趙海瑞

江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站 (南京 210017)

隨著國家經(jīng)濟實力的提高，越來越多的糧食采用機械干燥。糧食干燥機大多采用熱風干燥方式，現(xiàn)階段產(chǎn)生熱風主要是以煤炭和生物質燃料在熱風爐中燃燒，通過換熱器交換熱風，主要缺點是環(huán)境污染高、勞動強度大、糧食干燥品質差等。在一些有條件地區(qū)也有燃油或燃氣加熱新風為干燥熱空氣，主要缺點是運行成本高、直接熱風干燥易造成糧食污染?，F(xiàn)有的直流式熱泵受氣候影響大，當大氣溫度≤10 ℃時，提供的熱風溫度低，干燥效率大幅下降，影響了用戶的使用。同時直流式熱泵干燥的含塵空氣排放，也會造成環(huán)境污染。

糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵機組與系統(tǒng)是近幾年出現(xiàn)的新型糧食干燥設備，在行業(yè)中的應用鮮有報道。本文介紹糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵機組和系統(tǒng)的基本概念，通過該系統(tǒng)在生產(chǎn)性試驗中的實測數(shù)據(jù)分析，對該機組和系統(tǒng)性能運行性能進行評價。

1 熱泵機組與系統(tǒng)介紹

1.1 機組定義及工作原理

糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)是一種將進風除濕冷卻再加熱的熱泵機組，提供的干燥熱空氣用于循環(huán)式糧食干燥機的糧食水分蒸發(fā)?？諝猸h(huán)流的流動方向為：糧食干燥機→精密除塵器→環(huán)流風機→除濕供熱熱泵機組→糧食干燥機。烘干過程中，空氣在系統(tǒng)中循環(huán)，無含塵空氣排放。

糧食干燥環(huán)流型熱泵除濕供熱機組(以下簡稱熱泵機組)的工作流程：經(jīng)精密除塵器過濾后高含水量回風→經(jīng)多級蒸發(fā)器冷卻去除空氣中的水分→在多級冷凝器中加熱為低含水量干燥高溫空氣→送入烘干機熱風入口。經(jīng)蒸發(fā)器除濕的冷凝水排入下水道。工作流程示意見圖1。

圖1 糧食干燥環(huán)流除濕供熱熱泵系統(tǒng)圖

需特別注意的是：糧食干燥機含塵空氣應經(jīng)精密除塵器處理至設定含塵濃度才能進入除濕供熱熱泵機組，否則會對熱泵機組產(chǎn)生不利影響。

1.2 熱泵機組基本參數(shù)

本文介紹的熱泵機組，用于容量30 t/批式循環(huán)糧食干燥機。機組秋冬季運行參數(shù)為：額定供熱量Q=280 kW，送風溫度45 ℃～60 ℃，送風量24 500 m3/h。熱泵機組裝機功率74 kW，其中輔助電加熱器功率為24 kW。系統(tǒng)總裝機功率為110 kW。

2 工程應用

2.1 技術指標的測定與分析

生產(chǎn)性試驗時間為2020年11月26日，地點為蘇州某糧食儲備庫烘干車間。烘干機為30 t/批式循環(huán)烘干機，按烘干機要求，設定的最高送風溫度為60 ℃。當天氣溫7 ℃～12 ℃。

烘干品種為水稻，進入烘干機水稻重量為29 t，入機水分為18.4%(實驗室烘干法檢測)。烘干開始時間為9∶00，烘干結束時間17∶09，共用時8.15 h。烘干結束糧食水分13.4%(實驗室烘干法檢測)。現(xiàn)場測量循環(huán)風量24 200 m3/h(采用德圖儀器testo風速儀)。試驗熱泵機組用電量和送風溫度見表1。

表1 試驗熱泵機組用電量和送風溫度情況表

由表1可知，將29 t水稻從18.4%降至13.4%，水分差5%，除水量1 450 kg，單位時間降水率0.613%。送風溫度，按第2～8.15 h的平均數(shù)據(jù)，最低送風溫度39.6 ℃，最高送風溫度59.7 ℃，按第1～8.15 h的平均數(shù)據(jù)，平均送風溫度為49.0 ℃，送風溫度達到≥45 ℃的時間不到3 h。

熱泵機組用電量408 kW·h，輔助設備用電量226 kW·h，合計643 kW·h；系統(tǒng)單位電耗除濕量SMER為2.26，熱泵機組單位除濕量SMER為3.55；熱泵機組平均供熱量Q，經(jīng)計算Q=275 kW，基本達到設計要求；性能系數(shù)COP，平均值為5.49。

2.2 主要性能情況說明

(1)糧食烘干單位時間降水率與產(chǎn)量

對同一臺烘干機，在相同風量下，送風溫度基本確定了烘干機的烘干速率和產(chǎn)量?！兜竟雀稍锛夹g規(guī)范》(GB/T 21015—2007)，對批式循環(huán)干燥機要求水稻干燥時的送風溫度為45 ℃～50 ℃[1]。本次生產(chǎn)性試驗中，熱泵機組在不到3 h達到了≥45 ℃，到烘干結束，送風溫度均達到要求。送風溫度達到設定值時間，與烘干機內糧食烘前溫度和大氣溫度及糧食水分等有關，糧溫和大氣溫度低、含水量高，達到設定的送風溫度的時間越長。

本次試驗單位時間降水率0.613%，且在氣溫為7 ℃～12 ℃相對較低的條件下取得的，說明熱泵機組和系統(tǒng)干燥性能良好。

(2)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性

糧食干燥環(huán)流型熱泵系統(tǒng)的運行費用主要是電費和人工。電費成本與熱泵機組性能系數(shù)COP和單位電耗除濕量SMER有關，熱泵機組平均COP為5.49，熱泵機組除濕量SMER為3.55均為較好數(shù)據(jù)。由于無燃料燃燒系統(tǒng)，使用的人工較少，且系統(tǒng)運行的自動化，人工成本最低。

按平均電價0.58元/kW·h，本次試驗水稻降水5%的運行電費為13元/t，經(jīng)比較為所有不同干燥熱源的最低值[2]，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性最佳。

(3)糧食干燥品質

烘干期間，穩(wěn)定后的(運行3 h后)送風溫度為46.7 ℃～59.7 ℃，均控制在設定值內。通過熱泵機組運行壓縮機的臺數(shù)加載與卸載+環(huán)流風機變頻調整風機轉數(shù)來調節(jié)風量，可精確的控制送風溫度。由于是低溫干燥，送風溫度又能精確控制，且采用大循環(huán)空氣干燥，可以確保被烘干糧食的品質。

3 糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)特點

3.1 優(yōu)點

(1)環(huán)境非常友好。烘干系統(tǒng)無燃料燃燒排煙，也無烘干后含塵空氣的排放。熱泵機組消耗的電能，轉換為冷凝水排出，基本無溫室氣體的排放，非常綠色環(huán)保。

(2)良好的干燥效率。與直流式熱泵相比，送風溫度更高且波動小，干燥能力能力平穩(wěn)和更強，即使氣溫較低也影響較小。同時熱泵機組沒有化霜過程，使烘干過程保持連續(xù)高效穩(wěn)定運行，這意味著烘干機產(chǎn)量的保證。

(3)非常的節(jié)能。實際運行的熱泵除濕加熱機組COP≥5.0。

(4)較低的運行費用。較低的人工成本和電耗，使系統(tǒng)運行成本很低。試驗數(shù)據(jù)為水稻降水5%的電費為13元/t。

(5)干燥品質高。30 t/批式循環(huán)干燥機，按24 500 m3/h大循環(huán)風量設計。采用低溫空氣干燥：在秋冬季干燥中，熱泵機組提供的熱空氣溫度≤60 ℃，熱泵機組采用壓縮機加卸載+環(huán)流風機變頻調速技術，風溫波動小，谷物烘干品質有保證。

(6)降低了操作工工作強度，改善了工作環(huán)境。由于沒有常規(guī)糧食烘干系統(tǒng)配置的產(chǎn)生熱風的燃燒系統(tǒng)，送風溫度可自動調節(jié)，大幅降低了操作人員工作的強度，同時工作環(huán)境有所改善。

(7)單一能源，項目容易實施。烘干過程唯一使用的是電能，無其他能源需求。

(8)生產(chǎn)過程更安全。由于無燃燒裝置，生產(chǎn)過程無明火使用，也無燃料儲存設施。處理從烘干機排出的含塵空氣的精密除塵器為脈沖式除塵，粉塵封閉連續(xù)收集，且與系統(tǒng)相關設備連鎖運行，完全符合《粉塵防爆安全規(guī)范》GB 15577—2018中的要求。

(9)項目審批容易通過。烘干過程中無污染物排放，生產(chǎn)過程的安全性高，為項目審批順利通過提供了條件。

3.2 存在的不足

(1)初投資較高：主要是環(huán)流熱泵機組、精密除塵器和環(huán)形風道的的投資費用較高。

(2)裝機功率較高，要求供電設施較大。對30 t/批式循環(huán)干燥機，系統(tǒng)裝機功率約110 kW。對一些供電設施不足的地方，實施相對困難。

(3)在蘇南地區(qū)秋冬季節(jié)運行的熱泵機組，高于機組提供≥60 ℃熱風不易做到。對有些類型干燥機(如順流干燥機)和部分谷物品種(如玉米)的烘干不適合，影響其使用范圍。

4 結論與展望

通過試驗，驗證了糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)具有良好的干燥效率，大幅降低烘干成本，基本實現(xiàn)污染物和溫室氣體的基本零排放，生產(chǎn)過程更安全，實現(xiàn)綠色烘干、節(jié)能增效。通過后續(xù)對熱泵機組和系統(tǒng)的改進和優(yōu)化，可進一步提高系統(tǒng)的性能，技術也逐步完善。針對華北等地區(qū)氣候特點進行研發(fā)，使糧食熱泵干燥技術也能在寒冷地區(qū)使用，擴大應用區(qū)域。對投資較高的不足，希望能納入農(nóng)機專項補貼，根據(jù)實際投入的資金，適當提高補貼額度。

糧食干燥環(huán)流型熱泵除濕供熱系統(tǒng)環(huán)境友好和節(jié)能顯著，經(jīng)濟效益和社會效益均突出，完全符合節(jié)能減排和碳中和的國家政策，也符合國家的優(yōu)質糧戰(zhàn)略工程需要，為糧食干燥提供了新技術和裝備，是未來低溫干燥的發(fā)展方向，必將得到廣泛的應用。