張德高，謝煥雄，顏建春，吳慧昌，周新星，嚴(yán) 偉，姚禮軍

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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地源熱泵稻谷干燥機(jī)板翅換熱器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張德高，謝煥雄，顏建春，吳慧昌，周新星，嚴(yán) 偉，姚禮軍

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

針對(duì)稻谷干燥機(jī)作業(yè)成本過高和干燥后的物料品質(zhì)差的問題，將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于稻谷干燥機(jī)，設(shè)計(jì)了一套板翅式換熱器加熱空氣，計(jì)算得出芯體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，以降低單位作業(yè)量成本，提高干燥后的物料品質(zhì)。試驗(yàn)研究表明：當(dāng)環(huán)境溫度為環(huán)境溫度16℃、空氣相對(duì)濕度53.2%時(shí)，地源熱泵稻谷干燥機(jī)與燃油稻谷干燥機(jī)的稻谷含水率降低速率無明顯區(qū)別，稻谷干燥性能可達(dá)到同等效果；地源熱泵稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的單位作業(yè)量成本0.040 7元，而燃油稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的單位作業(yè)量成本為0.190 5元，單位作業(yè)量成本明顯降低；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的破損率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.31%，地源熱泵稻谷干燥機(jī)的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的3.0%，干燥后的物料品質(zhì)明顯提高。

稻谷；地源熱泵；換熱器；干燥性能；成本；物料品質(zhì)

0 引言

我國(guó)農(nóng)戶糧食產(chǎn)后儲(chǔ)藏運(yùn)輸過程中的損失率為7%，遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家1%的水平[1]，主要原因是糧食在收獲季節(jié)不能及時(shí)干燥或干燥方法不當(dāng)引起了發(fā)芽、霉變等損失。2013年底，我國(guó)有谷物干燥機(jī)4.28萬臺(tái)，總功率44.14萬kW，干燥糧食數(shù)量7 529.30萬t，糧食干燥量?jī)H占糧食總產(chǎn)的15%左右[2],可見糧食機(jī)械化干燥程度比較低。目前，我國(guó)谷物干燥機(jī)主要使用機(jī)型為連續(xù)式、批式循環(huán)谷物干燥機(jī)[3-9]，干燥能耗在5 280kJ/kg左右。同時(shí)，傳統(tǒng)的依靠燃油、煤等秸稈、作為干燥能源的爐氣高溫干燥容易產(chǎn)生二次污染，且干燥能耗過大，制約中國(guó)糧食機(jī)械化干燥[10-13]。

地源熱泵是一種先進(jìn)的可再生能源利用技術(shù)，每消耗1kW·h的能量，用戶可以得到4～5kW·h的熱量或冷量[14-17]。本文把地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于稻谷干燥機(jī)，計(jì)算確定了換熱器芯體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，并對(duì)地源熱泵稻谷干燥機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。地源熱泵稻谷干燥機(jī)對(duì)于提高糧食品質(zhì)、增加農(nóng)民收益、保障糧食安全，具有十分重要的意義。

1 地源熱泵稻谷干燥機(jī)基本工藝過程

稻谷干燥機(jī)工藝：谷物進(jìn)倉(cāng)，經(jīng)提升機(jī)到干燥機(jī)頂部、上攪龍、谷倉(cāng)緩蘇部、谷倉(cāng)干燥部、下攪龍，最后經(jīng)提升機(jī)谷物出倉(cāng)。地源熱泵機(jī)組通過板翅式換熱器，經(jīng)下本體對(duì)谷倉(cāng)干燥部進(jìn)行加熱干燥，如圖1所示。

圖1 地源熱泵循環(huán)谷物干燥機(jī)工藝過程

2 換熱器芯體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)確定

換熱器芯體設(shè)計(jì)需根據(jù)工作條件下的傳熱負(fù)荷，選擇合適的傳熱材料和結(jié)構(gòu)形式，得到較高的傳熱系數(shù)；選擇合適的流體流動(dòng)方式，獲得較大的對(duì)數(shù)平均溫差，從而以較小的換熱面積達(dá)到傳熱的要求，降低金屬或其他材料的消耗。芯體采用長(zhǎng)六邊形不銹鋼框架，內(nèi)嵌若干層親水鋁箔板翅(間距為d)。其中，六邊形的4個(gè)短邊為交換器的4個(gè)進(jìn)或出風(fēng)口，熱空氣與冷空氣經(jīng)鋁箔相隔不混合交叉相逆流動(dòng)，芯體主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 換熱器芯體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

已知兩股氣流的質(zhì)量流量qm1、qm2及3個(gè)溫度值t1′、t1″、t2″，同時(shí)令(qmc)max=max(qm1c1, qm2c2)；(qmc)min= min(qm1c1, qm2c2)。則在純逆流情況下的所需總傳熱面積Actf計(jì)算過程為

其中，η為換熱器效率； c1為熱空氣比熱[J/(kg·℃)]；c2為冷空氣比熱[J/(kg·℃)]；Rc為兩股氣體熱容量之比； NTU為傳熱單元數(shù)；K為總傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]。

參照谷物干燥機(jī)正常工作情況，熱空氣進(jìn)入芯體前的溫度為35℃，相對(duì)濕度60%；冷空氣進(jìn)入芯體前的溫度為15℃，相對(duì)濕度50%；熱空氣排出芯體后的溫度控制在比進(jìn)入芯體前的冷空氣高2～3℃；氣流在管壁及箱壁的泄漏按氣流總量2%計(jì)算，按通風(fēng)風(fēng)量4 900m3/h計(jì)算，則可得出總傳熱面積A=132m2。

此外，將板翅式換熱器芯體進(jìn)口的壓力損失Δp′、出口的壓力回升Δp及芯體內(nèi)的壓力損失Δpef加起來，可得換熱器芯體的壓降，則

ΔPcore=Δp'+Δpef-Δp

其中

其中，gm為質(zhì)量流速[kg/(m2·s)]；υ′為芯體進(jìn)口處流體比體積(m3/kg)；σ為換熱器芯體的孔度；K′為進(jìn)口壓力損失系數(shù)；υ為芯體出口處流體比體積(m3/kg)；K為出口壓力損失系數(shù)；f為范寧摩擦因子；L為流動(dòng)長(zhǎng)度(m)；de為水力直徑(m)；υm為沿流動(dòng)長(zhǎng)度的平均比體積(m3/kg)。

查詢?cè)O(shè)計(jì)手冊(cè)[18-19]，帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得換熱器熱空氣側(cè)和冷空氣側(cè)的氣體壓力損失分別為150、156Pa。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)谷物品種為稻谷，產(chǎn)自揚(yáng)中市三茅街道指南村。2015年11月10-16日在水稻產(chǎn)地開展地源熱泵稻谷干燥機(jī)試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)裝置與儀器

試驗(yàn)裝置由地源熱泵機(jī)組、換熱器及循環(huán)式谷物干燥機(jī)組成。其中，地源熱泵機(jī)組外購(gòu)FDK-030型農(nóng)用地源熱泵機(jī)組，換熱器和循環(huán)谷物干燥機(jī)自制。

表1 主要試驗(yàn)裝置及儀器

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

在相同環(huán)境空氣狀態(tài)下，通過以下3個(gè)方面進(jìn)行地源熱泵與燃油稻谷干燥機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)。

1)物料含水率隨干燥時(shí)間的變化情況；

2)干燥谷物單位作業(yè)量成本；

3)干燥不均勻度、破損率和爆腰率等3方面的物料品質(zhì)。

3.4 檢測(cè)及計(jì)算方法

1)空氣狀態(tài)參數(shù)(溫度T/相對(duì)濕度φ)：電子溫濕度記錄儀。

2)含水率檢測(cè)：在出料口取樣9次/h，由日本AND的MS-70型稻谷水分測(cè)定儀分別測(cè)定9個(gè)子樣的含水率Mt1，Mt2，…，Mt9，則這一時(shí)刻的平均含水率計(jì)算式為

3)單位作業(yè)量成本P，有

式中 Pd—地源熱泵稻谷干燥機(jī)的單位作業(yè)量成本；

Nd—地源熱泵機(jī)組和谷物干燥機(jī)的總耗電量；

Gd—地源熱泵干燥機(jī)干燥的濕稻谷質(zhì)量。

a—1kW·h電的價(jià)格

式中 Py—燃油稻谷干燥機(jī)的單位作業(yè)量成本；

Ny—谷物干燥機(jī)的耗電量；

Hy—谷物干燥機(jī)的耗油量；

Gy—燃油稻谷干燥機(jī)干燥的濕稻谷質(zhì)量；

b—1L汽油價(jià)格。

4)干燥不均勻度計(jì)算式為

S=Mmax-Mmin

式中 Mtmax—干燥后稻谷所有樣本中含水率的最大值；

Mtmin—干燥后稻谷所有樣本中含水率的最小值。

5)破損率計(jì)算式為

式中 mb—樣品中破損粒質(zhì)量；

m—樣品質(zhì)量。

6)爆腰率計(jì)算式為

式中 nb—樣品中爆腰粒數(shù)量；

n—樣品數(shù)量。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)在環(huán)境溫度16℃、空氣相對(duì)濕度53.2%相同的空氣狀態(tài)條件下進(jìn)行。

3.5.1 含水率

每隔1h取1批樣品，一批樣品取9組，分別測(cè)定含水率。稻谷進(jìn)料完成后，干燥前取第1批樣品，之后每隔1h取1批樣品。表2和表3分別為地源熱泵和燃油稻谷干燥機(jī)的含水率測(cè)定結(jié)果。

表2 地源熱泵稻谷干燥機(jī)的稻谷含水率

表3 燃油稻谷干燥機(jī)的稻谷含水率

圖3 谷物干燥曲線

由圖3可得出：地源熱泵稻谷干燥機(jī)與燃油稻谷干燥機(jī)的稻谷含水率降低速率無明顯區(qū)別，稻谷干燥性能可達(dá)到同等效果。

3.5.2 單位作業(yè)量成本

當(dāng)?shù)仉妰r(jià)a為0.538元/(kW·h)，93#汽油價(jià)格為5.36元/L。地源熱泵稻谷干燥機(jī)試驗(yàn)干燥的濕糧質(zhì)量Nd為4 817.0kg，總耗電量Gd為364.69kW/h，計(jì)算得出干燥稻谷的單位作業(yè)量成本Pd為0.040 7元。燃油稻谷干燥機(jī)試驗(yàn)干燥的濕糧質(zhì)量Ny為4 789.3kg，總耗電量Gy為295.36kW/h，耗油量Hy為140.57升，計(jì)算得出干燥稻谷的單位作業(yè)量成本Py為0.190 5元。由此可得出，燃油稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的單位作業(yè)量成本是地源熱泵稻谷干燥機(jī)的4.72倍。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)，所有采用地源熱泵稻谷干燥機(jī)課高效節(jié)能，明顯降低干燥稻谷的成本。

3.5.3 物料品質(zhì)

1)干燥不均勻度。表4為稻谷干燥不均勻度。地源熱泵稻谷干燥機(jī)的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的干燥后的干燥不均勻度0.57%大于燃油稻谷干燥機(jī)的0.24%。由此得出，地源熱泵稻谷干燥機(jī)的稻谷干燥效果更均勻。

表4 稻谷干燥不均勻度

2)破損率。表5為稻谷破損率。地源熱泵稻谷干燥機(jī)的干燥后稻谷平均破損率1.14%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的1.27%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的破損率增加值0.16%；小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.31%，且滿足谷物干燥機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破損率增加值不大于0.5%的要求。

3)爆腰率。表6為稻谷爆腰率。地源熱泵稻谷干燥機(jī)的干燥后稻谷平均爆腰率5.8%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的7.4%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的3.0%，且滿足谷物干燥機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破損率增加值不大于3%的要求。

表5 稻谷破損率

表6 稻谷爆腰率

由于地源熱泵稻谷干燥機(jī)的熱風(fēng)更溫和均勻，干燥不均勻度、破損率增加值和爆腰率增加值等干燥后的稻谷物料品質(zhì)都更好。

4 結(jié)論

1)地源熱泵稻谷干燥機(jī)有效降低了單位作業(yè)量成本，提高了干燥后的物料品質(zhì)。

2)地源熱泵稻谷干燥機(jī)與燃油稻谷干燥機(jī)的稻谷含水率降低速率無明顯區(qū)別，但地源熱泵稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的單位作業(yè)量成本0.040 7元遠(yuǎn)小于燃油稻谷干燥機(jī)干燥稻谷的單位作業(yè)量成本0.190 5元，單位作業(yè)量成本明顯降低。

3)地源熱泵稻谷干燥機(jī)的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的破損率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的0.31%；地源熱泵稻谷干燥機(jī)的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機(jī)的3.0%，干燥后的物料品質(zhì)明顯提高。

[1] 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工局．農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[R].2011.

[2] 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所．中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化年鑒[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[3] 羅喬軍,張進(jìn)疆,吳耀森,等.稻谷熱管輔助熱泵除濕干燥技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014(S1):247-251.

[4] 胡志超,王海鷗,謝煥雄，等.谷物橫流干燥數(shù)學(xué)模型及模型預(yù)測(cè)控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009(4):96-102.

[5] 陳怡群,常春,胡志超，等.循環(huán)式谷物干燥機(jī)干燥過程的模擬計(jì)算和分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009(7):255-259.

[6] 蔣平,朱傳祥,呂德志,等.循環(huán)式糧食干制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006(11):126-130.

[7] 胡志超,王海鷗,謝煥雄，等.幾種谷物橫流干燥數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(S1):76-82.

[8] 初江,韓穎,丁美賢，等.谷物干燥機(jī)的研究與發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2000(4):26-28.

[9] 趙德春,龐愛國(guó),蔡曉華，等. 5HTB-15型混流式谷物干燥機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(10):87-88.

[10] 周超,趙士杰,杜文亮，等.扁豆熱風(fēng)干燥單因素試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(12):205-208,213.

[11] 弋曉康,吳文福,崔何磊，等.紅棗熱風(fēng)干燥特性的單因素試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(10):148-151.

[12] 弋曉康,胡燦,蔣建云，等.棉瓣熱風(fēng)干燥單因素影響特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(12):196-199.

[13] 段羅佳,趙士杰,杜文亮，等.豇豆熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(12):209-213.

[14] 余龍,俞樹榮,李春玲.地源熱泵供熱性能在糧食干燥中的特性研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014(2):89-93.

[15] 余龍,余建平,俞樹榮，等.地源熱泵糧食干燥系統(tǒng)性能研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2012(3):76-78.

[16] 張民平,顧巍.地源熱泵散糧低溫倉(cāng)工程冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].糧食與飼料工業(yè),2008(2):14-16.

[17] 羅喬軍,張進(jìn)疆,何琳,等.空氣源熱泵谷物干燥的研究進(jìn)展[J].食品與機(jī)械,2014(3):228-233.

[18] 余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[19] 錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Design and Test on Plate Fin Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump Rice Drying Machine

Zhang Degao, Xie Huanxiong，Yan Jianchun ，Wu Huichang，Zhou Xinxing，Yan Wei，Yao Linjun

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture，Nanjing 210014,China)

In order to solve the problem of the high cost of rice drying machine and the poor quality of the dried materials, ground source heat pump technology is applied to the rice drying machine. In this paper, a set of plate-fin heat exchanger which calculated the core structure and technical parameter is designed, which reduces unit production costs and improves the quality after drying. Test research shows that when the environment temperature is ambient temperature of 16 ℃ and air relative humidity of 53.2%, there is no significant rice moisture content difference between the ground source heat pump drying machine and paddy rice drying machine with fuel achieve the same effect. Ground source heat pump drying rice rice drying machine unit production cost of 0.0407 yuan is 4.72 times than the fuel rice drying machine dry rice unit production cost 0.1905 yuan. Uneven ground source heat pump rice drying machine of rice drying degree before and after drying to reduce rate of 0.40% is less than the 0.72% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump rice drying machine breakage rate of the added value of 0.16% is less than the 0.31% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump of the rice drying machine explodes the waist the added value of 2.0% is less than the 3.0% of fuel oil rice drying machine. The material quality of ground source heat pump drying machine has improved significantly.

rice; ground source heat pump; heat exchanger; drying performance; price material quality

2016-06-10

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014378)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院產(chǎn)品分級(jí)與儲(chǔ)藏裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(2015-2020)

張德高(1991-)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)zdg330@foxmail.com。

謝煥雄(1968-)，男，廣西浦北人，研究員，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)50666524@qq.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)07-0229-06