空气源热泵机组在粮食烘干领域的应用

李广伟，孙玉田，孙健超，刘平稳，王雪莹，王若莹，姜虹羽

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

随着粮食生产规模化经营的不断推进，我国出现家庭农场、规模经营户或农业合作社等规模种植粮食的组织形式，这些规模经营模式对粮食低温烘干的需求会不断增加[1]。传统的粮食烘干机采用的热源绝大部分是燃烧稻壳、煤、天然气以及少量的商品蒸汽等。随着国家对环境保护力度的不断增强，通过燃烧稻壳、煤等做热源的粮食烘干过程会产生大量废气，影响大气环境指标，目前环保部门已明令禁止，不能使用。采用天然气或商品蒸汽做为烘干热源又有许多的局限性，很多地方不具备使用天然气或商品蒸汽条件。因此，开发一种清洁又省钱的替代热源显得尤其迫切和重要。

空气源热泵机组是一种根据逆卡诺循环原理，利用空气能量，通过热泵制热，为粮食烘干提供清洁高效热源的解决方案。空气源热泵机组烘干技术具有能源消耗少、烘干成本低、环境污染小、烘干品质高、适用范围广等优点。

1 空气源热泵机组的工作原理

空气源热泵是一种利用可再生能源的高效节能无污染的新兴产品，利用逆卡诺循环原理[2]，从周围环境中吸收热量，并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)，其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

空气源热泵机组，主要有翅片式蒸发器(外机)、压缩机、翅片式冷凝器(内机)和膨胀阀四部分组成。通过让冷媒不断完成蒸发(吸取室外环境中的热量)→压缩→冷凝(在室内烘干机组中放出热量)→节流→再蒸发的热力膨胀过程，从而将外部低温环境里的热量转移到烘干机组中，冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。冷媒在压缩机内完成气态的升压升温过程(温度高达100 ℃)，在翅片式冷凝器(内机)内释放出高温热量，加热进入到烘干机组内的空气，同时自身被冷却并转化为液态，当冷媒运行到翅片式蒸发器(外机)后，液态冷媒迅速吸取周围环境中的热量并再次蒸发为气态，同时温度可下降至-0 ℃～-10 ℃，这时外机周边的空气就会源源不断地将热量传递给冷媒。空气源热泵机组在工作时，与普通的空调以及热泵机组一样，在蒸发器中吸收低温环境介质中的能量QA，它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电QB，通过工质循环系统在冷凝器中时行放热QC，QC=QA+QB，因此空气源热泵机组的热效率为(QB+QC)/QB，而其他加热设备的加热效率都小于1,因此空气源热泵机组加热效率远大于其他加热设备的效率，加热效率即能效系数可达到3.0以上。其工作原理如图1。

图1 空气源热泵机组工作原理图

2 空气源热泵机组在粮食烘干领域的应用特点

空气源热泵作为一种新型的产品，目前技术已相对成熟，已应用于很多行业。作为一种新型清洁高效能源，其在粮食烘干领域具有以下优势。

(1)整个系统采用模块化设计、自由组合电子膨胀阀节流、精确控制冷媒流量等新技术，有效保证了机组全年运行在最佳状态自动调节散热风机转速，运行可靠，延长机组使用寿命。压缩机采用高温压缩机，出风温度可调，最高可达80 kW· h。

(2)运行成本低。节能效果突出，投资回报期短；只需消耗少量的电能，就可以在空气中吸收大量的热量，耗电量仅为电加热的1/3～1/4，同燃煤、油、天然气相比，可节省75%左右的运行费用。

(3)利用清洁能源，实现环境友好。采用空气源热泵机组，热泵干燥设备进行原粮烘干，杜绝了因燃烧而产生的废气污染。热泵机组本身采用电驱动作为动力，运行过程不产生任何污染物，不会产生对环境的污染，同时可大大降低CO?的排放量。热泵干燥装置中干燥介质在其中封闭循环，没有物料粉尘、挥发性物质及异味干燥废气向环境排放而带来的污染。

(4)可设计增加余热回收装置，通过回收烘干机尾风中的余热，实现热泵供热、烘干、尾气余热回收循环。

(5)原粮烘干品质好。实现低温空气封闭循环干燥，原粮干燥质量好。通过控制装置的工况，使烘干机热风进风温度控制在20 ℃～80 ℃之间，可减少稻谷爆腰率，粮食烘干质量较好。

(6)加热效率较高，运行高效节能。热泵能效系数较高，加热效率即能效系数可达到3.0以上。热泵机组日常运行所需费用较低，可大大降低运行成本。

(7)全自动精确控制，温湿度调节精度高。当物料对进干燥室空气的温度、湿度均有较高要求时，可通过调整蒸发器、冷凝器中工质的蒸发温度、冷凝温度，满足物料对质量、外观等方面的要求。

(8)智能科技、无需专人值守。热泵机组控制系统能精确控制烘干机进风温度，全自动执行烘干程序及数据监控与故障反馈，一次设置，达到一劳永逸的效果，无需专人值守，减少人工成本的投资。

(9)安装方便。安装、拆迁方便，占地面积少，可安装于室内、外。安装方式如图2。

图2 空气源热泵机组安装示意

但空气源热泵机组在使用过程中，也会存在以下缺点：空气源热泵机组在秋冬季运行过程中，室外蒸发器(外机)会经常出现结霜现象，特别是在寒冷的北方地区和高湿寒冷的南方地区，热泵机组在秋冬季几乎不能正常运行，严重限制着空气源热泵的发展[3]；空气源热泵机组对周围环境要求很高，传统的粮食烘干区域空气中粉尘较多，热泵机组在运行过程中，需要不断的吸收周围的空气，粉尘进入设备后会对设备的运行和使用效果产生较大的影响，所以，热泵机组在使用过程中，应尽量避免粉尘对其影响。

3 不同热源粮食烘干成本对比

原粮烘干热源选用一般有如下几种形式，包括天然气、燃油、煤、电加热、热泵技术等。以下以30 t/批次(以稻谷容重0.56 t/m3计)循环式烘干机为例，基于相同环境、降水及产量等条件，分别对这五种烘干热源的烘干成本进行了计算分析。

设定循环式烘干机烘干能力为30 t/批次，外界环境温度为15 ℃，烘干机干燥室温度为50 ℃；按稻谷含水分28%计算，烘干到安全储粮水分14%；稻谷每小时降水0.5%～1.0%(开始快后期慢)，平均取中间点0.7%；每批次稻谷干燥时间为20 h；干燥后原粮重量为25.1 t。

烘干机装机功率为13.45 kW，进粮0.5 h，出粮1 h，故每批次烘干机用电量共289.2 kW· h。

使用天然气作为烘干热源，需配套建设天然气热风炉，或为烘干机配独立燃烧器。每批次稻谷烘干共消耗天然气525 m3。天然气按4.5元/ m3计算，电费按1元/ kW· h计算，稻谷干燥成本为0.10元/kg。

使用燃油作为烘干热源，需为烘干机配独立燃油燃烧器。每批次稻谷烘干共消耗柴油525 L。燃油按6元/ m3计算，电费按1元/ kW· h计算，稻谷干燥成本为0.14元/kg。

使用燃煤作为烘干热源，需配套建设燃煤热风炉，每批次稻谷烘干共消耗燃煤1.15 t，热风炉耗电140 kW。燃煤按1 000元/t计算，电费按1元/kW· h计算，稻谷干燥成本为0.06元/kg。

使用电加热作为烘干热源，需为烘干机配套电加热器。每批次稻谷烘干共用电5 481度，稻谷干燥成本为0.218元/kg。

使用空气源热泵作为烘干热源，单台30 t烘干机需匹配空气源热泵机组功率约76 kW，每批次稻谷烘干共用电1 809 kW· h，稻谷烘干成本为0.07元/kg。不同热源成本计算数据对比如表1。

表1 不同烘干热源成本分析

以上数据仅为选用不同热源对烘干成本影响的计算，因考虑到热效率、损耗以及烘干人员投入、管理等其他费用，计算结果并不代表实际生产成本。

从表中数据不难看出：燃煤与热泵技术烘干成本相当，且都较低，但空气源热泵机组前期的设备费用投入高于其他几种烘干方式，电加热烘干成本最高，天然气及燃油居中，但是很多地区一般禁止直接建设燃煤热风炉用于原粮烘干。所以，可根据当地实际资源情况，综合考虑建设投入和使用成本进行选用。

4 展望

空气源热泵技术相比传统的烘干热源形式，在运营成本和环保方面具有很大的优势。但其由于前期一次性建设投入较大，在低温环境中外机容易结霜等因素又限制了热泵技术在粮食烘干领域的大规模应用。如何提高空气源热泵在低温环境中的运行效果，是空气源热泵技术在粮食烘干领域开拓市场的关键所在。