地源熱泵稻谷干燥機板翅換熱器的設計與試驗

張德高，謝煥雄，顏建春，吳慧昌，周新星，嚴 偉，姚禮軍

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

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地源熱泵稻谷干燥機板翅換熱器的設計與試驗

張德高，謝煥雄，顏建春，吳慧昌，周新星，嚴 偉，姚禮軍

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

針對稻谷干燥機作業成本過高和干燥后的物料品質差的問題，將地源熱泵技術應用于稻谷干燥機，設計了一套板翅式換熱器加熱空氣，計算得出芯體結構與技術參數，以降低單位作業量成本，提高干燥后的物料品質。試驗研究表明：當環境溫度為環境溫度16℃、空氣相對濕度53.2%時，地源熱泵稻谷干燥機與燃油稻谷干燥機的稻谷含水率降低速率無明顯區別，稻谷干燥性能可達到同等效果；地源熱泵稻谷干燥機干燥稻谷的單位作業量成本0.040 7元，而燃油稻谷干燥機干燥稻谷的單位作業量成本為0.190 5元，單位作業量成本明顯降低；地源熱泵稻谷干燥機的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%小于燃油稻谷干燥機的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機的破損率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥機的0.31%，地源熱泵稻谷干燥機的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機的3.0%，干燥后的物料品質明顯提高。

稻谷；地源熱泵；換熱器；干燥性能；成本；物料品質

0 引言

我國農戶糧食產后儲藏運輸過程中的損失率為7%，遠高于發達國家1%的水平[1]，主要原因是糧食在收獲季節不能及時干燥或干燥方法不當引起了發芽、霉變等損失。2013年底，我國有谷物干燥機4.28萬臺，總功率44.14萬kW，干燥糧食數量7 529.30萬t，糧食干燥量僅占糧食總產的15%左右[2],可見糧食機械化干燥程度比較低。目前，我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[3-9]，干燥能耗在5 280kJ/kg左右。同時，傳統的依靠燃油、煤等秸稈、作為干燥能源的爐氣高溫干燥容易產生二次污染，且干燥能耗過大，制約中國糧食機械化干燥[10-13]。

地源熱泵是一種先進的可再生能源利用技術，每消耗1kW·h的能量，用戶可以得到4～5kW·h的熱量或冷量[14-17]。本文把地源熱泵技術應用于稻谷干燥機，計算確定了換熱器芯體結構與技術參數，并對地源熱泵稻谷干燥機進行了試驗分析。地源熱泵稻谷干燥機對于提高糧食品質、增加農民收益、保障糧食安全，具有十分重要的意義。

1 地源熱泵稻谷干燥機基本工藝過程

稻谷干燥機工藝：谷物進倉，經提升機到干燥機頂部、上攪龍、谷倉緩蘇部、谷倉干燥部、下攪龍，最后經提升機谷物出倉。地源熱泵機組通過板翅式換熱器，經下本體對谷倉干燥部進行加熱干燥，如圖1所示。

圖1 地源熱泵循環谷物干燥機工藝過程

2 換熱器芯體結構與技術參數確定

換熱器芯體設計需根據工作條件下的傳熱負荷，選擇合適的傳熱材料和結構形式，得到較高的傳熱系數；選擇合適的流體流動方式，獲得較大的對數平均溫差，從而以較小的換熱面積達到傳熱的要求，降低金屬或其他材料的消耗。芯體采用長六邊形不銹鋼框架，內嵌若干層親水鋁箔板翅(間距為d)。其中，六邊形的4個短邊為交換器的4個進或出風口，熱空氣與冷空氣經鋁箔相隔不混合交叉相逆流動，芯體主要結構和技術參數如圖2所示。

圖2 換熱器芯體結構與技術參數

已知兩股氣流的質量流量qm1、qm2及3個溫度值t1′、t1″、t2″，同時令(qmc)max=max(qm1c1, qm2c2)；(qmc)min= min(qm1c1, qm2c2)。則在純逆流情況下的所需總傳熱面積Actf計算過程為

其中，η為換熱器效率； c1為熱空氣比熱[J/(kg·℃)]；c2為冷空氣比熱[J/(kg·℃)]；Rc為兩股氣體熱容量之比； NTU為傳熱單元數；K為總傳熱系數[W/(m2·℃)]。

參照谷物干燥機正常工作情況，熱空氣進入芯體前的溫度為35℃，相對濕度60%；冷空氣進入芯體前的溫度為15℃，相對濕度50%；熱空氣排出芯體后的溫度控制在比進入芯體前的冷空氣高2～3℃；氣流在管壁及箱壁的泄漏按氣流總量2%計算，按通風風量4 900m3/h計算，則可得出總傳熱面積A=132m2。

此外，將板翅式換熱器芯體進口的壓力損失Δp′、出口的壓力回升Δp及芯體內的壓力損失Δpef加起來，可得換熱器芯體的壓降，則

ΔPcore=Δp'+Δpef-Δp

其中

其中，gm為質量流速[kg/(m2·s)]；υ′為芯體進口處流體比體積(m3/kg)；σ為換熱器芯體的孔度；K′為進口壓力損失系數；υ為芯體出口處流體比體積(m3/kg)；K為出口壓力損失系數；f為范寧摩擦因子；L為流動長度(m)；de為水力直徑(m)；υm為沿流動長度的平均比體積(m3/kg)。

查詢設計手冊[18-19]，帶入數據，計算得換熱器熱空氣側和冷空氣側的氣體壓力損失分別為150、156Pa。

3 試驗

3.1 試驗材料

試驗谷物品種為稻谷，產自揚中市三茅街道指南村。2015年11月10-16日在水稻產地開展地源熱泵稻谷干燥機試驗。

3.2 試驗裝置與儀器

試驗裝置由地源熱泵機組、換熱器及循環式谷物干燥機組成。其中，地源熱泵機組外購FDK-030型農用地源熱泵機組，換熱器和循環谷物干燥機自制。

表1 主要試驗裝置及儀器

3.3 試驗內容

在相同環境空氣狀態下，通過以下3個方面進行地源熱泵與燃油稻谷干燥機的對比試驗。

1)物料含水率隨干燥時間的變化情況；

2)干燥谷物單位作業量成本；

3)干燥不均勻度、破損率和爆腰率等3方面的物料品質。

3.4 檢測及計算方法

1)空氣狀態參數(溫度T/相對濕度φ)：電子溫濕度記錄儀。

2)含水率檢測：在出料口取樣9次/h，由日本AND的MS-70型稻谷水分測定儀分別測定9個子樣的含水率Mt1，Mt2，…，Mt9，則這一時刻的平均含水率計算式為

3)單位作業量成本P，有

式中 Pd—地源熱泵稻谷干燥機的單位作業量成本；

Nd—地源熱泵機組和谷物干燥機的總耗電量；

Gd—地源熱泵干燥機干燥的濕稻谷質量。

a—1kW·h電的價格

式中 Py—燃油稻谷干燥機的單位作業量成本；

Ny—谷物干燥機的耗電量；

Hy—谷物干燥機的耗油量；

Gy—燃油稻谷干燥機干燥的濕稻谷質量；

b—1L汽油價格。

4)干燥不均勻度計算式為

S=Mmax-Mmin

式中 Mtmax—干燥后稻谷所有樣本中含水率的最大值；

Mtmin—干燥后稻谷所有樣本中含水率的最小值。

5)破損率計算式為

式中 mb—樣品中破損粒質量；

m—樣品質量。

6)爆腰率計算式為

式中 nb—樣品中爆腰粒數量；

n—樣品數量。

3.5 試驗結果及分析

試驗在環境溫度16℃、空氣相對濕度53.2%相同的空氣狀態條件下進行。

3.5.1 含水率

每隔1h取1批樣品，一批樣品取9組，分別測定含水率。稻谷進料完成后，干燥前取第1批樣品，之后每隔1h取1批樣品。表2和表3分別為地源熱泵和燃油稻谷干燥機的含水率測定結果。

表2 地源熱泵稻谷干燥機的稻谷含水率

表3 燃油稻谷干燥機的稻谷含水率

圖3 谷物干燥曲線

由圖3可得出：地源熱泵稻谷干燥機與燃油稻谷干燥機的稻谷含水率降低速率無明顯區別，稻谷干燥性能可達到同等效果。

3.5.2 單位作業量成本

當地電價a為0.538元/(kW·h)，93#汽油價格為5.36元/L。地源熱泵稻谷干燥機試驗干燥的濕糧質量Nd為4 817.0kg，總耗電量Gd為364.69kW/h，計算得出干燥稻谷的單位作業量成本Pd為0.040 7元。燃油稻谷干燥機試驗干燥的濕糧質量Ny為4 789.3kg，總耗電量Gy為295.36kW/h，耗油量Hy為140.57升，計算得出干燥稻谷的單位作業量成本Py為0.190 5元。由此可得出，燃油稻谷干燥機干燥稻谷的單位作業量成本是地源熱泵稻谷干燥機的4.72倍。由于地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源作為冷熱源進行能量轉換的供暖空調系統，所有采用地源熱泵稻谷干燥機課高效節能，明顯降低干燥稻谷的成本。

3.5.3 物料品質

1)干燥不均勻度。表4為稻谷干燥不均勻度。地源熱泵稻谷干燥機的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥機的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機的干燥后的干燥不均勻度0.57%大于燃油稻谷干燥機的0.24%。由此得出，地源熱泵稻谷干燥機的稻谷干燥效果更均勻。

表4 稻谷干燥不均勻度

2)破損率。表5為稻谷破損率。地源熱泵稻谷干燥機的干燥后稻谷平均破損率1.14%，小于燃油稻谷干燥機的1.27%；地源熱泵稻谷干燥機的破損率增加值0.16%；小于燃油稻谷干燥機的0.31%，且滿足谷物干燥機行業標準JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破損率增加值不大于0.5%的要求。

3)爆腰率。表6為稻谷爆腰率。地源熱泵稻谷干燥機的干燥后稻谷平均爆腰率5.8%，小于燃油稻谷干燥機的7.4%；地源熱泵稻谷干燥機的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機的3.0%，且滿足谷物干燥機行業標準JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破損率增加值不大于3%的要求。

表5 稻谷破損率

表6 稻谷爆腰率

由于地源熱泵稻谷干燥機的熱風更溫和均勻，干燥不均勻度、破損率增加值和爆腰率增加值等干燥后的稻谷物料品質都更好。

4 結論

1)地源熱泵稻谷干燥機有效降低了單位作業量成本，提高了干燥后的物料品質。

2)地源熱泵稻谷干燥機與燃油稻谷干燥機的稻谷含水率降低速率無明顯區別，但地源熱泵稻谷干燥機干燥稻谷的單位作業量成本0.040 7元遠小于燃油稻谷干燥機干燥稻谷的單位作業量成本0.190 5元，單位作業量成本明顯降低。

3)地源熱泵稻谷干燥機的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥機的0.72%；地源熱泵稻谷干燥機的破損率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥機的0.31%；地源熱泵稻谷干燥機的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥機的3.0%，干燥后的物料品質明顯提高。

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Design and Test on Plate Fin Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump Rice Drying Machine

Zhang Degao, Xie Huanxiong，Yan Jianchun ，Wu Huichang，Zhou Xinxing，Yan Wei，Yao Linjun

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture，Nanjing 210014,China)

In order to solve the problem of the high cost of rice drying machine and the poor quality of the dried materials, ground source heat pump technology is applied to the rice drying machine. In this paper, a set of plate-fin heat exchanger which calculated the core structure and technical parameter is designed, which reduces unit production costs and improves the quality after drying. Test research shows that when the environment temperature is ambient temperature of 16 ℃ and air relative humidity of 53.2%, there is no significant rice moisture content difference between the ground source heat pump drying machine and paddy rice drying machine with fuel achieve the same effect. Ground source heat pump drying rice rice drying machine unit production cost of 0.0407 yuan is 4.72 times than the fuel rice drying machine dry rice unit production cost 0.1905 yuan. Uneven ground source heat pump rice drying machine of rice drying degree before and after drying to reduce rate of 0.40% is less than the 0.72% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump rice drying machine breakage rate of the added value of 0.16% is less than the 0.31% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump of the rice drying machine explodes the waist the added value of 2.0% is less than the 3.0% of fuel oil rice drying machine. The material quality of ground source heat pump drying machine has improved significantly.

rice; ground source heat pump; heat exchanger; drying performance; price material quality

2016-06-10

江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014378)；中國農業科學院產品分級與儲藏裝備創新團隊專項(2015-2020)

張德高(1991-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，(E-mail)zdg330@foxmail.com。

謝煥雄(1968-)，男，廣西浦北人，研究員，碩士生導師，(E-mail)50666524@qq.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)07-0229-06