基于余熱回收的糧食烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜亞南， 趙冉冉， 楊 帥

(1.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003)

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基于余熱回收的糧食烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜亞南1,2， 趙冉冉1,2， 楊 帥1,2

(1.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003)

[目的]利用收割機(jī)工作時(shí)的尾氣余熱及冷卻水余熱實(shí)時(shí)烘干糧食，避免農(nóng)民收割后再次晾曬糧食的環(huán)節(jié)。[方法]設(shè)計(jì)一種基于余熱回收的糧食烘干系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由氣氣換熱器和水氣換熱器兩級(jí)串聯(lián)組成，利用封閉工作腔內(nèi)工作介質(zhì)的相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的尾氣和冷卻水的余熱回收，烘干系統(tǒng)的熱緩蘇倉(cāng)以回收的熱量作為熱源，通過熱緩蘇倉(cāng)降低糧食濕度，并通過冷緩蘇倉(cāng)冷卻糧食，從而降低糧食的發(fā)芽率。[結(jié)果]該系統(tǒng)性能良好，可有效提高農(nóng)業(yè)燃油的利用率，避免能源浪費(fèi)的同時(shí)也降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本。[結(jié)論]該研究可為糧食干燥技術(shù)研究提供新思路。

糧食烘干系統(tǒng); 余熱回收；熱交換器; 緩蘇倉(cāng)

天氣等客觀因素的影響給農(nóng)民晾曬糧食帶來(lái)困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)糧食收割后因潮濕而導(dǎo)致的霉變、發(fā)芽損失量占糧食總產(chǎn)量的5%。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的快速發(fā)展，以農(nóng)業(yè)收割機(jī)為代表的現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)備正在普及，但是收割機(jī)燃油總熱量的有效利用率僅為30%～40%，絕大部分以余熱的形式散發(fā)[1-2]，造成了很大的資源浪費(fèi)。在糧食收割過程中，如果能夠有效回收收割機(jī)余熱進(jìn)行糧食實(shí)時(shí)烘干，不僅可以提高燃油利用率，而且可大幅度降低農(nóng)民的勞作強(qiáng)度。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于余熱回收的糧食烘干系統(tǒng)，以期為糧食干燥技術(shù)研究提供新思路。

1　糧食烘干系統(tǒng)核心技術(shù)原理

該系統(tǒng)采用熱管傳熱技術(shù)回收收割機(jī)的尾氣和冷卻水的余熱作為烘干系統(tǒng)的熱源，利用封閉工作腔內(nèi)工作介質(zhì)的相變循環(huán)進(jìn)行熱量的傳輸，糧食烘干系統(tǒng)核心技術(shù)原理如圖1所示。烘干系統(tǒng)的熱管從加熱段吸收熱量，通過內(nèi)部相變將熱量輸送到冷卻段，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移[1-2]。具體過程：熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作介質(zhì)的吸液芯傳遞到液汽分界面，液體在液汽分界面上蒸發(fā)，蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段，蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上冷凝[3-4]，熱量從汽液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源，在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作介質(zhì)回到蒸發(fā)段。由于熱管內(nèi)部被抽成真空，所以工作介質(zhì)極易蒸發(fā)和沸騰，熱管起動(dòng)迅速，在熱管冷、熱兩側(cè)加裝翅片以強(qiáng)化傳熱效果。

圖1　糧食烘干系統(tǒng)核心技術(shù)原理Fig.1　Core technical principles of the grain drying system

2　糧食烘干系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)收割機(jī)尾氣和冷卻水的余熱高效回收以及糧食的高品質(zhì)烘干，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)兩級(jí)換熱器，兩級(jí)換熱器采用串聯(lián)連接模式，鼓風(fēng)機(jī)通過熱管將冷空氣依次鼓入一級(jí)換熱器和二級(jí)換熱器，回收尾氣和冷卻水余熱并傳遞給冷空氣，加熱后的熱空氣進(jìn)入緩蘇倉(cāng)的內(nèi)篩筒，收割機(jī)將收割的糧食輸送至緩蘇倉(cāng)，通過內(nèi)置的內(nèi)篩筒烘干糧食，從緩蘇倉(cāng)輸出的糧食最后通過冷風(fēng)冷卻處理。糧食烘干系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了提高糧食烘干效率，緩蘇倉(cāng)內(nèi)篩筒采取螺旋模式，同時(shí)為了快速輸出糧食，緩蘇倉(cāng)采取振動(dòng)模式，振動(dòng)功率為0.12kW。熱空氣從熱緩蘇倉(cāng)底部上升，糧食從頂部下降進(jìn)行烘干，并通過冷緩蘇倉(cāng)對(duì)糧食進(jìn)行冷卻，從而降低糧食的發(fā)芽率。緩蘇倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

糧食烘干系統(tǒng)的熱源通過氣氣換熱器和水氣換熱器分別回收尾氣和冷卻水的熱量。綜合考慮低溫腐蝕等因素，糧食烘干系統(tǒng)的熱量回收性能參數(shù)設(shè)置分別為：氣氣換熱器熱端進(jìn)口尾氣的溫度選取300 ℃(流量為400m3/h)，出口尾氣的溫度選取150 ℃(流量為400m3/h)；水氣換熱器熱端進(jìn)口冷卻水的溫度選取95 ℃(流量為1.5t/h)，出口尾氣的溫度選取75 ℃(流量為1.5t/h)。水氣換熱器回收的熱量用來(lái)加熱10 ℃(流量為1 700m3/h)的冷空氣，并將其預(yù)熱至60 ℃，其熱量將水氣換熱器預(yù)熱后的空氣再加熱，即冷端進(jìn)口60 ℃，出口約為80 ℃，流量為1 700m3/h。氣氣換熱器回收的熱量將水氣換熱器預(yù)熱后的空氣再加熱，冷端進(jìn)口空氣溫度為60 ℃，出口空氣溫度為80 ℃。糧食烘干系統(tǒng)余熱回收原理如圖4所示。

圖2　糧食烘干系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2　The structure of the grain drying system

圖3　糧食烘干系統(tǒng)緩蘇倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3　The structure of tempering warehouses of the grain drying system

兩級(jí)換熱器采用列管式換熱器，它有1個(gè)矩形的外殼，在矩形的外殼中布滿了帶翅片的熱管，熱管的布置呈錯(cuò)列三角形排列[5-6]，如圖3所示。在矩形殼體內(nèi)部的中央有1塊隔板將殼體分成2個(gè)部分，形成熱流體和冷流體的通道[7]。當(dāng)熱、冷流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將熱流體的熱量傳給冷流體，從而實(shí)現(xiàn)2種流體的熱量交換。氣氣換熱器將300 ℃熱尾氣降至150 ℃，釋放的熱量可將60 ℃空氣加熱至80 ℃。經(jīng)計(jì)算，氣氣換熱器、水氣換熱器的換熱面積均以3m2最適宜。兩級(jí)換熱器的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

3　性能測(cè)試

基于余熱回收的糧食烘干系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)作業(yè)時(shí)出機(jī)干糧流量、溫度、水分以及排出的氣體溫度、濕度均保持穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算該系統(tǒng)的降水幅度及干燥能力。

圖4　糧食烘干系統(tǒng)余熱回收原理Fig.4　Principles of waste heat recovery by the grain drying system

ΔM=M1-M2

(1)

式中，ΔM為降水幅度；M1為入機(jī)糧樣品平均含水率；M2為出機(jī)糧樣品平均含水率。單位均為%。

p=G×ΔM/T

(2)

式中，p為干燥能力(t/h)；G為進(jìn)機(jī)濕糧質(zhì)量(t)；T為測(cè)試時(shí)間(h)。

經(jīng)測(cè)定，該系統(tǒng)的降水幅度ΔM=27%，干燥能力p=10t/h，符合預(yù)期要求。

4　結(jié)論

該系統(tǒng)解決了目前農(nóng)民收割糧食后必須額外晾曬糧食的問題?；厥帐崭顧C(jī)的廢氣余熱和冷卻水余熱烘干糧食，變廢為寶，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便捷化，提高了農(nóng)業(yè)能源的利用率及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。

圖5　糧食烘干系統(tǒng)換熱器原理Fig.5　Principles of heat exchangers of the grain drying system

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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

淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)(農(nóng)業(yè))計(jì)劃項(xiàng)目(HAN2014035)；2016年度江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”培養(yǎng)對(duì)象基金(蘇教師﹝2016﹞15號(hào))。

姜亞南(1964- )，女，黑龍江依安人，高級(jí)工程師，從事機(jī)械制造與自動(dòng)化研究。

2016-08-05

TP273

A

0517-6611(2016)26-0228-03