粮食干燥能源利用现状评估指标体系研究

文 _ 王跃武 夏朝勇 高建芝 中竞同创能源环境科技集团股份有限公司 中粮工程科技（郑州）有限公司

粮食问题是国民经济的头等大事，而目前我国的粮食干燥设备高能耗、低效率的问题影响了粮食干燥设备的快速发展。

长期以来，针对粮食干燥的理论、工艺及技术研究已经进行了大量的工作，然而，针对粮食干燥系统整体的能源利用现状评估方法以及相应的评估指标体系还未建立。本文在粮食干燥系统的能源利用流程分析基础上，根据已有研究成果引入㶲效率指标，建立粮食干燥系统整体的能源利用现状评估指标体系，并给出计算方法。

1 粮食干燥能源利用现状评估指标体系建立

粮食干燥系统主要能耗环节包括干燥热源和干燥机两部分，系统能源利用流程情况如图1。

分别针对粮食干燥系统、干燥热源和干燥机给出评估指标，形成系统的能源利用现状评估指标体系。

图1 粮食干燥系统能源利用流程

1.1 系统评估指标

针对粮食干燥系统的能源利用现状评估主要采用投入-产出法，以粮食干燥系统整体为对象，给出以下指标用于评价系统整体的能源利用现状。

干燥系统单位降水耗热量（QZ）：干燥系统在干燥过程中从物料中蒸发每千克水消耗的总热量（系统热源所消耗的各种能源提供的总热量），单位为kJ/kg。

干燥系统单位降水耗电量（WZ）：干燥系统在干燥过程中从物料中蒸发每千克水消耗电量（系统总耗电量），单位为kWh/kg。

干燥系统单位降水耗能量（NZ）：干燥系统在干燥过程中从物料中蒸发每千克水消耗能源总和（系统消耗各能源品种折标煤总量），单位为kgce/kg。

1.2 热源评估指标

粮食干燥系统热源为干燥过程所需热量的提供环节，评估该环节的能源利用现状也主要采用投入-产出法，评估指标为热源效率（ηr）。

热源效率（ηr）：热源正平衡效率，有效产出为进入干燥机的热量，单位为%。

1.3 干燥机评估指标

干燥机为粮食干燥过程脱除水分的主要环节，除了采用投入-产出法之外，引入㶲效率指标（ηyg），干燥机评估指标如下。

干燥机单位降水耗热量（Qg）：干燥机在干燥过程中从物料中蒸发每千克水消耗的热量（即为进入干燥机热量），单位为kJ/kg。

图2 粮食干燥能源利用现状评估指标体系

干燥机单位降水耗电量（Wg）：干燥机在干燥过程中从物料中蒸发每千克水消耗的电量（干燥机热量输配环节用电量），单位为kWh/kg。

干燥机热效率（ηg）：干燥物料蒸发水分所需热量与进入干燥机热量的比值，单位为%。

干燥机㶲效率（ηyg）：干燥物料蒸发水分所需热量与进入干燥机㶲比值，单位为%。

综合上述各指标，汇总干燥系统能源利用现状评估指标体系如图2。

2 粮食干燥能源利用现状评估指标计算方法

根据各指标定义并综合考虑各指标计算所需基础参数采集问题，给出各指标的计算方法。

2.1 系统评估指标

式中：QZ——干燥系统单位降水耗热量，kJ/kg；

Mr——干燥系统燃料消耗量，单位根据实际燃料计量单位确定；

qr——燃料热值，根据测试数值或采用文献3中缺省值；

mt——实际脱水量，kg。

式中：WZ——干燥系统单位降水耗电量，kWh/kg；

WS——干燥系统耗电量，kWh；

mt——实际脱水量，kg。

式中：NZ——干燥系统单位降水耗能量，kgce/kg；

NS——干燥系统总耗能量，kgce；

Mr——干燥系统燃料消耗量，单位根据实际燃料计量单位确定；

WS——干燥系统耗电量，kWh；

rr——燃料折标煤系数，根据实际热值计算或采用文献3中缺省值；

rW——电力折标煤系数，kgce/kWh，用等价值计算，数值采用当年全国平均发电煤耗数据；

mt——实际脱水量，kg。

式中：mt——实际脱水量，kg；

M0——粮食进干燥设备含水率（湿基），%；

M1——粮食出干燥设备含水率（湿基），%；

ml——粮食处理量，kg。

结合公式（1～4）可以看出，计算系统评估指标所需获取的基本参数为：干燥系统燃料消耗量（Mr）、干燥系统耗电量（WS）、粮食进/出干燥设备含水率（湿基）（M0/M1）、粮食处理量（ml）。

2.2 热源评估指标

式中：ηr——热源效率（正平衡效率），%；

Qr——热源有效输出热量（即进入干燥机热量），kJ；

Mr——干燥系统燃料消耗量，单位根据实际燃料计量单位确定；

qr——燃料热值，根据测试数值或采用文献3中缺省值。

式中：Qr——热源有效输出热量（即进入干燥机热量），kJ；

h1——进入干燥机的热风焓值，kJ/kg；

h0——环境空气焓值，kJ/kg；

Mf——进入干燥机热风量，kg。

焓值计算公式如下：

式中：h——空气（热风）焓值，kJ/kg；

t——空气（热风）温度，℃；

d——空气（热风）含湿量，g/kg干空气。

式中：d——空气（热风）含湿量，g/kg干空气；

φ——空气（热风）相对湿度，%；

pS——当前温度水的饱和蒸汽压，kPa；

P——大气压，取值为101.325kPa。

式中：ps——当前温度水的饱和蒸汽压，kPa；

a、b、c——经验公式拟合参数，取值见表1。

表1 饱和蒸汽压经验公式参数表

结合公式（5～10）可以看出，计算热源评估指标所需获取的基本参数为：干燥系统燃料消耗量（Mr）、环境温度/相对湿度（t0/φ0）、进入干燥机热风温度/相对湿度（t1/φ1）、进入干燥机热风量（Mf）。

2.3 干燥机评估指标

式中：Qg——干燥机单位降水耗热量，kJ/kg；

Qr——热源有效输出热量（即进入干燥机热量），kJ；

mt——实际脱水量，kg。

式中：Wg——干燥机单位降水耗电量（干燥机），kWh/kg；

Wj——干燥机耗电量（即干燥机热量输配环节用电量），kWh；

mt— —实际脱水量，kg。

式中：ηg——干燥机热效率，%；

Qx——蒸发水分所需热量，kJ；

Qr——热源有效输出热量（即进入干燥机热量），kJ。

式中：Qx——蒸发水分所需热量，kJ；

qs——单位水分蒸发所需热量（含潜热和显热部分），kJ/kg。

式中：qs——单位水分蒸发所需热量（含潜热和显热部分），kJ/kg；

hs1——出机粮温对应水蒸气焓值（气态），kJ/kg；

hs0——进机粮温对应水（冰）焓值（液态或固态），kJ/kg。

水（冰）和水蒸气焓值可查水的焓值表获取。

式中：ηyg——干燥机㶲效率，%；

Qx——蒸发水分所需热量，kJ；

Qr——热源有效输出热量（即进入干燥机热量），kJ；

Qy——环境空气带入客观㶲热量，kJ。

式中：Qy——环境空气带入客观㶲热量，kJ；

h0——进入换热器前空气焓值（即环境空气焓值），kJ/kg；

he0——零㶲点焓值，kJ/kg；

Mf——进入干燥机热风量，kg。

零㶲点焓值计算参考公式（7～10）计算，计算所需参数主要为零㶲点温度的确定（该状态含湿量d与初始空气含湿量d0相等）。

确定零㶲点温度需要用到干燥系统平衡含水率公式：

式中：Me——干燥系统平衡含水率，%；

φ——空气（热风）相对湿度，%；

t——粮食温度，℃

A、B、n——公式经验参数，数值参考表2。

在零㶲点，粮食温度与空气温度相等，满足t=te0，同时满足d=d0，此时的平衡含水率与粮食初始含水率相等即粮食进干燥设备含水率（干基），满足Me0=M0/(1-M0)×100%。在满足以上条件时，结合公式(8～10)，可以得到：

式中：Me0——零㶲点平衡含水率，%

P——大气压，取值为101.325kPa；

d0——环境空气含湿量，g/kg干空气；

a、b、c、A、B、n——公式的经验参数，取值可参考表1和表2。

表2 TechnoAlpin公司SnowFactory产品参数

在Me0=M0/(1-M0)×100%时，可通过公式(19)求解出te0，再根据公式(7～10)计算出he0。

结合公式（11～19）可以看出，计算干燥机评估指标所需获取的基本参数为：干燥机耗电量（Wj）、环境温度/相对湿度（t0/φ0）、粮食进/出干燥设备温度（ts0/ts1）、进入干燥机热风量（Mf）。

建立了粮食干燥系统整体的能源利用现状评估指标体系，并给出指标计算方法。

根据各指标计算公式，计算各指标所需基本参数包含：干燥系统燃料消耗量（Mr）、干燥系统耗电量（WS）、干燥机耗电量（Wj），粮食进/出干燥设备含水率（湿基）（M0/M1）、粮食进/出干燥设备温度（ts0/ts1）、粮食处理量（ml），环境温度/相对湿度（t0/φ0）、进入干燥机热风温度/相对湿度（t1/φ1）、进入干燥机热风量（Mf）。

各指标计算所需基本参数在现有技术条件下均可实时监测。因此，可以利用本文研究成果并结合数据监测、采集和专用软件计算，实现粮食干燥能效数据获取后的自动评价，为粮食干燥设备的运行管理提供过程监测和控制，辅助

3 结论

提升粮食干燥的能效，提高干燥过程的能源管理水平，降低粮食干燥过程的能源消耗。

[1] 李长友. 粮食热风干燥系统㶲评价理论研究[J]. 农业工程学报，2012，28 (12)：1-6.

[2] 李长友等. 粮食热风干燥热能结构与解析法[J]. 农业工程学报，2014，30(9)：220-228.

[3] GB/T 2589-2008，综合能耗计算通则[S]. 中国标准出版社，2008.