王保法 ,陳 潔 ,李興書 ,楊德亮 ,張 欣 ,呂瑩果 ,李雪琴
(1.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,鄭州 450052)
我國是小麥生產(chǎn)大國,而糧食轉(zhuǎn)化是提高農(nóng)業(yè)收入的主要途徑,其中掛面是以小麥粉為主要原料加工的工業(yè)化食品[1]。掛面是以小麥粉添加鹽、堿、水制做的濕面條,后經(jīng)懸掛干燥后切制成一定長度的干面條,它是人們喜愛的主要面食之一。掛面之所以可以長期存放,是因?yàn)樗ㄟ^干燥脫水的過程,其水分含量處于安全范圍內(nèi),保存時間得以延長[2-3]。干燥工序是掛面加工過程中一道非常關(guān)鍵的程序,它不僅會影響掛面的質(zhì)量,更影響著干燥的效率[4-5]。掛面干燥就是合理調(diào)控干燥通道中作為傳遞介質(zhì)的空氣的溫度、濕度和流動的速度。不同干燥階段采取不同應(yīng)對措施,使掛面中水分?jǐn)U散汽化、轉(zhuǎn)移到空氣中形成濕空氣被帶走,并最終得到質(zhì)量優(yōu)良產(chǎn)品[6]。
傳統(tǒng)掛面干燥熱源供給是燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能,燃煤單位熱值價格低,掛面的干燥成本較低,但是散煤燃燒污染嚴(yán)重。國家自2014年以來逐步取締燃煤小鍋爐,個別掛面企業(yè)改用區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行掛面干燥,大部分中小企業(yè)采用了天然氣鍋爐進(jìn)行供熱,由于天然氣單位熱值價格相對燃煤來說比較昂貴,掛面干燥成本大幅增加,甚至翻倍,由于成本增高使中小企業(yè)的產(chǎn)品市場競爭力大幅下降。采取新技術(shù)進(jìn)行綠色干燥,并降低掛面干燥成本成為行業(yè)關(guān)注的重要課題[5,7]。
掛面干燥一般都采用對流熱力干燥法,即利用一次能源(煤或天然氣等)通過鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能給導(dǎo)熱介質(zhì)提供熱量,加熱干燥車間的空氣,借助風(fēng)力使熱空氣對流,用以加熱濕掛面,同時帶走濕掛面的水分,達(dá)到供熱干燥的目的[8]。
濕面條進(jìn)入烘房后,煤、燃?xì)?、電等能源通過鍋爐燃燒或發(fā)熱產(chǎn)生的熱能加熱導(dǎo)熱介質(zhì) (導(dǎo)熱油、水),導(dǎo)熱介質(zhì)通過管道進(jìn)入干燥室加熱上部空氣,在上部風(fēng)扇向下排風(fēng)的作用下將熱風(fēng)向下吹加熱濕掛面,烘干室形成的高溫高濕的空氣在排潮風(fēng)機(jī)的作用下直接排到室外空氣中,掛面干燥后進(jìn)入下一工序,完成掛面干燥過程,干燥工藝如圖1所示。
該工藝為傳統(tǒng)的掛面干燥工藝,高溫高濕的氣體直接排空,造成能源浪費(fèi),產(chǎn)生兩個污染源,其一為黑色污染:鍋爐燃燒化石能源通過煙囪的排放物,其二為白色污染:高溫高濕的排潮風(fēng)形成的白霧。
該干燥工藝與傳統(tǒng)的鍋爐加熱掛面干燥對比,最大的特點(diǎn)是,空氣源熱泵替代鍋爐,真正實(shí)現(xiàn)了無煙工廠,高溫高濕的排潮風(fēng)通過熱泵實(shí)現(xiàn)了余熱回收循環(huán)再利用,達(dá)到了節(jié)能效果,比傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t節(jié)能40%左右[9]。烘房的排潮風(fēng)通過管道匯集在一起,通過空氣源熱泵翅片蒸發(fā)器,翅片蒸發(fā)器內(nèi)管道的冷媒蒸發(fā)吸熱,排潮風(fēng)被吸熱后變成冷凝水與冷空氣,冷凝水匯集后再利用,冷空氣夏季可以通過專用管道排到操作間與包裝間降低室內(nèi)溫度,改善工人工作環(huán)境,減少制冷設(shè)備的投資及運(yùn)行費(fèi)用,其它季節(jié)直接排空,冬季減少白煙排放,可降低白色污染。吸熱后的冷媒通過壓縮機(jī)壓縮變成高溫氣體,高溫氣體通過冷凝器加熱介質(zhì)(水或空氣),加熱后的介質(zhì)輸送到烘房加熱干燥濕掛面,濕掛面水分蒸發(fā)變?yōu)楦蓲烀?,形成的排潮風(fēng)進(jìn)入下一個循環(huán),達(dá)到節(jié)能的效果,工藝如圖2所示。
圖2 余熱回收空氣源熱泵掛面干燥工藝
熱泵是一種將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置[10]??諝庠礋岜脽崴骰驹恚核饕怯蓧嚎s機(jī)、熱交換器、軸流風(fēng)扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、節(jié)流裝置和電子自動控制器等組成[11]。接通電源后,軸流風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn),室外空氣通過蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換,溫度降低后的空氣被風(fēng)扇排出系統(tǒng),同時,蒸發(fā)器內(nèi)部的介質(zhì)吸熱汽化被吸入壓縮機(jī),壓縮機(jī)將這種低壓介質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器,被水泵強(qiáng)制循環(huán)的水也通過冷凝器,被介質(zhì)加熱后送去供用戶使用,而介質(zhì)被冷卻成液體,該液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器,如此反復(fù)循環(huán)工作,空氣中的低位熱能被不斷吸收利用而加熱介質(zhì),空氣源熱泵熱水機(jī)組的基本工作原理[12]如圖3所示。
圖3 空氣源熱泵工作原理
空氣源熱泵現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在供暖、生活洗浴熱水、農(nóng)產(chǎn)品干燥上,隨著國家政策煤改電的實(shí)施,尤其是北方地區(qū)大力推廣空氣源熱泵供暖,空氣源熱泵技術(shù)得到快速發(fā)展。
空氣源熱泵的熱源主要是空氣中的能量,空氣中的能量與空氣焓值相關(guān),焓值越高熱能越高,熱泵的工作效率就越高,但由于一年四季天氣溫差較大,尤其是我國北方地區(qū),冬季室外環(huán)境溫度低,空氣焓值低,不利于熱泵能量轉(zhuǎn)換。結(jié)合掛面干燥工藝實(shí)際情況,掛面中低溫烘干技術(shù)干燥室排潮風(fēng)始終處于30~35℃之間,濕度在80%左右,濕空氣焓值高,正好適合空氣源熱泵的正常工作,且能效比高,避免結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。鄭州地區(qū)2019年全年不同月份平均溫濕度如圖4所示,以此為例計算出一年四季不同月份空氣中平均焓值與排潮風(fēng)焓值對比,如圖5所示。
圖4 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣溫濕度
圖5 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣焓值對比
掛面干燥的能耗主要與掛面的四個因素有關(guān):濕掛面的脫水量,主要由濕掛面的初始水分及干掛面的終末水分所決定,新風(fēng)升溫所需的熱量,根據(jù)不同地區(qū)不同季節(jié)的室外空氣溫濕度,結(jié)合掛面室內(nèi)溫度,計算出新風(fēng)升溫所需的熱量;結(jié)構(gòu)散熱所需的熱量,即根據(jù)干燥房四壁的材料、厚度、面積及室內(nèi)外的溫差計算出散熱所需的熱量;濕掛面及掛面桿升溫所需的熱能,綜合以上四種因素精確計算出所需的熱量[13]。應(yīng)根據(jù)干燥房最大熱量需求,按照不同能源的熱值及鍋爐的能效比計算出匹配的功率數(shù)去配備熱源。輸出熱源的價值與能源的單位熱值價格、熱源設(shè)備的能效比有關(guān)系,不同能源及制熱設(shè)備的能效比計算的各設(shè)備輸出單位熱值價格見表1。
表1 不同能源噸掛面干燥耗能表
本實(shí)例針對某廠的掛面進(jìn)行熱泵干燥設(shè)備的設(shè)計及實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時間為冬季。該廠屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候,冬季盛行偏北風(fēng),寒冷干燥,夏季盛行偏南風(fēng),炎熱多雨,季風(fēng)區(qū)氣候明顯。本次熱泵干燥設(shè)備采用余熱回收式熱泵系統(tǒng),其主要利用烘房中的排濕余熱作為熱泵主機(jī)的低位熱源,既能保證系統(tǒng)在冬季正常運(yùn)行,也可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時為結(jié)合原有的烘房條件及掛面干燥工藝要求,熱泵干燥系統(tǒng)采用高溫?zé)崴g接干燥模式。即熱泵干燥機(jī)以水為傳熱介質(zhì),將水加熱后,通入烘房;并通過調(diào)節(jié)水盤管熱水流量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,對物料進(jìn)行干燥。本實(shí)驗(yàn)的掛面干燥系統(tǒng)由熱泵干燥供熱裝置和隧道式烘房組成。烘房采用隧道式,需移行300 m,干燥時間為3h,干燥溫度為30~45℃。以冷風(fēng)定條、保溫出汗、升溫降潮、降溫散熱四道工序完成,濕掛面的含水率為30%~32%,干燥后成品掛面的含水率為12%~13%。
熱泵干燥系統(tǒng)分為A、B兩組,采用聯(lián)合供熱模式,每組系統(tǒng)是以四個30 HP的壓縮機(jī)組成的120HP的熱泵機(jī)組,每組的總功率為105 kW,額定制熱量為320 kW,輔助電加熱的額定功率為3×10kW。其中 A (B)1 的制冷介質(zhì)為 R22、A(B)2、A(B)3、A(B)14 的制冷工質(zhì)為 R134a,如圖6和圖7所示。
圖6 A組熱泵機(jī)組干燥示意圖
圖7 B組熱泵干燥系統(tǒng)示意圖
由于A組B組的熱泵系統(tǒng)工作條件相同,因此選取易測量的B組熱泵系統(tǒng)為測試對象分別在B4蒸發(fā)器前B4~B1蒸發(fā)器后布置一個溫濕度探頭;并設(shè)置PT100測量熱泵系統(tǒng)的回水溫度和出水溫度并在開機(jī)狀態(tài)時定時記錄B1~B4系統(tǒng)的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、烘房間各區(qū)中的溫濕度。具體干燥參數(shù)見表2。
表2 掛面干燥過程各區(qū)溫濕度設(shè)定值
在本次實(shí)驗(yàn)的烘房中,共分為四區(qū),如圖8所示。按照掛面干燥工藝的要求,一區(qū)為冷風(fēng)定條,保持常溫在30℃左右的環(huán)境下進(jìn)行;二區(qū)為保溫出汗要求控制溫度不要太高,濕度低于80%,使面條處于預(yù)熱保潮,水分慢慢蒸發(fā)。三區(qū)是升溫降潮階段,這個階段要進(jìn)一步升溫,逐步降低相對濕度,進(jìn)行去濕。四區(qū)為降溫散熱,在這個階段散發(fā)面條的熱量,逐步達(dá)到接近或略高于室內(nèi)的常溫;同時繼續(xù)蒸發(fā)一小部分水分,達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的含水量,并使面條各部分的水分平衡。各區(qū)之間的溫度均是通過調(diào)節(jié)水流量進(jìn)行調(diào)溫的,并通過調(diào)節(jié)隧道上部的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,控制干燥速率。
圖8 烤房掛面烘干路線圖
實(shí)際干燥過程中,在掛面進(jìn)入烘房干燥之前要對烘房進(jìn)行預(yù)熱,以達(dá)到濕掛面進(jìn)入烘房后的溫度要求。實(shí)驗(yàn)過程中,熱泵系統(tǒng)于6:00開機(jī)預(yù)熱,7:00時濕掛面從烘房出口進(jìn)入,開始進(jìn)行干燥。干燥全程長度300 m,干燥時間為3 h,濕掛面的輸送量為14掛/min,每掛掛面的平均凈重為2.7 kg。
由圖8可知從早上7:00濕掛面進(jìn)入烘房后,風(fēng)機(jī)開啟,烘房中的溫度、濕度逐漸上升??梢钥闯?,一區(qū)、二區(qū)整體相對濕度較大,掛面中的水分主要在一區(qū)和二區(qū)去除,其熱負(fù)荷較大。而三區(qū)溫度最高,用以去除面條中最里部較難出去的水分。四區(qū)主要進(jìn)行降溫散熱,相對熱負(fù)荷最小。以實(shí)際效果來看,熱泵供給熱水可以滿足烘房面條干燥的要求,取得了良好的效果。
為滿足烘房間斷性干燥的需求,系統(tǒng)設(shè)置儲水罐,夜間干燥設(shè)備停止工作時,將熱水儲存在儲水罐中進(jìn)行保溫,同時在烘房熱負(fù)荷較小時,關(guān)閉熱泵系統(tǒng),可充分將儲水罐中熱水的熱量進(jìn)行循環(huán)利用。以實(shí)驗(yàn)日為例,儲水罐的出水溫度為32℃左右。預(yù)熱階段,溫度上升。烘房滿載干燥期間,平均出回水溫差為11℃,當(dāng)濕掛面停止輸送后,熱泵熱負(fù)荷減少,出回水溫差逐漸減小。
根據(jù)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分布,計算熱泵干燥系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP,根據(jù)物料的除濕情況和熱泵的系統(tǒng)能耗得出系統(tǒng)的單位能耗除濕量,計算數(shù)據(jù)見表3。
表3 熱泵設(shè)備的性能分析
由表3可知,熱泵干燥系統(tǒng)對掛面進(jìn)行干燥的成本為68.79元/t,其熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP平均為2.40,單位能耗除濕量平均為2.825 kg水/(kW·h)。干燥過程中,充分利用烘房中干燥產(chǎn)生的濕空氣,將其進(jìn)行余熱回收利用,在實(shí)驗(yàn)廠冬季環(huán)境溫度相對較低時,依舊可以進(jìn)行正常高效的工作。傳統(tǒng)的熱泵干燥設(shè)備工作主要利用室外環(huán)境中的空氣能,通過熱泵將低位熱源轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶豢衫脽嵩?。在冬季寒冷的室外環(huán)境下,若只利用室外環(huán)境中的空氣能會造成蒸發(fā)溫度相對較低,壓縮機(jī)的壓比增大,降低機(jī)組的運(yùn)行效率,增加運(yùn)行能耗。而熱泵干燥系統(tǒng)采用余熱回收的方法,有效地解決了冬季熱泵運(yùn)行困難的短板,并提高了物料的干燥質(zhì)量。
綜上所述,本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用余熱回收式的熱泵干燥設(shè)備,可更好地應(yīng)對冬季寒冷的天氣;相比單一的從室外環(huán)境取熱,該余熱回收式熱泵干燥設(shè)備的運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定。本次實(shí)驗(yàn)時間為12月下旬,正值寒冷冬季,充分證明了系統(tǒng)的可靠性。干燥房采用熱水盤管式干燥,更好地保證了烘房內(nèi)溫度的均勻性,溫度穩(wěn)定,保證了干燥品質(zhì)。本實(shí)例設(shè)計的熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP最大達(dá)2.46,熱泵干燥設(shè)備的單位能耗除濕量最大為2.88 kg水/(kW·h)。在國家大規(guī)模推行煤改電的大政策下,熱泵干燥設(shè)備的溫度控制精度較高,無有害物質(zhì)排放,不僅保證物料的干燥品質(zhì),且不污染物料、運(yùn)行成本低、節(jié)能環(huán)保、具有較大的推廣價值。經(jīng)過三年多的運(yùn)行,各項指標(biāo)達(dá)到預(yù)期值,各月份每噸干產(chǎn)品干燥電耗如圖9所示。
圖9 不同月份掛面烘干電耗
全年各月份平均干品掛面電耗不超70 kW·h/t,電費(fèi)按 0.7元/(kW·h)計算,平均成本為 49 元/t,耗能低,節(jié)能及環(huán)保效果明顯。
采用余熱回收熱泵技術(shù)進(jìn)行掛面干燥,按目前平均噸掛面用天然氣30 m3計算,每方燃?xì)赓M(fèi)為3.0元左右,平均噸掛面干燥成本為90元左右,改用熱泵噸掛面干燥按節(jié)約30元,目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面,按50%產(chǎn)能進(jìn)行熱泵烘干技術(shù)改造,400萬t掛面一年節(jié)約干燥成本1.2億元,相當(dāng)為行業(yè)增加約1.2億元的凈利潤。
目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面,按50%產(chǎn)能進(jìn)行熱泵烘干技術(shù)改造,按噸干品掛面30m3天燃?xì)庥嬎悖?00萬t掛面全年減少1.2億m3天燃?xì)馊紵?,每方燃?xì)馊紵a(chǎn)生的二氧化碳為1.76 kg排放,相當(dāng)于減少二氧化碳排放量21.12萬t,相當(dāng)于每年多栽15.64萬棵樹(1棵普通的樹每天可吸收5 kg二氧化碳,一年按三個季節(jié)光合作用,每年可吸收1.35 t二氧化碳)。
通過實(shí)際案例分析,余熱回收循環(huán)利用及空氣源熱泵掛面烘干技術(shù),達(dá)到了綠色、環(huán)保、高效及節(jié)能的效果,是未來替代傳統(tǒng)燃燒化石能源為主的鍋爐供熱掛面干燥的發(fā)展方向。
盡管該技術(shù)比傳統(tǒng)鍋爐節(jié)能40%左右,投資回報率高,運(yùn)行成本低等優(yōu)勢,但先進(jìn)技術(shù)的前瞻性與客戶認(rèn)知度滯后的矛盾,加上熱泵技術(shù)一次性固定投資相對傳統(tǒng)的鍋爐投資高,為鍋爐投資的3~4倍,客戶接受率低。
應(yīng)加大節(jié)能新技術(shù)宣傳推廣力度,如實(shí)際案例參觀、行業(yè)會議推介等;也可通過行業(yè)協(xié)會向政府主管部門建議,參考類似北方供暖煤改電補(bǔ)助、農(nóng)產(chǎn)品及煙葉熱泵改造專項財政補(bǔ)貼政策,出臺掛面干燥熱泵改造建設(shè)補(bǔ)貼制度,減輕企業(yè)投資負(fù)擔(dān),加快新技術(shù)的推廣應(yīng)用;制造企業(yè)加快新技術(shù)的研發(fā),降低新技術(shù)中設(shè)備制造成本,減少掛面企業(yè)熱泵干燥技改的一次性投資,如此可起到雙贏的結(jié)果。