地源热泵稻谷干燥机板翅换热器的设计与试验

张德高，谢焕雄，颜建春，吴慧昌，周新星，严 伟，姚礼军

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)



地源热泵稻谷干燥机板翅换热器的设计与试验

张德高，谢焕雄，颜建春，吴慧昌，周新星，严 伟，姚礼军

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

针对稻谷干燥机作业成本过高和干燥后的物料品质差的问题，将地源热泵技术应用于稻谷干燥机，设计了一套板翅式换热器加热空气，计算得出芯体结构与技术参数，以降低单位作业量成本，提高干燥后的物料品质。试验研究表明：当环境温度为环境温度16℃、空气相对湿度53.2%时，地源热泵稻谷干燥机与燃油稻谷干燥机的稻谷含水率降低速率无明显区别，稻谷干燥性能可达到同等效果；地源热泵稻谷干燥机干燥稻谷的单位作业量成本0.040 7元，而燃油稻谷干燥机干燥稻谷的单位作业量成本为0.190 5元，单位作业量成本明显降低；地源热泵稻谷干燥机的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%小于燃油稻谷干燥机的0.72%；地源热泵稻谷干燥机的破损率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥机的0.31%，地源热泵稻谷干燥机的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥机的3.0%，干燥后的物料品质明显提高。

稻谷；地源热泵；换热器；干燥性能；成本；物料品质

0 引言

我国农户粮食产后储藏运输过程中的损失率为7%，远高于发达国家1%的水平[1]，主要原因是粮食在收获季节不能及时干燥或干燥方法不当引起了发芽、霉变等损失。2013年底，我国有谷物干燥机4.28万台，总功率44.14万kW，干燥粮食数量7 529.30万t，粮食干燥量仅占粮食总产的15%左右[2],可见粮食机械化干燥程度比较低。目前，我国谷物干燥机主要使用机型为连续式、批式循环谷物干燥机[3-9]，干燥能耗在5 280kJ/kg左右。同时，传统的依靠燃油、煤等秸秆、作为干燥能源的炉气高温干燥容易产生二次污染，且干燥能耗过大，制约中国粮食机械化干燥[10-13]。

地源热泵是一种先进的可再生能源利用技术，每消耗1kW·h的能量，用户可以得到4～5kW·h的热量或冷量[14-17]。本文把地源热泵技术应用于稻谷干燥机，计算确定了换热器芯体结构与技术参数，并对地源热泵稻谷干燥机进行了试验分析。地源热泵稻谷干燥机对于提高粮食品质、增加农民收益、保障粮食安全，具有十分重要的意义。

1 地源热泵稻谷干燥机基本工艺过程

稻谷干燥机工艺：谷物进仓，经提升机到干燥机顶部、上搅龙、谷仓缓苏部、谷仓干燥部、下搅龙，最后经提升机谷物出仓。地源热泵机组通过板翅式换热器，经下本体对谷仓干燥部进行加热干燥，如图1所示。

图1 地源热泵循环谷物干燥机工艺过程

2 换热器芯体结构与技术参数确定

换热器芯体设计需根据工作条件下的传热负荷，选择合适的传热材料和结构形式，得到较高的传热系数；选择合适的流体流动方式，获得较大的对数平均温差，从而以较小的换热面积达到传热的要求，降低金属或其他材料的消耗。芯体采用长六边形不锈钢框架，内嵌若干层亲水铝箔板翅(间距为d)。其中，六边形的4个短边为交换器的4个进或出风口，热空气与冷空气经铝箔相隔不混合交叉相逆流动，芯体主要结构和技术参数如图2所示。

图2 换热器芯体结构与技术参数

已知两股气流的质量流量qm1、qm2及3个温度值t1′、t1″、t2″，同时令(qmc)max=max(qm1c1, qm2c2)；(qmc)min= min(qm1c1, qm2c2)。则在纯逆流情况下的所需总传热面积Actf计算过程为

其中，η为换热器效率； c1为热空气比热[J/(kg·℃)]；c2为冷空气比热[J/(kg·℃)]；Rc为两股气体热容量之比； NTU为传热单元数；K为总传热系数[W/(m2·℃)]。

参照谷物干燥机正常工作情况，热空气进入芯体前的温度为35℃，相对湿度60%；冷空气进入芯体前的温度为15℃，相对湿度50%；热空气排出芯体后的温度控制在比进入芯体前的冷空气高2～3℃；气流在管壁及箱壁的泄漏按气流总量2%计算，按通风风量4 900m3/h计算，则可得出总传热面积A=132m2。

此外，将板翅式换热器芯体进口的压力损失Δp′、出口的压力回升Δp及芯体内的压力损失Δpef加起来，可得换热器芯体的压降，则

ΔPcore=Δp'+Δpef-Δp

其中

其中，gm为质量流速[kg/(m2·s)]；υ′为芯体进口处流体比体积(m3/kg)；σ为换热器芯体的孔度；K′为进口压力损失系数；υ为芯体出口处流体比体积(m3/kg)；K为出口压力损失系数；f为范宁摩擦因子；L为流动长度(m)；de为水力直径(m)；υm为沿流动长度的平均比体积(m3/kg)。

查询设计手册[18-19]，带入数据，计算得换热器热空气侧和冷空气侧的气体压力损失分别为150、156Pa。

3 试验

3.1 试验材料

试验谷物品种为稻谷，产自扬中市三茅街道指南村。2015年11月10-16日在水稻产地开展地源热泵稻谷干燥机试验。

3.2 试验装置与仪器

试验装置由地源热泵机组、换热器及循环式谷物干燥机组成。其中，地源热泵机组外购FDK-030型农用地源热泵机组，换热器和循环谷物干燥机自制。

表1 主要试验装置及仪器

3.3 试验内容

在相同环境空气状态下，通过以下3个方面进行地源热泵与燃油稻谷干燥机的对比试验。

1)物料含水率随干燥时间的变化情况；

2)干燥谷物单位作业量成本；

3)干燥不均匀度、破损率和爆腰率等3方面的物料品质。

3.4 检测及计算方法

1)空气状态参数(温度T/相对湿度φ)：电子温湿度记录仪。

2)含水率检测：在出料口取样9次/h，由日本AND的MS-70型稻谷水分测定仪分别测定9个子样的含水率Mt1，Mt2，…，Mt9，则这一时刻的平均含水率计算式为

3)单位作业量成本P，有

式中 Pd—地源热泵稻谷干燥机的单位作业量成本；

Nd—地源热泵机组和谷物干燥机的总耗电量；

Gd—地源热泵干燥机干燥的湿稻谷质量。

a—1kW·h电的价格

式中 Py—燃油稻谷干燥机的单位作业量成本；

Ny—谷物干燥机的耗电量；

Hy—谷物干燥机的耗油量；

Gy—燃油稻谷干燥机干燥的湿稻谷质量；

b—1L汽油价格。

4)干燥不均匀度计算式为

S=Mmax-Mmin

式中 Mtmax—干燥后稻谷所有样本中含水率的最大值；

Mtmin—干燥后稻谷所有样本中含水率的最小值。

5)破损率计算式为

式中 mb—样品中破损粒质量；

m—样品质量。

6)爆腰率计算式为

式中 nb—样品中爆腰粒数量；

n—样品数量。

3.5 试验结果及分析

试验在环境温度16℃、空气相对湿度53.2%相同的空气状态条件下进行。

3.5.1 含水率

每隔1h取1批样品，一批样品取9组，分别测定含水率。稻谷进料完成后，干燥前取第1批样品，之后每隔1h取1批样品。表2和表3分别为地源热泵和燃油稻谷干燥机的含水率测定结果。

表2 地源热泵稻谷干燥机的稻谷含水率

表3 燃油稻谷干燥机的稻谷含水率

图3 谷物干燥曲线

由图3可得出：地源热泵稻谷干燥机与燃油稻谷干燥机的稻谷含水率降低速率无明显区别，稻谷干燥性能可达到同等效果。

3.5.2 单位作业量成本

当地电价a为0.538元/(kW·h)，93#汽油价格为5.36元/L。地源热泵稻谷干燥机试验干燥的湿粮质量Nd为4 817.0kg，总耗电量Gd为364.69kW/h，计算得出干燥稻谷的单位作业量成本Pd为0.040 7元。燃油稻谷干燥机试验干燥的湿粮质量Ny为4 789.3kg，总耗电量Gy为295.36kW/h，耗油量Hy为140.57升，计算得出干燥稻谷的单位作业量成本Py为0.190 5元。由此可得出，燃油稻谷干燥机干燥稻谷的单位作业量成本是地源热泵稻谷干燥机的4.72倍。由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统，所有采用地源热泵稻谷干燥机课高效节能，明显降低干燥稻谷的成本。

3.5.3 物料品质

1)干燥不均匀度。表4为稻谷干燥不均匀度。地源热泵稻谷干燥机的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥机的0.72%；地源热泵稻谷干燥机的干燥后的干燥不均匀度0.57%大于燃油稻谷干燥机的0.24%。由此得出，地源热泵稻谷干燥机的稻谷干燥效果更均匀。

表4 稻谷干燥不均匀度

2)破损率。表5为稻谷破损率。地源热泵稻谷干燥机的干燥后稻谷平均破损率1.14%，小于燃油稻谷干燥机的1.27%；地源热泵稻谷干燥机的破损率增加值0.16%；小于燃油稻谷干燥机的0.31%，且满足谷物干燥机行业标准JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破损率增加值不大于0.5%的要求。

3)爆腰率。表6为稻谷爆腰率。地源热泵稻谷干燥机的干燥后稻谷平均爆腰率5.8%，小于燃油稻谷干燥机的7.4%；地源热泵稻谷干燥机的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥机的3.0%，且满足谷物干燥机行业标准JB/T 10268-2001中稻谷干燥后破损率增加值不大于3%的要求。

表5 稻谷破损率

表6 稻谷爆腰率

由于地源热泵稻谷干燥机的热风更温和均匀，干燥不均匀度、破损率增加值和爆腰率增加值等干燥后的稻谷物料品质都更好。

4 结论

1)地源热泵稻谷干燥机有效降低了单位作业量成本，提高了干燥后的物料品质。

2)地源热泵稻谷干燥机与燃油稻谷干燥机的稻谷含水率降低速率无明显区别，但地源热泵稻谷干燥机干燥稻谷的单位作业量成本0.040 7元远小于燃油稻谷干燥机干燥稻谷的单位作业量成本0.190 5元，单位作业量成本明显降低。

3)地源热泵稻谷干燥机的稻谷干燥不均度干燥前后降低幅度0.40%，小于燃油稻谷干燥机的0.72%；地源热泵稻谷干燥机的破损率增加值0.16%，小于燃油稻谷干燥机的0.31%；地源热泵稻谷干燥机的爆腰率增加值2.0%，小于燃油稻谷干燥机的3.0%，干燥后的物料品质明显提高。

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Design and Test on Plate Fin Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump Rice Drying Machine

Zhang Degao, Xie Huanxiong，Yan Jianchun ，Wu Huichang，Zhou Xinxing，Yan Wei，Yao Linjun

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture，Nanjing 210014,China)

In order to solve the problem of the high cost of rice drying machine and the poor quality of the dried materials, ground source heat pump technology is applied to the rice drying machine. In this paper, a set of plate-fin heat exchanger which calculated the core structure and technical parameter is designed, which reduces unit production costs and improves the quality after drying. Test research shows that when the environment temperature is ambient temperature of 16 ℃ and air relative humidity of 53.2%, there is no significant rice moisture content difference between the ground source heat pump drying machine and paddy rice drying machine with fuel achieve the same effect. Ground source heat pump drying rice rice drying machine unit production cost of 0.0407 yuan is 4.72 times than the fuel rice drying machine dry rice unit production cost 0.1905 yuan. Uneven ground source heat pump rice drying machine of rice drying degree before and after drying to reduce rate of 0.40% is less than the 0.72% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump rice drying machine breakage rate of the added value of 0.16% is less than the 0.31% of fuel oil rice drying machine. Ground source heat pump of the rice drying machine explodes the waist the added value of 2.0% is less than the 3.0% of fuel oil rice drying machine. The material quality of ground source heat pump drying machine has improved significantly.

rice; ground source heat pump; heat exchanger; drying performance; price material quality

2016-06-10

江苏省科技支撑计划项目(BE2014378)；中国农业科学院产品分级与储藏装备创新团队专项(2015-2020)

张德高(1991-)，男，河南洛阳人，硕士研究生，(E-mail)zdg330@foxmail.com。

谢焕雄(1968-)，男，广西浦北人，研究员，硕士生导师，(E-mail)50666524@qq.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)07-0229-06