空气源热泵谷物干燥的研究进展

罗乔军 张进疆 何 琳 甘 玲

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

（1.华南农业大学工程学院，广东 广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

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

农产品加工业“十二五”发展规划提出在粮食商品化处理和初加工环节，中国农户粮食产后损失率为7%，远高于发达国家1%的水平［1］，其主要因于粮食在收获季节不能及时干燥或干燥方法不当引起了霉变、发芽等损失。2011年中国粮食总产量为57 121万t，谷物干燥机保有量仅为4.21万台，粮食机械化干燥5 755.25万t，机械化干燥水平仅为10%左右，远低于日韩的80%～90%［2］。目前中国谷物干燥机主要使用机型为连续式、批式循环谷物干燥机，干燥能耗在5 280 kJ／kg·H2O左右［3］。干燥能耗以及干燥成本过大是制约中国粮食机械化干燥的重要因素。空气源热泵干燥系统空气温度在30～50℃，满足稻谷低温干燥的要求，有利于提升大米品质，且空气源热泵是一种将环境空气低品位能提升至高品位能进行利用的装置，其性能系数（coefficient of performance，COP）大约在3.0左右，节能效果显著［4－6］。目前空气源热泵作为干燥机的热源，已应用于谷物干燥。热泵谷物干燥系统由空气源热泵和谷物干燥机组成，空气源热泵系统主要有热泵加热系统、热泵余热回收系统、热泵除湿系统、热泵半封闭循环系统、热泵闭合循环系统、热管辅助热泵除湿系统、热泵热水储存供热系统，谷物干燥机主要采用有仓储干燥器、流化床、搅拌流化床、批式循环横流谷物干燥机、批式循环混流谷物干燥机。

1 热泵系统空气循环回路的优化

传统空气源热泵是一种以环境空气为低温热源的节能装置，如图1所示。液体制冷剂在蒸发器从低温空气吸热气化成低压蒸气，然后经过压缩机压缩成高温高压蒸气，高温高压蒸气在冷凝器内对环境空气加热。热泵蒸发器具有降温除湿的功能，冷凝器具有加热功能，热泵干燥系统利用热泵处理空气作为干燥介质。Saensabai等［7］研究空气源热泵干燥系统表明环境空气状态显著影响着热泵干燥性能，为优化热泵干燥性能，热泵结构应根据环境空气状态设计，优化系统空气循环回路。

1.1 热泵余热回收系统

热泵余热回收系统以谷物干燥机尾气为低温热源，如图2所示，因尾气的温度和焓高于环境空气，蒸发器可充分吸收利用余热，增大了蒸发器的吸热量，有效提高了热泵系统的 COP。Theerakulpisut［8］在环境温度 16 ℃、含湿量10 g／kg状态下对比研究了热泵加热系统和热泵余热回收系统的性能。由图3可知，热泵余热回收系统COP接近3.5左右，明显大于热泵加热系统。当冷凝器进口环境空气状态一定时，热泵余热回收系统冷凝器释放的热量更多，空气加热后的焓值更高，单位能耗去除的稻谷水分（SMER）更大。Kato［9］在环境温度为21.2℃，含湿量7 g／kg时采用热泵余热回收系统对600 kg稻谷进行了干燥试验，试验表明热泵余热回收系统COP为3.72，系统相对传统热泵加热系统节能效果显著。热泵余热利用系统适用于高温低湿气候，高温低湿环境空气是最佳的待加热的干燥介质，其自身具有一定的干燥能力。同时高温低湿环境空气的焓低于干燥尾气（高温高湿），系统利用尾气潜热COP更高。该系统可应用于中国北方夏季及秋季的谷物干燥。

图1 空气源热泵系统（热泵加热系统）Figure 1 Air source heat pump（heat pump system for heating）

图2 热泵余热回收系统Figure 2 Heat pump system for heat recovery

图3 热泵余热回收系统的性能Figure 3 Performance of heat pump system for heat recovery

1.2 热泵除湿系统

热泵除湿系统（图4）适用于低温干燥和热敏性物料干燥，有利于提高干燥产品品质。Somchart等［10］将热泵除湿系统应用于稻谷种子干燥，在环境空气温度30℃，相对湿度70%的状态下，4 000 kg稻谷由22.15%干燥至12.45%，干燥能耗为1 850 kJ／kg·H2O。上海能源研究所［11］开发的热泵除湿粮食烘干机，干燥能耗为1 925 kJ／kg·H2O。Theerakulpisut［8］在环境温度22℃、含湿量10 g／kg的低湿状态下，进行了热泵除湿干燥试验，研究表明为去除空气中的水分，空气在蒸发器处温降大，冷凝器对除湿后冷空气再加热能量损失过大，造成干燥空气温度过低，仅为30℃，远低于热泵加热系统的40℃（如图5所示），严重影响到了热泵除湿系统干燥性能，热泵除湿系统SMER下降显著。Bekki等［12，13］利用热泵除湿系统进行了稻谷薄层干燥试验，研究表明稻谷干燥速率随干燥空气温度的升高和相对湿度的降低而提高，其中干燥空气温度为主要影响因素。研究表明热泵除湿系统对低湿空气除湿，为去除空气中水分空气温度下降严重。当空气为高湿状态时，蒸发器既充分利用了除湿冷凝潜热，温降也相对减小，可有效降低干燥能耗，故热泵除湿系统适用于高温高湿气候和阴雨天气。

1.3 热管辅助热泵除湿系统

图4 热泵除湿系统Figure 4 Heat pump dehumidifying system

广东省现代农业装备研究所［14，15］在热泵除湿稻谷干燥系统的蒸发器两侧设计一组分离式热管换热器，如图6所示。环境空气先经过热管换热器蒸发端预冷接近露点，饱和湿空气接着进入热泵蒸发器充分冷凝除湿，除湿后的空气进入热管换热器冷凝端预加热，然后进入热泵冷凝器充分加热变为高温低湿空气，最后进入稻谷干燥机进行干燥，热管辅助热泵除湿系统相当于有两个制冷剂循环回路，湿空气经过两次降温和升温过程。

图5 热泵除湿系统的性能Figure 5 Performance of heat pump dehumidifying system

图6 热管辅助热泵除湿系统Figure 6 Grain drying by heat pump dehumidifying system with heat pipe

试验研究［14］表明当环境空气温度为27℃，相对湿度为70%，安装热管换热器后，热泵蒸发器冷量主要用于湿空气冷凝除湿，湿空气除湿量由4.51 g／kg·干空气增至5.94 g／kg·干空气，热管辅助除湿效果显著。同时安装热管换热器后，由于热管蒸发端的冷量合理回收利用，对除湿后低温空气进行预加热，系统处理后的空气温度由43℃提高至45℃（见图7中7、8点）。热管辅助热泵除湿，提高了系统的除湿能力和处理后空气的温度，从而提高了热空气进入循环谷物干燥后的干燥能力，降低了稻谷干燥能耗。在环境空气状态（26.2℃，80.2%）下，热管辅助热泵除湿稻谷干燥能耗为1 560 kJ／kg·H2O，相对热泵除湿干燥系统节能15.6%（见表1）。热管辅助热泵干燥系统是热泵除湿系统的改良装置，利用热管充分除湿降低了干燥空气的相对湿度，提高了干燥空气的温度。适用于阴雨天气或者高温高湿气候，可在中国华南地区推广应用。

1.4 热泵半封闭循环系统

图7 热管辅助热泵除湿系统空气处理焓湿图Figure 7 Psychrometric chart of moist air in the heat pump dehumidifying system with heat pipe

表1 各种热泵稻谷干燥系统性能对比Table 1 Performance of various heat pump systems for rice drying

向飞等［16］设计了热泵半封闭式循环系统（如图8所示）。经热泵冷凝器加热后的干燥空气对刚进入流化床的高湿稻谷进行干燥，空气快速接近饱和状态，逐渐失去继续吸湿的能力，这部分高湿空气再循环进入热泵蒸发器，充分利用干燥后高湿尾气的潜热。干燥空气对干燥后期低湿稻谷干燥，空气吸收水分减少，空气一直处于低湿状态，这部分空气混合进的新风，进入热泵冷凝器进行循环加热。进入流化床的新风充分利用出干燥室稻谷的余热进行预热提升温度，混合空气为高温低湿空气，有效提高了进入冷凝器空气的温度，提高了整体系统的干燥性能。试验［17］研究表明，当干燥室入口空气温度在64.4～71.7℃间波动，新风比约为30%，热泵半封闭循环系统平均COP为3.34，SMER可达1.935 kg／（k W·h）。

图8 热泵半封闭循环系统Figure 8 Semi－closed heat pump system

1.5 热泵闭合循环系统

当环境空气为低温高湿状态时，热泵加热系统中蒸发器吸收低温空气的热量不足，热泵COP显著下降。同时进入冷凝器的低温高湿空气加热到干燥温度所需制热量增大，干燥空气的相对湿度过大，热泵加热系统干燥谷物的能耗增大。张绪坤［18］采用热泵闭合循环系统对稻谷进行了干燥，发现当干燥空气为相对低温高湿（35℃，55%）状态时，稻谷干燥品质得到了显著提升，爆腰率仅为1.3%，远低于稻谷干燥标准的3.0%。同时干燥能耗为2 022 kJ／kg·H2O，并未因低温高湿环境气候急剧增大。热泵闭合系统不受外界环境空气状态变化影响，系统运行状态稳定。低温高湿空气既不合适做热泵低温热源，也不适合作待加热的干燥介质，热泵闭合循环系统（图9）因干燥介质空气闭合循环的特点，可有效应用于低温高湿气候。

1.6 热泵热水储能供热系统

Takahiro等［3］设计了一套以热水作为中间换热介质的热泵稻谷干燥系统，系统由热泵单元、热水储存器、热交换器、稻谷干燥机四部分组成。如图10所示。整个系统以热水作为中间换热介质，热水在冷凝器被加热，然后循环至换热器对环境空气进行加热，加热后的空气作为干燥介质对稻谷进行干燥。该系统设计热水储存器，为稻谷干燥机提供一个稳定的热风流，同时热水在热泵、热水储存器、热交换器中循环利用，降低了能量的损失率。此外该系统以热水储存器作为热源可以对蒸发器进行除霜，无需热泵系统停止运行除霜，提高了热泵运行效率，有利于应用在低温气候地域。利用该系统开展稻谷干燥试验，系统加热后的热空气稳定在（29.6 ℃，40.9%），空气流量为0.64 m3／s，500 kg湿稻谷由20.4%干燥至15.1%，干燥能耗为1.68 kJ／kg·H2O，节能效果显著［3］（见表1）。热泵热水储能供热系统解决了蒸发器在低温状态下运行结霜的问题，且热水循环利用，能源利用率高，适用于低温气候。

图9 热泵闭合循环系统图Figure 9 Closed－loop heat pump system

图10 热泵热水储能供热系统Figure 10 Heat pump system for heat store and supply

2 谷物干燥器的应用

2006年国家粮食局成都粮食储藏科学研究所在四川德阳南站国家粮食储备库建立了热泵稻谷仓储干燥示范基地，其中储存稻谷1 200 t［19］。2009年代建国等［20，21］在中央储备粮昆明直属库的高大平房仓建立了太阳能辅助热泵仓储干燥示范点，其中储存玉米3 754 t。Kato等［9］先后利用热泵系统组合循环横流式谷物干燥机进行了稻谷干燥试验研究，Theerakulpisut［8］采用热泵系统组合循环混流式谷物干燥机进行了稻谷试验研究，广东省现代农业装备研究所［15］先后开发了6，10 t／批的热泵稻谷干燥机，其中干燥机为循环混流式谷物干燥机。该设备目前已在华南地区推广应用30台套左右。

向飞等［16］开发了热泵流化床，并开展了小麦干燥试验研究。当干燥空气温度为80℃时，200 kg小麦在30 min内由23%干燥至13%，凸显了流化床干燥的效率。张绪坤［18］研究热泵流化床干燥过程发现，为保证物料干燥时处于流化状态，干燥空气需有一定压力和流量，风机消耗动力比较大，大约占整个系统总能耗的50%左右。为降低风机能耗，在流化床中设置搅拌器，降低了谷物的流化风速以及干燥空气风量，增强了谷物的流化效果，提高了谷物的传热传质效果［22］（如图11所示）。当热泵干燥温度为35℃时，300 kg稻谷由25%初始含水率降低至14%，干燥时间7.5 h，干燥速率1.47%／h（湿基含量），干燥速率大于相同温度下的燃油循环谷物干燥机。干燥能耗为2 022 kJ／kg·H2O，在提高干燥速率的前提下，干燥能耗略有增大。

图11 热泵搅拌穿流干燥器Figure 11 Heat pump dryer with agitated fluidized bed

3 太阳能辅助热泵谷物干燥

Best等［23］将太阳能与热泵组合应用于稻谷薄层干燥，太阳能集热器安装于干燥室顶部集热对干燥室进行加热，热泵系统先后采用热泵余热回收系统和热泵闭合循环系统。

Hawlader等［24，25］开发一套太阳能辅助热泵干燥与热水系统，并进行了谷物薄层干燥试验，如图12所示。太阳能集热器又为热泵蒸发器，制冷剂在蒸发器吸收辐射热后蒸发，分流进入压缩机和除湿器。制冷剂经压缩机压缩为高压蒸气后，在冷凝器5放热，最后循环流入蒸发器。制冷剂蒸气在除湿器对干燥器出来的热湿空气除湿后冷凝流回蒸发器。干燥介质空气从干燥器出来后先经过除湿器除湿，接着经过空气加热器（太阳能集热器）加热，然后经过冷凝器5和辅助加热器6加热，最后进入干燥器循环。试验研究［24］表明，空气加热器集热效率在有和没有除湿器时分别为0.72～0.76，0.42～0.48；当空气加热器集热效率为0.76时，蒸发器集热效率最大为0.87。太阳能集热器作为热泵蒸发器，与热泵系统耦合供热，有效提高了太阳能集热器的集热效率、太阳能供热率（SF）以及整体系统的COP。当空气加热器集热面积为1.25 m2、蒸发器集热面积2 m2、干燥温度为50℃、制冷剂流量0.036 kg／s，SF最大为89%，节能效果显著［20，21］。

图12 太阳能辅助热泵干燥与热水系统Figure 12 Schematic diagram of solar assisted heat pump dryer and water heater

代彦军等［20，21］开发了一套太阳能辅助热泵仓储干燥系统，太阳能集热器和热泵系统通过分开供热的方式组合，如图13所示。当天气晴朗，太阳能集热器和热泵加热系统分别同时将环境空气加热，两股空气混合后进入干燥仓对粮食进行干燥。当夜间没有太阳时，热泵加热系统单独运行进行粮食干燥。当出现阴雨天，环境空气湿度太大时，热泵加热系统调整为热泵闭合循环系统。

太阳能辅助热泵仓储干燥系统中太阳能集热系统集热功率可以达到20～50 k W，热泵加热系统可以提供加热量90 k W左右。试验在云南10月份左右进行，环境温度在15℃左右，典型天气情况下系统运行稳定时，太阳能对个系统的供热率SF为23%～36%，热泵COPH可达5.0，整体系统的COPCH为5.88～6.86［20］。

图13 太阳能辅助热泵仓储干燥系统Figure 13 Schematic diagram of solar assisted heat pump bulk dryer

太阳能热泵耦合系统以太阳能集热器为热泵蒸发器，集热器在低温状态下将辐射热传递给制冷剂，有效提高了集热器的传热系数，提高了集热效率。同时系统设计了另一个太阳能集热器，作为空气的辅助加热器，有效提高了太阳能的供热率SF。该系统节能效果显著，但只适用于晴朗天气。太阳能热泵组合系统有效解决了该问题，通过分解太阳能和热泵两个不同空气加热系统，然后混合加热后的热空气作为干燥空气，可应用于不同天气气候。

4 结论

（1）热泵谷物干燥系统中热泵余热回收系统适用于高温低湿气候，热管辅助热泵除湿系统适用于高温高湿气候，热泵闭合循环系统适用于低温高湿气候，热泵热水储能供热系统适用于低温气候，且有利于热泵除霜。

（2）循环谷物干燥机是小型热泵谷物干燥机的首选机型，流化床有利于提高谷物干燥速率。

（3）太阳能集热器和热泵系统耦合供热，可提高太阳能集热器的集热效率、太阳供热率SF以及整体系统的COP。太阳能集热器和热泵系统组合供热，可实现不同气候下的供热模式。

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