○江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站 鐘志堂 盧 青 王 玨

江蘇省昆山市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站 徐嘉良

在糧食生產(chǎn)諸環(huán)節(jié)中，糧食干燥環(huán)節(jié)能耗最高。江蘇省現(xiàn)有糧食干燥機(jī)保有量約3.2萬(wàn)臺(tái)，其中80%以上為燃油、燃?xì)?、燃煤等燃燒換熱型干燥裝備，不但能源消耗量高，還有大量的碳排放和粉塵排放。按稻麥兩熟平均畝產(chǎn)1000kg計(jì)算，糧食從平均初始水分24%烘干至14%，降低10個(gè)百分點(diǎn)的水分，按照燃油型干燥機(jī)能耗5500Kj/kg.H2O，需要消耗柴油12~15升，而稻麥兩熟耕、種、管、收諸環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)的畝均總能耗也不超過(guò)10~15升，糧食干燥耗能約占糧食生產(chǎn)機(jī)械化全部能耗的50%左右。因此，必須高度重視糧食機(jī)械化干燥這一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

一、熱泵糧食干燥技術(shù)是突破糧食干燥高能耗短板的有效途徑

空氣源熱泵以電力為能源，熱泵系統(tǒng)通過(guò)卡諾循環(huán)從低位能的環(huán)境空氣中獲取熱量，并獲得數(shù)倍于耗電量的能效比，熱泵糧食干燥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單位能耗為3200 Kj/kg.H2O，約為現(xiàn)有燃油燃煤型干燥實(shí)際能耗的55~60%，與現(xiàn)有燃油燃煤干燥技術(shù)相比，具有顯著的節(jié)能效果。

日本上世紀(jì)八十年代末基本普及了糧食低溫干燥技術(shù)，但至今一直采用燃油作為干燥熱源。在九十年代，也有多家日本干燥機(jī)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)研究、試驗(yàn)熱泵糧食干燥技術(shù)，但終因糧食干燥的多粉塵環(huán)境和除塵設(shè)施復(fù)雜等問(wèn)題而放棄。多年來(lái)，我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和糧食干燥機(jī)企業(yè)經(jīng)過(guò)不懈努力，在熱泵糧食干燥工程技術(shù)上取得突破，采用比較完善的除塵與余熱回收措施，使得熱泵在糧食干燥生產(chǎn)中具備了初步的適應(yīng)性。但在實(shí)際運(yùn)用中，由于環(huán)境低溫，空氣熱量不足，熱泵COP與制熱能力下降，導(dǎo)致熱交換器時(shí)常結(jié)霜，根本無(wú)法滿足正常干燥速度要求。一些企業(yè)簡(jiǎn)單地增加電熱管等高能耗輔助加熱措施，一套110~120kW的熱泵機(jī)組常常配套30~40kW的輔助加熱元件，這種能耗的增加違背了熱泵節(jié)能的初衷。由于環(huán)境粉塵，粉塵會(huì)在熱泵換熱器上的覆蓋和堆積，翅片換熱能力下降，同樣導(dǎo)致熱泵COP與制熱能力下降，且這種覆蓋的粉塵會(huì)更加頻繁地增加換熱器的結(jié)霜頻率，甚至在環(huán)境氣溫較高的情況下。

二、現(xiàn)有熱泵糧食干燥技術(shù)面臨的技術(shù)難題

1.低溫性能差、干燥效率低?，F(xiàn)有大部分熱泵的性能受環(huán)境影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，尤其當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，熱泵能效比明顯下降。一方面，由于受工質(zhì)等技術(shù)限制，低溫環(huán)境時(shí)熱泵的制熱能力和出風(fēng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足正常干燥的需求。另一方面由于增加了換熱器的阻力，烘干機(jī)排風(fēng)機(jī)的通風(fēng)阻力增加，風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量顯著降低，導(dǎo)致烘干風(fēng)量不足，干燥速率大幅降低，一倉(cāng)谷物的正常干燥時(shí)間為10~20小時(shí)，而熱泵干燥常常達(dá)到30多小時(shí)，個(gè)別有超過(guò)50小時(shí)的。

2.熱風(fēng)溫度波動(dòng)大，供熱不穩(wěn)定?，F(xiàn)有熱泵干燥基本上采用定頻的多級(jí)熱泵進(jìn)行供熱，熱泵系統(tǒng)的溫度控制以熱泵的啟停方式實(shí)現(xiàn)。由于壓縮機(jī)不允許頻繁啟停，無(wú)法對(duì)風(fēng)溫進(jìn)行微調(diào)。另一方面是由于低溫環(huán)境下熱泵的除霜過(guò)程，導(dǎo)致熱風(fēng)溫度波動(dòng)非常大，一定程度上加大了糧食干燥的不均勻度。

3.熱泵的可維護(hù)性差。在糧食干燥中使用熱泵，日積月累，換熱翅片縫隙中非常容易堆積粉塵，尤其是換熱器翅片上凝結(jié)的水分會(huì)導(dǎo)致粉塵在縫隙中的粘連。隨著粉塵的不斷堆積，一方面使得翅片間隙減小，空氣流通量減少，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。另一方面由于在翅片上堆積了一層粉塵，嚴(yán)重阻滯金屬翅片與空氣之間的熱交換?，F(xiàn)有的換熱器翅片一般是由銅管與銅箔或鋁箔組成，翅片間隙小，大部分銅箔或鋁箔無(wú)法經(jīng)受氣流沖洗的壓力而產(chǎn)生嚴(yán)重變形，從而進(jìn)一步影響空氣流通和熱交換。另外一種情況是，一般熱泵采用多層網(wǎng)板過(guò)濾，網(wǎng)布的空隙越小，濾網(wǎng)上堆積粉塵的速度越快，進(jìn)風(fēng)阻力越大。很多用戶反映新熱泵使用較好，但經(jīng)過(guò)1~2年時(shí)間后，熱泵的供熱效果明顯下降。

4.除塵措施五花八門。為了使熱泵適應(yīng)多粉塵的糧食干燥作業(yè)環(huán)境，出現(xiàn)了各種各樣的除塵室（灰房），有采用簡(jiǎn)易過(guò)濾網(wǎng)片的（有單層網(wǎng)或多層網(wǎng)），有用沙克龍除塵設(shè)備的，有采用脈沖除塵設(shè)備的，有沙克龍與脈沖除塵設(shè)備組合使用的，有通過(guò)布袋陣除塵的，且布袋的質(zhì)里、數(shù)量、直徑與高度各不相同。采用布袋除塵并回收部分余熱，需要建設(shè)大面積的除塵室和布袋換熱室，大幅度增加了干燥用房的建設(shè)成本。

三、余熱與粉塵回收型熱泵糧食干燥技術(shù)

針對(duì)上述問(wèn)題，陶亞平團(tuán)隊(duì)研制了一種余熱與粉塵回收型熱泵（見(jiàn)圖1），通過(guò)高效地回收余熱和粉塵提高空氣能熱泵的環(huán)境適應(yīng)性。

圖1

該熱泵的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于采用管殼式蒸發(fā)器，可以將糧食干燥的高溫尾氣（其中含有大量余熱、粉塵和雜余）全部收納進(jìn)行回收處理。回收處理過(guò)程中通過(guò)少量噴淋水高效回收干燥余熱和粉塵，同時(shí)通過(guò)管殼式蒸發(fā)器回收谷物中蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣并循環(huán)用于噴淋。經(jīng)過(guò)多輪樣機(jī)的試驗(yàn)、改進(jìn)和測(cè)定，余熱與粉塵回收型熱泵糧食干燥技術(shù)具有以下顯著特征：

1.能耗低。由于比較徹底地回收了干燥尾氣排出的余熱，使得糧食干燥能耗較現(xiàn)有熱泵有大幅度的降低。經(jīng)測(cè)定，環(huán)境氣溫10℃左右時(shí)單位降水能耗小于2400 Kj/kg.H2O，麥季烘干能耗小于2000 Kj/kg.H2O。大致是目前燃油型干燥機(jī)能耗的35%、是現(xiàn)有熱泵干燥機(jī)能耗的65%。余熱回收較徹底的一個(gè)顯著特征是最終排風(fēng)口的風(fēng)溫非常接近環(huán)境溫度（一般為環(huán)境溫度±1~2℃），環(huán)境氣溫較高時(shí)，排出風(fēng)溫低于環(huán)境溫度。

2.干燥尾氣實(shí)現(xiàn)清潔排放。糧食干燥機(jī)排出的尾氣經(jīng)過(guò)熱泵處理后，再無(wú)需任何除塵措施即可直接向室外排放。由此，干燥中心建設(shè)可以不用建設(shè)除塵室和換熱房。

3.熱泵升溫速度快。據(jù)測(cè)定，在10℃左右環(huán)境溫度條件下，熱泵的升溫速率不小于2℃/min，是常規(guī)熱泵的1.5~2倍。

4.熱泵單位體積功率大。余熱與粉塵回收型熱泵占用空間小，單位體積熱泵制熱能力為現(xiàn)有熱泵的150%以上。

5.無(wú)除霜過(guò)程。由于100%的干燥余熱經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器并得到高效的回收。使得熱泵在環(huán)境溫度5℃以上時(shí)無(wú)結(jié)霜現(xiàn)象，從根本上解決了熱泵供熱穩(wěn)定性問(wèn)題。

余熱與粉塵回收型熱泵糧食干燥機(jī)的原理框圖見(jiàn)（圖2），余熱與粉塵高效率回收的主要機(jī)理：糧食干燥機(jī)排風(fēng)機(jī)排出的干燥尾氣首先通過(guò)塵雜分離筒的旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)和第一級(jí)水霧噴淋，使干燥機(jī)排出的尾氣在筒內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在離心力和重力的作用下使大顆粒物體“靠邊”，并在水霧作用下被俘獲于水中。同時(shí)由于水的霧化過(guò)程會(huì)大量吸收余熱中的熱量，這就將大部分余熱俘獲于霧化的水霧中形成過(guò)飽和水氣混合體，由于水氣與蒸發(fā)器低溫管壁間的熱交換效率要比空氣與金屬翅片之間的交換效率提升數(shù)十倍，所以包含所有余熱的水氣在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器管壁時(shí)熱量得到高效回收，這也是同等制熱量的新型熱泵體積要比常規(guī)熱泵小的根本原因。

圖2

余熱與粉塵回收型熱泵采用管殼式結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器（見(jiàn)圖3），蒸發(fā)器管殼三等分，使用不同排號(hào)冷媒，以提高熱泵制熱效率和供熱溫度，三種不同的冷媒分別經(jīng)3根冷媒管分別進(jìn)入各自管殼腔體內(nèi)部（銅管外），蒸發(fā)器的上下端板和橫隔板上滿布通風(fēng)管（銅管）。經(jīng)過(guò)兩段噴淋的水霧隨高速尾氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，迅速與冷媒管壁進(jìn)行熱交換，剩余水蒸氣也在此凝結(jié)成水并釋放潛熱。

圖3 余熱與粉塵回收型蒸發(fā)器

從干燥機(jī)排出的高溫尾氣，經(jīng)過(guò)兩次噴淋霧化，溫度下降至與噴淋水相近的溫度，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器管壁時(shí)，由于冷媒的作用，銅管管壁溫度極低，在此尾氣中的氣態(tài)水凝結(jié)成液態(tài)水，并釋放出潛熱被冷媒吸收，氣體溫度同時(shí)也進(jìn)一步下降，導(dǎo)致最終排出氣溫常常低于環(huán)境氣溫。

旋風(fēng)分離筒和蒸發(fā)器下端的噴淋水和冷凝水，經(jīng)過(guò)過(guò)濾回收，可以供噴淋泵循環(huán)使用，多余的蒸發(fā)水可以無(wú)害排放，過(guò)濾后的谷物雜余與污泥可以制成有機(jī)肥料。

余熱粉塵回收型熱泵糧食干燥機(jī)由于高效回收了干燥尾氣中的余熱和粉塵，糧食干燥中心不用建設(shè)除塵室就能實(shí)現(xiàn)無(wú)粉塵排放，為江蘇省熱泵糧食干燥技術(shù)的發(fā)展，為攻克糧食生產(chǎn)高能耗短板提供了一個(gè)新的路徑和方案。