熱泵式低溫循環谷物干燥機結構及性能分析

王梓航

（太原學院，山西 太原 030032）

我國是糧食生產大國，糧食收獲后，需要經過脫粒、干燥、貯存、運輸、加工等環節[1]。谷物干燥是糧食生產過程中的一個重要環節，同時也是農產物料長期貯藏的有效方法。若谷物不能及時干燥達到安全水分，則會造成霉變、發芽等損失。因此，利用谷物干燥設備是谷物豐產、安全的重要手段[2]。隨著我國農業現代化生產的不斷推進，谷物干燥設備的需求也越來越大。傳統的谷物干燥設備采用燃煤、燃油直接供熱，對環境污染嚴重。隨著環保標準要求的不斷提高，各種節能環保的谷物干燥設備在國內發展壯大。熱泵式低溫循環谷物干燥機作為水稻產區最常見的機型，也是發展最快的一種機型[3]。因此，本文對熱泵式低溫循環谷物干燥機的結構以及性能進行分析，以促進谷物干燥技術的發展。

1 熱泵式低溫循環谷物干燥機的需求

谷物經常由于干燥參數選擇不當而發生爆腰，影響谷物加工后的經濟效益。因此，谷物干燥設備必須以谷物的干燥特性為依據，不僅保證谷物干燥設備的高生產率，還要保證干燥后谷物的品質。目前，谷物干燥機的種類包括順流式、混流式和低溫循環式等。在我國南方，水稻主產區濕度大、降水多，早稻收獲期的谷物含水量可達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。低溫循環谷物干燥機因適合谷物干燥，被廣泛應用于我國南方水稻生產區[4]。傳統的低溫循環谷物干燥機熱源采用燃燒化石能源直接供熱，不符合節能減排的要求，已被逐步禁止。隨著熱泵技術的迅速發展，其憑借自身獨特的干燥原理，備受人們關注，并逐漸應用于谷物干燥領域。采用熱泵系統替代燃煤熱風爐，可以降低傳統干燥方式的環境污染，縮短谷物烘干時間、提高谷物烘干質量，已成為谷物干燥機的發展方向。因此，將熱泵系統應用于低溫循環谷物干燥機具有重要意義[5]。

2 熱泵式低溫循環谷物干燥機的作業流程

熱泵式低溫循環谷物干燥機的干燥物料主要是稻谷、小麥等，谷物被斗式提升機送至干燥機頂部，通過換料筒進入緩蘇段，再經過角盒間隙。熱泵熱風對谷物混流干燥，再利用引風機排出機外，完成一次干燥[6]。為實現自動停止干燥循環，使用在線水分檢測儀對谷物含水量實時監測，當含水量滿足要求時，谷物會自動排出干燥機，作業流程如圖1所示。熱泵式低溫循環谷物干燥機具有一鍵式操作、熱風出風控溫精確、烘干質量高、節能環保、干燥成本低、安全可靠等優勢[7]。

圖1 熱泵式低溫循環谷物干燥機作業流程圖

3 熱泵式低溫循環谷物干燥機的結構組成及功能

熱泵式低溫循環谷物干燥機結構組成包括熱泵系統、電氣控制系統和谷物干燥機。

3.1 熱泵系統

3.1.1 熱泵技術

熱泵構想最早由威廉·湯姆遜提出，又稱為熱能倍增器。在節能減排的背景下，熱泵技術不斷被重視。熱泵系統負責將熱風送到烘干道中，實現谷物的烘干，主要包括風機、干燥機、壓縮機、蒸發器、冷卻器、膨脹閥、噴氣增焓閥、熱回收裝置等。熱泵系統在壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流膨脹閥等構成的閉合回路中注入冷媒工質，利用壓縮機使冷媒工質在各部件中流動。冷媒工質吸收熱量后，溫度升高。之后，經過壓縮、膨脹等環節，體積、壓力發生變化，最終在冷凝器釋放熱量，變成低溫低壓狀態。

3.1.2 熱泵系統優化

不同的谷物，收獲季節也不同。因此，面對不同的谷物，熱泵式低溫循環谷物干燥機的作業環境存在較大差異，供風溫度范圍也有所區別。為使熱泵系統制熱量有一個較大的調節范圍，滿足不同的制熱量需求，可增設多臺功率不同的壓縮機，啟停不同的熱泵機組。另外，外界環境溫度對制冷劑的蒸發溫度影響較大，如在夜間低溫環境下運行熱泵系統，制冷劑的蒸發溫度會降低。此時，熱泵系統所需的冷凝溫度難以達到。為解決這一問題，保證熱泵系統正常運行，增設噴氣增焓裝置，包括一路噴射以及換熱器[7]。可在低溫條件下獲得較高冷凝溫度，提高熱泵系統的低溫環境運行能力。噴氣增焓裝置為一次節流系統，熱泵循環壓焓關系如圖2所示。

圖2 熱泵循環壓焓關系圖

主路的工作順序為a、b、c、d、e、f、g、a，輔路的工作順序為c、d、e、h、i、c。狀態點c為狀態點b與狀態點i的混合點。液體制冷劑在狀態點e分為兩路。其中，主路熱泵工質直接進入換熱器，經與制冷劑換熱冷卻到達狀態點f。經過膨脹閥節流，到達狀態點g。再經蒸發器吸熱，返回狀態點a。在壓縮機壓縮作用下，到達狀態點 b。輔路經噴氣增焓閥節流，到達狀態點h。在經過換熱器后，到達狀態點i，最終返回壓縮機。

3.2 電氣控制系統

電氣控制系統具有熱泵調節[8]、溫度監控、干燥機操作控制等功能，實現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。電氣控制系統分為主控、A/D轉換、人機交互與顯示、輸出控制、數據通信和拓展六個模塊。1）主控模塊。主控模塊負責信號采集和數據處理任務。2）A/D轉換模塊。A/D轉換模塊能夠輸入熱風溫度、環境溫度模擬量信號，并實施信號的A/D轉換。3）人機交互與顯示模塊。人機交互與顯示模塊用于設置關鍵操作參數，主要包括谷物品種、谷物含水率、干燥時間、干燥溫度等，并實時顯示設備運行狀態、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，對中間繼電器進行控制，從而控制熱泵系統、谷物干燥機的動作。5）數據通信模塊。數據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警電路，將傳感器信號傳輸給主控模塊，報警燈亮。

3.3 谷物干燥機

低溫循環谷物干燥機為塔式，負責谷物干燥循環，含水量檢測達標，主要包括緩蘇段、干燥段、排糧段以及斗式提升機等。

最后，整個矩形線圈的磁場分布是所有微小電流元在P點產生的磁場疊加起來(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。緩蘇段位于干燥段的前方，用于促進谷物粒內部水分向外移動，減小干燥過程中谷物粒內形成的應力。緩蘇段內不通熱風，主要是平衡谷物粒表面和內部的水分。谷物干燥機的緩蘇段由多節組成，每節由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筋，以達到節約材料用量、降低成本的目的。鍍鋅管位于門板內側，采用螺栓連接固定[9]。

3.3.2 干燥段

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

3.3.3 排糧段

經干燥段干燥完成后的谷物進入排糧段，排糧段包括六葉輪式排糧輪、調速電機、傳動系統、絞龍輸送機等部件。谷物通過排糧輪進行排糧，六葉輪在調速電機的帶動下旋轉，排糧速度通過六葉輪的轉速控制。谷物順勢而下，流到絞龍輸送機上，再經輸送機重新進入斗式提升機進料口。

3.3.4 斗式提升機

斗式提升機由提升機傳送帶、提升機柱筒、換料筒等組成[10]。進入斗式提升機進料口的谷物，被載入斗式提升機傳送帶，利用提升機柱筒上的在線水分檢測儀，對谷物含水量進行檢測，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，繼續進行谷物干燥循環。

4 熱泵式低溫循環谷物干燥機的性能分析

按照熱風溫度為60 ℃對谷物干燥情況進行試驗，在5 ℃、8 ℃、11 ℃、14 ℃、17 ℃、20 ℃、23 ℃、26 ℃、29 ℃、32 ℃等不同環境溫度下，得出熱風溫度與谷物溫度的變化結果，如表1所示。

表1 熱風溫度與谷物溫度的變化結果

由表1溫度變化結果得知，熱風溫度在60 ℃上下波動，最大波動值為1.9 ℃，標準差為0.91 ℃，說明電氣控制系統具有較高的控制能力。干燥后的谷物溫度在32.1 ℃～34.3 ℃之間，標準差為0.69 ℃，說明干燥后的谷物溫度波動較小，具有良好的穩定性，熱泵式低溫循環谷物干燥機符合要求。

5 結論

為不斷推進我國谷物干燥機械化進程，對熱泵式低溫循環谷物干燥機的結構和性能進行研究，得出以下結論：

1）熱泵技術是一種清潔、環保技術，不會產生二次污染的問題，將其應用于谷物干燥機中，是長期發展趨勢。

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

3）增設帶噴氣增焓裝置的熱泵機組，并通過具有PLC控制器的電氣控制系統進行控制，可有效實現熱風溫度和干燥后谷物溫度的穩定性。