劉紫薇,賁宗友,楊浩勇,左毅,陸敬利,陳坤杰*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇 南京210031;2.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站,江蘇 南京210017; 3.南京市高淳區(qū)種子管理站,江蘇 南京 211300)

我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),2020年糧食總產(chǎn)量近6.7億t[1]。糧食收獲后,若不能及時(shí)烘干,會(huì)因水分過(guò)高而發(fā)芽或者發(fā)霉,從而造成損失[2]。因此,為了長(zhǎng)期儲(chǔ)存,收獲后的糧食必須進(jìn)行烘干處理。傳統(tǒng)的人工晾曬烘干方式易受天氣及場(chǎng)地等因素影響,且烘干效率低下[3];采用燃煤烘干會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染,不利于環(huán)保[4]。在常規(guī)的熱風(fēng)干燥[5]、紅外輻射干燥[6]、真空冷凍干燥[7]、太陽(yáng)能干燥[8]以及熱泵干燥等方式中,熱泵干燥具有明顯的節(jié)能[9-10]、干燥成本低[11]等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,熱泵干燥系統(tǒng)可用于谷物干燥[12]、果蔬干燥[13-14],以及茶和煙葉[15]、水產(chǎn)品[16]、食用菌[17]等的干燥。陳明等[18]通過(guò)熱泵干燥機(jī)對(duì)稻谷進(jìn)行干燥試驗(yàn),結(jié)果顯示使用熱泵干燥可降低稻谷的爆腰率;Chapchaimoh等[19]進(jìn)行了空氣和氮?dú)庾鳛楦稍锝橘|(zhì)來(lái)干燥生姜的密閉系統(tǒng)熱泵干燥機(jī)的干燥性能和能耗比較試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用空氣作為干燥介質(zhì)所需要的輸入能量和單位能耗都更低;Erbay等[20]研究表明,通過(guò)改進(jìn)熱泵干燥系統(tǒng)冷凝器結(jié)構(gòu)可以改善壓縮機(jī)存在效率低下的問(wèn)題;李曉君[21]對(duì)熱泵干燥控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,開發(fā)了一套對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)工作狀況進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。雖然熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn),但目前熱泵干燥仍然存在低溫下制熱能力差、溫度控制不精確等問(wèn)題。於海明等[22]研發(fā)了一種帶噴氣增焓裝置的空氣源熱泵系統(tǒng),將其用于糧食干燥,發(fā)現(xiàn)噴氣增焓技術(shù)可顯著提高熱泵系統(tǒng)在低溫下的性能系數(shù)(COP);陳坤杰等[23]研發(fā)了一套熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低溫循環(huán)式谷物干燥機(jī)和熱泵系統(tǒng)的一體化控制。

盡管將多級(jí)熱泵系統(tǒng)用于糧食烘干已經(jīng)獲得了成功,但是,由于現(xiàn)有的糧食烘干機(jī)多采用3～5級(jí)熱泵系統(tǒng),系統(tǒng)輸出的熱量為階躍式,只有數(shù)個(gè)等級(jí),不能與干燥所需要的熱量變化完全匹配,導(dǎo)致熱量損失較大,不能滿足烘干過(guò)程中對(duì)溫度變化的要求。為此,本文針對(duì)江淮地區(qū)的氣候特點(diǎn),研究開發(fā)一種低溫循環(huán)式糧食烘干機(jī)所配套的變頻式熱泵系統(tǒng),使系統(tǒng)輸出的熱量為連續(xù)式,完全覆蓋干燥機(jī)的熱量需求,實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)輸出的熱量與干燥所需要的熱量完全匹配,達(dá)到減少熱量消耗、提高熱泵系統(tǒng)性能的目的。

1 變頻式熱泵干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 熱泵工作原理

熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等組成。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,通過(guò)消耗少量的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵,使流動(dòng)工質(zhì)在各個(gè)部件中進(jìn)行氣液兩相的熱力循環(huán)過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)物料干燥。熱泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 熱泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

1.2 變頻式熱泵干燥系統(tǒng)的整機(jī)結(jié)構(gòu)

變頻式熱泵干燥系統(tǒng)主要由變頻式熱泵系統(tǒng)和谷物干燥機(jī)組成,本文主要研究設(shè)計(jì)的是變頻式熱泵系統(tǒng)。

環(huán)境溫度對(duì)熱泵性能及熱量輸出影響顯著。在江淮稻麥輪作地區(qū),秋季水稻收獲時(shí)期的環(huán)境溫度通常為5～20 ℃,最低至-5 ℃,最高達(dá)30 ℃?，F(xiàn)有的糧食烘干機(jī)熱泵系統(tǒng)通常由3～5級(jí)轉(zhuǎn)速固定的大功率定頻壓縮機(jī)組構(gòu)成,在低于10 ℃的環(huán)境工況下,熱泵系統(tǒng)性能下降,制熱量顯著降低,導(dǎo)致出風(fēng)溫度過(guò)低,滿足不了烘干工藝要求。而在環(huán)境溫度較高時(shí),又會(huì)導(dǎo)致制熱量供大于求,造成熱量的浪費(fèi)。為了解決此類熱泵系統(tǒng)所存在的制熱量與烘干所需要熱量不匹配的問(wèn)題,以及極限工況下出風(fēng)溫度過(guò)低問(wèn)題,將變頻式壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)速固定壓縮機(jī)相組合,構(gòu)成一種變頻式熱泵系統(tǒng)。變頻式熱泵干燥系統(tǒng)的總體組成如圖2所示,包括1臺(tái)變頻式壓縮機(jī)、4臺(tái)普通壓縮機(jī)、電輔熱裝置、PLC控制系統(tǒng)以及谷物干燥機(jī)等。

圖2 變頻式熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of variable frequency heat pump drying system1. 熱泵系統(tǒng);2. 蒸發(fā)風(fēng)機(jī);3. 蒸發(fā)器;4. 變頻壓縮機(jī)系統(tǒng);5. 膨脹閥;6. 壓縮機(jī);7. 電輔熱裝置;8. 電子膨脹閥;9. 四通閥;10. 噴液閥;11. 冷凝器;12. PLC系統(tǒng)控制柜;13. 觸摸屏;14. 指示燈;15. 環(huán)境風(fēng);16. 熱風(fēng);17. 風(fēng)道;18. 谷物干燥機(jī)。1. Heat pump system;2. Evaporation fan;3. Evaporator;4. Variable frequency compressor system;5. Expansion valve;6. Compressor;7. Electric auxiliary heating device;8. Electronic expansion valve;9. Four way valve;10. Spray valve;11. Condenser;12. PLC system control cabinet;13. Touch screen;14. Light;15. Environmental wind;16. Hot wind;17. Air passage;18. Grain dryer.

1.3 熱泵干燥系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)選型

1.3.1 烘干機(jī)技術(shù)參數(shù)在江淮稻麥輪作地區(qū),稻麥烘干主要以低溫循環(huán)式糧食烘干機(jī)為主。據(jù)統(tǒng)計(jì),至2020年底,江蘇省低溫循環(huán)式糧食烘干機(jī)的保有量已達(dá)3.2萬(wàn)臺(tái),其中12 t和15 t級(jí)2種機(jī)型的保有量占60%以上。本研究的熱泵系統(tǒng)以三久公司的CPR-165型烘干機(jī)為本體。CPR-165型烘干機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 三久CPR-165型烘干機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 SUNCUE CPR-165 dryer technical parameter

1.3.2 熱泵制熱量江淮地區(qū)小麥干燥作業(yè)時(shí)間為每年6月,稻谷干燥作業(yè)時(shí)間為每年10—11月。以江蘇省南京市6、10和11月平均氣溫為參照,熱風(fēng)溫度設(shè)為60 ℃,風(fēng)量設(shè)定為8 000 m3·h-1,按公式(1)計(jì)算小麥和水稻在不同環(huán)境溫度條件的干燥熱量(Q)。結(jié)果見表2。

Q=ρCPq(T2-T1)

(1)

式中:ρ為空氣密度,kg·m-3;CP為空氣比定壓熱容,kJ·kg-1·K-1,取值為1.01;q為通風(fēng)量,m3·s-1;T1為環(huán)境溫度,K;T2為熱風(fēng)溫度,K。

由表2可知:烘干所需要的熱量最低為78.1 kW,最大為150.6 kW。為滿足低溫工況下烘干的熱量需求,熱泵機(jī)組的最大制熱量應(yīng)大于150.6 kW。

表2 不同環(huán)境溫度條件小麥和水稻干燥熱量需求Table 2 Drying heat requirements of wheat and rice under different environmental temperature conditions

1.3.3 壓縮機(jī)選型對(duì)于12噸級(jí)烘干機(jī),現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)多選擇4級(jí)(組)定頻壓縮機(jī)構(gòu)成。表3為由4臺(tái)英華特定頻壓縮機(jī)構(gòu)成的熱泵系統(tǒng)。

表3 壓縮機(jī)參數(shù)表Table 3 Compressor parameter table

上述4臺(tái)壓縮機(jī)在不同組合下的理論制熱量如表4所示,由4臺(tái)定頻壓縮機(jī)構(gòu)成的熱泵系統(tǒng),通過(guò)兩兩組合、三組合或四組合,能提供11種熱量輸出。但沒有一種熱量輸出可以滿足低溫工況下(8 ℃)的最大熱量需求,且只有6種組合的熱量輸出可以滿足表1所述的最低熱量需求。另外,在某些環(huán)境溫度下,如16 ℃,水稻進(jìn)行烘干所需熱量為121.5 kW,根據(jù)表4,熱泵組合1+2+3+4輸出熱量為136.36 kW,能滿足該環(huán)境溫度下的熱量需求,但仍有15 kW的冗余。在烘干過(guò)程中,為保證烘干溫度恒定,這些冗余的熱量通常會(huì)被排掉,從而造成熱量的浪費(fèi)。因此,在利用定頻熱泵系統(tǒng)進(jìn)行烘干作業(yè)的過(guò)程中,由于系統(tǒng)的階躍式熱量輸出而導(dǎo)致的較大的溫度波動(dòng)和額外的熱耗,依舊是目前該系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題。

表4 現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)在不同組合下的理論制熱量Table 4 Theoretical heating capacity of existing heat pump systems under different combinations

表5 換熱器參數(shù)Table 5 Heat exchanger parameter

為此,選擇一臺(tái)變頻壓縮機(jī)與上述4臺(tái)定頻壓縮機(jī)相結(jié)合,構(gòu)成一套變頻式熱泵系統(tǒng),從而使熱泵機(jī)組制熱量范圍更廣并且更加靈活。經(jīng)過(guò)計(jì)算,選取日立CA65KHDG-D1K2型變頻壓縮機(jī),其熱泵工質(zhì)為RR410A,轉(zhuǎn)速范圍為20～120 r·min-1,在蒸發(fā)溫度0 ℃、冷凝溫度45 ℃時(shí),制熱量為7.74～46.46 kW。增加1臺(tái)變頻壓縮機(jī)后,通過(guò)定、變頻壓縮機(jī)的組合,可以實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的輸出熱量與烘干所需熱量的精確匹配。例如,對(duì)于最小78.1 kW的烘干熱量需求,可以通過(guò)簡(jiǎn)單的1+5組合實(shí)現(xiàn);而對(duì)于121.1 kW烘干熱量需求,則可以通過(guò) 1+2+5或1+2+4+5等多種組合實(shí)現(xiàn)。另外,該變頻熱泵系統(tǒng)的最大輸出熱量,理論上可以達(dá)到182.92 kW,較原先的系統(tǒng)顯著增加,可完全覆蓋8～30 ℃的環(huán)境溫度條件下稻麥烘干對(duì)熱量的需求。

1.3.4 換熱器設(shè)計(jì)系統(tǒng)冷凝器和蒸發(fā)器采用翅片管式結(jié)構(gòu),參照文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì),結(jié)果見表5。

1.4 控制系統(tǒng)

目前,由于烘干機(jī)和熱泵廠家不同,烘干機(jī)的控制系統(tǒng)和熱泵的控制系統(tǒng)往往相互獨(dú)立。為了提高操作的便捷性,并對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行有效控制,本文采用對(duì)變頻式熱泵系統(tǒng)及低溫循環(huán)糧食干燥機(jī)進(jìn)行一體化控制的方式研發(fā)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖3所示,主要包括主控模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、保護(hù)模塊、輸出控制模塊以及人機(jī)交互與顯示模塊。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.3 Control system hardware block diagram

主控模塊可完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)控等任務(wù);A/D轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和熱風(fēng)溫度等模擬量信號(hào)輸入以及信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)通訊模塊可使糧食水分儀通過(guò)RS485通訊將水分信號(hào)傳輸給主控模塊;保護(hù)模塊將風(fēng)壓監(jiān)測(cè)器、高低壓保護(hù)開關(guān)和熱保護(hù)器等電器設(shè)備通過(guò)緊急報(bào)警電路傳給主控模塊,并通過(guò)RS485通訊傳送給人機(jī)交互模塊顯示報(bào)警狀態(tài);輸出控制模塊通過(guò)PLC輸出端口對(duì)中間繼電器施加有效控制信號(hào),進(jìn)而通過(guò)交流接觸器控制熱泵與糧食干燥機(jī)動(dòng)作;人機(jī)交互與顯示模塊用于設(shè)置目標(biāo)糧食含水率、糧食品種和定時(shí)時(shí)間等干燥工藝參數(shù),顯示溫度、含水率和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息。

2 變頻式熱泵干燥水稻試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用2020年11月1—13日分5批收獲的‘南粳46號(hào)’稻谷,初始含水率分別為29.2%、29.4%、27.4%、21.2%和21.1%。試驗(yàn)地點(diǎn)為南京市高淳區(qū)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)儀器主要有金點(diǎn)LDS-1H谷物水分測(cè)定儀、Smart Sensor AS856風(fēng)速儀、CWDZ11-01-DZ-44型溫度傳感器(星儀傳感器公司)和317型數(shù)字交直流鉗形表(美國(guó)FLUKE公司)。將所研發(fā)的變頻式熱泵系統(tǒng)與三久CPR-165型低溫谷物烘干機(jī)安裝連接后進(jìn)行烘干試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 環(huán)境溫度對(duì)熱泵出風(fēng)溫度及性能系數(shù)的影響為了研究變頻式熱泵的性能,結(jié)合試驗(yàn)月份所處的環(huán)境條件,分別在0、5、10、15和20 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)控制變頻壓縮機(jī)的開關(guān)以及調(diào)節(jié)變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,記錄熱泵系統(tǒng)在上述溫度條件下所輸出的熱風(fēng)溫度和消耗的功率,計(jì)算熱泵機(jī)組的實(shí)際制熱量以及系統(tǒng)COP。

另外,為了研究電輔助加熱器在低溫環(huán)境(≤10 ℃)下對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響,分別在0、2、4、6、8和10 ℃環(huán)境溫度下,通過(guò)開啟1～3組(8～24 kW)電輔助加熱器,測(cè)定并計(jì)算熱泵機(jī)組的熱風(fēng)溫度、消耗功率、制熱量以及系統(tǒng)COP。

2.3.2 不同環(huán)境工況下變頻式熱泵系統(tǒng)的性能及干燥經(jīng)濟(jì)性分析為了研究開發(fā)的變頻式熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)性能及經(jīng)濟(jì)性,在不同的環(huán)境溫度下,設(shè)定變頻式熱泵系統(tǒng)出風(fēng)溫度為65 ℃,對(duì)不同初始水分的稻谷進(jìn)行烘干試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)定熱風(fēng)溫度和風(fēng)速,計(jì)算整個(gè)烘干系統(tǒng)的制熱量、電能消耗、干燥速率、熱泵COP、除濕能耗比(specific moisture extraction rate,SMER)以及烘干成本等。

2.3.3 變頻式熱泵烘干機(jī)與普通定頻熱泵烘干機(jī)的比較為了驗(yàn)證開發(fā)的變頻式熱泵系統(tǒng)的性能,與現(xiàn)有常規(guī)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行比較試驗(yàn)。對(duì)比設(shè)備為江蘇天舒電器有限公司生產(chǎn)的KG-115IIA3W型熱泵系統(tǒng)。2臺(tái)熱泵系統(tǒng)均搭配三久CPR-165型低溫谷物干燥機(jī),并在相同生產(chǎn)條件下進(jìn)行烘干試驗(yàn)。測(cè)定2種系統(tǒng)的性能,對(duì)比分析其經(jīng)濟(jì)性。

3 水稻干燥試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)熱泵出風(fēng)溫度及性能系數(shù)的影響

環(huán)境溫度對(duì)熱泵熱風(fēng)溫度的影響如圖4所示。從圖中可以看出,熱風(fēng)溫度近似線性增加,由41 ℃提高到78.2 ℃。在0～10 ℃時(shí),未開啟變頻壓縮機(jī)的出風(fēng)溫度不能滿足烘干需求,開啟變頻壓縮機(jī)后,熱泵的最低出風(fēng)溫度從41 ℃提高到54.6 ℃。在0～5 ℃的低溫環(huán)境工況下,將變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至最大 120 r·min-1,熱風(fēng)溫度提高約32%;在10 ℃左右,將變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至50 r·min-1,熱風(fēng)溫度從58 ℃升至66 ℃,滿足烘干需求,且未造成熱量浪費(fèi)。因此,增加變頻壓縮機(jī),可在0～10 ℃將系統(tǒng)的出風(fēng)溫度平均提高約10 ℃,滿足干燥作業(yè)對(duì)熱風(fēng)溫度和熱量的需求。

由圖4可見:在未開啟變頻壓縮機(jī)之前,隨著環(huán)境溫度的升高,熱泵的性能系數(shù)明顯增大,由0 ℃時(shí)的最高2.87提高到20 ℃時(shí)的4.51。開啟變頻壓縮機(jī)后,由于低溫下壓縮機(jī)性能受損,在0～5 ℃時(shí),雖然熱泵的最高出風(fēng)溫度提高了,但也加大了熱泵機(jī)組的整體功率,導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)略有下降。10 ℃時(shí),壓縮機(jī)性能有所恢復(fù),開啟變頻壓縮機(jī)后,熱泵新系統(tǒng)制熱性能系數(shù)略有提高。

圖4 環(huán)境溫度對(duì)熱泵性能試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.4 The effect of environment temperature on heat pump performance experiment results

圖5 低溫下電輔熱裝置性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Performance experiment results of electric auxiliary heating device at low temperature

電輔熱對(duì)熱泵系統(tǒng)出風(fēng)溫度及性能的影響如圖5所示,試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)風(fēng)量為6 000 m3·h-1。從圖中可以看出,環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí),開啟電輔熱裝置可以有效提高熱泵的熱風(fēng)溫度,開啟的電輔助加熱器數(shù)量越多,熱泵所提供的熱風(fēng)溫度越高,最高可達(dá)63 ℃,但仍不能完全滿足烘干需求。由于電輔助加熱器能效比遠(yuǎn)低于熱泵系統(tǒng)能效比,開啟后熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)會(huì)有所下降。

在試驗(yàn)過(guò)程中,由于濕度不可控,因此在只考慮溫度因素的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,低溫下開啟電輔助加熱器可以顯著提高熱泵熱風(fēng)溫度,且環(huán)境溫度越低,電輔助加熱器加熱效果越好,但是系統(tǒng)的性能系數(shù)會(huì)有所降低。為了盡可能提高熱泵系統(tǒng)制熱性能,在環(huán)境溫度高于5 ℃時(shí),不開啟電輔助加熱器進(jìn)行輔助加熱,直接使用壓縮機(jī)組調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度;當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí),可開啟電輔助加熱器進(jìn)行輔助加熱。

3.2 不同環(huán)境工況下變頻式熱泵系統(tǒng)的性能及干燥經(jīng)濟(jì)性分析

11月1、2、4、9和13日,環(huán)境工況分別為:溫度(17.1±2.2)(10.8±4.2)(12.8±2.9)(13.3±4.9)和(12.8±3.1)℃,相對(duì)濕度(78.9±13.4)%、(60.3±15.2)%、(63.6±16.8)%、(64.4±20.4)%和(72.9±13.1)%,平均風(fēng)量5 600、4 600、7 500、6 500和6 500 m3·h-1,利用所研發(fā)的變頻式熱泵系統(tǒng),對(duì)5批初始含水率分別為29.2%、29.4%、27.4%、21.2%和21.1%的稻谷進(jìn)行烘干試驗(yàn)。稻谷含水率的變化如圖6 所示。圖6顯示:各種工況下稻谷含水率的變化趨勢(shì)基本相同。以稻谷濕基含水率為計(jì)量,對(duì)干燥速率進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)各種工況下稻谷的平均干燥速率分別為0.57%、0.48%、0.56%、0.50%和0.52%,11月1日的干燥速率最高。

圖6 稻谷濕基含水率的變化Fig.6 Change of wet base moisture content of rice

圖7 系統(tǒng)制熱性能系數(shù)Fig.7 System heating performance coefficient

測(cè)算出5種工況條件下熱泵系統(tǒng)平均性能系數(shù),結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出:環(huán)境溫度最高時(shí),熱泵系統(tǒng)平均性能系數(shù)最大,為3.89;環(huán)境溫度最低時(shí),熱泵系統(tǒng)平均性能系數(shù)最小,只有2.94。方差分析表明,環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)有極顯著影響(P<0.01)。從圖6可知:11月2日系統(tǒng)性能系數(shù)最小,這是因?yàn)?1月2日平均環(huán)境溫度較低,最低只有6.7 ℃,且經(jīng)過(guò)前一日長(zhǎng)時(shí)間烘干后,熱泵進(jìn)風(fēng)口附著許多灰塵,導(dǎo)致熱泵進(jìn)風(fēng)量減小,因而延長(zhǎng)了烘干時(shí)間。

采用水稻品種‘南粳46號(hào)’,單批次稻谷處理量為12 000 kg,根據(jù)測(cè)定的烘干時(shí)長(zhǎng)、降水幅度、耗電量及當(dāng)?shù)赜秒妰r(jià)格,對(duì)所研發(fā)的變頻熱泵式糧食烘干機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。結(jié)果如表6所示:當(dāng)?shù)竟瘸跏己蚀笥?5%時(shí),將稻谷烘干到含水率15%所需的烘干時(shí)間較長(zhǎng),系統(tǒng)耗電量和除水量均較多,平均分別為1 059.7 kW·h和1 636 kg;當(dāng)?shù)竟瘸跏己市∮?5%時(shí),系統(tǒng)平均耗電量和除水量分別為558 kW·h和744 kg。整體來(lái)看,系統(tǒng)平均除濕能耗比為2.07 kg·(kW·h)-1,除去1 kg水的熱泵機(jī)組平均能耗為 2 486.3 kJ,稻谷的烘干成本為0.041元·kg-1(干稻谷)。11月1和2日雖然除水量相同,但能耗相差較大,這是由于11月2日的烘干時(shí)間較1日更長(zhǎng),因此能耗更高;將11月1日能耗與9日及13日相比,可以看出初始含水率較低時(shí),由于降水速率也更低,能耗更高。

表6 變頻式糧食烘干機(jī)熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析Table 6 Economic analysis of heat pump system of variable frequency grain dryer

3.3 變頻式熱泵烘干機(jī)與普通定頻熱泵烘干機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)

采用水稻品種‘南粳46號(hào)’,單批次稻谷處理量為12 000 kg,變頻式熱泵烘干機(jī)與普通定頻熱泵烘干機(jī)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從表7可知:在相同的干燥條件下,變頻式熱泵烘干機(jī)比普通定頻熱泵烘干機(jī)平均干燥時(shí)間縮短1 h;平均降水速率提高0.03%;變頻式熱泵系統(tǒng)平均單位能耗除濕量為2.08 kg·(kW·h)-1,普通定頻熱泵系統(tǒng)為1.54 kg·(kW·h)-1;變頻式熱泵系統(tǒng)每消耗1 kW·h電可除去的水分比普通定頻熱泵系統(tǒng)多0.54 kg,提高了34.4%;普通定頻熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)為3.15,變頻式熱泵系統(tǒng)為3.67,提高了16.5%。另外,變頻式熱泵烘干機(jī)組與普通定頻熱泵烘干機(jī)相比,耗電量平均減少13%,除去1 kg水的平均能耗降低13.2%,得到1 kg干稻谷的烘干成本降低15.8%。因此,變頻式熱泵烘干機(jī)與普通定頻熱泵烘干機(jī)相比,無(wú)論是在系統(tǒng)性能上,還是干燥能力及干燥成本上,都具有明顯的優(yōu)勢(shì),具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 變頻式熱泵烘干機(jī)與普通定額熱泵烘干機(jī)對(duì)比分析結(jié)果Table 7 Comparison and analysis results of frequency conversion heat pump system and ordinary heat pump

4 結(jié)論

1)環(huán)境溫度對(duì)熱泵出風(fēng)溫度有顯著影響,隨著環(huán)境溫度的降低,熱泵出風(fēng)溫度會(huì)明顯下降;增加變頻壓縮機(jī),可在低溫環(huán)境下(0～10 ℃),將系統(tǒng)的出風(fēng)溫度平均提高約10 ℃,滿足干燥作業(yè)對(duì)熱風(fēng)溫度和熱量的需求。

2)環(huán)境工況對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)有顯著影響,系統(tǒng)平均系統(tǒng)性能系數(shù)隨環(huán)境溫度的降低明顯下降。但與普通定頻熱泵烘干機(jī)相比,變頻式熱泵烘干機(jī)在低溫工況下(0～10 ℃)的性能系數(shù)明顯提高,平均性能系數(shù)提高16.5%,平均除濕能耗比提高34.4%。