王梓航

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

我國是糧食生產(chǎn)大國，糧食收獲后，需要經(jīng)過脫粒、干燥、貯存、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)[1]。谷物干燥是糧食生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，同時也是農(nóng)產(chǎn)物料長期貯藏的有效方法。若谷物不能及時干燥達(dá)到安全水分，則會造成霉變、發(fā)芽等損失。因此，利用谷物干燥設(shè)備是谷物豐產(chǎn)、安全的重要手段[2]。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，谷物干燥設(shè)備的需求也越來越大。傳統(tǒng)的谷物干燥設(shè)備采用燃煤、燃油直接供熱，對環(huán)境污染嚴(yán)重。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，各種節(jié)能環(huán)保的谷物干燥設(shè)備在國內(nèi)發(fā)展壯大。熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)作為水稻產(chǎn)區(qū)最常見的機(jī)型，也是發(fā)展最快的一種機(jī)型[3]。因此，本文對熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)以及性能進(jìn)行分析，以促進(jìn)谷物干燥技術(shù)的發(fā)展。

1 熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的需求

谷物經(jīng)常由于干燥參數(shù)選擇不當(dāng)而發(fā)生爆腰，影響谷物加工后的經(jīng)濟(jì)效益。因此，谷物干燥設(shè)備必須以谷物的干燥特性為依據(jù)，不僅保證谷物干燥設(shè)備的高生產(chǎn)率，還要保證干燥后谷物的品質(zhì)。目前，谷物干燥機(jī)的種類包括順流式、混流式和低溫循環(huán)式等。在我國南方，水稻主產(chǎn)區(qū)濕度大、降水多，早稻收獲期的谷物含水量可達(dá)24%左右，而稻谷需要干燥到含水量14.0%以下，才能夠安全貯存。低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)因適合谷物干燥，被廣泛應(yīng)用于我國南方水稻生產(chǎn)區(qū)[4]。傳統(tǒng)的低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)熱源采用燃燒化石能源直接供熱，不符合節(jié)能減排的要求，已被逐步禁止。隨著熱泵技術(shù)的迅速發(fā)展，其憑借自身獨(dú)特的干燥原理，備受人們關(guān)注，并逐漸應(yīng)用于谷物干燥領(lǐng)域。采用熱泵系統(tǒng)替代燃煤熱風(fēng)爐，可以降低傳統(tǒng)干燥方式的環(huán)境污染，縮短谷物烘干時間、提高谷物烘干質(zhì)量，已成為谷物干燥機(jī)的發(fā)展方向。因此，將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)具有重要意義[5]。

2 熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的作業(yè)流程

熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的干燥物料主要是稻谷、小麥等，谷物被斗式提升機(jī)送至干燥機(jī)頂部，通過換料筒進(jìn)入緩蘇段，再經(jīng)過角盒間隙。熱泵熱風(fēng)對谷物混流干燥，再利用引風(fēng)機(jī)排出機(jī)外，完成一次干燥[6]。為實(shí)現(xiàn)自動停止干燥循環(huán)，使用在線水分檢測儀對谷物含水量實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)含水量滿足要求時，谷物會自動排出干燥機(jī)，作業(yè)流程如圖1所示。熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)具有一鍵式操作、熱風(fēng)出風(fēng)控溫精確、烘干質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保、干燥成本低、安全可靠等優(yōu)勢[7]。

圖1 熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)作業(yè)流程圖

3 熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及功能

熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)結(jié)構(gòu)組成包括熱泵系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和谷物干燥機(jī)。

3.1 熱泵系統(tǒng)

3.1.1 熱泵技術(shù)

熱泵構(gòu)想最早由威廉·湯姆遜提出，又稱為熱能倍增器。在節(jié)能減排的背景下，熱泵技術(shù)不斷被重視。熱泵系統(tǒng)負(fù)責(zé)將熱風(fēng)送到烘干道中，實(shí)現(xiàn)谷物的烘干，主要包括風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷卻器、膨脹閥、噴氣增焓閥、熱回收裝置等。熱泵系統(tǒng)在壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流膨脹閥等構(gòu)成的閉合回路中注入冷媒工質(zhì)，利用壓縮機(jī)使冷媒工質(zhì)在各部件中流動。冷媒工質(zhì)吸收熱量后，溫度升高。之后，經(jīng)過壓縮、膨脹等環(huán)節(jié)，體積、壓力發(fā)生變化，最終在冷凝器釋放熱量，變成低溫低壓狀態(tài)。

3.1.2 熱泵系統(tǒng)優(yōu)化

不同的谷物，收獲季節(jié)也不同。因此，面對不同的谷物，熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的作業(yè)環(huán)境存在較大差異，供風(fēng)溫度范圍也有所區(qū)別。為使熱泵系統(tǒng)制熱量有一個較大的調(diào)節(jié)范圍，滿足不同的制熱量需求，可增設(shè)多臺功率不同的壓縮機(jī)，啟停不同的熱泵機(jī)組。另外，外界環(huán)境溫度對制冷劑的蒸發(fā)溫度影響較大，如在夜間低溫環(huán)境下運(yùn)行熱泵系統(tǒng)，制冷劑的蒸發(fā)溫度會降低。此時，熱泵系統(tǒng)所需的冷凝溫度難以達(dá)到。為解決這一問題，保證熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行，增設(shè)噴氣增焓裝置，包括一路噴射以及換熱器[7]?？稍诘蜏貤l件下獲得較高冷凝溫度，提高熱泵系統(tǒng)的低溫環(huán)境運(yùn)行能力。噴氣增焓裝置為一次節(jié)流系統(tǒng)，熱泵循環(huán)壓焓關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱泵循環(huán)壓焓關(guān)系圖

主路的工作順序?yàn)閍、b、c、d、e、f、g、a，輔路的工作順序?yàn)閏、d、e、h、i、c。狀態(tài)點(diǎn)c為狀態(tài)點(diǎn)b與狀態(tài)點(diǎn)i的混合點(diǎn)。液體制冷劑在狀態(tài)點(diǎn)e分為兩路。其中，主路熱泵工質(zhì)直接進(jìn)入換熱器，經(jīng)與制冷劑換熱冷卻到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)f。經(jīng)過膨脹閥節(jié)流，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)g。再經(jīng)蒸發(fā)器吸熱，返回狀態(tài)點(diǎn)a。在壓縮機(jī)壓縮作用下，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn) b。輔路經(jīng)噴氣增焓閥節(jié)流，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)h。在經(jīng)過換熱器后，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)i，最終返回壓縮機(jī)。

3.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)具有熱泵調(diào)節(jié)[8]、溫度監(jiān)控、干燥機(jī)操作控制等功能，實(shí)現(xiàn)谷物干燥過程的自動與手動控制模式，主要包括控制按鈕、PLC控制器、觸摸屏等。電氣控制系統(tǒng)分為主控、A/D轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互與顯示、輸出控制、數(shù)據(jù)通信和拓展六個模塊。1）主控模塊。主控模塊負(fù)責(zé)信號采集和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。2）A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊能夠輸入熱風(fēng)溫度、環(huán)境溫度模擬量信號，并實(shí)施信號的A/D轉(zhuǎn)換。3）人機(jī)交互與顯示模塊。人機(jī)交互與顯示模塊用于設(shè)置關(guān)鍵操作參數(shù)，主要包括谷物品種、谷物含水率、干燥時間、干燥溫度等，并實(shí)時顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、溫度、含水率等信息。4）輸出控制模塊。輸出控制模塊利用PLC控制器輸出信號，對中間繼電器進(jìn)行控制，從而控制熱泵系統(tǒng)、谷物干燥機(jī)的動作。5）數(shù)據(jù)通信模塊。數(shù)據(jù)通信模塊將在線水分檢測儀的水分信號傳輸給主控模塊，其中，主要通過RS485通信接口來完成。6）拓展模塊。拓展模塊通過緊急報(bào)警電路，將傳感器信號傳輸給主控模塊，報(bào)警燈亮。

3.3 谷物干燥機(jī)

低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)為塔式，負(fù)責(zé)谷物干燥循環(huán)，含水量檢測達(dá)標(biāo)，主要包括緩蘇段、干燥段、排糧段以及斗式提升機(jī)等。

最后，整個矩形線圈的磁場分布是所有微小電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場疊加起來(矢量疊加)。不失一般性，我們這里令μ0=1，I0=1，并且矩形線圈周長滿足a+b=1。為了得到精確的結(jié)果，我們必須使得電流元的大小盡可能小，這也是意味著我們需要使dl足夠的小，現(xiàn)在我們定義一個N來表示我們所離散出來的微元大小：

3.3.1 緩蘇段

緩蘇段可以有效降低谷物的爆腰率，有利于提高烘后谷物的品質(zhì)。緩蘇段位于干燥段的前方，用于促進(jìn)谷物粒內(nèi)部水分向外移動，減小干燥過程中谷物粒內(nèi)形成的應(yīng)力。緩蘇段內(nèi)不通熱風(fēng)，主要是平衡谷物粒表面和內(nèi)部的水分。谷物干燥機(jī)的緩蘇段由多節(jié)組成，每節(jié)由4塊門板和多根鍍鋅管組成。4塊門板通過鎖扣固定連接，在不加大門板壁厚的條件下，對門板焊接固定加強(qiáng)筋，以達(dá)到節(jié)約材料用量、降低成本的目的。鍍鋅管位于門板內(nèi)側(cè)，采用螺栓連接固定[9]。

3.3.2 干燥段

一個循環(huán)是指谷物上次進(jìn)入干燥段至下次進(jìn)入干燥段的時間段。干燥段內(nèi)主要有門板、進(jìn)氣角盒、排氣角盒、角盒護(hù)板等部件。門板與角盒護(hù)板采用鎖扣連接，角盒形狀為五邊形，角盒通過螺栓固定在角盒護(hù)板上。進(jìn)、排氣角盒尺寸及數(shù)量一致，在角盒護(hù)板上呈交替錯落形式排列。上排為進(jìn)氣角盒，下排為排氣角盒，分別布置兩排。熱泵熱風(fēng)從進(jìn)氣角盒進(jìn)入，為使熱風(fēng)與谷物充分接觸，將谷物移動方向與熱風(fēng)流動方向設(shè)置為交叉方式，熱風(fēng)穿透糧層后進(jìn)入排氣角盒，再利用引風(fēng)機(jī)排出機(jī)外。

3.3.3 排糧段

經(jīng)干燥段干燥完成后的谷物進(jìn)入排糧段，排糧段包括六葉輪式排糧輪、調(diào)速電機(jī)、傳動系統(tǒng)、絞龍輸送機(jī)等部件。谷物通過排糧輪進(jìn)行排糧，六葉輪在調(diào)速電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)，排糧速度通過六葉輪的轉(zhuǎn)速控制。谷物順勢而下，流到絞龍輸送機(jī)上，再經(jīng)輸送機(jī)重新進(jìn)入斗式提升機(jī)進(jìn)料口。

3.3.4 斗式提升機(jī)

斗式提升機(jī)由提升機(jī)傳送帶、提升機(jī)柱筒、換料筒等組成[10]。進(jìn)入斗式提升機(jī)進(jìn)料口的谷物，被載入斗式提升機(jī)傳送帶，利用提升機(jī)柱筒上的在線水分檢測儀，對谷物含水量進(jìn)行檢測，檢測合格的谷物可隨時通過換料筒切換至排糧通道，入倉存儲。對于水分不合格的谷物，繼續(xù)進(jìn)行谷物干燥循環(huán)。

4 熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的性能分析

按照熱風(fēng)溫度為60 ℃對谷物干燥情況進(jìn)行試驗(yàn)，在5 ℃、8 ℃、11 ℃、14 ℃、17 ℃、20 ℃、23 ℃、26 ℃、29 ℃、32 ℃等不同環(huán)境溫度下，得出熱風(fēng)溫度與谷物溫度的變化結(jié)果，如表1所示。

表1 熱風(fēng)溫度與谷物溫度的變化結(jié)果

由表1溫度變化結(jié)果得知，熱風(fēng)溫度在60 ℃上下波動，最大波動值為1.9 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.91 ℃，說明電氣控制系統(tǒng)具有較高的控制能力。干燥后的谷物溫度在32.1 ℃～34.3 ℃之間，標(biāo)準(zhǔn)差為0.69 ℃，說明干燥后的谷物溫度波動較小，具有良好的穩(wěn)定性，熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)符合要求。

5 結(jié)論

為不斷推進(jìn)我國谷物干燥機(jī)械化進(jìn)程，對熱泵式低溫循環(huán)谷物干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）熱泵技術(shù)是一種清潔、環(huán)保技術(shù)，不會產(chǎn)生二次污染的問題，將其應(yīng)用于谷物干燥機(jī)中，是長期發(fā)展趨勢。

2）由于谷物存在自身生物學(xué)特性，因此，谷物干燥機(jī)的選擇應(yīng)該以谷物的干燥特性為依據(jù)，以滿足降低爆腰率和保證谷物品質(zhì)的要求。

3）增設(shè)帶噴氣增焓裝置的熱泵機(jī)組，并通過具有PLC控制器的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，可有效實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)溫度和干燥后谷物溫度的穩(wěn)定性。