吳耀森，劉 軍，趙錫和，李浩權(quán)，龍成樹

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.廣東省農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630）

稻谷熱泵干燥速率控制技術(shù)初步研究

吳耀森1,2，劉 軍1,2，趙錫和1,2，李浩權(quán)1,2，龍成樹1,2

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.廣東省農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510630）

針對(duì)稻谷熱泵干燥技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)稻谷熱泵干燥速率控制原理，在基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能控制模式的基礎(chǔ)上，提出了高效智能稻谷干燥速率控制技術(shù)，克服了歷史數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制技術(shù)反應(yīng)速度慢且需要不斷更新數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速和精準(zhǔn)控制。

稻谷熱泵干燥 干燥速率 高效智能控制技術(shù)

0 引言

中國稻谷產(chǎn)量位居世界第一。2014年，我國稻谷產(chǎn)量為20642.7萬t，同比去年增加1.38%[1]。收獲后的水稻需要及時(shí)干燥貯藏，我國每年因加工處理不當(dāng)而導(dǎo)致稻谷霉?fàn)€、出芽等損失約250萬t[2]。我國稻谷干燥機(jī)械化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，即使在谷物干燥機(jī)使用較多的東北也不到25%，而日本稻谷干燥機(jī)械化程度已達(dá)到95%以上[3]。自動(dòng)控制是稻谷干燥機(jī)械化的基礎(chǔ)技術(shù)，針對(duì)稻谷干燥技術(shù)，以傳感器、智能控制器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合熱泵節(jié)能技術(shù)已用于稻谷干燥生產(chǎn)。先進(jìn)的控制和節(jié)能技術(shù)提高了生產(chǎn)效率和大米品質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本和能源消耗[4,5]。

稻谷是一種熱敏性作物，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得知，稻谷干燥的合適溫度區(qū)間為35～50℃[6]，保持干燥溫度在此區(qū)間內(nèi)能夠確保稻谷的干燥品質(zhì)。稻谷干燥速率主要與溫度、風(fēng)量和初始含水率相關(guān)。在稻谷干燥自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，對(duì)干燥的溫度和風(fēng)速的控制已經(jīng)達(dá)到了較高的精度，而與控制稻谷干燥速率的相關(guān)研究卻未見文獻(xiàn)報(bào)道。干燥速率是影響稻谷干燥品質(zhì)（爆腰率）的重要指標(biāo)，干燥速率越大，即干燥過程中稻谷顆粒與干燥介質(zhì)之間的水分梯度越大，會(huì)增加稻谷干燥后爆腰率，影響稻谷熱泵干燥品質(zhì)[7]。

1 稻谷熱泵干燥速率控制原理

熱泵稻谷干燥機(jī)是一種節(jié)能、環(huán)保的干燥裝置。熱泵系統(tǒng)硬件設(shè)施確定后，衡量其干燥能力的最大COP系數(shù)[8]也隨之確定，即在一定環(huán)境下，熱泵系統(tǒng)吸收的最大熱量Qm為確定值。在實(shí)際工作過程中，設(shè)定不同干燥溫度，熱泵系統(tǒng)的COP系數(shù)會(huì)隨之改變，隨著選取干燥溫度的升高而減少。熱泵稻谷干燥機(jī)干燥溫度范圍為35～65℃。熱泵系統(tǒng)吸收的最大熱量Qm的計(jì)算公式為

式中 Qm熱泵系統(tǒng)吸收的最大熱量，J；Cp為空氣比熱容，J/(kg·℃)；m為單位時(shí)間內(nèi)干燥介質(zhì)空氣的質(zhì)量，kg；ΔT為空氣介質(zhì)干燥前后溫度差，℃；Q0為壓縮機(jī)制冷量（蒸發(fā)器的吸熱量），W；W為壓縮機(jī)、機(jī)組風(fēng)機(jī)及干燥室內(nèi)風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備所消耗功率，W；Te為蒸發(fā)溫度，℃；TC為冷凝溫度，℃；TW為環(huán)境空氣溫度，℃；8為熱泵系統(tǒng)過熱度，℃（一般熱泵系統(tǒng)的過熱、過冷度隨系統(tǒng)運(yùn)行工況而變化，為5～10℃，現(xiàn)取8℃）。

稻谷干燥機(jī)熱泵稻谷干燥機(jī)的干燥速率Vr定義

式中 Vr為干燥速率，%·h-1；Wt為t時(shí)刻稻谷濕基含水率，%；Wt-1為t-1時(shí)刻稻谷濕基含水率，%；Δm為取樣計(jì)算周期時(shí)間內(nèi)稻谷的去水量，kg。

通過溫濕度計(jì)檢測(cè)進(jìn)入和排出干燥倉中空氣介質(zhì)的絕對(duì)濕度的變化，可計(jì)算單位時(shí)間的除水質(zhì)量

式中 G為風(fēng)量，m3/h；Δt為取樣計(jì)算周期，s；yt為t時(shí)刻的空氣絕對(duì)濕度，kg水蒸氣/kg干空氣；y0為環(huán)境空氣絕對(duì)濕度，kg水蒸氣/kg干空氣。

由公式（1）、（2）、（3）可知，在一定環(huán)境條件下，熱泵系統(tǒng)從環(huán)境中吸收的熱量是一定的，給定一個(gè)溫度值Tt，勢(shì)必有一個(gè)對(duì)應(yīng)的冷凝溫度Tc，而Tc是與風(fēng)量值G相對(duì)應(yīng)，風(fēng)量繼續(xù)增大，系統(tǒng)必須提高冷凝溫度來維持設(shè)定溫度，所以當(dāng)環(huán)境溫度，也就是蒸發(fā)溫度一定時(shí)，熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度是風(fēng)量G的單值函數(shù)，而系統(tǒng)COP只與系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度相關(guān)，所以制熱系數(shù)COP也是風(fēng)量G的單值函數(shù)。由式（4）、（5）可知，稻谷干燥速率是Δm的單值函數(shù)，當(dāng)Δm值達(dá)到最大時(shí)，也就是說在給定的采樣周期內(nèi)稻谷失去水分越多，干燥速率越快，V值越大。從式（6）可知，Δm為G的單值函數(shù)。

從式（6）可看出，稻谷干燥速率Vr為風(fēng)量G的單值函數(shù)，每一個(gè)風(fēng)量G都有唯一的干燥速率與之對(duì)應(yīng)。稻谷干燥速率控制最終轉(zhuǎn)化為熱泵系統(tǒng)風(fēng)量G控制。因此，通過不斷改風(fēng)量G的大小，使Δm的值達(dá)到最大值，也就是稻谷干燥速率Vr最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量值，此時(shí)熱泵系統(tǒng)的COP也是確定的。

稻谷是一種熱敏性作物。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得知，稻谷干燥的合適溫度區(qū)間為保持干燥溫度在45～55℃范圍內(nèi)，此區(qū)間能夠確保稻谷的干燥品質(zhì)。在批式循環(huán)稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的過程中，稻谷水分不斷被蒸發(fā)，水分含量降低，也即是稻谷中水分含量在干燥過程中是一個(gè)不斷變化的量。稻谷干燥速率控制原理存在的兩個(gè)假設(shè)分別是：①在某一小段時(shí)間熱泵批式循環(huán)干燥機(jī)干燥倉中稻谷的水分含量相差不大，近似于某一個(gè)水分含量值，假設(shè)其值相等；②假設(shè)環(huán)境溫度（熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度）和濕度不隨熱泵系統(tǒng)工況改變而保持恒定。由于熱泵系統(tǒng)提供的熱量Q是恒定的，也可以將提供的熱量導(dǎo)入干燥室用于稻谷干燥的熱量認(rèn)為是恒定的，所以可通過改變風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前干燥速率趨近于最大的干燥速率，并通過比較相鄰兩次檢測(cè)換算出來的稻谷干燥速率來調(diào)整風(fēng)量G，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)平均干燥速率的最大化的目標(biāo)。

2 基于歷史數(shù)據(jù)的智能控制基礎(chǔ)模型

基于歷史數(shù)據(jù)的智能控制是利用已有的大量歷史數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)運(yùn)行過程中每一個(gè)采樣周期得到的溫度、風(fēng)量和濕度的數(shù)值，不斷與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，查找并對(duì)比熱泵運(yùn)行效率，得到最佳的干燥工藝；而普通熱泵干燥設(shè)備僅僅只對(duì)設(shè)定的參數(shù)在一定偏差內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)控制，而不考慮實(shí)際干燥速率以及熱泵運(yùn)行狀況。筆者采用GRJ-10型熱泵稻谷干燥機(jī)對(duì)稻谷干燥進(jìn)行12次試驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)過程中溫度、風(fēng)量、濕度三者的關(guān)系，得出干燥速率區(qū)域圖。通過簡單的插值，可以估算其他溫度、風(fēng)量與干燥速率的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 溫度-風(fēng)量-平均干燥速率區(qū)域圖

由于熱泵的運(yùn)行效率隨風(fēng)量和環(huán)境溫濕度的變化而變化，把干燥速率、干燥溫度、風(fēng)量和熱泵運(yùn)行效率作為基本參數(shù)，建立如下模型

式中 Q為熱泵系統(tǒng)供熱量，W；Q0為壓縮機(jī)制冷量，W；P0為壓縮機(jī)輸入功率，W；q為壓縮機(jī)單位溫度制冷量差值；p為壓縮機(jī)單位溫度輸入功率差值；G為風(fēng)量，m3/h；t0為環(huán)境溫度，℃；T為干燥溫度，℃；V1～4為干燥曲線與干燥溫度圍城區(qū)域的邊界點(diǎn)，%·h-1；VT,G為風(fēng)量G（1.5＜G＜2.0）下不同溫度的稻谷干燥速率，%·h-1。

每一個(gè)風(fēng)量G，可以得出一個(gè)干燥速率V，取V最大時(shí)為干燥參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不斷查找歷史干燥速率，并對(duì)比熱泵運(yùn)行效率，得出最佳運(yùn)行工況?；A(chǔ)模型的特點(diǎn)：反應(yīng)速度快，啟動(dòng)設(shè)備后立刻可以運(yùn)行在歷史最大速率狀態(tài)，但需要大量的歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

3 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能控制技術(shù)

針對(duì)不同環(huán)境，控制送風(fēng)、尾氣溫濕度及風(fēng)量，使熱量利用最大化，提出了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能控制系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋控制，根據(jù)尾氣干濕球溫度數(shù)據(jù)與送風(fēng)時(shí)空氣的干濕球溫度進(jìn)行比較的到含濕量差值反饋給熱泵除濕控制系統(tǒng)來改變除濕量，進(jìn)而控送風(fēng)狀態(tài)和風(fēng)量，通過含濕量和除濕量來共同控制熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2中的數(shù)據(jù)全部采用實(shí)時(shí)采集，形成兩個(gè)閉環(huán)回路，采用除濕量和含濕量差分別控制熱泵制冷工況和送風(fēng)狀態(tài)與風(fēng)量。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)只能控制系統(tǒng)的有點(diǎn)就是控制精度高，適應(yīng)多變的天氣和稻谷品種。同時(shí)存在反應(yīng)速度慢，需要不斷更新和對(duì)比數(shù)據(jù)才能達(dá)到最大干燥速率狀態(tài)。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)流程圖

4 高效智能稻谷干燥速率控制技術(shù)

為了克服歷史數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制技術(shù)反應(yīng)速度慢且需要不斷更新數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，提出了高效智能控制技術(shù)解決方案，控制原理如圖3所示。高效智能控制技術(shù)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中增加了歷史數(shù)據(jù)控制和存儲(chǔ)模塊，系統(tǒng)首先運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)模塊，完成初始工況時(shí)即轉(zhuǎn)入智能控制模式，并儲(chǔ)存智能控制模式運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)再次開機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)即以其作為歷史數(shù)據(jù)模塊，以此循環(huán)。

智能控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)控制模塊，相當(dāng)于預(yù)設(shè)一個(gè)高效運(yùn)行點(diǎn)，而下一個(gè)運(yùn)行工況立刻改為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制，克服了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)隨機(jī)選擇的起始運(yùn)行狀態(tài)的缺點(diǎn)，又克服了歷史數(shù)據(jù)控制無法自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化的不足。智能控制系統(tǒng)具有結(jié)合歷史數(shù)據(jù)智能控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能控制，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了快速和精準(zhǔn)控制的特點(diǎn)。

圖3 智能控制技術(shù)原理流程圖

5 結(jié)束語

與一般熱泵控制技術(shù)相比較，高效智能稻谷干燥速率控制技術(shù)根據(jù)對(duì)稻谷熱泵干燥特性和干燥速率控制技術(shù)的分析，提出了基于歷史數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)的高效智能控制技術(shù)。鑒于實(shí)驗(yàn)條件有限，高效智能控制技術(shù)處于初步研究階段，未來控制技術(shù)可以考慮稻谷在干燥過程中溫度的變化，以及稻谷干燥速率對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況以及干燥品質(zhì)的影響。

[1]胡文忠.2015年稻米市場(chǎng)形勢(shì)預(yù)測(cè)[J].黑龍江糧食.2015（2）.

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Preliminary Study of Rice Heat Pump Drying Rate Control Technology

Wu Yaosen,Liu Jun,Zhao Xihe,Li Haoquan,Long Chenshu
(1.GuangDong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou,GuangDong 510630,China; 2.Key Lab of GD for Agricultural Products Dry Processing Engineering,Guangzhou,GuangDong 510630,China)

This paper research on Drying rate of rice heat pump,according to the drying rate of rice heat pump control theory,based on the basis of intelligent control mode historical data and real-time data on the proposed intelligent and efficient rice drying rate control technology,intelligent control technology to overcome historical data to rely heavily on historical data and test data and real-time data control reaction is slow and shortcomings of the data need to be updated to achieve a rapid and precise control.

rice heat pump drying，drying rate，efficient intelligent control technology

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA10A502）；2012年度省級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技提升專項(xiàng)資金（2130106）

吳耀森(1979-),男（漢族），廣東，碩士，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工裝備的研發(fā)及推廣應(yīng)用。E-mail:scutwys@163.com