump systems with drying time

由圖7可知，開式系統(tǒng)的平均耗功率為45.92 kW，半開式系統(tǒng)的平均耗功率為41.07kW，開式系統(tǒng)的耗功率大于半開式系統(tǒng)，且開式系統(tǒng)的耗功率波動較大，半開式系統(tǒng)的耗功率變化較為平緩。這是因?yàn)殚_式系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度受室外環(huán)境溫度影響，且隨晝夜變化較大。蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)溫度下降會導(dǎo)致其吸熱量減少，冷凝器側(cè)的進(jìn)風(fēng)溫度下降會導(dǎo)致傳熱溫差增大、所需的制熱量增加。因此，開式熱泵干燥系統(tǒng)的系統(tǒng)耗功率波動較大，且耗功增加。

兩種熱泵干燥系統(tǒng)的COP隨干燥時間的變化曲線如圖8所示。半開式系統(tǒng)平均COP為2.86，開式系統(tǒng)平均COP為2.74，半開式系統(tǒng)COP整體高于開式系統(tǒng)。這是因?yàn)榘腴_式系統(tǒng)蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)溫度較高、相對濕度較大，所以蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度較高、吸熱量較大，且半開式系統(tǒng)的耗功較小。因此，半開式熱泵干燥系統(tǒng)COP較高，有利于節(jié)能。

圖8 兩種熱泵干燥系統(tǒng)COP隨干燥時間變化Fig.8 Variation of COP of two heat pump systems with drying time

2.5 單位能耗除濕量SMER

單位能耗除濕量是稻谷蒸發(fā)的水分與熱泵系統(tǒng)消耗的能量之比，把熱泵系統(tǒng)與烘干塔聯(lián)系成整體綜合考慮，是一個更加直觀、全面的熱泵干燥系統(tǒng)性能評價指標(biāo)。開式與半開式系統(tǒng)的單位能耗除濕量隨干燥時間的變化如圖9所示。

圖9 兩種熱泵干燥系統(tǒng)SMER隨干燥時間變化Fig.9 Variation of SMER with drying time of two heat pump systems

由圖9可知，開式系統(tǒng)和半開式系統(tǒng)的單位能耗除濕量均隨著干燥時間的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，且在干燥后期二者差異甚小，說明隨著干燥時間的增加，稻谷水分被不斷去除，消耗相同能量所能去除的稻谷水分逐漸減少。開式系統(tǒng)的平均單位能耗除濕量均為2.639kg/（kW·h），半開式系統(tǒng)的平均單位能耗除濕量為2.759kg/（kW·h），表明半開式熱泵系統(tǒng)較為節(jié)能。

2.6 稻谷含水率

開式和半開式系統(tǒng)的稻谷含水率隨干燥時間的變化如圖10所示。

圖10 兩種熱泵干燥系統(tǒng)稻谷含水率隨干燥時間變化Fig.10 Variation of rice moisture content with drying time of two heat pump drying systems

結(jié)果表明，兩種熱泵干燥系統(tǒng)含水率下降趨勢差距較小。開式系統(tǒng)在夜晚因蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度較低使蒸發(fā)器吸熱量不足，從而導(dǎo)致送風(fēng)溫度達(dá)不到設(shè)定值而影響干燥速率。半開式系統(tǒng)送風(fēng)含濕量較大，干燥介質(zhì)與稻谷之間的傳質(zhì)推動力較小，尤其在干燥后期會對干燥速率影響較大。在烘干24h后，半開式系統(tǒng)的稻谷含水率為14.4%，開式系統(tǒng)的稻谷含水率為13.5%，二者均滿足稻谷烘干后含水率為13.5%～14.5%的要求。特別是因夏熱冬冷地區(qū)10月份的環(huán)境溫度較高、夜間相對濕度較大，在相同干燥時間內(nèi)，采用開式系統(tǒng)烘干后的稻谷含水率小于半開式系統(tǒng)。但是隨著環(huán)境溫度的降低，開式系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)因進(jìn)風(fēng)溫度較低導(dǎo)致吸熱量不足，使系統(tǒng)送風(fēng)溫度下降，從而影響稻谷干燥速率。

3 結(jié)論

通過對比分析開式和半開式熱泵稻谷干燥系統(tǒng)的運(yùn)行特性可知，半開式空氣源熱泵糧食干燥系統(tǒng)的整體性能要優(yōu)于開式系統(tǒng)。具體包括以下結(jié)論。

①開式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但是送風(fēng)溫度受環(huán)境溫度的影響很大，送風(fēng)溫度較低時將對干燥品質(zhì)產(chǎn)生不利影響，而且開式系統(tǒng)的排風(fēng)是直接排放，既浪費(fèi)能量又污染環(huán)境；半開式系統(tǒng)由于將排風(fēng)除塵后進(jìn)行熱回收，提高了進(jìn)風(fēng)溫濕度，使得蒸發(fā)器的吸熱量、系統(tǒng)的COP得到相應(yīng)的提高，同時也解決了環(huán)境污染問題。

②與開式系統(tǒng)相比，半開式系統(tǒng)在滿足送風(fēng)溫度要求的同時，單位能耗除濕量較大，既確保了稻谷烘干品質(zhì)又起到了節(jié)能作用。而環(huán)境溫度低時，開式系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度低導(dǎo)致蒸發(fā)器吸熱量不足，使系統(tǒng)送風(fēng)溫度過低，會降低稻谷干燥速率，影響干燥效果。因此，半開式空氣源熱泵糧食干燥系統(tǒng)的運(yùn)行性能要優(yōu)于開式系統(tǒng)。

③在夏熱冬冷地區(qū)的秋季，可以通過調(diào)整窗開啟度，使半開式系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫濕度控制在合理范圍內(nèi)（進(jìn)風(fēng)溫度在22～26℃），否則會因回風(fēng)比過大，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度過高、含濕量較大，不利于干燥效果。當(dāng)環(huán)境溫度降低時（深秋或北方），應(yīng)調(diào)小窗戶開度，避免因進(jìn)風(fēng)溫度過低導(dǎo)致蒸發(fā)器吸熱量不足，使送風(fēng)溫度過低而影響干燥效果。