熱管和熱泵聯(lián)合技術(shù)在谷物干燥領(lǐng)域的應(yīng)用研究

李永田+張麗

摘要 糧食儲備是保障糧食具有使用價(jià)值的重要環(huán)節(jié)，使糧食干燥到科學(xué)的含水量是糧食儲備的重中之重。糧食儲備體量大，耗能多，節(jié)能問題值得工程技術(shù)人員重視。能源問題也是影響到國家安全的問題，減少糧食干燥用能勢在必行。本文介紹了熱管和熱泵等節(jié)能減排技術(shù)在糧食烘干領(lǐng)域的應(yīng)用研究情況，以期為保障糧食儲備安全提供參考。

關(guān)鍵詞 熱管；熱泵；谷物干燥

中圖分類號 TK173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）21-0147-02

目前，我國廣大地區(qū)的糧食干燥仍然以人工晾曬為主，而每年機(jī)械化干燥的糧食約有3 700萬t[1]。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國干燥1 t糧食消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.07 t[2]，僅糧食干燥一項(xiàng)就需耗用約260萬t標(biāo)準(zhǔn)煤[3]，排放出大量CO2、SO2及灰分等污染物，而且作業(yè)方式粗獷，節(jié)能意識匱乏，無有效節(jié)能措施，谷物干燥降1 kg水需要能耗指標(biāo)為5 000～8 000 kJ，高于發(fā)達(dá)國家的指標(biāo)（3 344～4 598 kJ）[4]，為此，我國谷物干燥從技術(shù)、設(shè)備、工藝等方面的提升具有空間。結(jié)合文獻(xiàn)及多年熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)的應(yīng)用，擬定將熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)嵌入到谷物干燥工藝中。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)描述，熱管式換熱器比普通列管換熱器節(jié)能10%，熱管太陽集熱器作為谷物干燥可節(jié)能70%左右[5]，利用地源熱泵干燥谷物，總電功率減少34.8%[6]，運(yùn)行成本節(jié)約40.6%[7]。

對于稻谷、蕎麥、谷子等易烘損糧食，應(yīng)適當(dāng)降低干燥強(qiáng)度，采用低溫、大流量，留夠谷物緩蘇時(shí)間，必要時(shí)采取間歇式干燥策略。同時(shí)，為防止谷物表面產(chǎn)生裂紋，谷物在干燥時(shí)，換熱表面膜層溫度不宜超過40 ℃[5]；對于玉米干燥，因含水分與當(dāng)年降水、儲運(yùn)、收割方式等差異大，糧粒受熱面溫度不宜超過50～55 ℃[5]；對于小麥，干燥后能磨出高中路面粉，糧粒的受熱面溫度不應(yīng)超過55～60 ℃[5]。可見，干燥溫度均不超過60 ℃，利用熱泵產(chǎn)生熱風(fēng)作為谷物干燥所需的溫度要求能夠滿足。同時(shí)，60 ℃的廢熱排出，也能夠激發(fā)熱管工質(zhì)氣化，并通過熱管內(nèi)部氣液二相流的轉(zhuǎn)化而完成冷凝回流。

1 熱管和熱泵技術(shù)簡介

1.1 熱管技術(shù)介紹

熱管工作原理于1944年由美國通用公司的R.S.Gaugler在專利（US2350348）中提出[7]。1962年日本人L.Trefethen[8]提出類似的傳熱元件，擬定用于宇宙飛船。幾經(jīng)論證，在1965年Cotter第一次提出比較完整的熱管理論[9]。我國20世紀(jì)70年代開始研究熱管技術(shù)，80年代初熱管的研究及開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用[10]。熱管的工作原理簡單描述：普通的熱管由管殼、吸液芯和端蓋構(gòu)成，用熱排或者抽真空的工藝，將管腔抽成1.3×10-4～1.3×10-1負(fù)壓后，充裝適量工作液體。熱管的一段為蒸發(fā)段（熱量輸入），一側(cè)為冷凝段（熱量輸出），根據(jù)工藝需要中間布置適當(dāng)?shù)慕^熱段，而熱管工作過程中，蒸發(fā)和冷凝是同時(shí)進(jìn)行的，內(nèi)部是氣液二相流，具體見圖1。

在熱管原理成熟以后，從結(jié)構(gòu)上講，出現(xiàn)了重力熱管、環(huán)路熱管、分體式熱管等。常溫?zé)峁芄ぷ鳒囟纫话銥?～250 ℃[11]，完全滿足谷物烘干需要。

1.2 熱泵技術(shù)介紹

熱泵理論要追溯到1824年卡諾發(fā)表的卡諾循環(huán)的論文，1852年威廉·湯姆遜提出熱泵構(gòu)想，被稱為熱能倍增器[12]。隨著能源成本增加，節(jié)能減排壓力增大，熱泵技術(shù)逐步被重視，20世紀(jì)二三十年代逐步發(fā)展起來。以常用的熱泵——蒸汽式熱泵來描述其工作原理，具體見圖2。

蒸汽壓縮式熱泵由節(jié)流膨脹部件、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等基本部件構(gòu)成閉合回路，在其中注入冷媒，并在壓縮器的推動(dòng)下，完成冷媒工質(zhì)在各部件中流動(dòng)。熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收外界低溫?zé)崮艿臒崃?，發(fā)生相變；冷媒介質(zhì)吸收熱量，并壓縮機(jī)熱能，由壓縮機(jī)將其壓縮成高溫高壓；隨后，在節(jié)流膨脹閥作用下，高溫高壓冷媒發(fā)生膨脹，壓力降低，溫度不變；最后，冷媒介質(zhì)在冷凝器中向環(huán)境中釋放熱量，冷媒被變成低溫低壓狀態(tài)。制熱溫度低于50 ℃的熱泵已經(jīng)非常成熟，制熱溫度50～100 ℃之間的熱泵，工業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域逐步擴(kuò)展[12]，該制熱溫度也概括了谷物烘干所需的溫度區(qū)間。

1.3 技術(shù)總結(jié)

通過對熱管和熱泵技術(shù)的簡要描述，可以明確利用熱管和熱泵技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)谷物烘干在溫度區(qū)間上是可行的。同時(shí)，也明確預(yù)見得到如果利用2種技術(shù)對廢熱進(jìn)行梯級利用，所需要新輸入的高品位能源勢必要減少。

2 熱管和熱泵聯(lián)用烘干系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

通過前文的描述，推測將熱管與熱泵技術(shù)用于谷物干燥是可以實(shí)現(xiàn)的。如何將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐，A公司的設(shè)計(jì)人員給出了簡要方案，具體見圖3。

該系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、分體式熱管換熱器、蒸汽壓縮式熱泵、煙囪及電源等輔助系統(tǒng)構(gòu)成。連續(xù)干燥過程時(shí)，工作過程描述：溫度tC1、流量Q=V m3/h的空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入熱管冷凝段吸收q1，使得空氣溫度升到tC2，順著煙道空氣進(jìn)入熱泵冷凝器吸收熱量q2，使得空氣溫度升高到th1，溫度為th1的熱空氣，將谷物中的水分帶走，空氣濕度由原來的a1/m3變?yōu)閍2/m3；濕熱空氣進(jìn)一步流動(dòng)至熱管蒸發(fā)段，溫度降至為th2；th2的空氣進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，使得濕熱空氣進(jìn)一步溫度降低至th3，并析出部分冷凝水a(chǎn)3，最后含水量為（a2-a3）/m3的廢空氣由煙囪排放至大氣中。

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