基于溶液除濕的新型糧食干燥設備設計及特性分析

閆俊海,高龍,劉寅,丁揚錚,孟照峰,王順,吳飛駿,謝亞琦,張士雯

(中原工學院 能源與環境學院,河南 鄭州,450007)

糧食干燥是保障國家糧食安全的首要環節,又是糧食行業的主要耗能環節,實現糧食高效、安全、經濟干燥對我國具有重大意義[1-2]。目前糧食產后的干燥有自然晾曬和機械干燥,自然晾曬不僅極易污染糧食而且在公路上晾曬還易引發交通事故,同時受氣候影響很大。機械干燥方法主要有烘干機、烘干塔、熱泵干燥、冷凝去濕干燥等。烘干機、烘干塔[3-4]目前的應用最為廣泛,其使用的能源以煤炭為主,僅有小部分采用燃油或生物質秸稈、稻殼等,熱效率低,對環境污染大,設備投資高[5]。此外,其對應的糧食干燥方式屬于高溫干燥(80～300 ℃,常稱為熱風干燥[6]),若烘干參數與工藝選取不當,會導致糧食干燥不均勻和品質下降,如蛋白質變性、種子發芽率降低、食用品質降低等,不適宜高品質糧種的干燥[7]。熱泵干燥技術[8-9]已廣泛應用于谷物、果蔬、水產品等物料加工過程,但在糧食規?；瘧弥羞€未取得實際突破。冷凝去濕干燥[10-11]雖然也能滿足糧食的低溫干燥要求,糧食干燥品質高,但設備運行成本較高,在高濕、大風量情況下效率低,運行中存在排水不便、溫濕度調節范圍和調節精度受限等問題。

糧食就倉干燥是一種集干燥、倉儲為一體的技術形式[12-13],可使用常溫空氣或低溫干燥空氣作為干燥介質,對倉內高水分糧食進行強制機械通風處理,糧食收獲后即可入倉,減少倉外晾曬、烘干等環節,可最大限度保持糧食品質和避免倒倉帶來的糧食損失和相應成本支出。低溫慢速通風干燥歷史悠久,我國近年來對糧食低溫通風干燥進行了大量的研究[14],糧食低溫慢速就倉干燥的干燥品質好,能耗較低,可作為貯藏設施使用,不需倒庫作業,可實現高品質貯藏,并對入庫負荷的變化有較強的適應能力[15]。

溶液除濕是利用溶液的吸濕能力,吸收空氣中的水分,達到除濕目的。溶液除濕相比于冷凝法去濕,無冷熱抵消過程,除濕能力強,可精準調溫調濕,系統的驅動能源可充分利用低品位熱源、廢熱、太陽能等,系統節能顯著?？諝馔ㄟ^溶液除濕和溫度調節后可實現低溫通風干燥,其相比于自然通風干燥具有降水時間短,不受氣候條件和季節限制,且機組出風溫度可精確控制等優勢。近年來已有學者對溶液除濕機組在糧庫中應用進行了研究[16-19],但多集中于理論分析,目前市場上還沒有見到相關的干燥設備或實驗研究。針對現狀,本文開發了基于溶液除濕的新型糧食干燥設備,通過實驗研究了其運行特性。

1 系統設計

基于溶液除濕的新型糧食干燥系統,包括糧倉通風系統、制冷循環和溶液除濕循環三部分,系統原理如圖1所示。

1-環境空氣;2-風閥1;3-空氣冷凝器;4-膨脹閥1;5-溶液電加熱器;6-風機1;7-環境空氣;8-再生器;9-流量調節閥1;10-壓縮機1;11-空氣蒸發器;12-流量調節閥2;13-空氣;14-風閥2;15-除濕器;16-空氣電加熱器;17-風機2;18-溶液蒸發器;19-溶液泵1;20-流量調節閥3;21-流量調節閥4;22-溶液與溶液換 熱器;23-膨脹閥2;24-壓縮機2;25-溶液泵2;26-溶液冷凝器

空氣循環。除濕器側,空氣經過風閥進入除濕器與低溫溶液進行熱、質交換,除濕后經蒸發器降溫,再依次經過電加熱和風機進入糧倉對糧食進行干燥,依據GB/T 29890—2013《糧油儲藏技術規范》進入糧倉的空氣參數溫度控制在(20±0.5) ℃、相對濕度控制在70%以下。再生器側,環境空氣經過風閥進入冷凝器(制冷循環1)與制冷劑換熱升溫后,流經再生器與稀溶液進行熱、質交換空氣被加濕,經風機排入環境空氣。

溶液除濕循環。溶液在除濕器中吸收空氣水分成為稀溶液后,分兩路,一通過熱交換器與來自再生溶液箱的一路濃溶液換熱升溫,再與來自再生溶液箱中另一路濃溶液混合,經溶液泵進入冷凝器加熱后,送入再生器與流經的熱空氣進行熱、質交換變為濃溶液。除濕器中另一路稀溶液,與來自再生器的一路經熱交換器換熱冷卻的濃溶液按一定比例混合,經溶液泵進入蒸發器與制冷劑換熱被冷卻,然后進除濕器再一次對空氣除濕,從而完成了一個循環。該溶液除濕循環由3個溶液環路組成,不同于單一溶液環路的系統,該系統除濕溶液和再生溶液的流量可以獨立控制,便于根據負荷變化進行靈活調節。

制冷循環。該循環分為制冷循環1和制冷循環2,兩個子循環系統。制冷循環1,從壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體,進冷凝器與環境空氣換熱凝結成高壓液體,再經膨脹閥節流降壓,變成低溫低壓濕蒸汽,進入蒸發器與來自除濕器的空氣換熱,變為低溫低壓氣體回到壓縮機從而完成一個制冷循環。制冷循環2,從壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體,進冷凝器與稀溶液換熱凝結成高壓液體,再經膨脹閥節流降壓,變成低溫低壓濕蒸汽,進入蒸發器與除濕溶液換熱,變為低溫低壓氣體回到壓縮機,從而完成一個循環。

該系統制冷循環的冷、熱兩端均得到了有效利用,冷量用來冷卻空氣和溶液,提高溶液除濕效率,而冷凝熱用作除濕循環的驅動能源,用來加熱空氣和溶液實現溶液的再生。

2 系統設備選型

依據LS/T 1202—2002《儲糧機械通風技術規程》,糧食最高水分為20%時,對應的最低單位通風量取60 m3/(h·t),機組按照可處理糧食110 t進行設計,機組出風量取7 000 m3/h。依據GB/T 29890—2013《糧油儲藏技術規范》機組出風空氣溫度設計為(20±0.5) ℃,相對濕度70%以下。

2.1 溶液除濕循環相關設備選型

2.1.1 除濕器和再生器選型

填料作為除濕器中實現對空氣除濕的主要媒介,其客觀構造和具體參數決定了傳熱傳質性能的優劣,經比較,本設計選用紙質的規整波紋填料作為除濕器填料,填料比表面積600 m2/m3,除濕溶液選擇LiCl溶液,溶液與空氣流動形式采用叉流,由叉流除濕器熱質交換方程及溶液、空氣進出口設計參數通過理論計算,得到除濕器填料尺寸為1 200 mm×1 250 mm×1 000 mm,再生器填料尺寸為1 500 mm×1 360 mm×1 240 mm。溶液除濕循環系統相關設計參數見表1。

表1 溶液除濕循環系統相關參數Table 1 Design parameters of the solution dehumidification cycle system

續表1

2.1.2 溶液泵選型

根據除濕器和再生器溶液流量及系統阻力計算,除濕溶液流量10.5 m3/h,系統阻力183.3 kPa,再生溶液流量13.3 m3/h,系統阻力252.8 kPa,溶液泵選用立式多級離心泵,設備參數如表2所示。

表2 溶液泵設計參數Table 2 Design parameters of solution pump

2.1.3 溶液-溶液換熱器選型

根據除濕器和再生器與空氣熱質交換理論計算,確定的溶液-溶液換熱器設計參數如表3所示。板式換熱器型號GJAM6B,板片數20片,外形尺寸50 mm×320 mm×885 mm。

表3 溶液-溶液換熱器設計參數Table 3 Design parameters of solution-solution heat exchanger

2.2 制冷循環設備選型

2.2.1 制冷循環1設備選型

蒸發器選型,制冷系統制冷劑為R22,通過理論計算得出,制冷循環1蒸發器的換熱面積約為80 m2,選擇平鋁翅片銅管式換熱器,排列6×40,正三角形排列,片距2.1 mm,親水鋁箔厚度0.16 mm,孔距25 mm,列距21.65 mm,銅外徑9.5 mm,穿管壁厚0.36 mm,蒸發器的結構尺寸1 000 mm×150 mm×1 000 mm。

壓縮機,根據循環的制冷量蒸發溫度、冷凝溫度及制冷劑R22,制冷循環1選用渦旋壓縮機型號SM112,名義制冷量27.6 kW,輸入功率7.92 kW。

冷凝器選型,通過理論計算得出,制冷循環1冷凝器的換熱面積為115 m2,選擇平鋁翅片銅管式換熱器,排列6×48,正三角形排列,片距2.1 mm,親水鋁箔厚度0.16 mm,孔距25 mm,列距21.65 mm,銅外徑9.5 mm,穿管壁厚0.36 mm,冷凝器的結構尺寸1 050 mm×150 mm×1 050 mm。

膨脹閥,為更好控制工作狀態及系統穩定,本設計選擇電子膨脹閥,型號E2V30。

制冷循環1冷凝器和蒸發器設計參數見表4。

表4 制冷循環1蒸發器和冷凝器設計參數Table 4 Design parameters of evaporator and condenser for refrigeration cycle 1

2.2.2 制冷循環2冷凝器和蒸發器選型

蒸發器,換熱面積通過計算為14.5 m2,選用型號為SS-0650GSTI-S2管式換熱器,蒸發器的結構尺寸700 mm×220 mm×430 mm,該換熱器由內螺紋管與帶折流板的殼體組成的一種換熱器,換熱效率高,可適用于LiCl溶液,防腐性能好。

壓縮機,選用渦旋壓縮機SY300,名義制冷量72.8 kW,輸入功率22.7 kW。

冷凝器,換熱面積通過計算為17 m2,型號為SS-0650GSTI-S3管式換熱器,冷凝器的結構尺寸700 mm×220 mm×480 mm。

膨脹閥,為更好控制工作狀態及系統穩定,本設計選擇電子膨脹閥,型號E3V45。

制冷循環2冷凝器和蒸發器相關設計參數見表5。

表5 制冷循環2蒸發器和冷凝器設計參數Table 5 Design parameters of evaporator and condenser for refrigeration cycle 2

2.3 通風系統設備選型

除濕側和再生側風機設備設計參數如表6所示。在設備選型的基礎上搭建了基于溶液除濕的新型糧食干燥設備,實物圖如圖2所示。

表6 風機設備參數Table 6 Design parameters of fan

圖2 基于溶液除濕的新型糧食干燥設備實物圖Fig.2 Real picture of new grain drying equipment based on solution dehumidification

3 系統運行特性分析

為了驗證機組的運行性能是否滿足設計要求,在不同環境空氣參數下,進行了初步實驗,結果如圖3所示。圖中每個數字代表一種工況與帶上標的數字工況相對應。從圖3可以看出不同工況的入口空氣經過機組處理后,空氣溫度均在(20±0.5) ℃,相對濕度在38%以下,滿足設計要求。在入口空氣溫度35 ℃,相對濕度76%,出口空氣溫度20 ℃,相對濕度50%的工況下,新設計機組的制冷和除濕性能系數如圖4所示,機組的系統制冷性能系數(coefficient of refrigeration performance,COPC)為4.2,除濕性能系數(dehumidification coefficient,COPD)為3.1。

圖3 機組除濕側入口、出口空氣參數Fig.3 Air parameters of dehumidifier inlet and outlet

圖4 新設計機組的性能系數Fig.4 Performance coefficient of newly designed unit

利用本設計機組在低溫干燥模式下對玉米和蘿卜進行了初步干燥實驗,經過38 h干燥后,其結果如圖5、圖6所示。從圖中玉米和蘿卜干燥前后的對比可看出,干燥效果明顯。

a-玉米干燥前;b-玉米干燥后

a-蘿卜片干燥前;b-蘿卜片干燥后

4 系統能耗分析

目前在小麥等谷物干燥中,烘干機或烘干塔應用最為廣泛。冷凝去濕法是通過人工方法提供低溫干燥空氣介質對谷物進行干燥,在低溫慢速干燥領域應用較多。為了進一步分析本機組的能耗情況,本文將新設計機組與烘干機和冷凝去濕干燥機的性能進行了對比分析。

對糧食水分進行計算時,可將糧食看成是由水分與干物質兩部分組成如公式(1)～公式(3)所示:

m1=mg+m1w1

(1)

m2=mg+m2w2

(2)

m1=m2+W

(3)

式中:m1,干燥前糧食質量,kg;m2,干燥后糧食質量,kg;mg,糧食干物質量,kg;w1,干燥前糧食水分比;w2,干燥后糧食水分比;W,脫水量,kg。

糧食干燥前后,糧食干燥物質量不發生變化,由公式(1)～公式(3)可得糧食干燥后的脫水量W,計算如公式(4)所示:

(4)

糧食干燥過程中需要消耗的熱量可分為3部分:蒸發小麥體內水分所消耗的熱量Q1,預熱小麥所需要的熱量Q2,干燥過程中干燥器的熱損失Q3。

小麥水分蒸發需要的熱量Q1,計算如公式(5)所示:

Q1=W·r

(5)

式中:r,水的氣化潛熱,kJ/kg。

假設干燥前小麥的溫度為25 ℃,預熱后的溫度為45 ℃,預熱小麥需要的熱量Q2,計算如公式(6)所示:

Q2=m1cΔT

(6)

式中:c,小麥比熱容,kJ/(kg·K);ΔT,小麥預熱前后溫度差,℃。

干燥過程中,損失的熱量按總干燥熱能的10%計算,則總的能耗損失Q3,計算如公式(7)所示:

Q3=(Q1+Q2)×10%

(7)

小麥干燥所需的熱量為Q,計算如公式(8)所示:

Q=Q1+Q2+Q3

(8)

加熱小麥所需的熱量轉化為標準煤的量為設為M(1 kg標準煤的低溫熱值為29 307.6 kJ),計算如公式(9)所示:

(9)

課題組以干燥前含水率為20%,干燥后含水率為13%,110 t小麥為例,煤發電的一次能源轉換效率按40%計算,新設計機組的低溫干燥糧食降水速率取0.11%/h[10]。本機組和冷凝法去濕干燥機以進口空氣溫度30.9 ℃、相對濕度76%,機組出口空氣溫度20 ℃,相對濕度43%,本機組運行能耗為37.6 kW,冷凝去濕干燥機組COPC取3.4進行計算。

經計算可得各機組能耗,如圖7所示,冷凝法去濕干燥機能耗最高,干燥110 t小麥所需電能折算為一次能源約1 506 kg標煤,本機組能耗最小,所需電能折算為一次能源約734.3 kg標煤。本機組與傳統烘干機和冷凝法去濕干燥機相比,其節能率如圖8所示。本機組相比于烘干機其節能率ΔE1約為20%,相比于冷凝法去濕干燥機其節能率ΔE2約為51%。

圖7 機組能耗比較Fig.7 Comparison of the unit energy consumption

圖8 機組節能率Fig.8 Energy saving rate of unit

5 結論

糧食低溫慢速通風就倉干燥具有節約能源消耗,保證干燥后的糧食品質,保持環境衛生等優勢,本文圍繞糧食低溫慢速干燥提出了基于溶液除濕的新型糧食干燥系統,并完成了設備選型及開發。通過機組的實際測試及性能分析,可知:1)在不同環境空氣狀況下,機組出風設計參數達到了(20±0.5) ℃,相對濕度低于70%的設計要求;2)系統以電能驅動,并利用冷凝廢熱驅動溶液循環,制冷系統的冷、熱源均得到了有效利用,系統節能顯著,系統COPC可達4.20以上,COPD不低于3.1;3)通過能耗分析可知,本設計機組與冷凝去濕干燥機相比可節能50%以上,與烘干機相比可節能20%左右;4)通過對玉米和蘿卜片進行初步干燥實驗,干燥效果良好。