基于余热回收的粮食烘干系统的设计与实现

姜亚南， 赵冉冉， 杨 帅

(1.江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安 223003)



基于余热回收的粮食烘干系统的设计与实现

姜亚南1,2， 赵冉冉1,2， 杨 帅1,2

(1.江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安 223003)

[目的]利用收割机工作时的尾气余热及冷却水余热实时烘干粮食，避免农民收割后再次晾晒粮食的环节。[方法]设计一种基于余热回收的粮食烘干系统。该系统主要由气气换热器和水气换热器两级串联组成，利用封闭工作腔内工作介质的相变循环实现收割机的尾气和冷却水的余热回收，烘干系统的热缓苏仓以回收的热量作为热源，通过热缓苏仓降低粮食湿度，并通过冷缓苏仓冷却粮食，从而降低粮食的发芽率。[结果]该系统性能良好，可有效提高农业燃油的利用率，避免能源浪费的同时也降低了农业生产的劳动强度和劳动成本。[结论]该研究可为粮食干燥技术研究提供新思路。

粮食烘干系统; 余热回收；热交换器; 缓苏仓

天气等客观因素的影响给农民晾晒粮食带来困难。据统计，我国粮食收割后因潮湿而导致的霉变、发芽损失量占粮食总产量的5%。随着我国农业机械自动化的快速发展，以农业收割机为代表的现代化农机设备正在普及，但是收割机燃油总热量的有效利用率仅为30%～40%，绝大部分以余热的形式散发[1-2]，造成了很大的资源浪费。在粮食收割过程中，如果能够有效回收收割机余热进行粮食实时烘干，不仅可以提高燃油利用率，而且可大幅度降低农民的劳作强度。基于此，笔者设计了一种基于余热回收的粮食烘干系统，以期为粮食干燥技术研究提供新思路。

1　粮食烘干系统核心技术原理

该系统采用热管传热技术回收收割机的尾气和冷却水的余热作为烘干系统的热源，利用封闭工作腔内工作介质的相变循环进行热量的传输，粮食烘干系统核心技术原理如图1所示。烘干系统的热管从加热段吸收热量，通过内部相变将热量输送到冷却段，实现热量转移[1-2]。具体过程：热量从热源通过热管管壁和充满工作介质的吸液芯传递到液汽分界面，液体在液汽分界面上蒸发，蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段，蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上冷凝[3-4]，热量从汽液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源，在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作介质回到蒸发段。由于热管内部被抽成真空，所以工作介质极易蒸发和沸腾，热管起动迅速，在热管冷、热两侧加装翅片以强化传热效果。

图1　粮食烘干系统核心技术原理Fig.1　Core technical principles of the grain drying system

2　粮食烘干系统模型的设计

为实现收割机尾气和冷却水的余热高效回收以及粮食的高品质烘干，该系统设计开发两级换热器，两级换热器采用串联连接模式，鼓风机通过热管将冷空气依次鼓入一级换热器和二级换热器，回收尾气和冷却水余热并传递给冷空气，加热后的热空气进入缓苏仓的内筛筒，收割机将收割的粮食输送至缓苏仓，通过内置的内筛筒烘干粮食，从缓苏仓输出的粮食最后通过冷风冷却处理。粮食烘干系统结构如图2所示。

为了提高粮食烘干效率，缓苏仓内筛筒采取螺旋模式，同时为了快速输出粮食，缓苏仓采取振动模式，振动功率为0.12kW。热空气从热缓苏仓底部上升，粮食从顶部下降进行烘干，并通过冷缓苏仓对粮食进行冷却，从而降低粮食的发芽率。缓苏仓结构如图3所示。

粮食烘干系统的热源通过气气换热器和水气换热器分别回收尾气和冷却水的热量。综合考虑低温腐蚀等因素，粮食烘干系统的热量回收性能参数设置分别为：气气换热器热端进口尾气的温度选取300 ℃(流量为400m3/h)，出口尾气的温度选取150 ℃(流量为400m3/h)；水气换热器热端进口冷却水的温度选取95 ℃(流量为1.5t/h)，出口尾气的温度选取75 ℃(流量为1.5t/h)。水气换热器回收的热量用来加热10 ℃(流量为1 700m3/h)的冷空气，并将其预热至60 ℃，其热量将水气换热器预热后的空气再加热，即冷端进口60 ℃，出口约为80 ℃，流量为1 700m3/h。气气换热器回收的热量将水气换热器预热后的空气再加热，冷端进口空气温度为60 ℃，出口空气温度为80 ℃。粮食烘干系统余热回收原理如图4所示。

图2　粮食烘干系统结构示意Fig.2　The structure of the grain drying system

图3　粮食烘干系统缓苏仓结构示意Fig.3　The structure of tempering warehouses of the grain drying system

两级换热器采用列管式换热器，它有1个矩形的外壳，在矩形的外壳中布满了带翅片的热管，热管的布置呈错列三角形排列[5-6]，如图3所示。在矩形壳体内部的中央有1块隔板将壳体分成2个部分，形成热流体和冷流体的通道[7]。当热、冷流体同时在各自的通道中流过时，热管就将热流体的热量传给冷流体，从而实现2种流体的热量交换。气气换热器将300 ℃热尾气降至150 ℃，释放的热量可将60 ℃空气加热至80 ℃。经计算，气气换热器、水气换热器的换热面积均以3m2最适宜。两级换热器的结构原理如图5所示。

3　性能测试

基于余热回收的粮食烘干系统在稳定状态作业时出机干粮流量、温度、水分以及排出的气体温度、湿度均保持稳定，稳定状态下根据公式(1)和(2)计算该系统的降水幅度及干燥能力。

图4　粮食烘干系统余热回收原理Fig.4　Principles of waste heat recovery by the grain drying system

ΔM=M1-M2

(1)

式中，ΔM为降水幅度；M1为入机粮样品平均含水率；M2为出机粮样品平均含水率。单位均为%。

p=G×ΔM/T

(2)

式中，p为干燥能力(t/h)；G为进机湿粮质量(t)；T为测试时间(h)。

经测定，该系统的降水幅度ΔM=27%，干燥能力p=10t/h，符合预期要求。

4　结论

该系统解决了目前农民收割粮食后必须额外晾晒粮食的问题。回收收割机的废气余热和冷却水余热烘干粮食，变废为宝，促进了农业生产的便捷化，提高了农业能源的利用率及农业生产率。

图5　粮食烘干系统换热器原理Fig.5　Principles of heat exchangers of the grain drying system

[1] 郭丽华.基于有机朗肯循环的发动机余热回收技术[J].车用发动机,2012(2):30-34.

[2] 杨富斌,董小瑞,王震,等.发动机两级有机朗肯循环尾气余热回收系统的研究[J].车用发动机,2013(5):27-32.

[3] 李杰.我国粮食干燥节能减排技术发展现状与展望[J].粮食储藏,2011,40(4):13-16.

[4] 王继焕,刘启觉.高水分稻谷分程干燥工艺及效果[J].农业工程学报,2012,28(12):245-250.

[5] 杨凯,张红光,宋松松,等.变工况下年用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统[J].化工学报,2015,66(3):1097-1103.

[6] 金芳,段常贵,陈明.燃气直燃机对燃气负荷季节调峰的作用[J].煤气与热力,2003,23(12):724-727.

[7] 于碧涌,刘锋,金芳,等.燃气空调的优势及对燃气和电力调峰的意义[J].煤气与热力,2002,22(5):426-428.

DesignandRealizationofaGrainDryingSystemBasedonWasteHeatRecovery

JIANGYa-nan1,2,ZHAORan-ran1,2,YANGShuai1,2

(1.JiangsuEngineeringTechnicalResearchandDevelopmentCenterforEquipmentManufacturingofElectronicProducts,Huai’an,Jiangsu223003; 2.Huai’anVocationalCollegeofInformationTechnology,Huai’an,Jiangsu223003)

[Objective]Toutilizethewasteheatoftailgasandcoolingwaterfromaworkingharvestertodrygraininrealtimewhileharvestinggraintoavoiddryinggrainafterharvest. [Method]Agraindryingsystembasedonwasteheatrecoverywasdesigned.Thesystemismainlycomposedoftwoseriesofgas-gasheatexchangerandwater-airheatexchanger.Theheatexchangersusethephasechangecycleoftheworkingmediumintheclosedworkingchambertorealizethewasteheatrecoveryofthetailgasandthecoolingwateroftheharvester.Thehottemperingwarehouseofthegraindryingsystemcanusetherecycledheatasaheatsourcetoreducegrainhumidity.Thecooltemperingwarehouseofthegraindryingsystemcancoolgrainandreducethegerminationrateofgrain. [Result]Thesystemhasgoodperformance,anditcaneffectivelyimprovetheutilizationrateofagriculturalfueloil,avoidthewasteofenergy,andreducethelaborintensityandlaborcostofagriculturalproduction. [Conclusion]Theresearchprovidesanewideaofdryinggrain.

Graindryingsystem;Wasteheatrecovery;Heatexchanger;Temperingwarehouse

淮安市应用研究与科技攻关(农业)计划项目(HAN2014035)；2016年度江苏省高校“青蓝工程”培养对象基金(苏教师﹝2016﹞15号)。

姜亚南(1964- )，女，黑龙江依安人，高级工程师，从事机械制造与自动化研究。

2016-08-05

TP273

A

0517-6611(2016)26-0228-03