基于噴氣增焓技術的谷物干燥機熱泵裝置設計與試驗

於海明 劉浩魯 張正偉 張大成 王 俊 陳坤杰

(1.南京農業大學工學院，南京210031;2.農業農村部南京農業機械化研究所，南京210014)

0 引言

近年來，農村勞動力轉移和政府的土地流轉政策，使農業規模經營發展迅速，人工晾曬干燥糧食已經無法滿足需要，迫切需要推廣機械化干燥［1-4］。傳統機械化糧食干燥一般采用熱風干燥的方式，以燃燒化石燃料作為熱源，但這種方式造成環境污染，且不可持續。為尋求新的糧食干燥途徑，研究人員嘗試了微波干燥［5-6］、紅外線熱輻射干燥［7］和真空干燥［8-9］等干燥方式，取得了顯著的效果，但由于成本和工藝問題，短期內投入到糧食干燥實際生產中存在較大困難。熱泵是將中低溫熱能轉化為中高溫熱能的裝置，其特點是用少量高品位能源制取大量中高溫熱能［10］。熱泵干燥具有能量利用率高、干燥溫度低和易于控制的特點，其在木材、谷物和農副產品干燥中得到廣泛應用［11］。

近年來，熱泵干燥研究的主要方向包括:廢熱的回收利用、相變材料、控制方法和干燥工藝優化［12］。文獻［13］進行了杏鮑菇熱泵干燥試驗，為轉輪除濕熱泵干燥設備的設計及干燥工藝優化提供參考。文獻［14］用太陽能集熱器作為熱泵的熱源，設計了一種太陽能集熱器，為熱泵蒸發器供熱。文獻［15］研究了熱泵干燥過程中馬鈴薯切片內部水分的遷移規律。文獻［16］開發了太陽能集熱與熱泵聯合干燥的茶葉干燥新方法。文獻［17］研究了南美白對蝦熱泵干燥過程中因出現物理、化學反應而導致蝦肉品質下降的原因。許多研究著力于提高傳統熱泵系統的性能，比如提高壓縮機性能、使用新的熱泵工質或是采用多級壓縮［18-20］。文獻［21］回顧了提高熱泵性能的方法，并綜述了特定行業中熱泵系統的新應用。熱泵干燥和常規干燥均屬于熱風干燥，目前國內對熱泵糧食干燥的研究體現出用熱泵機組作為傳統干燥器熱源的技術優勢。文獻［22］利用熱泵干燥機對稻谷進行干燥，稻谷干燥品質較好。文獻［23］在熱泵蒸發器兩側設計一套分離式熱管換熱器，對環境空氣進行預冷卻和預加熱，在不增加能耗的前提下，提高了熱泵除濕系統的除濕量和干燥空氣的溫度。在我國南方，水稻和小麥等谷物的干燥主要利用循環式谷物干燥機［24］，其干燥效果好，且自動化程度高，但目前仍以燃燒化石能源為主。市場上現存的熱泵干燥機存在以下問題:溫度和制熱量的調節范圍較小，不能滿足環境條件和生產工藝的變化，導致制熱量過剩或不足，降低了全年能效比;低溫環境下供熱溫度較低，系統能效比較低;排出廢氣中的余熱不能很好地利用。

為解決上述問題，本文根據實際生產需求，設計一種多臺熱泵機組構成的干燥機熱源。通過熱泵機組的啟停組合調節供風溫度和制熱量，為解決低溫環境下送風溫度和系統能效比低的問題，熱泵采用噴氣增焓技術，利用熱回收裝置吸收干燥機的廢氣余熱，用以預熱新空氣。

1 熱泵干燥系統與干燥機結構

循環式谷物干燥機主要用于干燥稻谷，由于稻谷的熱敏性決定了要采用低溫多風和較長緩蘇期的干燥工藝。糧食經入糧提升機提升至谷倉頂部入機，谷倉頂部的甩盤通過旋轉使入機糧盡量均勻分布;在谷倉中，緩蘇段位于上部，用于谷物緩蘇，干燥段位于下部，用于谷物的熱風干燥，入機糧流經緩蘇段和干燥段后下落至干燥機底部，撥糧輪和下螺旋輸送機將谷物輸送至提升機入口，由提升機提升至谷倉頂部再次進入谷倉，如此循環干燥。谷物經過干燥段后用糧食水分儀檢測谷物含水率，達到目標含水率后結束循環，將糧食排出谷倉，干燥結束。作業流程如圖1 所示。

圖1 循環式谷物干燥機作業流程圖Fig.1 Flow chart of circulation cereal dryer operating

江蘇省糧食種植模式為夏季小麥和冬季水稻兩季輪作，循環式谷物干燥機的作業對象也主要針對小麥和稻谷。但小麥和稻谷的收獲季節不同，干燥機作業的環境條件有較大差異，同時干燥工藝也有所區別，所需供風溫度范圍也有所區別，因此要求熱泵系統制熱量的調節范圍較廣，為此設計中選用了3 臺功率不同的壓縮機，通過熱泵機組的啟停組合適應不同的制熱量需求。3 組熱泵的冷凝器串聯，逐級增溫，蒸發器并聯，增加空氣流量，更易吸收環境中的低溫熱能。

糧食收獲后，需要及時干燥，因此在夜間低溫環境下也需要運行。熱泵系統運行時，制冷劑的蒸發溫度受環境溫度影響，在低溫環境下，蒸發溫度和蒸發壓力會降低，此時要獲得較高的冷凝溫度，壓縮比就要增大，導致壓縮機效率下降，排氣溫度過高，影響壓縮機安全運行，同時蒸發溫度過低時會出現結霜現象，影響熱泵系統正常運行，為解決這一問題，設計中熱泵機組采用了噴氣增焓技術。

根據文獻［25］的研究，干燥機排到環境中的廢氣中含有大量的可利用熱能，但由于廢氣中含有大量的灰塵、稻殼等雜質，如果直接利用熱泵的蒸發器回收這部分熱能，雜質會覆蓋在蒸發器表面，影響換熱，所以利用外購的熱回收裝置吸收余熱并預熱新風。熱泵干燥機的整機結構如圖2 所示，圖中經濟器是個換熱器，通過制冷劑自身節流蒸發吸收熱量從而使另一部分制冷劑得到過冷。閥

圖2 熱泵干燥機整機結構圖Fig.2 Structure diagram of heat pump dryer

2 熱泵機組工作原理

傳統熱泵機組在低溫環境下運行穩定性較差，糧食的熱泵干燥機需要在低溫環境下運行。以南京市為例，在水稻收獲的11 月，夜間的極端低溫可達-5℃，此時熱泵系統很難達到所需的冷凝溫度，為此采用噴氣增焓系統提高應對低溫環境的能力。

圖3(圖中h 表示焓值，p 表示壓強)為采用噴氣增焓技術的熱泵循環壓焓圖，設計中的噴氣增焓系統為一次節流系統，增加了一路噴射以及經濟器的共同作用。主路的工作過程為1→2→3→4→5→6→7→1，輔路的工作過程為3→4→5→8→9→3，其中點3 為點2 與點9 的混合點，冷凝器出來的液體制冷劑在點5 分兩路，輔路熱泵工質經噴氣增焓閥節流至中間壓力，到達狀態點8，隨后流入經濟器，到達狀態點9，經補氣口進入壓縮機中，主路則直接進入經濟器，與中間壓力的制冷劑進行換熱，被進一步冷卻后到達狀態點6，再經過主回路膨脹閥節流，到達狀態點7，然后進入蒸發器吸熱到達狀態點1，經壓縮機壓縮后到達狀態點2，隨后與中間壓力的制冷劑混合到達狀態點3，被壓縮機壓縮后進入冷凝器。由此可見，噴氣增焓系統可以通過降低壓縮機的壓縮比和排氣溫度的辦法，在低溫條件下獲得較高冷凝溫度，滿足設計需求。

圖3 噴氣增焓壓焓圖Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of heat pump with enhanced vapor injection device

3 干燥空氣熱分析

圖4(圖中d 表示空氣絕對濕度)所示為流經干燥機空氣的濕焓圖。其中沒有熱回收裝置的糧食熱泵干燥機內的空氣流動為A-B-C，其中A 表示環境空氣的狀態，B 表示經過熱泵冷凝器加熱后的熱空氣狀態，C 表示流經干燥倉后的空氣狀態。此時熱泵的制熱量Q 為

式中 ρ——空氣密度，取1.2 kg/m3

u0——流動速度，m/s

hB——經過熱泵冷凝器加熱后的熱空氣焓值，kJ/kg

hA——環境空氣焓值，kJ/kg

圖4 干燥空氣濕焓圖Fig.4 Humidity-enthalpy chart of drying air

加有熱回收裝置的糧食熱泵干燥機內的空氣流動為A-A′-B-C-C′，其中A-A′表示環境空氣流經熱回收裝置，C-C′表示廢氣流經熱回收裝置。此時熱泵的制熱量為

式中 hA′——環境空氣經過熱回收裝置預熱后的焓值，kJ/kg

所以使用熱回收裝置后節約的制熱量為

式中 cp——空氣比熱容，kJ/(kg·K)

T——空氣溫度，K

rs——水的氣化潛熱，kJ/kg

hC——經過干燥機后廢氣焓值，kJ/kg

hC′——經過熱回收裝置后廢氣焓值，kJ/kg

根據上述方法，分析計算逐級流經熱回收裝置和各級冷凝器的空氣狀態，如表1 所示。通過計算可知在環境溫度為5℃的低溫下，理論上熱泵機組的送風溫度可達65℃，設計采用的技術方案和手段可以達到目標，具有可行性。

4 熱泵裝置關鍵部件設計

4.1 熱泵制熱量與壓縮機選型

熱泵制熱量計算公式為

表1 空氣狀態參數Tab.1 Air status parameters

式中 q——通風量，m3/s

T2——熱風溫度，K

T1——環境溫度，K

熱泵壓縮機功率計算公式為

式中 W——熱泵壓縮機功率，kW

COP——熱泵制熱系數

小麥干燥作業的時間段集中在6 月，環境條件參照南京市6 月的平均溫度，稻谷干燥作業集中于10 月和11 月，環境條件參照南京市10 月和11 月的平均溫度，如表2 所示。

根據計算，熱泵機組的制熱量不大于60 kW。根據制熱量，熱泵壓縮機選擇英華特生產的熱泵專用壓縮機，壓縮機等熱泵主要設備參數如表3 所示。

表2 熱泵干燥條件分析Tab.2 Heat pump drying condition analysis

表3 熱泵配置Tab.3 Heat pump configuration

4.2 換熱器設計

蒸發器和冷凝器采用翅片管式結構，翅片管式冷凝器結構示意圖如圖5 所示。

換熱面積計算公式為

圖5 翅片管式換熱器結構示意圖Fig.5 Schematic of finned tubeheat exchanger

其中

式中 F——換熱面積，m2

QC——傳熱量，kW

k——傳熱系數，kW/(m2·K)

ΔT——對數平均溫差，K

Tair，in——空氣進風側溫度，K

Tair，out——空氣出風側溫度，K

4.3 熱泵裝置結構

熱泵裝置的系統流程圖如圖6 所示。

圖6 熱泵裝置系統流程圖Fig.6 Flow chart of heat pump system

5 熱泵裝置性能試驗

5.1 試驗儀器

試驗儀器設備主要有熱泵型循環式谷物干燥機(圖7)、PT100 型溫度傳感器(深圳RBD 公司)、EE65 型風速傳感器(E +E ELEKTRONIK 公司)和DTS634 型電能表(正泰公司)。

圖7 熱泵型循環式谷物干燥機實物圖Fig.7 Heat pump type circulating grain dryer

5.2 試驗方法

2018 年2—6 月在江蘇省南京市浦口區利用本文設計制造的熱泵干燥機進行對比試驗，比較傳統熱泵機組與采用噴氣增焓系統的熱泵機組性能區別:不同環境溫度下的最高供風溫度、制熱量、電能消耗和熱泵制熱系數(COP)。試驗中，溫度由溫度傳感器測得，風速由風速傳感器測得，熱泵制熱量按照式(6)計算，電功由電能表測得，熱泵制熱系數按照式(7)計算。試驗時，在不同環境溫度條件下，分別開啟和關閉熱泵機組的噴氣增焓閥，利用上述的儀器和方法進行測試和計算。

5.3 試驗結果與分析

試驗結果如表4 所示。由表中數據可知，在能夠保證供風溫度的前提下，當環境溫度大于5℃時，關閉噴氣增焓系統的COP 更高，更加節能，當環境溫度小于0℃時，開啟噴氣增焓系統的COP 更高，且能獲取更高的供風溫度。

表4 熱泵性能試驗結果Tab.4 Effect of enhanced vapor injection device

試驗結果表明，在低溫環境下，開啟噴氣增焓閥的熱泵可以有效提高供風溫度、制熱量和系統能效比，解決稻谷干燥晚期由于低溫環境造成的供風溫度過低進而降低稻谷干燥作業效率的問題，同時提高了系統的能效比。設計的熱泵機組可以滿足江淮地區絕大部分情況下的稻麥干燥作業，實現了設計目標。

6 結論

(1)根據實際生產需要，設計了3 級熱泵供熱系統，通過調節熱泵機組啟停適應環境溫度和供風溫度的變化要求，提高熱泵系統的全年能效比。

(2)熱泵機組中采用了帶經濟器的一次節流的噴氣增焓系統，提高了熱泵在寒冷條件下的制熱能力和能效比。對設計的熱泵機組進行了測試，結果表明，當環境溫度為-5℃時，未開啟噴氣增焓回路時，熱泵機組供風溫度為40℃，熱泵裝置的制熱系數為2.21，開啟噴氣增焓回路時，熱泵機組的供風溫度為45℃，熱泵裝置的制熱系數為2.33。因此采用噴氣增焓技術可以有效提高熱泵機組的送風溫度、制熱系數和運行穩定性。