基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣源熱泵式谷物干燥機(jī)試驗(yàn)研究

繆 磊， 趙 榮， 呂 虎， 黃毅成， 陳坤杰， 王 碩

（1.泰州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇 泰州 225300； 2.泰州醫(yī)藥高新區(qū)（高港區(qū)）農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇 泰州 225300；3.泰興市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)中心，江蘇 泰州 225400； 4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210031）

0 引言

我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)國，2022 年全國糧食總產(chǎn)量6.8 億t，其中，谷物（稻谷、小麥、玉米）產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的92.2%[1]。未經(jīng)處理的谷物直接存儲易產(chǎn)生霉變或發(fā)芽造成經(jīng)濟(jì)損失，干燥是糧食安全儲藏的重要條件，機(jī)械干燥是確保原糧品質(zhì)的重要途徑。目前的糧食干燥機(jī)多數(shù)是以燃煤或燃油熱風(fēng)爐供熱為主的塔式循環(huán)干燥機(jī)，這種烘干方式不僅能源利用率低，并且燃燒后的廢氣對環(huán)境污染較大，急需一種新型清潔能源式熱風(fēng)干燥設(shè)備[2]。

空氣源熱泵是一種能夠從低溫?zé)嵩次∧芰?，并使其在高溫?zé)嵩聪伦鳛橛杏脽崮芗右岳玫臒崮苎b置。它能夠有效地利用環(huán)境資源，通過消耗少量電能而產(chǎn)生數(shù)倍熱能，并且無廢氣排出，具有天然的綠色、節(jié)能屬性。翟慧星等[3]將熱泵用于中藥材干燥，結(jié)果表明，熱泵干燥條件控制精準(zhǔn)、干燥溫度低、避免氧化，對于中藥材干燥具有獨(dú)特優(yōu)勢。董建軍等[4]給出15HP空氣源熱泵果蔬烘干機(jī)對德國米蔥進(jìn)行烘干的最佳工藝參數(shù)，所得產(chǎn)品顏色鮮亮、品相較好，能耗較低，生產(chǎn)效率高。陳明等[5]發(fā)現(xiàn)通過熱泵干燥機(jī)對稻谷進(jìn)行烘干可使稻谷的爆腰率增率降低。CHAPCHAIMOH K 等[6]將空氣和氮?dú)夥謩e作為熱泵的干燥介質(zhì)對生姜進(jìn)行烘干，發(fā)現(xiàn)使用空氣作為干燥介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性更高。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)使用廣泛，朱斌[7]介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)，通過對農(nóng)田精準(zhǔn)監(jiān)控，可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。朱建偉等[8]針對污泥熱泵干化設(shè)備設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了污泥干化設(shè)備的集群管理和含水率的實(shí)時(shí)檢測。何明興等[9]利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對不同熱源的煙葉烤房烘烤效果進(jìn)行探究，結(jié)果表明，熱泵烘烤設(shè)備成本較低，烘烤后的煙葉質(zhì)量較好。

本研究利用基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣源熱泵烘干機(jī)在不同工況下對稻谷進(jìn)行烘干試驗(yàn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測空氣源熱泵系統(tǒng)的具體運(yùn)行情況，探究不同工況下該熱泵系統(tǒng)的工作性能，驗(yàn)證以空氣源熱泵系統(tǒng)為熱源的糧食干燥機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣源熱泵烘干機(jī)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣源熱泵烘干機(jī)由物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和烘干塔組成，具體構(gòu)成如圖1 所示?？刂乒窕诳删幊踢壿嬁刂破鱌LC 對糧食烘干機(jī)和熱泵系統(tǒng)進(jìn)行控制，采集并處理各類傳感器檢測到的數(shù)據(jù)；同時(shí)，把數(shù)據(jù)通過RS485串口通信發(fā)送至無線數(shù)據(jù)終端 （Data Terminal unit，DTU）模塊，再發(fā)送至云服務(wù)平臺進(jìn)行存儲。這時(shí)，用戶便可通過移動終端的小程序或APP 訪問熱泵系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)[10]。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

1.2 工作原理

空氣源熱泵烘干機(jī)通過熱泵熱風(fēng)機(jī)組將干燥介質(zhì)（空氣）處理到一定的送風(fēng)溫度后送入烘干塔中，在烘干塔內(nèi)干燥介質(zhì)與稻谷進(jìn)行熱質(zhì)交換，將熱量傳遞給稻谷的同時(shí)使稻谷中的濕分蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到干燥介質(zhì)中[11]。

熱泵系統(tǒng)主要由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥等構(gòu)成，制冷劑在其中循環(huán)流動，具體工作原理如圖2 所示[12]?；谀婵ㄖZ循環(huán)原理：制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓氣體，流入冷凝器被冷凝為液態(tài)制冷劑，再經(jīng)過節(jié)流閥降壓成為低溫低壓的液態(tài)制冷劑流入蒸發(fā)器，最后經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱再次成為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，如此循環(huán)。在一個(gè)循環(huán)過程中，環(huán)境空氣進(jìn)入冷凝器被加熱送入烘干塔中與稻谷進(jìn)行熱質(zhì)交換，被等焓加濕后成為低溫高濕空氣排入大氣中[13]。熱泵系統(tǒng)重復(fù)加熱環(huán)節(jié)，可以把干燥介質(zhì)（空氣）加熱至40～85 °C，完成對稻谷的烘干。

圖2 空氣源熱泵烘干機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of air source heat pump dryer

2 不同工況下稻谷干燥試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)時(shí)間。2022 年11 月8—15 日。

（2）試驗(yàn)地點(diǎn)。江蘇省泰州市海陵區(qū)田緣家庭農(nóng)場。

（3）試驗(yàn)材料。選用2022 年11 月8—15 日收獲的“南粳9108”水稻，初始含水率26.72%～32.07%。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

家庭農(nóng)場烘干中心配備2 臺不同型號的循環(huán)式谷物烘干機(jī)，均匹配同一型號的空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)組，設(shè)備及試驗(yàn)過程中使用的相關(guān)儀器主要參數(shù)詳如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of heat pump system

2.3 試驗(yàn)方法

為了探究空氣源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的性能，在不同的實(shí)際環(huán)境工況下，對不同初始含水率的稻谷進(jìn)行烘干試驗(yàn)，每1 臺烘干機(jī)進(jìn)行4 組重復(fù)試驗(yàn)。其中，將匹配5HXG-120 型烘干機(jī)的熱泵熱風(fēng)機(jī)組簡稱為熱泵1，出風(fēng)溫度設(shè)定為68 °C；匹配5HXG-160 型烘干機(jī)的熱泵熱風(fēng)機(jī)組簡稱為熱泵2，出風(fēng)溫度設(shè)定為63 °C。

在烘干作業(yè)周期內(nèi)，通過移動端每隔1 h 分別查詢記錄環(huán)境溫濕度、稻谷含水率、熱泵能耗和熱泵出風(fēng)溫度等數(shù)據(jù)。其中，熱泵通風(fēng)量通過測量風(fēng)速和出風(fēng)口截面積間接計(jì)算所得，測量時(shí)，將出風(fēng)口截面平均劃分為9 個(gè)區(qū)域，分別測量風(fēng)速取平均值。通過測得的風(fēng)速，計(jì)算熱泵系統(tǒng)制熱量、電能消耗、熱泵性能指數(shù)（Coefficient of Performance，COP）、除濕能耗比（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）及烘干成本等[14]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）熱泵機(jī)組所需制熱量Qm。

式中ρ——空氣密度，取ρ=1.29 kg/m3

CP——空氣定壓比熱容，CP=1.005 kJ/（kg·K）

q——熱泵風(fēng)量，kg/m3

Δt——熱泵進(jìn)風(fēng)口平均提升溫度， °C

（2）熱泵性能指數(shù)。

式中CCOP——熱泵性能指數(shù)COP 值

W——總耗功率，kW

（3）單位能耗除濕量。

式中SSMER——單位能耗除濕量SMER 值，kg/kW

Ma——總除濕量，kg

（4）熱泵烘干成本。

式中Qs——熱泵總用電量，kW·h

G1——進(jìn)機(jī)濕糧質(zhì)量，kg

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)出風(fēng)溫度的影響

由表2 可知，環(huán)境溫度最低-3 °C，最高21 °C。熱泵Ⅰ的出風(fēng)溫度最高達(dá)到68.18 °C，最低60.58 °C，與設(shè)定溫度相差7.42 °C。熱泵Ⅱ的出風(fēng)溫度最高達(dá)到63.02 °C，最低僅50.4 °C，與設(shè)定溫度相差12.6 °C。

表2 干燥試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Drying test results

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下（<9 °C）運(yùn)行時(shí)，熱泵出風(fēng)溫度與設(shè)定溫度相差較大，隨著環(huán)境溫度逐漸增加，出風(fēng)溫度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。當(dāng)環(huán)境溫度≥9 °C 時(shí)，出風(fēng)溫度較穩(wěn)定，在設(shè)定溫度上下極小范圍內(nèi)波動。

3.2.2 環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)制熱量的影響

熱泵制熱量是指為達(dá)到設(shè)定溫度，熱泵由外界吸熱后向烘干室內(nèi)輸送的熱量。由表3 可知，熱泵Ⅰ最高制熱量達(dá)到627.45 MJ，此時(shí)環(huán)境溫度最低-3 °C；最低制熱量459.45 MJ，此時(shí)環(huán)境溫度最高21 °C。熱泵Ⅱ最高制熱量806.26 MJ，此時(shí)環(huán)境溫度3 °C；最低制熱量598.07 MJ，此時(shí)環(huán)境溫度最高。

表3 制熱量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Heat production result

熱泵Ⅰ的制熱量總體呈現(xiàn)隨環(huán)境溫度升高而下降的趨勢；熱泵Ⅱ在環(huán)境溫度<3 °C 工況下制熱量略有下降，在環(huán)境溫度>3 °C 工況下發(fā)生突變，先升高再隨環(huán)境溫度的升高而逐漸下降。對比2 臺熱泵熱風(fēng)機(jī)組的制熱量，發(fā)現(xiàn)在匹配稻谷處理量較大的烘干機(jī)情況下，為達(dá)到干燥溫度，平均制熱量也較高。

3.2.3 環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)性能指數(shù)的影響

由表4 可知，熱泵Ⅰ總體電能消耗小于熱泵Ⅱ的電能消耗，但CCOP與熱泵2 的CCOP近似相等。其中，熱泵Ⅰ的CCOP最低2.81，最高3.71；熱泵Ⅱ的CCOP最低2.89，最高4.22。

表4 CCOP 計(jì)算結(jié)果Tab.4 Coefficient of performance of heat pump system

熱泵Ⅰ和熱泵Ⅱ的CCOP總體趨勢均隨環(huán)境溫度的上升而增加。其中，熱泵Ⅰ的CCOP在-3～3 °C 范圍內(nèi)均<3，當(dāng)環(huán)境溫度6 °C 時(shí)CCOP上升至3.03，后隨溫度增加而略有增加，在環(huán)境溫度最高時(shí)，由于能耗最低，達(dá)到了最高CCOP。熱泵Ⅱ整體呈現(xiàn)較好的性能，在環(huán)境溫度3 °C 時(shí)已達(dá)到3.49，后隨環(huán)境溫度升高、能耗減少，CCOP逐漸增加。

3.2.4 環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)單位能耗除濕比的影響

熱泵系統(tǒng)SSMER表示稻谷蒸發(fā)水量與熱泵系統(tǒng)消耗能量的比值，由于稻谷干燥速率在烘干前期降速較快，蒸發(fā)水量較高；在烘干后期降速緩慢，蒸發(fā)水量較低，與一個(gè)烘干周期內(nèi)某時(shí)刻的環(huán)境溫度無直接關(guān)聯(lián)，故本次計(jì)算4 次重復(fù)試驗(yàn)的平均SSMER進(jìn)行對比分析。由表5 可知，熱泵Ⅰ的SSMER最低1.14，最高2.34；熱泵Ⅱ的SSMER最低1.9，最高2.76。

表5 SSMER 計(jì)算結(jié)果Tab.5 SMER of heat pump system

分析熱泵系統(tǒng)在不同環(huán)境工況下分別匹配2 臺烘干機(jī)時(shí)的單位能耗除濕比可知，從整體來看，環(huán)境溫度低，除濕量也較低；當(dāng)環(huán)境溫度有明顯上升時(shí)，SSMER也有較大幅度的增加；當(dāng)環(huán)境溫度較高且變化較小時(shí)，單位能耗的除濕量也近似相同，但還是會有極少量提升。而在相同的平均環(huán)境溫度下，熱泵Ⅱ單位能耗下的除濕量更大。

3.2.5 環(huán)境溫度對空氣源熱泵系統(tǒng)干燥成本的影響

以當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用電價(jià)格0.5 元/（kW·h）計(jì)算每次試驗(yàn)的烘干成本，對空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在稻谷干燥中的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，仍從4 次重復(fù)試驗(yàn)角度計(jì)算得到1 kg 干稻谷的經(jīng)濟(jì)成本，具體數(shù)據(jù)如表6 所示。當(dāng)平均環(huán)境溫度最低時(shí)，熱泵Ⅰ和熱泵Ⅱ的烘干成本都最高，分別為0.078 元/kg 和0.042 元/kg。當(dāng)平均環(huán)境溫度14 °C 時(shí)，熱泵Ⅰ最低烘干成本0.036 元/kg；熱泵Ⅱ最低烘干成本僅0.028 元/kg。

表6 經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算結(jié)果Tab.6 Economic cost calculation result

在平均環(huán)境溫度14～16 °C 條件下，2 臺熱泵的干燥成本0.03～0.04 元/kg，但從整體來看，平均環(huán)境溫度降低時(shí)會增加烘干成本。

4 結(jié)束語

（1）由于環(huán)境溫度對熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)有明顯影響，直接造成出風(fēng)溫度的變化，從而影響制熱量和系統(tǒng)消耗功率。當(dāng)環(huán)境溫度<9 °C 時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)的出風(fēng)溫度、CCOP和SSMER均低于平均值；隨著環(huán)境溫度的增加，熱泵系統(tǒng)逐漸呈現(xiàn)良好性能。本研究熱泵系統(tǒng)的平均CCOP為3.1；平均SSMER為2.28，均高于NB/T 10156—2019《空氣源熱泵干燥機(jī)組通用技術(shù)規(guī)范》中的相應(yīng)限值。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度<8 °C 時(shí)，烘干成本增加；當(dāng)環(huán)境溫度逐漸增加時(shí)，烘干成本會降低，但變化范圍不大。本研究干稻谷的平均烘干成本0.04 元/kg，而燃煤烘干成本0.02～0.06 元/kg ，空氣源熱泵系統(tǒng)的烘干成本低于燃煤烘干成本，適合做糧食烘干機(jī)的熱源。