粮食干燥环流型除湿供热热泵系统的研究与应用

赵海瑞

江苏省农业机械试验鉴定站 (南京 210017)

随着国家经济实力的提高，越来越多的粮食采用机械干燥。粮食干燥机大多采用热风干燥方式，现阶段产生热风主要是以煤炭和生物质燃料在热风炉中燃烧，通过换热器交换热风，主要缺点是环境污染高、劳动强度大、粮食干燥品质差等。在一些有条件地区也有燃油或燃气加热新风为干燥热空气，主要缺点是运行成本高、直接热风干燥易造成粮食污染。现有的直流式热泵受气候影响大，当大气温度≤10 ℃时，提供的热风温度低，干燥效率大幅下降，影响了用户的使用。同时直流式热泵干燥的含尘空气排放，也会造成环境污染。

粮食干燥环流型除湿供热热泵机组与系统是近几年出现的新型粮食干燥设备，在行业中的应用鲜有报道。本文介绍粮食干燥环流型除湿供热热泵机组和系统的基本概念，通过该系统在生产性试验中的实测数据分析，对该机组和系统性能运行性能进行评价。

1 热泵机组与系统介绍

1.1 机组定义及工作原理

粮食干燥环流型除湿供热热泵系统是一种将进风除湿冷却再加热的热泵机组，提供的干燥热空气用于循环式粮食干燥机的粮食水分蒸发。空气环流的流动方向为：粮食干燥机→精密除尘器→环流风机→除湿供热热泵机组→粮食干燥机。烘干过程中，空气在系统中循环，无含尘空气排放。

粮食干燥环流型热泵除湿供热机组(以下简称热泵机组)的工作流程：经精密除尘器过滤后高含水量回风→经多级蒸发器冷却去除空气中的水分→在多级冷凝器中加热为低含水量干燥高温空气→送入烘干机热风入口。经蒸发器除湿的冷凝水排入下水道。工作流程示意见图1。

图1 粮食干燥环流除湿供热热泵系统图

需特别注意的是：粮食干燥机含尘空气应经精密除尘器处理至设定含尘浓度才能进入除湿供热热泵机组，否则会对热泵机组产生不利影响。

1.2 热泵机组基本参数

本文介绍的热泵机组，用于容量30 t/批式循环粮食干燥机。机组秋冬季运行参数为：额定供热量Q=280 kW，送风温度45 ℃～60 ℃，送风量24 500 m3/h。热泵机组装机功率74 kW，其中辅助电加热器功率为24 kW。系统总装机功率为110 kW。

2 工程应用

2.1 技术指标的测定与分析

生产性试验时间为2020年11月26日，地点为苏州某粮食储备库烘干车间。烘干机为30 t/批式循环烘干机，按烘干机要求，设定的最高送风温度为60 ℃。当天气温7 ℃～12 ℃。

烘干品种为水稻，进入烘干机水稻重量为29 t，入机水分为18.4%(实验室烘干法检测)。烘干开始时间为9∶00，烘干结束时间17∶09，共用时8.15 h。烘干结束粮食水分13.4%(实验室烘干法检测)。现场测量循环风量24 200 m3/h(采用德图仪器testo风速仪)。试验热泵机组用电量和送风温度见表1。

表1 试验热泵机组用电量和送风温度情况表

由表1可知，将29 t水稻从18.4%降至13.4%，水分差5%，除水量1 450 kg，单位时间降水率0.613%。送风温度，按第2～8.15 h的平均数据，最低送风温度39.6 ℃，最高送风温度59.7 ℃，按第1～8.15 h的平均数据，平均送风温度为49.0 ℃，送风温度达到≥45 ℃的时间不到3 h。

热泵机组用电量408 kW·h，辅助设备用电量226 kW·h，合计643 kW·h；系统单位电耗除湿量SMER为2.26，热泵机组单位除湿量SMER为3.55；热泵机组平均供热量Q，经计算Q=275 kW，基本达到设计要求；性能系数COP，平均值为5.49。

2.2 主要性能情况说明

(1)粮食烘干单位时间降水率与产量

对同一台烘干机，在相同风量下，送风温度基本确定了烘干机的烘干速率和产量。《稻谷干燥技术规范》(GB/T 21015—2007)，对批式循环干燥机要求水稻干燥时的送风温度为45 ℃～50 ℃[1]。本次生产性试验中，热泵机组在不到3 h达到了≥45 ℃，到烘干结束，送风温度均达到要求。送风温度达到设定值时间，与烘干机内粮食烘前温度和大气温度及粮食水分等有关，粮温和大气温度低、含水量高，达到设定的送风温度的时间越长。

本次试验单位时间降水率0.613%，且在气温为7 ℃～12 ℃相对较低的条件下取得的，说明热泵机组和系统干燥性能良好。

(2)系统运行的经济性

粮食干燥环流型热泵系统的运行费用主要是电费和人工。电费成本与热泵机组性能系数COP和单位电耗除湿量SMER有关，热泵机组平均COP为5.49，热泵机组除湿量SMER为3.55均为较好数据。由于无燃料燃烧系统，使用的人工较少，且系统运行的自动化，人工成本最低。

按平均电价0.58元/kW·h，本次试验水稻降水5%的运行电费为13元/t，经比较为所有不同干燥热源的最低值[2]，系统运行的经济性最佳。

(3)粮食干燥品质

烘干期间，稳定后的(运行3 h后)送风温度为46.7 ℃～59.7 ℃，均控制在设定值内。通过热泵机组运行压缩机的台数加载与卸载+环流风机变频调整风机转数来调节风量，可精确的控制送风温度。由于是低温干燥，送风温度又能精确控制，且采用大循环空气干燥，可以确保被烘干粮食的品质。

3 粮食干燥环流型除湿供热热泵系统特点

3.1 优点

(1)环境非常友好。烘干系统无燃料燃烧排烟，也无烘干后含尘空气的排放。热泵机组消耗的电能，转换为冷凝水排出，基本无温室气体的排放，非常绿色环保。

(2)良好的干燥效率。与直流式热泵相比，送风温度更高且波动小，干燥能力能力平稳和更强，即使气温较低也影响较小。同时热泵机组没有化霜过程，使烘干过程保持连续高效稳定运行，这意味着烘干机产量的保证。

(3)非常的节能。实际运行的热泵除湿加热机组COP≥5.0。

(4)较低的运行费用。较低的人工成本和电耗，使系统运行成本很低。试验数据为水稻降水5%的电费为13元/t。

(5)干燥品质高。30 t/批式循环干燥机，按24 500 m3/h大循环风量设计。采用低温空气干燥：在秋冬季干燥中，热泵机组提供的热空气温度≤60 ℃，热泵机组采用压缩机加卸载+环流风机变频调速技术，风温波动小，谷物烘干品质有保证。

(6)降低了操作工工作强度，改善了工作环境。由于没有常规粮食烘干系统配置的产生热风的燃烧系统，送风温度可自动调节，大幅降低了操作人员工作的强度，同时工作环境有所改善。

(7)单一能源，项目容易实施。烘干过程唯一使用的是电能，无其他能源需求。

(8)生产过程更安全。由于无燃烧装置，生产过程无明火使用，也无燃料储存设施。处理从烘干机排出的含尘空气的精密除尘器为脉冲式除尘，粉尘封闭连续收集，且与系统相关设备连锁运行，完全符合《粉尘防爆安全规范》GB 15577—2018中的要求。

(9)项目审批容易通过。烘干过程中无污染物排放，生产过程的安全性高，为项目审批顺利通过提供了条件。

3.2 存在的不足

(1)初投资较高：主要是环流热泵机组、精密除尘器和环形风道的的投资费用较高。

(2)装机功率较高，要求供电设施较大。对30 t/批式循环干燥机，系统装机功率约110 kW。对一些供电设施不足的地方，实施相对困难。

(3)在苏南地区秋冬季节运行的热泵机组，高于机组提供≥60 ℃热风不易做到。对有些类型干燥机(如顺流干燥机)和部分谷物品种(如玉米)的烘干不适合，影响其使用范围。

4 结论与展望

通过试验，验证了粮食干燥环流型除湿供热热泵系统具有良好的干燥效率，大幅降低烘干成本，基本实现污染物和温室气体的基本零排放，生产过程更安全，实现绿色烘干、节能增效。通过后续对热泵机组和系统的改进和优化，可进一步提高系统的性能，技术也逐步完善。针对华北等地区气候特点进行研发，使粮食热泵干燥技术也能在寒冷地区使用，扩大应用区域。对投资较高的不足，希望能纳入农机专项补贴，根据实际投入的资金，适当提高补贴额度。

粮食干燥环流型热泵除湿供热系统环境友好和节能显著，经济效益和社会效益均突出，完全符合节能减排和碳中和的国家政策，也符合国家的优质粮战略工程需要，为粮食干燥提供了新技术和装备，是未来低温干燥的发展方向，必将得到广泛的应用。