熱管和熱泵聯合技術在谷物干燥領域的應用研究

李永田+張麗

摘要 糧食儲備是保障糧食具有使用價值的重要環節，使糧食干燥到科學的含水量是糧食儲備的重中之重。糧食儲備體量大，耗能多，節能問題值得工程技術人員重視。能源問題也是影響到國家安全的問題，減少糧食干燥用能勢在必行。本文介紹了熱管和熱泵等節能減排技術在糧食烘干領域的應用研究情況，以期為保障糧食儲備安全提供參考。

關鍵詞 熱管；熱泵；谷物干燥

中圖分類號 TK173 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）21-0147-02

目前，我國廣大地區的糧食干燥仍然以人工晾曬為主，而每年機械化干燥的糧食約有3 700萬t[1]。 據不完全統計，我國干燥1 t糧食消耗標準煤0.07 t[2]，僅糧食干燥一項就需耗用約260萬t標準煤[3]，排放出大量CO2、SO2及灰分等污染物，而且作業方式粗獷，節能意識匱乏，無有效節能措施，谷物干燥降1 kg水需要能耗指標為5 000～8 000 kJ，高于發達國家的指標（3 344～4 598 kJ）[4]，為此，我國谷物干燥從技術、設備、工藝等方面的提升具有空間。結合文獻及多年熱管技術、熱泵技術的應用，擬定將熱管技術、熱泵技術嵌入到谷物干燥工藝中。據有關文獻描述，熱管式換熱器比普通列管換熱器節能10%，熱管太陽集熱器作為谷物干燥可節能70%左右[5]，利用地源熱泵干燥谷物，總電功率減少34.8%[6]，運行成本節約40.6%[7]。

對于稻谷、蕎麥、谷子等易烘損糧食，應適當降低干燥強度，采用低溫、大流量，留夠谷物緩蘇時間，必要時采取間歇式干燥策略。同時，為防止谷物表面產生裂紋，谷物在干燥時，換熱表面膜層溫度不宜超過40 ℃[5]；對于玉米干燥，因含水分與當年降水、儲運、收割方式等差異大，糧粒受熱面溫度不宜超過50～55 ℃[5]；對于小麥，干燥后能磨出高中路面粉，糧粒的受熱面溫度不應超過55～60 ℃[5]?？梢?，干燥溫度均不超過60 ℃，利用熱泵產生熱風作為谷物干燥所需的溫度要求能夠滿足。同時，60 ℃的廢熱排出，也能夠激發熱管工質氣化，并通過熱管內部氣液二相流的轉化而完成冷凝回流。

1 熱管和熱泵技術簡介

1.1 熱管技術介紹

熱管工作原理于1944年由美國通用公司的R.S.Gaugler在專利（US2350348）中提出[7]。1962年日本人L.Trefethen[8]提出類似的傳熱元件，擬定用于宇宙飛船。幾經論證，在1965年Cotter第一次提出比較完整的熱管理論[9]。我國20世紀70年代開始研究熱管技術，80年代初熱管的研究及開發重點轉向節能及能源的合理利用[10]。熱管的工作原理簡單描述：普通的熱管由管殼、吸液芯和端蓋構成，用熱排或者抽真空的工藝，將管腔抽成1.3×10-4～1.3×10-1負壓后，充裝適量工作液體。熱管的一段為蒸發段（熱量輸入），一側為冷凝段（熱量輸出），根據工藝需要中間布置適當的絕熱段，而熱管工作過程中，蒸發和冷凝是同時進行的，內部是氣液二相流，具體見圖1。

在熱管原理成熟以后，從結構上講，出現了重力熱管、環路熱管、分體式熱管等。常溫熱管工作溫度一般為0～250 ℃[11]，完全滿足谷物烘干需要。

1.2 熱泵技術介紹

熱泵理論要追溯到1824年卡諾發表的卡諾循環的論文，1852年威廉·湯姆遜提出熱泵構想，被稱為熱能倍增器[12]。隨著能源成本增加，節能減排壓力增大，熱泵技術逐步被重視，20世紀二三十年代逐步發展起來。以常用的熱泵——蒸汽式熱泵來描述其工作原理，具體見圖2。

蒸汽壓縮式熱泵由節流膨脹部件、蒸發器、冷凝器、壓縮機等基本部件構成閉合回路，在其中注入冷媒，并在壓縮器的推動下，完成冷媒工質在各部件中流動。熱泵工質在蒸發器中吸收外界低溫熱能的熱量，發生相變；冷媒介質吸收熱量，并壓縮機熱能，由壓縮機將其壓縮成高溫高壓；隨后，在節流膨脹閥作用下，高溫高壓冷媒發生膨脹，壓力降低，溫度不變；最后，冷媒介質在冷凝器中向環境中釋放熱量，冷媒被變成低溫低壓狀態。制熱溫度低于50 ℃的熱泵已經非常成熟，制熱溫度50～100 ℃之間的熱泵，工業化應用的領域逐步擴展[12]，該制熱溫度也概括了谷物烘干所需的溫度區間。

1.3 技術總結

通過對熱管和熱泵技術的簡要描述，可以明確利用熱管和熱泵技術來進行實現谷物烘干在溫度區間上是可行的。同時，也明確預見得到如果利用2種技術對廢熱進行梯級利用，所需要新輸入的高品位能源勢必要減少。

2 熱管和熱泵聯用烘干系統

2.1 系統結構與運行原理

通過前文的描述，推測將熱管與熱泵技術用于谷物干燥是可以實現的。如何將該技術應用于實踐，A公司的設計人員給出了簡要方案，具體見圖3。

該系統由鼓風機、分體式熱管換熱器、蒸汽壓縮式熱泵、煙囪及電源等輔助系統構成。連續干燥過程時，工作過程描述：溫度tC1、流量Q=V m3/h的空氣由鼓風機送入熱管冷凝段吸收q1，使得空氣溫度升到tC2，順著煙道空氣進入熱泵冷凝器吸收熱量q2，使得空氣溫度升高到th1，溫度為th1的熱空氣，將谷物中的水分帶走，空氣濕度由原來的a1/m3變為a2/m3；濕熱空氣進一步流動至熱管蒸發段，溫度降至為th2；th2的空氣進入熱泵蒸發器，使得濕熱空氣進一步溫度降低至th3，并析出部分冷凝水a3，最后含水量為（a2-a3）/m3的廢空氣由煙囪排放至大氣中。

5 參考文獻

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