空氣源熱泵谷物干燥的研究進展

羅喬軍 張進疆 何 琳 甘 玲

LUO Qiao－jun 1，2 ZHANG Jin－jiang 2 HE Lin 2 GAN Ling 2

（1.華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510630；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630）

（1.Department of Engineering，South China University，Guangzhou，Guangdong 510630，China；2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment，Guangzhou，Guangdong 510630，China）

農產品加工業“十二五”發展規劃提出在糧食商品化處理和初加工環節，中國農戶糧食產后損失率為7%，遠高于發達國家1%的水平［1］，其主要因于糧食在收獲季節不能及時干燥或干燥方法不當引起了霉變、發芽等損失。2011年中國糧食總產量為57 121萬t，谷物干燥機保有量僅為4.21萬臺，糧食機械化干燥5 755.25萬t，機械化干燥水平僅為10%左右，遠低于日韓的80%～90%［2］。目前中國谷物干燥機主要使用機型為連續式、批式循環谷物干燥機，干燥能耗在5 280 kJ／kg·H2O左右［3］。干燥能耗以及干燥成本過大是制約中國糧食機械化干燥的重要因素。空氣源熱泵干燥系統空氣溫度在30～50℃，滿足稻谷低溫干燥的要求，有利于提升大米品質，且空氣源熱泵是一種將環境空氣低品位能提升至高品位能進行利用的裝置，其性能系數（coefficient of performance，COP）大約在3.0左右，節能效果顯著［4－6］。目前空氣源熱泵作為干燥機的熱源，已應用于谷物干燥。熱泵谷物干燥系統由空氣源熱泵和谷物干燥機組成，空氣源熱泵系統主要有熱泵加熱系統、熱泵余熱回收系統、熱泵除濕系統、熱泵半封閉循環系統、熱泵閉合循環系統、熱管輔助熱泵除濕系統、熱泵熱水儲存供熱系統，谷物干燥機主要采用有倉儲干燥器、流化床、攪拌流化床、批式循環橫流谷物干燥機、批式循環混流谷物干燥機。

1 熱泵系統空氣循環回路的優化

傳統空氣源熱泵是一種以環境空氣為低溫熱源的節能裝置，如圖1所示。液體制冷劑在蒸發器從低溫空氣吸熱氣化成低壓蒸氣，然后經過壓縮機壓縮成高溫高壓蒸氣，高溫高壓蒸氣在冷凝器內對環境空氣加熱。熱泵蒸發器具有降溫除濕的功能，冷凝器具有加熱功能，熱泵干燥系統利用熱泵處理空氣作為干燥介質。Saensabai等［7］研究空氣源熱泵干燥系統表明環境空氣狀態顯著影響著熱泵干燥性能，為優化熱泵干燥性能，熱泵結構應根據環境空氣狀態設計，優化系統空氣循環回路。

1.1 熱泵余熱回收系統

熱泵余熱回收系統以谷物干燥機尾氣為低溫熱源，如圖2所示，因尾氣的溫度和焓高于環境空氣，蒸發器可充分吸收利用余熱，增大了蒸發器的吸熱量，有效提高了熱泵系統的 COP。Theerakulpisut［8］在環境溫度 16 ℃、含濕量10 g／kg狀態下對比研究了熱泵加熱系統和熱泵余熱回收系統的性能。由圖3可知，熱泵余熱回收系統COP接近3.5左右，明顯大于熱泵加熱系統。當冷凝器進口環境空氣狀態一定時，熱泵余熱回收系統冷凝器釋放的熱量更多，空氣加熱后的焓值更高，單位能耗去除的稻谷水分（SMER）更大。Kato［9］在環境溫度為21.2℃，含濕量7 g／kg時采用熱泵余熱回收系統對600 kg稻谷進行了干燥試驗，試驗表明熱泵余熱回收系統COP為3.72，系統相對傳統熱泵加熱系統節能效果顯著。熱泵余熱利用系統適用于高溫低濕氣候，高溫低濕環境空氣是最佳的待加熱的干燥介質，其自身具有一定的干燥能力。同時高溫低濕環境空氣的焓低于干燥尾氣（高溫高濕），系統利用尾氣潛熱COP更高。該系統可應用于中國北方夏季及秋季的谷物干燥。

圖1 空氣源熱泵系統（熱泵加熱系統）Figure 1 Air source heat pump（heat pump system for heating）

圖2 熱泵余熱回收系統Figure 2 Heat pump system for heat recovery

圖3 熱泵余熱回收系統的性能Figure 3 Performance of heat pump system for heat recovery

1.2 熱泵除濕系統

熱泵除濕系統（圖4）適用于低溫干燥和熱敏性物料干燥，有利于提高干燥產品品質。Somchart等［10］將熱泵除濕系統應用于稻谷種子干燥，在環境空氣溫度30℃，相對濕度70%的狀態下，4 000 kg稻谷由22.15%干燥至12.45%，干燥能耗為1 850 kJ／kg·H2O。上海能源研究所［11］開發的熱泵除濕糧食烘干機，干燥能耗為1 925 kJ／kg·H2O。Theerakulpisut［8］在環境溫度22℃、含濕量10 g／kg的低濕狀態下，進行了熱泵除濕干燥試驗，研究表明為去除空氣中的水分，空氣在蒸發器處溫降大，冷凝器對除濕后冷空氣再加熱能量損失過大，造成干燥空氣溫度過低，僅為30℃，遠低于熱泵加熱系統的40℃（如圖5所示），嚴重影響到了熱泵除濕系統干燥性能，熱泵除濕系統SMER下降顯著。Bekki等［12，13］利用熱泵除濕系統進行了稻谷薄層干燥試驗，研究表明稻谷干燥速率隨干燥空氣溫度的升高和相對濕度的降低而提高，其中干燥空氣溫度為主要影響因素。研究表明熱泵除濕系統對低濕空氣除濕，為去除空氣中水分空氣溫度下降嚴重。當空氣為高濕狀態時，蒸發器既充分利用了除濕冷凝潛熱，溫降也相對減小，可有效降低干燥能耗，故熱泵除濕系統適用于高溫高濕氣候和陰雨天氣。

1.3 熱管輔助熱泵除濕系統

圖4 熱泵除濕系統Figure 4 Heat pump dehumidifying system

廣東省現代農業裝備研究所［14，15］在熱泵除濕稻谷干燥系統的蒸發器兩側設計一組分離式熱管換熱器，如圖6所示。環境空氣先經過熱管換熱器蒸發端預冷接近露點，飽和濕空氣接著進入熱泵蒸發器充分冷凝除濕，除濕后的空氣進入熱管換熱器冷凝端預加熱，然后進入熱泵冷凝器充分加熱變為高溫低濕空氣，最后進入稻谷干燥機進行干燥，熱管輔助熱泵除濕系統相當于有兩個制冷劑循環回路，濕空氣經過兩次降溫和升溫過程。

圖5 熱泵除濕系統的性能Figure 5 Performance of heat pump dehumidifying system

圖6 熱管輔助熱泵除濕系統Figure 6 Grain drying by heat pump dehumidifying system with heat pipe

試驗研究［14］表明當環境空氣溫度為27℃，相對濕度為70%，安裝熱管換熱器后，熱泵蒸發器冷量主要用于濕空氣冷凝除濕，濕空氣除濕量由4.51 g／kg·干空氣增至5.94 g／kg·干空氣，熱管輔助除濕效果顯著。同時安裝熱管換熱器后，由于熱管蒸發端的冷量合理回收利用，對除濕后低溫空氣進行預加熱，系統處理后的空氣溫度由43℃提高至45℃（見圖7中7、8點）。熱管輔助熱泵除濕，提高了系統的除濕能力和處理后空氣的溫度，從而提高了熱空氣進入循環谷物干燥后的干燥能力，降低了稻谷干燥能耗。在環境空氣狀態（26.2℃，80.2%）下，熱管輔助熱泵除濕稻谷干燥能耗為1 560 kJ／kg·H2O，相對熱泵除濕干燥系統節能15.6%（見表1）。熱管輔助熱泵干燥系統是熱泵除濕系統的改良裝置，利用熱管充分除濕降低了干燥空氣的相對濕度，提高了干燥空氣的溫度。適用于陰雨天氣或者高溫高濕氣候，可在中國華南地區推廣應用。

1.4 熱泵半封閉循環系統

圖7 熱管輔助熱泵除濕系統空氣處理焓濕圖Figure 7 Psychrometric chart of moist air in the heat pump dehumidifying system with heat pipe

表1 各種熱泵稻谷干燥系統性能對比Table 1 Performance of various heat pump systems for rice drying

向飛等［16］設計了熱泵半封閉式循環系統（如圖8所示）。經熱泵冷凝器加熱后的干燥空氣對剛進入流化床的高濕稻谷進行干燥，空氣快速接近飽和狀態，逐漸失去繼續吸濕的能力，這部分高濕空氣再循環進入熱泵蒸發器，充分利用干燥后高濕尾氣的潛熱。干燥空氣對干燥后期低濕稻谷干燥，空氣吸收水分減少，空氣一直處于低濕狀態，這部分空氣混合進的新風，進入熱泵冷凝器進行循環加熱。進入流化床的新風充分利用出干燥室稻谷的余熱進行預熱提升溫度，混合空氣為高溫低濕空氣，有效提高了進入冷凝器空氣的溫度，提高了整體系統的干燥性能。試驗［17］研究表明，當干燥室入口空氣溫度在64.4～71.7℃間波動，新風比約為30%，熱泵半封閉循環系統平均COP為3.34，SMER可達1.935 kg／（k W·h）。

圖8 熱泵半封閉循環系統Figure 8 Semi－closed heat pump system

1.5 熱泵閉合循環系統

當環境空氣為低溫高濕狀態時，熱泵加熱系統中蒸發器吸收低溫空氣的熱量不足，熱泵COP顯著下降。同時進入冷凝器的低溫高濕空氣加熱到干燥溫度所需制熱量增大，干燥空氣的相對濕度過大，熱泵加熱系統干燥谷物的能耗增大。張緒坤［18］采用熱泵閉合循環系統對稻谷進行了干燥，發現當干燥空氣為相對低溫高濕（35℃，55%）狀態時，稻谷干燥品質得到了顯著提升，爆腰率僅為1.3%，遠低于稻谷干燥標準的3.0%。同時干燥能耗為2 022 kJ／kg·H2O，并未因低溫高濕環境氣候急劇增大。熱泵閉合系統不受外界環境空氣狀態變化影響，系統運行狀態穩定。低溫高濕空氣既不合適做熱泵低溫熱源，也不適合作待加熱的干燥介質，熱泵閉合循環系統（圖9）因干燥介質空氣閉合循環的特點，可有效應用于低溫高濕氣候。

1.6 熱泵熱水儲能供熱系統

Takahiro等［3］設計了一套以熱水作為中間換熱介質的熱泵稻谷干燥系統，系統由熱泵單元、熱水儲存器、熱交換器、稻谷干燥機四部分組成。如圖10所示。整個系統以熱水作為中間換熱介質，熱水在冷凝器被加熱，然后循環至換熱器對環境空氣進行加熱，加熱后的空氣作為干燥介質對稻谷進行干燥。該系統設計熱水儲存器，為稻谷干燥機提供一個穩定的熱風流，同時熱水在熱泵、熱水儲存器、熱交換器中循環利用，降低了能量的損失率。此外該系統以熱水儲存器作為熱源可以對蒸發器進行除霜，無需熱泵系統停止運行除霜，提高了熱泵運行效率，有利于應用在低溫氣候地域。利用該系統開展稻谷干燥試驗，系統加熱后的熱空氣穩定在（29.6 ℃，40.9%），空氣流量為0.64 m3／s，500 kg濕稻谷由20.4%干燥至15.1%，干燥能耗為1.68 kJ／kg·H2O，節能效果顯著［3］（見表1）。熱泵熱水儲能供熱系統解決了蒸發器在低溫狀態下運行結霜的問題，且熱水循環利用，能源利用率高，適用于低溫氣候。

圖9 熱泵閉合循環系統圖Figure 9 Closed－loop heat pump system

圖10 熱泵熱水儲能供熱系統Figure 10 Heat pump system for heat store and supply

2 谷物干燥器的應用

2006年國家糧食局成都糧食儲藏科學研究所在四川德陽南站國家糧食儲備庫建立了熱泵稻谷倉儲干燥示范基地，其中儲存稻谷1 200 t［19］。2009年代建國等［20，21］在中央儲備糧昆明直屬庫的高大平房倉建立了太陽能輔助熱泵倉儲干燥示范點，其中儲存玉米3 754 t。Kato等［9］先后利用熱泵系統組合循環橫流式谷物干燥機進行了稻谷干燥試驗研究，Theerakulpisut［8］采用熱泵系統組合循環混流式谷物干燥機進行了稻谷試驗研究，廣東省現代農業裝備研究所［15］先后開發了6，10 t／批的熱泵稻谷干燥機，其中干燥機為循環混流式谷物干燥機。該設備目前已在華南地區推廣應用30臺套左右。

向飛等［16］開發了熱泵流化床，并開展了小麥干燥試驗研究。當干燥空氣溫度為80℃時，200 kg小麥在30 min內由23%干燥至13%，凸顯了流化床干燥的效率。張緒坤［18］研究熱泵流化床干燥過程發現，為保證物料干燥時處于流化狀態，干燥空氣需有一定壓力和流量，風機消耗動力比較大，大約占整個系統總能耗的50%左右。為降低風機能耗，在流化床中設置攪拌器，降低了谷物的流化風速以及干燥空氣風量，增強了谷物的流化效果，提高了谷物的傳熱傳質效果［22］（如圖11所示）。當熱泵干燥溫度為35℃時，300 kg稻谷由25%初始含水率降低至14%，干燥時間7.5 h，干燥速率1.47%／h（濕基含量），干燥速率大于相同溫度下的燃油循環谷物干燥機。干燥能耗為2 022 kJ／kg·H2O，在提高干燥速率的前提下，干燥能耗略有增大。

圖11 熱泵攪拌穿流干燥器Figure 11 Heat pump dryer with agitated fluidized bed

3 太陽能輔助熱泵谷物干燥

Best等［23］將太陽能與熱泵組合應用于稻谷薄層干燥，太陽能集熱器安裝于干燥室頂部集熱對干燥室進行加熱，熱泵系統先后采用熱泵余熱回收系統和熱泵閉合循環系統。

Hawlader等［24，25］開發一套太陽能輔助熱泵干燥與熱水系統，并進行了谷物薄層干燥試驗，如圖12所示。太陽能集熱器又為熱泵蒸發器，制冷劑在蒸發器吸收輻射熱后蒸發，分流進入壓縮機和除濕器。制冷劑經壓縮機壓縮為高壓蒸氣后，在冷凝器5放熱，最后循環流入蒸發器。制冷劑蒸氣在除濕器對干燥器出來的熱濕空氣除濕后冷凝流回蒸發器。干燥介質空氣從干燥器出來后先經過除濕器除濕，接著經過空氣加熱器（太陽能集熱器）加熱，然后經過冷凝器5和輔助加熱器6加熱，最后進入干燥器循環。試驗研究［24］表明，空氣加熱器集熱效率在有和沒有除濕器時分別為0.72～0.76，0.42～0.48；當空氣加熱器集熱效率為0.76時，蒸發器集熱效率最大為0.87。太陽能集熱器作為熱泵蒸發器，與熱泵系統耦合供熱，有效提高了太陽能集熱器的集熱效率、太陽能供熱率（SF）以及整體系統的COP。當空氣加熱器集熱面積為1.25 m2、蒸發器集熱面積2 m2、干燥溫度為50℃、制冷劑流量0.036 kg／s，SF最大為89%，節能效果顯著［20，21］。

圖12 太陽能輔助熱泵干燥與熱水系統Figure 12 Schematic diagram of solar assisted heat pump dryer and water heater

代彥軍等［20，21］開發了一套太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統，太陽能集熱器和熱泵系統通過分開供熱的方式組合，如圖13所示。當天氣晴朗，太陽能集熱器和熱泵加熱系統分別同時將環境空氣加熱，兩股空氣混合后進入干燥倉對糧食進行干燥。當夜間沒有太陽時，熱泵加熱系統單獨運行進行糧食干燥。當出現陰雨天，環境空氣濕度太大時，熱泵加熱系統調整為熱泵閉合循環系統。

太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統中太陽能集熱系統集熱功率可以達到20～50 k W，熱泵加熱系統可以提供加熱量90 k W左右。試驗在云南10月份左右進行，環境溫度在15℃左右，典型天氣情況下系統運行穩定時，太陽能對個系統的供熱率SF為23%～36%，熱泵COPH可達5.0，整體系統的COPCH為5.88～6.86［20］。

圖13 太陽能輔助熱泵倉儲干燥系統Figure 13 Schematic diagram of solar assisted heat pump bulk dryer

太陽能熱泵耦合系統以太陽能集熱器為熱泵蒸發器，集熱器在低溫狀態下將輻射熱傳遞給制冷劑，有效提高了集熱器的傳熱系數，提高了集熱效率。同時系統設計了另一個太陽能集熱器，作為空氣的輔助加熱器，有效提高了太陽能的供熱率SF。該系統節能效果顯著，但只適用于晴朗天氣。太陽能熱泵組合系統有效解決了該問題，通過分解太陽能和熱泵兩個不同空氣加熱系統，然后混合加熱后的熱空氣作為干燥空氣，可應用于不同天氣氣候。

4 結論

（1）熱泵谷物干燥系統中熱泵余熱回收系統適用于高溫低濕氣候，熱管輔助熱泵除濕系統適用于高溫高濕氣候，熱泵閉合循環系統適用于低溫高濕氣候，熱泵熱水儲能供熱系統適用于低溫氣候，且有利于熱泵除霜。

（2）循環谷物干燥機是小型熱泵谷物干燥機的首選機型，流化床有利于提高谷物干燥速率。

（3）太陽能集熱器和熱泵系統耦合供熱，可提高太陽能集熱器的集熱效率、太陽供熱率SF以及整體系統的COP。太陽能集熱器和熱泵系統組合供熱，可實現不同氣候下的供熱模式。

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