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        糧食干燥能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系研究

        2018-03-01 01:46:14王躍武夏朝勇高建芝中競(jìng)同創(chuàng)能源環(huán)境科技集團(tuán)股份有限公司中糧工程科技鄭州有限公司
        節(jié)能與環(huán)保 2018年1期
        關(guān)鍵詞:耗電量干燥機(jī)熱風(fēng)

        文 _ 王躍武 夏朝勇 高建芝 中競(jìng)同創(chuàng)能源環(huán)境科技集團(tuán)股份有限公司 中糧工程科技(鄭州)有限公司

        糧食問(wèn)題是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的頭等大事,而目前我國(guó)的糧食干燥設(shè)備高能耗、低效率的問(wèn)題影響了糧食干燥設(shè)備的快速發(fā)展。

        長(zhǎng)期以來(lái),針對(duì)糧食干燥的理論、工藝及技術(shù)研究已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作,然而,針對(duì)糧食干燥系統(tǒng)整體的能源利用現(xiàn)狀評(píng)估方法以及相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系還未建立。本文在糧食干燥系統(tǒng)的能源利用流程分析基礎(chǔ)上,根據(jù)已有研究成果引入?效率指標(biāo),建立糧食干燥系統(tǒng)整體的能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系,并給出計(jì)算方法。

        1 糧食干燥能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系建立

        糧食干燥系統(tǒng)主要能耗環(huán)節(jié)包括干燥熱源和干燥機(jī)兩部分,系統(tǒng)能源利用流程情況如圖1。

        分別針對(duì)糧食干燥系統(tǒng)、干燥熱源和干燥機(jī)給出評(píng)估指標(biāo),形成系統(tǒng)的能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系。

        圖1 糧食干燥系統(tǒng)能源利用流程

        1.1 系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)

        針對(duì)糧食干燥系統(tǒng)的能源利用現(xiàn)狀評(píng)估主要采用投入-產(chǎn)出法,以糧食干燥系統(tǒng)整體為對(duì)象,給出以下指標(biāo)用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體的能源利用現(xiàn)狀。

        干燥系統(tǒng)單位降水耗熱量(QZ):干燥系統(tǒng)在干燥過(guò)程中從物料中蒸發(fā)每千克水消耗的總熱量(系統(tǒng)熱源所消耗的各種能源提供的總熱量),單位為kJ/kg。

        干燥系統(tǒng)單位降水耗電量(WZ):干燥系統(tǒng)在干燥過(guò)程中從物料中蒸發(fā)每千克水消耗電量(系統(tǒng)總耗電量),單位為kWh/kg。

        干燥系統(tǒng)單位降水耗能量(NZ):干燥系統(tǒng)在干燥過(guò)程中從物料中蒸發(fā)每千克水消耗能源總和(系統(tǒng)消耗各能源品種折標(biāo)煤總量),單位為kgce/kg。

        1.2 熱源評(píng)估指標(biāo)

        糧食干燥系統(tǒng)熱源為干燥過(guò)程所需熱量的提供環(huán)節(jié),評(píng)估該環(huán)節(jié)的能源利用現(xiàn)狀也主要采用投入-產(chǎn)出法,評(píng)估指標(biāo)為熱源效率(ηr)。

        熱源效率(ηr):熱源正平衡效率,有效產(chǎn)出為進(jìn)入干燥機(jī)的熱量,單位為%。

        1.3 干燥機(jī)評(píng)估指標(biāo)

        干燥機(jī)為糧食干燥過(guò)程脫除水分的主要環(huán)節(jié),除了采用投入-產(chǎn)出法之外,引入?效率指標(biāo)(ηyg),干燥機(jī)評(píng)估指標(biāo)如下。

        干燥機(jī)單位降水耗熱量(Qg):干燥機(jī)在干燥過(guò)程中從物料中蒸發(fā)每千克水消耗的熱量(即為進(jìn)入干燥機(jī)熱量),單位為kJ/kg。

        圖2 糧食干燥能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系

        干燥機(jī)單位降水耗電量(Wg):干燥機(jī)在干燥過(guò)程中從物料中蒸發(fā)每千克水消耗的電量(干燥機(jī)熱量輸配環(huán)節(jié)用電量),單位為kWh/kg。

        干燥機(jī)熱效率(ηg):干燥物料蒸發(fā)水分所需熱量與進(jìn)入干燥機(jī)熱量的比值,單位為%。

        干燥機(jī)?效率(ηyg):干燥物料蒸發(fā)水分所需熱量與進(jìn)入干燥機(jī)?比值,單位為%。

        綜合上述各指標(biāo),匯總干燥系統(tǒng)能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系如圖2。

        2 糧食干燥能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)計(jì)算方法

        根據(jù)各指標(biāo)定義并綜合考慮各指標(biāo)計(jì)算所需基礎(chǔ)參數(shù)采集問(wèn)題,給出各指標(biāo)的計(jì)算方法。

        2.1 系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)

        式中:QZ——干燥系統(tǒng)單位降水耗熱量,kJ/kg;

        Mr——干燥系統(tǒng)燃料消耗量,單位根據(jù)實(shí)際燃料計(jì)量單位確定;

        qr——燃料熱值,根據(jù)測(cè)試數(shù)值或采用文獻(xiàn)3中缺省值;

        mt——實(shí)際脫水量,kg。

        式中:WZ——干燥系統(tǒng)單位降水耗電量,kWh/kg;

        WS——干燥系統(tǒng)耗電量,kWh;

        mt——實(shí)際脫水量,kg。

        式中:NZ——干燥系統(tǒng)單位降水耗能量,kgce/kg;

        NS——干燥系統(tǒng)總耗能量,kgce;

        Mr——干燥系統(tǒng)燃料消耗量,單位根據(jù)實(shí)際燃料計(jì)量單位確定;

        WS——干燥系統(tǒng)耗電量,kWh;

        rr——燃料折標(biāo)煤系數(shù),根據(jù)實(shí)際熱值計(jì)算或采用文獻(xiàn)3中缺省值;

        rW——電力折標(biāo)煤系數(shù),kgce/kWh,用等價(jià)值計(jì)算,數(shù)值采用當(dāng)年全國(guó)平均發(fā)電煤耗數(shù)據(jù);

        mt——實(shí)際脫水量,kg。

        式中:mt——實(shí)際脫水量,kg;

        M0——糧食進(jìn)干燥設(shè)備含水率(濕基),%;

        M1——糧食出干燥設(shè)備含水率(濕基),%;

        ml——糧食處理量,kg。

        結(jié)合公式(1~4)可以看出,計(jì)算系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)所需獲取的基本參數(shù)為:干燥系統(tǒng)燃料消耗量(Mr)、干燥系統(tǒng)耗電量(WS)、糧食進(jìn)/出干燥設(shè)備含水率(濕基)(M0/M1)、糧食處理量(ml)。

        2.2 熱源評(píng)估指標(biāo)

        式中:ηr——熱源效率(正平衡效率),%;

        Qr——熱源有效輸出熱量(即進(jìn)入干燥機(jī)熱量),kJ;

        Mr——干燥系統(tǒng)燃料消耗量,單位根據(jù)實(shí)際燃料計(jì)量單位確定;

        qr——燃料熱值,根據(jù)測(cè)試數(shù)值或采用文獻(xiàn)3中缺省值。

        式中:Qr——熱源有效輸出熱量(即進(jìn)入干燥機(jī)熱量),kJ;

        h1——進(jìn)入干燥機(jī)的熱風(fēng)焓值,kJ/kg;

        h0——環(huán)境空氣焓值,kJ/kg;

        Mf——進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)量,kg。

        焓值計(jì)算公式如下:

        式中:h——空氣(熱風(fēng))焓值,kJ/kg;

        t——空氣(熱風(fēng))溫度,℃;

        d——空氣(熱風(fēng))含濕量,g/kg干空氣。

        式中:d——空氣(熱風(fēng))含濕量,g/kg干空氣;

        φ——空氣(熱風(fēng))相對(duì)濕度,%;

        pS——當(dāng)前溫度水的飽和蒸汽壓,kPa;

        P——大氣壓,取值為101.325kPa。

        式中:ps——當(dāng)前溫度水的飽和蒸汽壓,kPa;

        a、b、c——經(jīng)驗(yàn)公式擬合參數(shù),取值見(jiàn)表1。

        表1 飽和蒸汽壓經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)表

        結(jié)合公式(5~10)可以看出,計(jì)算熱源評(píng)估指標(biāo)所需獲取的基本參數(shù)為:干燥系統(tǒng)燃料消耗量(Mr)、環(huán)境溫度/相對(duì)濕度(t0/φ0)、進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)溫度/相對(duì)濕度(t1/φ1)、進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)量(Mf)。

        2.3 干燥機(jī)評(píng)估指標(biāo)

        式中:Qg——干燥機(jī)單位降水耗熱量,kJ/kg;

        Qr——熱源有效輸出熱量(即進(jìn)入干燥機(jī)熱量),kJ;

        mt——實(shí)際脫水量,kg。

        式中:Wg——干燥機(jī)單位降水耗電量(干燥機(jī)),kWh/kg;

        Wj——干燥機(jī)耗電量(即干燥機(jī)熱量輸配環(huán)節(jié)用電量),kWh;

        mt— —實(shí)際脫水量,kg。

        式中:ηg——干燥機(jī)熱效率,%;

        Qx——蒸發(fā)水分所需熱量,kJ;

        Qr——熱源有效輸出熱量(即進(jìn)入干燥機(jī)熱量),kJ。

        式中:Qx——蒸發(fā)水分所需熱量,kJ;

        qs——單位水分蒸發(fā)所需熱量(含潛熱和顯熱部分),kJ/kg。

        式中:qs——單位水分蒸發(fā)所需熱量(含潛熱和顯熱部分),kJ/kg;

        hs1——出機(jī)糧溫對(duì)應(yīng)水蒸氣焓值(氣態(tài)),kJ/kg;

        hs0——進(jìn)機(jī)糧溫對(duì)應(yīng)水(冰)焓值(液態(tài)或固態(tài)),kJ/kg。

        水(冰)和水蒸氣焓值可查水的焓值表獲取。

        式中:ηyg——干燥機(jī)?效率,%;

        Qx——蒸發(fā)水分所需熱量,kJ;

        Qr——熱源有效輸出熱量(即進(jìn)入干燥機(jī)熱量),kJ;

        Qy——環(huán)境空氣帶入客觀?熱量,kJ。

        式中:Qy——環(huán)境空氣帶入客觀?熱量,kJ;

        h0——進(jìn)入換熱器前空氣焓值(即環(huán)境空氣焓值),kJ/kg;

        he0——零?點(diǎn)焓值,kJ/kg;

        Mf——進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)量,kg。

        零?點(diǎn)焓值計(jì)算參考公式(7~10)計(jì)算,計(jì)算所需參數(shù)主要為零?點(diǎn)溫度的確定(該狀態(tài)含濕量d與初始空氣含濕量d0相等)。

        確定零?點(diǎn)溫度需要用到干燥系統(tǒng)平衡含水率公式:

        式中:Me——干燥系統(tǒng)平衡含水率,%;

        φ——空氣(熱風(fēng))相對(duì)濕度,%;

        t——糧食溫度,℃

        A、B、n——公式經(jīng)驗(yàn)參數(shù),數(shù)值參考表2。

        在零?點(diǎn),糧食溫度與空氣溫度相等,滿(mǎn)足t=te0,同時(shí)滿(mǎn)足d=d0,此時(shí)的平衡含水率與糧食初始含水率相等即糧食進(jìn)干燥設(shè)備含水率(干基),滿(mǎn)足Me0=M0/(1-M0)×100%。在滿(mǎn)足以上條件時(shí),結(jié)合公式(8~10),可以得到:

        式中:Me0——零?點(diǎn)平衡含水率,%

        P——大氣壓,取值為101.325kPa;

        d0——環(huán)境空氣含濕量,g/kg干空氣;

        a、b、c、A、B、n——公式的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取值可參考表1和表2。

        表2 TechnoAlpin公司SnowFactory產(chǎn)品參數(shù)

        在Me0=M0/(1-M0)×100%時(shí),可通過(guò)公式(19)求解出te0,再根據(jù)公式(7~10)計(jì)算出he0。

        結(jié)合公式(11~19)可以看出,計(jì)算干燥機(jī)評(píng)估指標(biāo)所需獲取的基本參數(shù)為:干燥機(jī)耗電量(Wj)、環(huán)境溫度/相對(duì)濕度(t0/φ0)、糧食進(jìn)/出干燥設(shè)備溫度(ts0/ts1)、進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)量(Mf)。

        建立了糧食干燥系統(tǒng)整體的能源利用現(xiàn)狀評(píng)估指標(biāo)體系,并給出指標(biāo)計(jì)算方法。

        根據(jù)各指標(biāo)計(jì)算公式,計(jì)算各指標(biāo)所需基本參數(shù)包含:干燥系統(tǒng)燃料消耗量(Mr)、干燥系統(tǒng)耗電量(WS)、干燥機(jī)耗電量(Wj),糧食進(jìn)/出干燥設(shè)備含水率(濕基)(M0/M1)、糧食進(jìn)/出干燥設(shè)備溫度(ts0/ts1)、糧食處理量(ml),環(huán)境溫度/相對(duì)濕度(t0/φ0)、進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)溫度/相對(duì)濕度(t1/φ1)、進(jìn)入干燥機(jī)熱風(fēng)量(Mf)。

        各指標(biāo)計(jì)算所需基本參數(shù)在現(xiàn)有技術(shù)條件下均可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,可以利用本文研究成果并結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集和專(zhuān)用軟件計(jì)算,實(shí)現(xiàn)糧食干燥能效數(shù)據(jù)獲取后的自動(dòng)評(píng)價(jià),為糧食干燥設(shè)備的運(yùn)行管理提供過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制,輔助

        3 結(jié)論

        提升糧食干燥的能效,提高干燥過(guò)程的能源管理水平,降低糧食干燥過(guò)程的能源消耗。

        [1] 李長(zhǎng)友. 糧食熱風(fēng)干燥系統(tǒng)?評(píng)價(jià)理論研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28 (12):1-6.

        [2] 李長(zhǎng)友等. 糧食熱風(fēng)干燥熱能結(jié)構(gòu)與解析法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(9):220-228.

        [3] GB/T 2589-2008,綜合能耗計(jì)算通則[S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

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