空氣源熱泵谷物干燥的研究進展

羅喬軍 張進疆 何 琳 甘 玲

LUO Qiao－jun 1，2 ZHANG Jin－jiang 2 HE Lin 2 GAN Ling 2

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

（1.Department of Engineering，South China University，Guangzhou，Guangdong 510630，China；2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment，Guangzhou，Guangdong 510630，China）

農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃提出在糧食商品化處理和初加工環(huán)節(jié)，中國農(nóng)戶糧食產(chǎn)后損失率為7%，遠高于發(fā)達國家1%的水平［1］，其主要因于糧食在收獲季節(jié)不能及時干燥或干燥方法不當(dāng)引起了霉變、發(fā)芽等損失。2011年中國糧食總產(chǎn)量為57 121萬t，谷物干燥機保有量僅為4.21萬臺，糧食機械化干燥5 755.25萬t，機械化干燥水平僅為10%左右，遠低于日韓的80%～90%［2］。目前中國谷物干燥機主要使用機型為連續(xù)式、批式循環(huán)谷物干燥機，干燥能耗在5 280 kJ／kg·H2O左右［3］。干燥能耗以及干燥成本過大是制約中國糧食機械化干燥的重要因素?？諝庠礋岜酶稍锵到y(tǒng)空氣溫度在30～50℃，滿足稻谷低溫干燥的要求，有利于提升大米品質(zhì)，且空氣源熱泵是一種將環(huán)境空氣低品位能提升至高品位能進行利用的裝置，其性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）大約在3.0左右，節(jié)能效果顯著［4－6］。目前空氣源熱泵作為干燥機的熱源，已應(yīng)用于谷物干燥。熱泵谷物干燥系統(tǒng)由空氣源熱泵和谷物干燥機組成，空氣源熱泵系統(tǒng)主要有熱泵加熱系統(tǒng)、熱泵余熱回收系統(tǒng)、熱泵除濕系統(tǒng)、熱泵半封閉循環(huán)系統(tǒng)、熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)、熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)、熱泵熱水儲存供熱系統(tǒng)，谷物干燥機主要采用有倉儲干燥器、流化床、攪拌流化床、批式循環(huán)橫流谷物干燥機、批式循環(huán)混流谷物干燥機。

1 熱泵系統(tǒng)空氣循環(huán)回路的優(yōu)化

傳統(tǒng)空氣源熱泵是一種以環(huán)境空氣為低溫?zé)嵩吹墓?jié)能裝置，如圖1所示。液體制冷劑在蒸發(fā)器從低溫空氣吸熱氣化成低壓蒸氣，然后經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓蒸氣，高溫高壓蒸氣在冷凝器內(nèi)對環(huán)境空氣加熱。熱泵蒸發(fā)器具有降溫除濕的功能，冷凝器具有加熱功能，熱泵干燥系統(tǒng)利用熱泵處理空氣作為干燥介質(zhì)。Saensabai等［7］研究空氣源熱泵干燥系統(tǒng)表明環(huán)境空氣狀態(tài)顯著影響著熱泵干燥性能，為優(yōu)化熱泵干燥性能，熱泵結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)環(huán)境空氣狀態(tài)設(shè)計，優(yōu)化系統(tǒng)空氣循環(huán)回路。

1.1 熱泵余熱回收系統(tǒng)

熱泵余熱回收系統(tǒng)以谷物干燥機尾氣為低溫?zé)嵩矗鐖D2所示，因尾氣的溫度和焓高于環(huán)境空氣，蒸發(fā)器可充分吸收利用余熱，增大了蒸發(fā)器的吸熱量，有效提高了熱泵系統(tǒng)的 COP。Theerakulpisut［8］在環(huán)境溫度 16 ℃、含濕量10 g／kg狀態(tài)下對比研究了熱泵加熱系統(tǒng)和熱泵余熱回收系統(tǒng)的性能。由圖3可知，熱泵余熱回收系統(tǒng)COP接近3.5左右，明顯大于熱泵加熱系統(tǒng)。當(dāng)冷凝器進口環(huán)境空氣狀態(tài)一定時，熱泵余熱回收系統(tǒng)冷凝器釋放的熱量更多，空氣加熱后的焓值更高，單位能耗去除的稻谷水分（SMER）更大。Kato［9］在環(huán)境溫度為21.2℃，含濕量7 g／kg時采用熱泵余熱回收系統(tǒng)對600 kg稻谷進行了干燥試驗，試驗表明熱泵余熱回收系統(tǒng)COP為3.72，系統(tǒng)相對傳統(tǒng)熱泵加熱系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。熱泵余熱利用系統(tǒng)適用于高溫低濕氣候，高溫低濕環(huán)境空氣是最佳的待加熱的干燥介質(zhì)，其自身具有一定的干燥能力。同時高溫低濕環(huán)境空氣的焓低于干燥尾氣（高溫高濕），系統(tǒng)利用尾氣潛熱COP更高。該系統(tǒng)可應(yīng)用于中國北方夏季及秋季的谷物干燥。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)（熱泵加熱系統(tǒng)）Figure 1 Air source heat pump（heat pump system for heating）

圖2 熱泵余熱回收系統(tǒng)Figure 2 Heat pump system for heat recovery

圖3 熱泵余熱回收系統(tǒng)的性能Figure 3 Performance of heat pump system for heat recovery

1.2 熱泵除濕系統(tǒng)

熱泵除濕系統(tǒng)（圖4）適用于低溫干燥和熱敏性物料干燥，有利于提高干燥產(chǎn)品品質(zhì)。Somchart等［10］將熱泵除濕系統(tǒng)應(yīng)用于稻谷種子干燥，在環(huán)境空氣溫度30℃，相對濕度70%的狀態(tài)下，4 000 kg稻谷由22.15%干燥至12.45%，干燥能耗為1 850 kJ／kg·H2O。上海能源研究所［11］開發(fā)的熱泵除濕糧食烘干機，干燥能耗為1 925 kJ／kg·H2O。Theerakulpisut［8］在環(huán)境溫度22℃、含濕量10 g／kg的低濕狀態(tài)下，進行了熱泵除濕干燥試驗，研究表明為去除空氣中的水分，空氣在蒸發(fā)器處溫降大，冷凝器對除濕后冷空氣再加熱能量損失過大，造成干燥空氣溫度過低，僅為30℃，遠低于熱泵加熱系統(tǒng)的40℃（如圖5所示），嚴(yán)重影響到了熱泵除濕系統(tǒng)干燥性能，熱泵除濕系統(tǒng)SMER下降顯著。Bekki等［12，13］利用熱泵除濕系統(tǒng)進行了稻谷薄層干燥試驗，研究表明稻谷干燥速率隨干燥空氣溫度的升高和相對濕度的降低而提高，其中干燥空氣溫度為主要影響因素。研究表明熱泵除濕系統(tǒng)對低濕空氣除濕，為去除空氣中水分空氣溫度下降嚴(yán)重。當(dāng)空氣為高濕狀態(tài)時，蒸發(fā)器既充分利用了除濕冷凝潛熱，溫降也相對減小，可有效降低干燥能耗，故熱泵除濕系統(tǒng)適用于高溫高濕氣候和陰雨天氣。

1.3 熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)

圖4 熱泵除濕系統(tǒng)Figure 4 Heat pump dehumidifying system

廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所［14，15］在熱泵除濕稻谷干燥系統(tǒng)的蒸發(fā)器兩側(cè)設(shè)計一組分離式熱管換熱器，如圖6所示。環(huán)境空氣先經(jīng)過熱管換熱器蒸發(fā)端預(yù)冷接近露點，飽和濕空氣接著進入熱泵蒸發(fā)器充分冷凝除濕，除濕后的空氣進入熱管換熱器冷凝端預(yù)加熱，然后進入熱泵冷凝器充分加熱變?yōu)楦邷氐蜐窨諝?，最后進入稻谷干燥機進行干燥，熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)相當(dāng)于有兩個制冷劑循環(huán)回路，濕空氣經(jīng)過兩次降溫和升溫過程。

圖5 熱泵除濕系統(tǒng)的性能Figure 5 Performance of heat pump dehumidifying system

圖6 熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)Figure 6 Grain drying by heat pump dehumidifying system with heat pipe

試驗研究［14］表明當(dāng)環(huán)境空氣溫度為27℃，相對濕度為70%，安裝熱管換熱器后，熱泵蒸發(fā)器冷量主要用于濕空氣冷凝除濕，濕空氣除濕量由4.51 g／kg·干空氣增至5.94 g／kg·干空氣，熱管輔助除濕效果顯著。同時安裝熱管換熱器后，由于熱管蒸發(fā)端的冷量合理回收利用，對除濕后低溫空氣進行預(yù)加熱，系統(tǒng)處理后的空氣溫度由43℃提高至45℃（見圖7中7、8點）。熱管輔助熱泵除濕，提高了系統(tǒng)的除濕能力和處理后空氣的溫度，從而提高了熱空氣進入循環(huán)谷物干燥后的干燥能力，降低了稻谷干燥能耗。在環(huán)境空氣狀態(tài)（26.2℃，80.2%）下，熱管輔助熱泵除濕稻谷干燥能耗為1 560 kJ／kg·H2O，相對熱泵除濕干燥系統(tǒng)節(jié)能15.6%（見表1）。熱管輔助熱泵干燥系統(tǒng)是熱泵除濕系統(tǒng)的改良裝置，利用熱管充分除濕降低了干燥空氣的相對濕度，提高了干燥空氣的溫度。適用于陰雨天氣或者高溫高濕氣候，可在中國華南地區(qū)推廣應(yīng)用。

1.4 熱泵半封閉循環(huán)系統(tǒng)

圖7 熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)空氣處理焓濕圖Figure 7 Psychrometric chart of moist air in the heat pump dehumidifying system with heat pipe

表1 各種熱泵稻谷干燥系統(tǒng)性能對比Table 1 Performance of various heat pump systems for rice drying

向飛等［16］設(shè)計了熱泵半封閉式循環(huán)系統(tǒng)（如圖8所示）。經(jīng)熱泵冷凝器加熱后的干燥空氣對剛進入流化床的高濕稻谷進行干燥，空氣快速接近飽和狀態(tài)，逐漸失去繼續(xù)吸濕的能力，這部分高濕空氣再循環(huán)進入熱泵蒸發(fā)器，充分利用干燥后高濕尾氣的潛熱。干燥空氣對干燥后期低濕稻谷干燥，空氣吸收水分減少，空氣一直處于低濕狀態(tài)，這部分空氣混合進的新風(fēng)，進入熱泵冷凝器進行循環(huán)加熱。進入流化床的新風(fēng)充分利用出干燥室稻谷的余熱進行預(yù)熱提升溫度，混合空氣為高溫低濕空氣，有效提高了進入冷凝器空氣的溫度，提高了整體系統(tǒng)的干燥性能。試驗［17］研究表明，當(dāng)干燥室入口空氣溫度在64.4～71.7℃間波動，新風(fēng)比約為30%，熱泵半封閉循環(huán)系統(tǒng)平均COP為3.34，SMER可達1.935 kg／（k W·h）。

圖8 熱泵半封閉循環(huán)系統(tǒng)Figure 8 Semi－closed heat pump system

1.5 熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)環(huán)境空氣為低溫高濕狀態(tài)時，熱泵加熱系統(tǒng)中蒸發(fā)器吸收低溫空氣的熱量不足，熱泵COP顯著下降。同時進入冷凝器的低溫高濕空氣加熱到干燥溫度所需制熱量增大，干燥空氣的相對濕度過大，熱泵加熱系統(tǒng)干燥谷物的能耗增大。張緒坤［18］采用熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)對稻谷進行了干燥，發(fā)現(xiàn)當(dāng)干燥空氣為相對低溫高濕（35℃，55%）狀態(tài)時，稻谷干燥品質(zhì)得到了顯著提升，爆腰率僅為1.3%，遠低于稻谷干燥標(biāo)準(zhǔn)的3.0%。同時干燥能耗為2 022 kJ／kg·H2O，并未因低溫高濕環(huán)境氣候急劇增大。熱泵閉合系統(tǒng)不受外界環(huán)境空氣狀態(tài)變化影響，系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定。低溫高濕空氣既不合適做熱泵低溫?zé)嵩矗膊贿m合作待加熱的干燥介質(zhì)，熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)（圖9）因干燥介質(zhì)空氣閉合循環(huán)的特點，可有效應(yīng)用于低溫高濕氣候。

1.6 熱泵熱水儲能供熱系統(tǒng)

Takahiro等［3］設(shè)計了一套以熱水作為中間換熱介質(zhì)的熱泵稻谷干燥系統(tǒng)，系統(tǒng)由熱泵單元、熱水儲存器、熱交換器、稻谷干燥機四部分組成。如圖10所示。整個系統(tǒng)以熱水作為中間換熱介質(zhì)，熱水在冷凝器被加熱，然后循環(huán)至換熱器對環(huán)境空氣進行加熱，加熱后的空氣作為干燥介質(zhì)對稻谷進行干燥。該系統(tǒng)設(shè)計熱水儲存器，為稻谷干燥機提供一個穩(wěn)定的熱風(fēng)流，同時熱水在熱泵、熱水儲存器、熱交換器中循環(huán)利用，降低了能量的損失率。此外該系統(tǒng)以熱水儲存器作為熱源可以對蒸發(fā)器進行除霜，無需熱泵系統(tǒng)停止運行除霜，提高了熱泵運行效率，有利于應(yīng)用在低溫氣候地域。利用該系統(tǒng)開展稻谷干燥試驗，系統(tǒng)加熱后的熱空氣穩(wěn)定在（29.6 ℃，40.9%），空氣流量為0.64 m3／s，500 kg濕稻谷由20.4%干燥至15.1%，干燥能耗為1.68 kJ／kg·H2O，節(jié)能效果顯著［3］（見表1）。熱泵熱水儲能供熱系統(tǒng)解決了蒸發(fā)器在低溫狀態(tài)下運行結(jié)霜的問題，且熱水循環(huán)利用，能源利用率高，適用于低溫氣候。

圖9 熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)圖Figure 9 Closed－loop heat pump system

圖10 熱泵熱水儲能供熱系統(tǒng)Figure 10 Heat pump system for heat store and supply

2 谷物干燥器的應(yīng)用

2006年國家糧食局成都糧食儲藏科學(xué)研究所在四川德陽南站國家糧食儲備庫建立了熱泵稻谷倉儲干燥示范基地，其中儲存稻谷1 200 t［19］。2009年代建國等［20，21］在中央儲備糧昆明直屬庫的高大平房倉建立了太陽能輔助熱泵倉儲干燥示范點，其中儲存玉米3 754 t。Kato等［9］先后利用熱泵系統(tǒng)組合循環(huán)橫流式谷物干燥機進行了稻谷干燥試驗研究，Theerakulpisut［8］采用熱泵系統(tǒng)組合循環(huán)混流式谷物干燥機進行了稻谷試驗研究，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所［15］先后開發(fā)了6，10 t／批的熱泵稻谷干燥機，其中干燥機為循環(huán)混流式谷物干燥機。該設(shè)備目前已在華南地區(qū)推廣應(yīng)用30臺套左右。

向飛等［16］開發(fā)了熱泵流化床，并開展了小麥干燥試驗研究。當(dāng)干燥空氣溫度為80℃時，200 kg小麥在30 min內(nèi)由23%干燥至13%，凸顯了流化床干燥的效率。張緒坤［18］研究熱泵流化床干燥過程發(fā)現(xiàn)，為保證物料干燥時處于流化狀態(tài)，干燥空氣需有一定壓力和流量，風(fēng)機消耗動力比較大，大約占整個系統(tǒng)總能耗的50%左右。為降低風(fēng)機能耗，在流化床中設(shè)置攪拌器，降低了谷物的流化風(fēng)速以及干燥空氣風(fēng)量，增強了谷物的流化效果，提高了谷物的傳熱傳質(zhì)效果［22］（如圖11所示）。當(dāng)熱泵干燥溫度為35℃時，300 kg稻谷由25%初始含水率降低至14%，干燥時間7.5 h，干燥速率1.47%／h（濕基含量），干燥速率大于相同溫度下的燃油循環(huán)谷物干燥機。干燥能耗為2 022 kJ／kg·H2O，在提高干燥速率的前提下，干燥能耗略有增大。

圖11 熱泵攪拌穿流干燥器Figure 11 Heat pump dryer with agitated fluidized bed

3 太陽能輔助熱泵谷物干燥

Best等［23］將太陽能與熱泵組合應(yīng)用于稻谷薄層干燥，太陽能集熱器安裝于干燥室頂部集熱對干燥室進行加熱，熱泵系統(tǒng)先后采用熱泵余熱回收系統(tǒng)和熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)。

Hawlader等［24，25］開發(fā)一套太陽能輔助熱泵干燥與熱水系統(tǒng)，并進行了谷物薄層干燥試驗，如圖12所示。太陽能集熱器又為熱泵蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器吸收輻射熱后蒸發(fā)，分流進入壓縮機和除濕器。制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮為高壓蒸氣后，在冷凝器5放熱，最后循環(huán)流入蒸發(fā)器。制冷劑蒸氣在除濕器對干燥器出來的熱濕空氣除濕后冷凝流回蒸發(fā)器。干燥介質(zhì)空氣從干燥器出來后先經(jīng)過除濕器除濕，接著經(jīng)過空氣加熱器（太陽能集熱器）加熱，然后經(jīng)過冷凝器5和輔助加熱器6加熱，最后進入干燥器循環(huán)。試驗研究［24］表明，空氣加熱器集熱效率在有和沒有除濕器時分別為0.72～0.76，0.42～0.48；當(dāng)空氣加熱器集熱效率為0.76時，蒸發(fā)器集熱效率最大為0.87。太陽能集熱器作為熱泵蒸發(fā)器，與熱泵系統(tǒng)耦合供熱，有效提高了太陽能集熱器的集熱效率、太陽能供熱率（SF）以及整體系統(tǒng)的COP。當(dāng)空氣加熱器集熱面積為1.25 m2、蒸發(fā)器集熱面積2 m2、干燥溫度為50℃、制冷劑流量0.036 kg／s，SF最大為89%，節(jié)能效果顯著［20，21］。

圖12 太陽能輔助熱泵干燥與熱水系統(tǒng)Figure 12 Schematic diagram of solar assisted heat pump dryer and water heater

代彥軍等［20，21］開發(fā)了一套太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統(tǒng)，太陽能集熱器和熱泵系統(tǒng)通過分開供熱的方式組合，如圖13所示。當(dāng)天氣晴朗，太陽能集熱器和熱泵加熱系統(tǒng)分別同時將環(huán)境空氣加熱，兩股空氣混合后進入干燥倉對糧食進行干燥。當(dāng)夜間沒有太陽時，熱泵加熱系統(tǒng)單獨運行進行糧食干燥。當(dāng)出現(xiàn)陰雨天，環(huán)境空氣濕度太大時，熱泵加熱系統(tǒng)調(diào)整為熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)。

太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統(tǒng)中太陽能集熱系統(tǒng)集熱功率可以達到20～50 k W，熱泵加熱系統(tǒng)可以提供加熱量90 k W左右。試驗在云南10月份左右進行，環(huán)境溫度在15℃左右，典型天氣情況下系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，太陽能對個系統(tǒng)的供熱率SF為23%～36%，熱泵COPH可達5.0，整體系統(tǒng)的COPCH為5.88～6.86［20］。

圖13 太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統(tǒng)Figure 13 Schematic diagram of solar assisted heat pump bulk dryer

太陽能熱泵耦合系統(tǒng)以太陽能集熱器為熱泵蒸發(fā)器，集熱器在低溫狀態(tài)下將輻射熱傳遞給制冷劑，有效提高了集熱器的傳熱系數(shù)，提高了集熱效率。同時系統(tǒng)設(shè)計了另一個太陽能集熱器，作為空氣的輔助加熱器，有效提高了太陽能的供熱率SF。該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，但只適用于晴朗天氣。太陽能熱泵組合系統(tǒng)有效解決了該問題，通過分解太陽能和熱泵兩個不同空氣加熱系統(tǒng)，然后混合加熱后的熱空氣作為干燥空氣，可應(yīng)用于不同天氣氣候。

4 結(jié)論

（1）熱泵谷物干燥系統(tǒng)中熱泵余熱回收系統(tǒng)適用于高溫低濕氣候，熱管輔助熱泵除濕系統(tǒng)適用于高溫高濕氣候，熱泵閉合循環(huán)系統(tǒng)適用于低溫高濕氣候，熱泵熱水儲能供熱系統(tǒng)適用于低溫氣候，且有利于熱泵除霜。

（2）循環(huán)谷物干燥機是小型熱泵谷物干燥機的首選機型，流化床有利于提高谷物干燥速率。

（3）太陽能集熱器和熱泵系統(tǒng)耦合供熱，可提高太陽能集熱器的集熱效率、太陽供熱率SF以及整體系統(tǒng)的COP。太陽能集熱器和熱泵系統(tǒng)組合供熱，可實現(xiàn)不同氣候下的供熱模式。

1 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工局.農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的通知［EB／OL］.（2011－5－18）［2011－11－02］.http：／／www.moa.gov.cn／zwllm／ghjh／201111／t20111102＿2392578.htm.

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