閆俊海,高龍,劉寅,丁揚(yáng)錚,孟照峰,王順,吳飛駿,謝亞琦,張士雯

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州,450007)

糧食干燥是保障國(guó)家糧食安全的首要環(huán)節(jié),又是糧食行業(yè)的主要耗能環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)糧食高效、安全、經(jīng)濟(jì)干燥對(duì)我國(guó)具有重大意義[1-2]。目前糧食產(chǎn)后的干燥有自然晾曬和機(jī)械干燥,自然晾曬不僅極易污染糧食而且在公路上晾曬還易引發(fā)交通事故,同時(shí)受氣候影響很大。機(jī)械干燥方法主要有烘干機(jī)、烘干塔、熱泵干燥、冷凝去濕干燥等。烘干機(jī)、烘干塔[3-4]目前的應(yīng)用最為廣泛,其使用的能源以煤炭為主,僅有小部分采用燃油或生物質(zhì)秸稈、稻殼等,熱效率低,對(duì)環(huán)境污染大,設(shè)備投資高[5]。此外,其對(duì)應(yīng)的糧食干燥方式屬于高溫干燥(80～300 ℃,常稱為熱風(fēng)干燥[6]),若烘干參數(shù)與工藝選取不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致糧食干燥不均勻和品質(zhì)下降,如蛋白質(zhì)變性、種子發(fā)芽率降低、食用品質(zhì)降低等,不適宜高品質(zhì)糧種的干燥[7]。熱泵干燥技術(shù)[8-9]已廣泛應(yīng)用于谷物、果蔬、水產(chǎn)品等物料加工過(guò)程,但在糧食規(guī)模化應(yīng)用中還未取得實(shí)際突破。冷凝去濕干燥[10-11]雖然也能滿足糧食的低溫干燥要求,糧食干燥品質(zhì)高,但設(shè)備運(yùn)行成本較高,在高濕、大風(fēng)量情況下效率低,運(yùn)行中存在排水不便、溫濕度調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度受限等問(wèn)題。

糧食就倉(cāng)干燥是一種集干燥、倉(cāng)儲(chǔ)為一體的技術(shù)形式[12-13],可使用常溫空氣或低溫干燥空氣作為干燥介質(zhì),對(duì)倉(cāng)內(nèi)高水分糧食進(jìn)行強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)處理,糧食收獲后即可入倉(cāng),減少倉(cāng)外晾曬、烘干等環(huán)節(jié),可最大限度保持糧食品質(zhì)和避免倒倉(cāng)帶來(lái)的糧食損失和相應(yīng)成本支出。低溫慢速通風(fēng)干燥歷史悠久,我國(guó)近年來(lái)對(duì)糧食低溫通風(fēng)干燥進(jìn)行了大量的研究[14],糧食低溫慢速就倉(cāng)干燥的干燥品質(zhì)好,能耗較低,可作為貯藏設(shè)施使用,不需倒庫(kù)作業(yè),可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)貯藏,并對(duì)入庫(kù)負(fù)荷的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[15]。

溶液除濕是利用溶液的吸濕能力,吸收空氣中的水分,達(dá)到除濕目的。溶液除濕相比于冷凝法去濕,無(wú)冷熱抵消過(guò)程,除濕能力強(qiáng),可精準(zhǔn)調(diào)溫調(diào)濕,系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源可充分利用低品位熱源、廢熱、太陽(yáng)能等,系統(tǒng)節(jié)能顯著?？諝馔ㄟ^(guò)溶液除濕和溫度調(diào)節(jié)后可實(shí)現(xiàn)低溫通風(fēng)干燥,其相比于自然通風(fēng)干燥具有降水時(shí)間短,不受氣候條件和季節(jié)限制,且機(jī)組出風(fēng)溫度可精確控制等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)已有學(xué)者對(duì)溶液除濕機(jī)組在糧庫(kù)中應(yīng)用進(jìn)行了研究[16-19],但多集中于理論分析,目前市場(chǎng)上還沒有見到相關(guān)的干燥設(shè)備或?qū)嶒?yàn)研究。針對(duì)現(xiàn)狀,本文開發(fā)了基于溶液除濕的新型糧食干燥設(shè)備,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了其運(yùn)行特性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于溶液除濕的新型糧食干燥系統(tǒng),包括糧倉(cāng)通風(fēng)系統(tǒng)、制冷循環(huán)和溶液除濕循環(huán)三部分,系統(tǒng)原理如圖1所示。

1-環(huán)境空氣;2-風(fēng)閥1;3-空氣冷凝器;4-膨脹閥1;5-溶液電加熱器;6-風(fēng)機(jī)1;7-環(huán)境空氣;8-再生器;9-流量調(diào)節(jié)閥1;10-壓縮機(jī)1;11-空氣蒸發(fā)器;12-流量調(diào)節(jié)閥2;13-空氣;14-風(fēng)閥2;15-除濕器;16-空氣電加熱器;17-風(fēng)機(jī)2;18-溶液蒸發(fā)器;19-溶液泵1;20-流量調(diào)節(jié)閥3;21-流量調(diào)節(jié)閥4;22-溶液與溶液換 熱器;23-膨脹閥2;24-壓縮機(jī)2;25-溶液泵2;26-溶液冷凝器

空氣循環(huán)。除濕器側(cè),空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)閥進(jìn)入除濕器與低溫溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換,除濕后經(jīng)蒸發(fā)器降溫,再依次經(jīng)過(guò)電加熱和風(fēng)機(jī)進(jìn)入糧倉(cāng)對(duì)糧食進(jìn)行干燥,依據(jù)GB/T 29890—2013《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》進(jìn)入糧倉(cāng)的空氣參數(shù)溫度控制在(20±0.5) ℃、相對(duì)濕度控制在70%以下。再生器側(cè),環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)閥進(jìn)入冷凝器(制冷循環(huán)1)與制冷劑換熱升溫后,流經(jīng)再生器與稀溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換空氣被加濕,經(jīng)風(fēng)機(jī)排入環(huán)境空氣。

溶液除濕循環(huán)。溶液在除濕器中吸收空氣水分成為稀溶液后,分兩路,一通過(guò)熱交換器與來(lái)自再生溶液箱的一路濃溶液換熱升溫,再與來(lái)自再生溶液箱中另一路濃溶液混合,經(jīng)溶液泵進(jìn)入冷凝器加熱后,送入再生器與流經(jīng)的熱空氣進(jìn)行熱、質(zhì)交換變?yōu)闈馊芤?。除濕器中另一路稀溶?與來(lái)自再生器的一路經(jīng)熱交換器換熱冷卻的濃溶液按一定比例混合,經(jīng)溶液泵進(jìn)入蒸發(fā)器與制冷劑換熱被冷卻,然后進(jìn)除濕器再一次對(duì)空氣除濕,從而完成了一個(gè)循環(huán)。該溶液除濕循環(huán)由3個(gè)溶液環(huán)路組成,不同于單一溶液環(huán)路的系統(tǒng),該系統(tǒng)除濕溶液和再生溶液的流量可以獨(dú)立控制,便于根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

制冷循環(huán)。該循環(huán)分為制冷循環(huán)1和制冷循環(huán)2,兩個(gè)子循環(huán)系統(tǒng)。制冷循環(huán)1,從壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體,進(jìn)冷凝器與環(huán)境空氣換熱凝結(jié)成高壓液體,再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓,變成低溫低壓濕蒸汽,進(jìn)入蒸發(fā)器與來(lái)自除濕器的空氣換熱,變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w回到壓縮機(jī)從而完成一個(gè)制冷循環(huán)。制冷循環(huán)2,從壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體,進(jìn)冷凝器與稀溶液換熱凝結(jié)成高壓液體,再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓,變成低溫低壓濕蒸汽,進(jìn)入蒸發(fā)器與除濕溶液換熱,變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w回到壓縮機(jī),從而完成一個(gè)循環(huán)。

該系統(tǒng)制冷循環(huán)的冷、熱兩端均得到了有效利用,冷量用來(lái)冷卻空氣和溶液,提高溶液除濕效率,而冷凝熱用作除濕循環(huán)的驅(qū)動(dòng)能源,用來(lái)加熱空氣和溶液實(shí)現(xiàn)溶液的再生。

2 系統(tǒng)設(shè)備選型

依據(jù)LS/T 1202—2002《儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程》,糧食最高水分為20%時(shí),對(duì)應(yīng)的最低單位通風(fēng)量取60 m3/(h·t),機(jī)組按照可處理糧食110 t進(jìn)行設(shè)計(jì),機(jī)組出風(fēng)量取7 000 m3/h。依據(jù)GB/T 29890—2013《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》機(jī)組出風(fēng)空氣溫度設(shè)計(jì)為(20±0.5) ℃,相對(duì)濕度70%以下。

2.1 溶液除濕循環(huán)相關(guān)設(shè)備選型

2.1.1 除濕器和再生器選型

填料作為除濕器中實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣除濕的主要媒介,其客觀構(gòu)造和具體參數(shù)決定了傳熱傳質(zhì)性能的優(yōu)劣,經(jīng)比較,本設(shè)計(jì)選用紙質(zhì)的規(guī)整波紋填料作為除濕器填料,填料比表面積600 m2/m3,除濕溶液選擇LiCl溶液,溶液與空氣流動(dòng)形式采用叉流,由叉流除濕器熱質(zhì)交換方程及溶液、空氣進(jìn)出口設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)理論計(jì)算,得到除濕器填料尺寸為1 200 mm×1 250 mm×1 000 mm,再生器填料尺寸為1 500 mm×1 360 mm×1 240 mm。溶液除濕循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 溶液除濕循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table 1 Design parameters of the solution dehumidification cycle system

續(xù)表1

2.1.2 溶液泵選型

根據(jù)除濕器和再生器溶液流量及系統(tǒng)阻力計(jì)算,除濕溶液流量10.5 m3/h,系統(tǒng)阻力183.3 kPa,再生溶液流量13.3 m3/h,系統(tǒng)阻力252.8 kPa,溶液泵選用立式多級(jí)離心泵,設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 溶液泵設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of solution pump

2.1.3 溶液-溶液換熱器選型

根據(jù)除濕器和再生器與空氣熱質(zhì)交換理論計(jì)算,確定的溶液-溶液換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。板式換熱器型號(hào)GJAM6B,板片數(shù)20片,外形尺寸50 mm×320 mm×885 mm。

表3 溶液-溶液換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of solution-solution heat exchanger

2.2 制冷循環(huán)設(shè)備選型

2.2.1 制冷循環(huán)1設(shè)備選型

蒸發(fā)器選型,制冷系統(tǒng)制冷劑為R22,通過(guò)理論計(jì)算得出,制冷循環(huán)1蒸發(fā)器的換熱面積約為80 m2,選擇平鋁翅片銅管式換熱器,排列6×40,正三角形排列,片距2.1 mm,親水鋁箔厚度0.16 mm,孔距25 mm,列距21.65 mm,銅外徑9.5 mm,穿管壁厚0.36 mm,蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸1 000 mm×150 mm×1 000 mm。

壓縮機(jī),根據(jù)循環(huán)的制冷量蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及制冷劑R22,制冷循環(huán)1選用渦旋壓縮機(jī)型號(hào)SM112,名義制冷量27.6 kW,輸入功率7.92 kW。

冷凝器選型,通過(guò)理論計(jì)算得出,制冷循環(huán)1冷凝器的換熱面積為115 m2,選擇平鋁翅片銅管式換熱器,排列6×48,正三角形排列,片距2.1 mm,親水鋁箔厚度0.16 mm,孔距25 mm,列距21.65 mm,銅外徑9.5 mm,穿管壁厚0.36 mm,冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸1 050 mm×150 mm×1 050 mm。

膨脹閥,為更好控制工作狀態(tài)及系統(tǒng)穩(wěn)定,本設(shè)計(jì)選擇電子膨脹閥,型號(hào)E2V30。

制冷循環(huán)1冷凝器和蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 制冷循環(huán)1蒸發(fā)器和冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of evaporator and condenser for refrigeration cycle 1

2.2.2 制冷循環(huán)2冷凝器和蒸發(fā)器選型

蒸發(fā)器,換熱面積通過(guò)計(jì)算為14.5 m2,選用型號(hào)為SS-0650GSTI-S2管式換熱器,蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸700 mm×220 mm×430 mm,該換熱器由內(nèi)螺紋管與帶折流板的殼體組成的一種換熱器,換熱效率高,可適用于LiCl溶液,防腐性能好。

壓縮機(jī),選用渦旋壓縮機(jī)SY300,名義制冷量72.8 kW,輸入功率22.7 kW。

冷凝器,換熱面積通過(guò)計(jì)算為17 m2,型號(hào)為SS-0650GSTI-S3管式換熱器,冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸700 mm×220 mm×480 mm。

膨脹閥,為更好控制工作狀態(tài)及系統(tǒng)穩(wěn)定,本設(shè)計(jì)選擇電子膨脹閥,型號(hào)E3V45。

制冷循環(huán)2冷凝器和蒸發(fā)器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。

表5 制冷循環(huán)2蒸發(fā)器和冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 Design parameters of evaporator and condenser for refrigeration cycle 2

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備選型

除濕側(cè)和再生側(cè)風(fēng)機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。在設(shè)備選型的基礎(chǔ)上搭建了基于溶液除濕的新型糧食干燥設(shè)備,實(shí)物圖如圖2所示。

表6 風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)Table 6 Design parameters of fan

圖2 基于溶液除濕的新型糧食干燥設(shè)備實(shí)物圖Fig.2 Real picture of new grain drying equipment based on solution dehumidification

3 系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

為了驗(yàn)證機(jī)組的運(yùn)行性能是否滿足設(shè)計(jì)要求,在不同環(huán)境空氣參數(shù)下,進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。圖中每個(gè)數(shù)字代表一種工況與帶上標(biāo)的數(shù)字工況相對(duì)應(yīng)。從圖3可以看出不同工況的入口空氣經(jīng)過(guò)機(jī)組處理后,空氣溫度均在(20±0.5) ℃,相對(duì)濕度在38%以下,滿足設(shè)計(jì)要求。在入口空氣溫度35 ℃,相對(duì)濕度76%,出口空氣溫度20 ℃,相對(duì)濕度50%的工況下,新設(shè)計(jì)機(jī)組的制冷和除濕性能系數(shù)如圖4所示,機(jī)組的系統(tǒng)制冷性能系數(shù)(coefficient of refrigeration performance,COPC)為4.2,除濕性能系數(shù)(dehumidification coefficient,COPD)為3.1。

圖3 機(jī)組除濕側(cè)入口、出口空氣參數(shù)Fig.3 Air parameters of dehumidifier inlet and outlet

圖4 新設(shè)計(jì)機(jī)組的性能系數(shù)Fig.4 Performance coefficient of newly designed unit

利用本設(shè)計(jì)機(jī)組在低溫干燥模式下對(duì)玉米和蘿卜進(jìn)行了初步干燥實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)38 h干燥后,其結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中玉米和蘿卜干燥前后的對(duì)比可看出,干燥效果明顯。

a-玉米干燥前;b-玉米干燥后

a-蘿卜片干燥前;b-蘿卜片干燥后

4 系統(tǒng)能耗分析

目前在小麥等谷物干燥中,烘干機(jī)或烘干塔應(yīng)用最為廣泛。冷凝去濕法是通過(guò)人工方法提供低溫干燥空氣介質(zhì)對(duì)谷物進(jìn)行干燥,在低溫慢速干燥領(lǐng)域應(yīng)用較多。為了進(jìn)一步分析本機(jī)組的能耗情況,本文將新設(shè)計(jì)機(jī)組與烘干機(jī)和冷凝去濕干燥機(jī)的性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

對(duì)糧食水分進(jìn)行計(jì)算時(shí),可將糧食看成是由水分與干物質(zhì)兩部分組成如公式(1)～公式(3)所示:

m1=mg+m1w1

(1)

m2=mg+m2w2

(2)

m1=m2+W

(3)

式中:m1,干燥前糧食質(zhì)量,kg;m2,干燥后糧食質(zhì)量,kg;mg,糧食干物質(zhì)量,kg;w1,干燥前糧食水分比;w2,干燥后糧食水分比;W,脫水量,kg。

糧食干燥前后,糧食干燥物質(zhì)量不發(fā)生變化,由公式(1)～公式(3)可得糧食干燥后的脫水量W,計(jì)算如公式(4)所示:

(4)

糧食干燥過(guò)程中需要消耗的熱量可分為3部分:蒸發(fā)小麥體內(nèi)水分所消耗的熱量Q1,預(yù)熱小麥所需要的熱量Q2,干燥過(guò)程中干燥器的熱損失Q3。

小麥水分蒸發(fā)需要的熱量Q1,計(jì)算如公式(5)所示:

Q1=W·r

(5)

式中:r,水的氣化潛熱,kJ/kg。

假設(shè)干燥前小麥的溫度為25 ℃,預(yù)熱后的溫度為45 ℃,預(yù)熱小麥需要的熱量Q2,計(jì)算如公式(6)所示:

Q2=m1cΔT

(6)

式中:c,小麥比熱容,kJ/(kg·K);ΔT,小麥預(yù)熱前后溫度差,℃。

干燥過(guò)程中,損失的熱量按總干燥熱能的10%計(jì)算,則總的能耗損失Q3,計(jì)算如公式(7)所示:

Q3=(Q1+Q2)×10%

(7)

小麥干燥所需的熱量為Q,計(jì)算如公式(8)所示:

Q=Q1+Q2+Q3

(8)

加熱小麥所需的熱量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的量為設(shè)為M(1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的低溫?zé)嶂禐?9 307.6 kJ),計(jì)算如公式(9)所示:

(9)

課題組以干燥前含水率為20%,干燥后含水率為13%,110 t小麥為例,煤發(fā)電的一次能源轉(zhuǎn)換效率按40%計(jì)算,新設(shè)計(jì)機(jī)組的低溫干燥糧食降水速率取0.11%/h[10]。本機(jī)組和冷凝法去濕干燥機(jī)以進(jìn)口空氣溫度30.9 ℃、相對(duì)濕度76%,機(jī)組出口空氣溫度20 ℃,相對(duì)濕度43%,本機(jī)組運(yùn)行能耗為37.6 kW,冷凝去濕干燥機(jī)組COPC取3.4進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算可得各機(jī)組能耗,如圖7所示,冷凝法去濕干燥機(jī)能耗最高,干燥110 t小麥所需電能折算為一次能源約1 506 kg標(biāo)煤,本機(jī)組能耗最小,所需電能折算為一次能源約734.3 kg標(biāo)煤。本機(jī)組與傳統(tǒng)烘干機(jī)和冷凝法去濕干燥機(jī)相比,其節(jié)能率如圖8所示。本機(jī)組相比于烘干機(jī)其節(jié)能率ΔE1約為20%,相比于冷凝法去濕干燥機(jī)其節(jié)能率ΔE2約為51%。

圖7 機(jī)組能耗比較Fig.7 Comparison of the unit energy consumption

圖8 機(jī)組節(jié)能率Fig.8 Energy saving rate of unit

5 結(jié)論

糧食低溫慢速通風(fēng)就倉(cāng)干燥具有節(jié)約能源消耗,保證干燥后的糧食品質(zhì),保持環(huán)境衛(wèi)生等優(yōu)勢(shì),本文圍繞糧食低溫慢速干燥提出了基于溶液除濕的新型糧食干燥系統(tǒng),并完成了設(shè)備選型及開發(fā)。通過(guò)機(jī)組的實(shí)際測(cè)試及性能分析,可知:1)在不同環(huán)境空氣狀況下,機(jī)組出風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到了(20±0.5) ℃,相對(duì)濕度低于70%的設(shè)計(jì)要求;2)系統(tǒng)以電能驅(qū)動(dòng),并利用冷凝廢熱驅(qū)動(dòng)溶液循環(huán),制冷系統(tǒng)的冷、熱源均得到了有效利用,系統(tǒng)節(jié)能顯著,系統(tǒng)COPC可達(dá)4.20以上,COPD不低于3.1;3)通過(guò)能耗分析可知,本設(shè)計(jì)機(jī)組與冷凝去濕干燥機(jī)相比可節(jié)能50%以上,與烘干機(jī)相比可節(jié)能20%左右;4)通過(guò)對(duì)玉米和蘿卜片進(jìn)行初步干燥實(shí)驗(yàn),干燥效果良好。