热管和热泵联合技术在谷物干燥领域的应用研究
时间：2022-10-09 02:53:14
摘要 粮食储备是保障粮食具有使用价值的重要环节，使粮食干燥到科学的含水量是粮食储备的重中之重。粮食储备体量大，耗能多，节能问题值得工程技术人员重视。能源问题也是影响到国家安全的问题，减少粮食干燥用能势在必行。本文介绍了热管和热泵等节能减排技术在粮食烘干领域的应用研究情况，以期为保障粮食储备安全提供参考。
中图分类号 TK173 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）21-0147-02
目前，我国广大地区的粮食干燥仍然以人工晾晒为主，而每年机械化干燥的粮食约有3 700万t[1]。 据不完全统计，我国干燥1 t粮食消耗标准煤0.07 t[2]，仅粮食干燥一项就需耗用约260万t标准煤[3]，排放出大量CO2、SO2及灰分等污染物，而且作业方式粗犷，节能意识匮乏，无有效节能措施，谷物干燥降1 kg水需要能耗指标为5 000～8 000 kJ，高于发达国家的指标（3 344～4 598 kJ）[4]，为此，我国谷物干燥从技术、设备、工艺等方面的提升具有空间。结合文献及多年热管技术、热泵技术的应用，拟定将热管技术、热泵技术嵌入到谷物干燥工艺中。据有关文献描述，热管式换热器比普通列管换热器节能10%，热管太阳集热器作为谷物干燥可节能70%左右[5]，利用地源热泵干燥谷物，总电功率减少34.8%[6]，运行成本节约40.6%[7]。
对于稻谷、荞麦、谷子等易烘损粮食，应适当降低干燥强度，采用低温、大流量，留够谷物缓苏时间，必要时采取间歇式干燥策略。同时，为防止谷物表面产生裂纹，谷物在干燥时，换热表面膜层温度不宜超过40 ℃[5]；对于玉米干燥，因含水分与当年降水、储运、收割方式等差异大，粮粒受热面温度不宜超过50～55 ℃[5]；对于小麦，干燥后能磨出高中路面粉，粮粒的受热面温度不应超过55～60 ℃[5]。可见，干燥温度均不超过60 ℃，利用热泵产生热风作为谷物干燥所需的温度要求能够满足。同时，60 ℃的废热排出，也能够激发热管工质气化，并通过热管内部气液二相流的转化而完成冷凝回流。
1 热管和热泵技术简介
1.1 热管技术介绍
热管工作原理于1944年由美国通用公司的R.S.Gaugler在专利（US2350348）中提出[7]。1962年日本人L.Trefethen[8]提出似的传热元件，拟定用于宇宙飞船。几经论证，在1965年Cotter第一次提出比较完整的热管理论[9]。我国20世纪70年代开始研究热管技术，80年代初热管的研究及开发重点转向节能及能源的合理利用[10]。热管的工作原理简单描述：普通的热管由管壳、吸液芯和端盖构成，用热排或者抽真空的工艺，将管腔抽成1.3×10-4～1.3×10-1负压后，充装适量工作液体。热管的一段为蒸发段（热量输入），一侧为冷凝段（热量输出），根据工艺需要中间布置适当的绝热段，而热管工作过程中，蒸发和冷凝是同时进行的，内部是气液二相流，具体见图1。
在热管原理成熟以后，从结构上讲，出现了重力热管、环路热管、分体式热管等。常温热管工作温度一般为0～250 ℃[11]，完全满足谷物烘干需要。
1.2 热泵技术介绍
热泵理论要追溯到1824年卡诺发表的卡诺循环的论文，1852年威廉・汤姆逊提出热泵构想，被称为热能倍增器[12]。随着能源成本增加，节能减排压力增大，热泵技术逐步被重视，20世纪二三十年代逐步发展起来。以常用的热泵――蒸汽式热泵来描述其工作原理，具体见图2。
蒸汽压缩式热泵由节流膨胀部件、蒸发器、冷凝器、压缩机等基本部件构成闭合回路，在其中注入冷媒，并在压缩器的推动下，完成冷媒工质在各部件中流动。热泵工质在蒸发器中吸收外界低温热能的热量，发生相变；冷媒介质吸收热量，并压缩机热能，由压缩机将其压缩成高温高压；随后，在节流膨胀阀作用下，高温高压冷媒发生膨胀，压力降低，温度不变；最后，冷媒介质在冷凝器中向环境中释放热量，冷媒被变成低温低压状态。制热温度低于50 ℃的热泵已经非常成熟，制热温度50～100 ℃之间的热泵，工业化应用的领域逐步扩展[12]，该制热温度也概括了谷物烘干所需的温度区间。
1.3 技术总结
通过对热管和热泵技术的简要描述，可以明确利用热管和热泵技术来进行实现谷物烘干在温度区间上是可行的。同时，也明确预见得到如果利用2种技术对废热进行梯级利用，所需要新输入的高品位能源势必要减少。
2 热管和热泵联用烘干系统
2.1 系统结构与运行原理
通过前文的描述，推测将热管与热泵技术用于谷物干燥是可以实现的。如何将该技术应用于实践，A公司的设计人员给出了简要方案，具体见图3。
该系统由鼓风机、分体式热管换热器、蒸汽压缩式热泵、烟囱及电源等辅助系统构成。连续干燥过程时，工作过程描述：温度tC1、流量Q=V m3/h的空气由鼓风机送入热管冷凝段吸收q1，使得空气温度升到tC2，顺着烟道空气进入热泵冷凝器吸收热量q2，使得空气温度升高到th1，温度为th1的热空气，将谷物中的水分带走，空气湿度由原来的a1/m3变为a2/m3；湿热空气进一步流动至热管蒸发段，温度降至为th2；th2的空气进入热泵蒸发器，使得湿热空气进一步温度降低至th3，并析出部分冷凝水a3，最后含水量为（a2-a3）/m3的废空气由烟囱排放至大气中。
5 参考文献
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