稻谷热泵干燥速率控制技术初步研究

吴耀森，刘 军，赵锡和，李浩权，龙成树

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.广东省农产品干燥加工工程重点实验室，广州 510630）

稻谷热泵干燥速率控制技术初步研究

吴耀森1,2，刘 军1,2，赵锡和1,2，李浩权1,2，龙成树1,2

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.广东省农产品干燥加工工程重点实验室，广州 510630）

针对稻谷热泵干燥技术进行实验研究，根据稻谷热泵干燥速率控制原理，在基于历史数据和实时数据的智能控制模式的基础上，提出了高效智能稻谷干燥速率控制技术，克服了历史数据智能控制技术对大量历史数据和试验数据的依赖以及实时数据控制技术反应速度慢且需要不断更新数据的缺点，实现了快速和精准控制。

稻谷热泵干燥 干燥速率 高效智能控制技术

0 引言

中国稻谷产量位居世界第一。2014年，我国稻谷产量为20642.7万t，同比去年增加1.38%[1]。收获后的水稻需要及时干燥贮藏，我国每年因加工处理不当而导致稻谷霉烂、出芽等损失约250万t[2]。我国稻谷干燥机械化程度远远低于发达国家，即使在谷物干燥机使用较多的东北也不到25%，而日本稻谷干燥机械化程度已达到95%以上[3]。自动控制是稻谷干燥机械化的基础技术，针对稻谷干燥技术，以传感器、智能控制器为核心的自动控制系统结合热泵节能技术已用于稻谷干燥生产。先进的控制和节能技术提高了生产效率和大米品质，降低了生产成本和能源消耗[4,5]。

稻谷是一种热敏性作物，根据实验研究结果得知，稻谷干燥的合适温度区间为35～50℃[6]，保持干燥温度在此区间内能够确保稻谷的干燥品质。稻谷干燥速率主要与温度、风量和初始含水率相关。在稻谷干燥自动化控制系统中，对干燥的温度和风速的控制已经达到了较高的精度，而与控制稻谷干燥速率的相关研究却未见文献报道。干燥速率是影响稻谷干燥品质（爆腰率）的重要指标，干燥速率越大，即干燥过程中稻谷颗粒与干燥介质之间的水分梯度越大，会增加稻谷干燥后爆腰率，影响稻谷热泵干燥品质[7]。

1 稻谷热泵干燥速率控制原理

热泵稻谷干燥机是一种节能、环保的干燥装置。热泵系统硬件设施确定后，衡量其干燥能力的最大COP系数[8]也随之确定，即在一定环境下，热泵系统吸收的最大热量Qm为确定值。在实际工作过程中，设定不同干燥温度，热泵系统的COP系数会随之改变，随着选取干燥温度的升高而减少。热泵稻谷干燥机干燥温度范围为35～65℃。热泵系统吸收的最大热量Qm的计算公式为

式中 Qm热泵系统吸收的最大热量，J；Cp为空气比热容，J/(kg·℃)；m为单位时间内干燥介质空气的质量，kg；ΔT为空气介质干燥前后温度差，℃；Q0为压缩机制冷量（蒸发器的吸热量），W；W为压缩机、机组风机及干燥室内风机等辅助设备所消耗功率，W；Te为蒸发温度，℃；TC为冷凝温度，℃；TW为环境空气温度，℃；8为热泵系统过热度，℃（一般热泵系统的过热、过冷度随系统运行工况而变化，为5～10℃，现取8℃）。

稻谷干燥机热泵稻谷干燥机的干燥速率Vr定义

式中 Vr为干燥速率，%·h-1；Wt为t时刻稻谷湿基含水率，%；Wt-1为t-1时刻稻谷湿基含水率，%；Δm为取样计算周期时间内稻谷的去水量，kg。

通过温湿度计检测进入和排出干燥仓中空气介质的绝对湿度的变化，可计算单位时间的除水质量

式中 G为风量，m3/h；Δt为取样计算周期，s；yt为t时刻的空气绝对湿度，kg水蒸气/kg干空气；y0为环境空气绝对湿度，kg水蒸气/kg干空气。

由公式（1）、（2）、（3）可知，在一定环境条件下，热泵系统从环境中吸收的热量是一定的，给定一个温度值Tt，势必有一个对应的冷凝温度Tc，而Tc是与风量值G相对应，风量继续增大，系统必须提高冷凝温度来维持设定温度，所以当环境温度，也就是蒸发温度一定时，热泵系统的冷凝温度是风量G的单值函数，而系统COP只与系统蒸发温度和冷凝温度相关，所以制热系数COP也是风量G的单值函数。由式（4）、（5）可知，稻谷干燥速率是Δm的单值函数，当Δm值达到最大时，也就是说在给定的采样周期内稻谷失去水分越多，干燥速率越快，V值越大。从式（6）可知，Δm为G的单值函数。

从式（6）可看出，稻谷干燥速率Vr为风量G的单值函数，每一个风量G都有唯一的干燥速率与之对应。稻谷干燥速率控制最终转化为热泵系统风量G控制。因此，通过不断改风量G的大小，使Δm的值达到最大值，也就是稻谷干燥速率Vr最大值时所对应的风量值，此时热泵系统的COP也是确定的。

稻谷是一种热敏性作物。根据实验研究结果得知，稻谷干燥的合适温度区间为保持干燥温度在45～55℃范围内，此区间能够确保稻谷的干燥品质。在批式循环稻谷干燥机干燥稻谷的过程中，稻谷水分不断被蒸发，水分含量降低，也即是稻谷中水分含量在干燥过程中是一个不断变化的量。稻谷干燥速率控制原理存在的两个假设分别是：①在某一小段时间热泵批式循环干燥机干燥仓中稻谷的水分含量相差不大，近似于某一个水分含量值，假设其值相等；②假设环境温度（热泵系统的蒸发温度）和湿度不随热泵系统工况改变而保持恒定。由于热泵系统提供的热量Q是恒定的，也可以将提供的热量导入干燥室用于稻谷干燥的热量认为是恒定的，所以可通过改变风量来实现当前干燥速率趋近于最大的干燥速率，并通过比较相邻两次检测换算出来的稻谷干燥速率来调整风量G，最终达到实现平均干燥速率的最大化的目标。

2 基于历史数据的智能控制基础模型

基于历史数据的智能控制是利用已有的大量历史数据，通过系统运行过程中每一个采样周期得到的温度、风量和湿度的数值，不断与历史数据进行比较，查找并对比热泵运行效率，得到最佳的干燥工艺；而普通热泵干燥设备仅仅只对设定的参数在一定偏差内进行自动控制，而不考虑实际干燥速率以及热泵运行状况。笔者采用GRJ-10型热泵稻谷干燥机对稻谷干燥进行12次试验，利用实验过程中温度、风量、湿度三者的关系，得出干燥速率区域图。通过简单的插值，可以估算其他温度、风量与干燥速率的关系，如图1所示。

图1 温度-风量-平均干燥速率区域图

由于热泵的运行效率随风量和环境温湿度的变化而变化，把干燥速率、干燥温度、风量和热泵运行效率作为基本参数，建立如下模型

式中 Q为热泵系统供热量，W；Q0为压缩机制冷量，W；P0为压缩机输入功率，W；q为压缩机单位温度制冷量差值；p为压缩机单位温度输入功率差值；G为风量，m3/h；t0为环境温度，℃；T为干燥温度，℃；V1～4为干燥曲线与干燥温度围城区域的边界点，%·h-1；VT,G为风量G（1.5＜G＜2.0）下不同温度的稻谷干燥速率，%·h-1。

每一个风量G，可以得出一个干燥速率V，取V最大时为干燥参数。实际运行时，系统不断查找历史干燥速率，并对比热泵运行效率，得出最佳运行工况。基础模型的特点：反应速度快，启动设备后立刻可以运行在历史最大速率状态，但需要大量的历史数据和试验数据支持。

3 基于实时数据的智能控制技术

针对不同环境，控制送风、尾气温湿度及风量，使热量利用最大化，提出了基于实时数据的智能控制系统，利用实时采样数据进行反馈控制，根据尾气干湿球温度数据与送风时空气的干湿球温度进行比较的到含湿量差值反馈给热泵除湿控制系统来改变除湿量，进而控送风状态和风量，通过含湿量和除湿量来共同控制热泵系统的运行工况。基于实时数据的控制系统流程图如图2所示。

图2中的数据全部采用实时采集，形成两个闭环回路，采用除湿量和含湿量差分别控制热泵制冷工况和送风状态与风量。实时数据只能控制系统的有点就是控制精度高，适应多变的天气和稻谷品种。同时存在反应速度慢，需要不断更新和对比数据才能达到最大干燥速率状态。

图2 实时数据的监测流程图

4 高效智能稻谷干燥速率控制技术

为了克服历史数据智能控制技术对大量历史数据和试验数据的依赖，以及实时数据控制技术反应速度慢且需要不断更新数据的缺点，提出了高效智能控制技术解决方案，控制原理如图3所示。高效智能控制技术在实时数据控制系统中增加了历史数据控制和存储模块，系统首先运行历史数据模块，完成初始工况时即转入智能控制模式，并储存智能控制模式运行数据，系统再次开机启动运行时即以其作为历史数据模块，以此循环。

智能控制系统启动时运行历史数据控制模块，相当于预设一个高效运行点，而下一个运行工况立刻改为实时数据控制，克服了实时数据随机选择的起始运行状态的缺点，又克服了历史数据控制无法自动适应环境变化的不足。智能控制系统具有结合历史数据智能控制和实时数据智能控制，取长补短，实现了快速和精准控制的特点。

图3 智能控制技术原理流程图

5 结束语

与一般热泵控制技术相比较，高效智能稻谷干燥速率控制技术根据对稻谷热泵干燥特性和干燥速率控制技术的分析，提出了基于历史数据智能控制技术和实时数据智能控制技术的高效智能控制技术。鉴于实验条件有限，高效智能控制技术处于初步研究阶段，未来控制技术可以考虑稻谷在干燥过程中温度的变化，以及稻谷干燥速率对热泵系统运行工况以及干燥品质的影响。

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[3]徐泽敏，殷涌光，吴文福，等.日本稻谷干燥机械化发展研究[J].农机化研究，2007（6）：210-212.

[4]徐建华，周粉富.稻谷干燥机自动控制系统的研究及应用[J].中国稻米，2003（1）：33-33.

[5]张进疆，刘清化，吴耀森，等.稻谷热泵干燥技术与装备[J].现代农业装备，2012（7）39-43.

[6]吴耀森,赵锡和,刘清化,张进疆,龙成树.南方夏季稻谷热泵干燥特性研究[J].粮油加工(电子版). 2014(01)

[7]刘木华，吴颜红，曾一凡，等.基于玻璃化转变的稻谷爆腰产生机理分析[J].农业工程学报，2004，20（1）：30-34.

[8]刘清化，吴耀森，陈明，等.热泵干燥机三元控制的初步研究[J].干燥技术与装备，2005（3）：148-150.

Preliminary Study of Rice Heat Pump Drying Rate Control Technology

Wu Yaosen,Liu Jun,Zhao Xihe,Li Haoquan,Long Chenshu
(1.GuangDong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou,GuangDong 510630,China; 2.Key Lab of GD for Agricultural Products Dry Processing Engineering,Guangzhou,GuangDong 510630,China)

This paper research on Drying rate of rice heat pump,according to the drying rate of rice heat pump control theory,based on the basis of intelligent control mode historical data and real-time data on the proposed intelligent and efficient rice drying rate control technology,intelligent control technology to overcome historical data to rely heavily on historical data and test data and real-time data control reaction is slow and shortcomings of the data need to be updated to achieve a rapid and precise control.

rice heat pump drying，drying rate，efficient intelligent control technology

“十二五”农村领域国家科技计划项目（2012AA10A502）；2012年度省级现代农业科技提升专项资金（2130106）

吴耀森(1979-),男（汉族），广东，硕士，高级工程师，主要从事农产品加工装备的研发及推广应用。E-mail:scutwys@163.com