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热泵在稻谷干燥中的应用

摘 要:我国粮食产区特别是南方地区,稻麦收获期常常出现阴雨天气,因粮食霉变而造成的损失每年在4500万吨左右,约占粮食总产量的5%,损失高达600亿 元。热泵干燥可以克服自然干燥的诸多弊端,确保粮食及时达到国库收购标准。据有关部门统计,我国目前仅有干燥机2万多台,而且普遍存在能耗高、经济性差等 缺点。我国稻谷干燥机械化程度低,干燥机械效率低,直接影响稻谷生产效益,推广和普及稻谷节能干燥设备,是我国农业生产中亟待解决的问题。
关键词:稻谷干燥;热泵干燥;可行性

目前,从农业、食品、化工、制陶业、医药、矿产加工到制浆造纸、木材加工和纺织业等,几乎所有产业的生产过程都有干燥,干燥已成为生产过程中提高产品质量 的一个关键环节,但干燥过程也是一个高能耗过程。在我国各种工业部门总能耗中,干燥能耗为4%(化学工业)~35%(造纸工业)。发达国家,如美国、法 国、英国、日本等,有12%左右的工业能耗用于干燥。能源是国民经济的重要物质基础,它直接影响到国家安全、可持续发展及社会稳定。因此,开展低耗能、环 境友好和保证产品数量和品质的干燥新方法、新产品和新过程,对于能源匮乏的今天意义重大。
热泵是以消耗少量高质能(机械能、电能等)或高温热能为代价,以收集空气中低质热能的能量利用装置,以冷凝器放出热量来供热的系统。热泵干燥是一种温和 的、接近自然的干燥,适合于大部分农产品、药材等热敏性物料。因此,在干燥技术领域中,应用热泵可有效利用能源、保护环境、减少温室效应和防止臭氧层破 坏。中国GDP已经连续以超过8%的增长率高速增长多年,但随之而来的能源问题也越来越严重,随着时代的发展和能源的日趋紧张,对于各行各业的增效、节能 的要求也越来越高。热泵是一项高效节能技术,应用于干燥过程可以降低能耗,对于缓解我国能源紧张局面具有重要意义。

1 我国稻谷干燥历史和现状分析
据悉,我国每年粮食产量的近1/3要经过干燥处理后才能流通。在北方地区,由于操作技术和自动化控制水平不高等原因,大批玉米因烘干问题而严重降低了商品 等级;我国南方尤其是长江流域产稻大省,也缺乏先进的干燥及防霉处理,降低了粮食在市场上的品质。刚收获的粮食,含水率较高,不易储藏。由于我国有些地方 缺少粮食干燥设备,因而造成粮食霉烂损失相当严重。据农业部门统计,在一般年景,我国粮食因霉烂损失达500万吨。我国于20世纪50年代初期引进了前苏 联的塔式混流干燥机,1962年自行设计了砖塔式混流干燥机组,1978年以后,引进了前苏联、美国、法国、英国、加拿大、意大利等国家的干燥机,经消化 吸收,设计的烘干机逐步采用全钢结构。90年代以后,蒸汽干燥塔逐步被淘汰,热风干燥机成为主流机型。热风干燥由直接加热改为间接加热,干燥工艺由多塔串 联多次提升改为干燥与冷却一机完成一次提升。近几年来,通过世行项目和国储库项目,我国的粮食干燥技术有了很大的发展,干燥系统配置齐全,设计要求逐步规 范化。

2 常用干燥方法简介
稻谷安全贮藏的重要条件是使其含水量由收获时的24%~26%,经过干燥处理,降低到12%~14%,并使空气的相对湿度达50%~75%,以适于长期贮藏,否则谷堆容易发热而霉坏变质。
稻谷干燥处理分为天然干燥和人工干燥2 种。天然干燥是将稻谷摊于晒场上在阳光下翻晒 2~4d,使其含水量降到14%以下,然后入仓贮藏。阴晒可以减少稻米胴裂(或称爆腰、断痕),碾米后碎米率较低,因此又以烈日曝晒为优。但在有些地区, 收获时正值雨季,为了避免稻谷发芽或发霉,必须利用人工干燥。其常用干燥方法有以煤和电为能源的粮食干燥机,如DVB系列双质体振动流化床干燥机,采用振 动流化工艺,其特点是干燥均匀,但是在这个过程中要消耗大量的能量。在当今能源价格高涨的年代,如何能最大限度地节约能源,成为工程人员亟需解决的问题。

3 热泵干燥的优点
3.1 热泵工作原理
热泵干燥装置由热泵和干燥器两大系统组成。热泵主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵系统内的工作介质(简称工质),首先在蒸 发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后,由液体蒸发为蒸汽,经压缩机压缩后送到冷凝器中,在高压下热泵工质冷凝液化,放出高温的冷凝热去加热来自蒸发 器的降温去湿的低温干空气,把低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内,作为干燥介质循环使用;液化后的热泵工质经膨胀阀再次回到蒸发器内,如此循环下 去。废气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉,从而达到除湿干燥的目的。运用逆卡诺循环原理,通过热泵做功使热媒(冷媒)产生物理相变(液态— 气态—液态),利用反复循环相变过程中不间断吸热与放热的特性,由吸热装置(空气换热器)吸取低温热源空气中的热量,通过专用水热交换器向冷水中不断放 热,使水逐渐升温。制热过程中的电热能量转换效率最高可达450%以上。热泵只需要消耗一小部分的机械功(电能),就可将处于低温环境空气中的热量转移到 高温环境下的热水器中,去加热制取高温的热水。热泵与水泵很相似,水是不能自发地从低处流向高处,要将低处的水输送到高处,必须用一台水泵,消耗一部分电 力,才能将水送到高处的水箱中;同样,根据热力学第二定律,热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移(传送),要实现这个目的,必须要有一台机器, 消耗一部分机械功(例如电能),才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出,连 同本身所用的电能转变成的热能,一起送到高温环境中去应用(工作原理、设备元件与空调基本相同)。电只是用来吸换空气,让空气的热量提升水温。它和电热水 器是根本不同的概念。空气热泵热水器没有电热管,只有空气与水交换热量的管道。这就确定了它安全节能的根本特性。
3.2 热泵干燥热值分析
据有关报道,干燥谷物时,在外界温度高于25℃时,连续干燥的单位热耗量不大于1000KJ/kg水,热泵(包含一般冷气机)的效率是3左右,也就是消耗 1000W的电可以产生3000W的热(冷气的话就是移走3000W的热)。而通常电能直接转热能加热效率最高,为1(一般为0.9),也就是说,消耗 1000W的电最多只能产生900W的热。两者耗电量差了近3倍。

4 热泵干燥原理
常用热泵干燥装置采用对流式的干燥系统,来自热泵的气体对干燥装置内的原料进行加热干燥。热泵干燥原理如图1所示。
5 热泵干燥需要解决的问题
热泵干燥有很多优点,但也还有一些亟需解决的技术问题,如对外界温度的过分依赖,在外界温度低于18℃时,其加热效果较差。对此问题,可以考虑以其他热源 作补充来解决。如在热泵干燥装置外加装一加热设备(可以煤、秸秆、沼气等为燃料),当外界温度低于18℃时,可以起动此加热设备进行干燥。

6 热泵干燥在农村地区的可行性分析
6.1 热泵干燥的能耗和费用优势
首先,热泵干燥在农村地区进行稻谷等粮食的干燥在技术上是可行的,虽然一次性投入较高,但从长远利益来看,还是很划算的。以现有的重庆新能源公司的 1000W热泵为例,其市场价格是1.5万元左右,如使用1000h计算,则节约2000KW•h,折合人民币约为1000元。按现行煤炭价格500元 /t计算,也就是说1kg煤(约0.5元)能产生29000KJ左右的能量,考虑到燃煤的利用率在10%左右,1kg的煤实得2800KJ左 右,1KW•h(约0.5元)的热量为3600KJ,而热泵1KW•h(0.5元)能产生8100KJ的能量,也就是说热泵热经济效率是燃煤锅炉的 2.5~3.0倍。
6.2 热泵干燥在我国农村地区的可行性分析
随着我国农村经济水平的发展,在南方特别是江浙一带,农村人均收入有的已起过1万元人民币,2008年全国农村居民人均纯收入4761元。就经济投入而 言,热泵干燥在我国农村地区的应用已成为可能。另一方面,我国广大南方地区收获季节气温,即使遇阴雨天通常也高于20℃,这为应用热泵干燥提供了良好的外 界温度条件。特别是随着热泵生产技术的提高、生产企业间的竞争,促使热泵价格下降,热泵干燥在南方地区必将得到推广应用。

7 结语
随着能源的短缺、能源价格的上涨及稻谷干燥质量要求的提高,热泵干燥系统以其高效节能、温和且接近自然干燥的特点,在谷物干燥中将得到越来越多的应用。

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