一种应用于粮食干燥的可自供能热泵系统

1.本发明涉及粮食干燥处理技术的改进，特别涉及一种应用于粮食干燥的可自供能热泵系统。


背景技术：

2.我国是农业大国，是粮食生产和消费大国，粮食安全问题始终关系到国计民生和社会稳定，是我国经济与社会协调发展的基础，粮食干燥处理是粮食储存前的关键环节，也是粮食能否安全储存的必要条件，干燥处理不得当将直接影响粮食的品质。及时烘干粮食不仅能提高粮食质量的效益，而且能有效保障粮食安全。
3.20世纪80年代，我国在粮食生产和加工方面，很大程度上是依靠人工晾晒的方式对粮食进行干燥，这个方法只能针对解决小部分湿粮的干燥问题，且人工晾晒费时、费力，同时还受气候、晾晒场地等条件的制约，所以原始的粮食干燥方法有一定的缺陷。
4.干燥机可以改善粮食品质，提高附加值。合理的干燥能够保持粮食的品质，有利于延长粮食的储藏期。粮食干燥过程中粮食的初含水量、干燥气体的含湿量、干燥温度以及干燥速率等多种因素，均能影响粮食的干燥品质。粮食干燥不充分将导致水分凝结或加快霉菌生长；粮食干燥过量或热量分布不均，会导致粮食颗粒破碎，严重影响粮食品质我国每年因粮食储存过程中水分含量过高，导致的粮食损失可占粮食总产量的5％以上。
5.整精米率(hry)可作为是对粮食干燥结果好坏的重要指标，与一级干燥相比,两级或三级干燥可以提高hry。与不采用缓苏相比,干燥过程中或结束后进行缓苏都能提高hry。故在粮食干燥过程中，一般都会加入缓苏过程，缓苏可以降低干燥对hry的影响。缓苏条件与干燥条件有密切的关系，为达到更高的hry，部分学者认为在干燥温度为60℃时，采取40min的缓苏实践更加有效。
6.一般说到烘干机，最受重视的是其制热系统，只有有着很好的发热效果，才能够使得烘干机的干燥作业发挥出更强大的效率，而针对粮食烘干机，我们不应只讲究机组供热的效率，同时也应该注重制冷这方面的装置与功能。在烘干机中增加制冷装置用来给机器的关键部位进行降温，以免因为温度过高而产生零件的变形或是损毁，有着十分重要的意义。


技术实现要素：

7.针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种应用于粮食干燥的可自供能热泵系统，优化冷热不同模块中的能源分配比例，优化自供能运行时对能源的特殊配比，实现不同负荷需求下机组的自动启停，实现以年为周期的系统运行模式。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种应用于粮食干燥的可自供能热泵系统，包括集热器、热泵机组、组合式空调器和干燥仓，干燥仓包括干燥段若干、缓苏段若干和冷却段；集热器通过热泵机组和组合式空调器与干燥仓上部连通，集热器还通过另外一套热泵机组和组合式空调器与干燥仓下部连通，集热器通过蓄热水箱分别与
两套热泵机组连接，每一个干燥段和冷却段之间加装有杂质废气分离窗。
9.作为优选，所述集热器可以太阳能集热器其设计要求如下：
[0010][0011]
式中，qw——日均热水用量；ρw——水密度；cw——水定热比热容；t
end-t0——供回水温差；f——太阳能保证率；j
t
——集热器采光面上年平均日辐射量；η
cd
——基于总面积集热器年平均集热效率；η
l
——太阳能热水系统热损失率；
[0012]
所述换热器可以采用地埋管式设计，其设计要求如下：
[0013]
考虑竖直埋管方式，通过以下公式可确定埋管的管长及间距：
[0014]
由确定竖井埋管管长；
[0015]
式中：l为夏季向土壤排放的热量，q
′
为竖井埋管总长；
[0016]
由确定竖井数目及间距；
[0017]
式中：n为竖井总数，l为竖井埋管总长，h为竖井深度。
[0018]
作为优选，所述热泵机组可以采用水－水热泵机组，本系统采用
[0019][0020]qeh
＝25.555+0.5547t
hpei-0.302t
hpci
、
[0021]wcomh
＝4.294-0.065t
hpei
+0.041t
hpci
、
[0022]qcc
＝31.298+0.298t
hpei-0.187t
hpci
、
[0023]wcomc
＝3.569+0.006725t
hpei
+0.05t
hpci
、
[0024]
拟合不同运行模式下的机组能效比，q
eh
为供暖时蒸发器的吸热量，w
comh
为供暖时压缩机的功率；q
cc
为制冷时冷凝器放热量，w
comc
为制冷时压缩机功率，t
hpei
为热泵机组蒸发器进水温度，，t
hpci
为热泵机组冷凝器进水温度。
[0025]
作为优选，组合式空调器中设有回热器和恒湿器，还额外添置了位于干燥仓的外围的杂质回收部分，额外增加空气源。
[0026]
作为优选，本热泵机组包括制热模块和制冷模块，具体情况分析如下：
[0027]
制热模块，根据室外环境的变化，针对粮食干燥，可分为以下四种不同的运行方式：
[0028]
方式一：当太阳能蓄热水箱的温度达到50℃以上时，只开启太阳能供热模式，无需启动热泵机组和空气源；
[0029]
方式二：当太阳能蓄热水箱的温度低于50℃但高于30℃时，开启蓄热水箱中的电加热器进行适当补热，不启动热泵机组和空气源；
[0030]
方式三：当太阳能蓄热水箱的温度低于30℃但高于15℃时，开启热泵机组，提高末端的热水温度，保证充足热源；
[0031]
方式四：当太阳能蓄热水箱的温度低于15℃时，通过热泵机组，同时使用太阳能和地热能。
[0032]
制冷模块，根据室外环境的变化，不同能源搭配组合制冷，可分为以下三种不同的运行模式：
[0033]
方式一：当外界环境温度高于0℃但低于15℃时，无需额外开启热泵制冷；
[0034]
方式二：当外界环境温度高于15℃但低于30℃时，开启热泵机组，通过地源热泵制冷；
[0035]
方式三：当外界环境温度高于30℃时，开启热泵机组，连通制热模块，一部分在制热模块中将热量再次利用，一部分通过土壤换热，将热量排到地下土壤。
[0036]
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：本发明的应用于粮食干燥的可自供能热泵系统实现了对粮食干燥设备的能源性改革和能源高效利用。
[0037]
本系统以热泵机组为载体，全年综合利用太阳能、浅层地热能和空气能，提供稳定的冷热源，系统的整体性能高，实现了能源的高效利用。
[0038]
实现了热泵系统与不同品位能源之间的全年匹配。本系统设计中考虑了太阳能作为高品位能通过蒸汽压缩式热泵机组提供热能的合理性，与此同时，将浅层地热能和空气能作为辅助使用，能实现热泵系统全年与三种能源匹配的功能。
[0039]
节能潜力大，应用自供能协调热量分配，该系统的供热量和供热效率远大于单纯的空气源热泵的电驱动模式，对比传统系统供热效率提高了40％。
[0040]
应用场景不限，本设计的粮食仓不局限于一个，根据需求及其场地并联多个粮食仓，使用时根据需要干燥的粮食数量进行调节。
附图说明
[0041]
图1是本发明的系统示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
一种应用于粮食干燥的可自供能热泵系统，包括集热器、热泵机组、组合式空调器和干燥仓，干燥仓包括干燥段若干、缓苏段若干和冷却段；集热器通过热泵机组和组合式空调器与干燥仓上部连通，集热器还通过另外一套热泵机组和组合式空调器与干燥仓下部连通，集热器通过蓄热水箱分别与两套热泵机组连接，每一个干燥段和冷却段之间加装有杂质废气分离窗。
[0044]
所述集热器可以太阳能集热器其设计要求如下：
[0045][0046]
式中，qw——日均热水用量；ρw——水密度；cw——水定热比热容；t
end-t0——供回水温差；f——太阳能保证率；j
t
——集热器采光面上年平均日辐射量；η
cd
——基于总面积集热器年平均集热效率；η
l
——太阳能热水系统热损失率；
[0047]
所述换热器可以采用地埋管式设计，其设计要求如下：
[0048]
考虑竖直埋管方式，通过以下公式可确定埋管的管长及间距：
[0049]
由确定竖井埋管管长；
[0050]
式中：l为夏季向土壤排放的热量，q
′
为竖井埋管总长；
[0051]
由确定竖井数目及间距；
[0052]
式中：n为竖井总数，l为竖井埋管总长，h为竖井深度。
[0053]
所述热泵机组可以采用水－水热泵机组，本系统采用
[0054][0055]qeh
＝25.555+0.5547t
hpei-0.302t
hpci
、
[0056]wcomh
＝4.294-0.065t
hpei
+0.041t
hpci
、
[0057]qcc
＝31.298+0.298t
hpei-0.187t
hpci
、
[0058]wcomc
＝3.569+0.006725t
hpei
+0.05t
hpci
、
[0059]
拟合不同运行模式下的机组能效比，q
eh
为供暖时蒸发器的吸热量，w
comh
为供暖时压缩机的功率；q
cc
为制冷时冷凝器放热量，w
comc
为制冷时压缩机功率，t
hpei
为热泵机组蒸发器进水温度，，t
hpci
为热泵机组冷凝器进水温度。
[0060]
组合式空调器中设有回热器和恒湿器，还额外添置了位于干燥仓的外围的杂质回收部分，额外增加空气源。
[0061]
热泵机组包括制热模块和制冷模块，具体情况分析如下：
[0062]
制热模块，根据室外环境的变化，针对粮食干燥，可分为以下四种不同的运行方式：
[0063]
方式一：当太阳能蓄热水箱的温度达到50℃以上时，只开启太阳能供热模式，无需启动热泵机组和空气源；
[0064]
方式二：当太阳能蓄热水箱的温度低于50℃但高于30℃时，开启蓄热水箱中的电加热器进行适当补热，不启动热泵机组和空气源；
[0065]
方式三：当太阳能蓄热水箱的温度低于30℃但高于15℃时，开启热泵机组，提高末端的热水温度，保证充足热源；
[0066]
方式四：当太阳能蓄热水箱的温度低于15℃时，通过热泵机组，同时使用太阳能和地热能。
[0067]
制冷模块，根据室外环境的变化，不同能源搭配组合制冷，可分为以下三种不同的运行模式：
[0068]
方式一：当外界环境温度高于0℃但低于15℃时，无需额外开启热泵制冷；
[0069]
方式二：当外界环境温度高于15℃但低于30℃时，开启热泵机组，通过地源热泵制冷；
[0070]
方式三：当外界环境温度高于30℃时，开启热泵机组，连通制热模块，一部分在制热模块中将热量再次利用，一部分通过土壤换热，将热量排到地下土壤。
[0071]
粮食干燥通常采用循环式干燥或连续式干燥的方法，其中，本系统采用的连续式
干燥法是将农作物从干燥机的顶部连续地注入到最顶层的储粮层，在机械作用下，一边搅拌，一边向下不断移动，然后农作物从第一层依次往下掉落，经过两次干燥两次缓苏一次冷却完成对粮食的整体干燥过程。
[0072]
传统热泵粮食干燥的主要热源是空气或工业尾气，但此种方法归根结底的驱动方式还是电，热泵可以从低温热源吸收热量，在较高温度下放出可利用热量，是一种节能效果明显而又切实可行的新型干燥技术,在节能减排的号召下，本系统采用新型能源替代以电力为主的驱动方式，利用太阳能廉价且简单易得的优点，用来提供干燥所需的热量，并将稳定的地热能作为太阳能不足时的辅助，同时，通过向地下排热可以达到提供冷量的效果，考虑冬季所需热负荷多，夏季所需冷负荷多，同时将地热能作为热量和冷量的供应，能减轻地下土壤冷热负荷不均导致的温度场失衡。在整个系统协调运转的考量上，在组合式空调器送风口位置添加空气源热泵作为辅助。
[0073]
本热泵系统中，加热气体出口温度易于控制和调节循环传热介质且与被用来做干燥介质的空气完全隔离。仅靠换热器交换热量，保证粮食不受污染。
[0074]
在系统设计的组合式空调器中，还设置有回热器和恒湿器，在粮食干燥过程中，适当降低和调节进入干燥室气体的温度，并保留一定的湿度，可以保证粮食干燥的品质。在本干燥系统中，回热器的作用是将进入干燥室热空气温度降低到安全范围.还可以将多余的热量再次利用，提高进出冷凝器介质的平均温度，进一步能够提高换热效率，将系统的干燥温度保持在50℃左右，同时恒湿器可以防止初期干燥速率过快，导致的颗粒表面产生应力裂纹扩展等热损伤，将干燥时进口热风的相对湿度控制在5％-6％范围内。
[0075]
本系统还针对干燥仓设计了杂质废气分离和杂质收集，在干燥仓内对应的每个干燥段和冷却段加装杂质废气分离窗，分离窗上特定的孔隙度将杂质与湿热空气进行有效分离，保持粮食干燥效果的同时，减少了干燥塔内热量辐射流失的速度，废气中的植物性杂质被截留在分离窗内，改变露天开放式的烘干作业方式，对环境友好。在杂质废气分离装置底部加装杂质收集装置，收集装置由收集斗和收集袋组成，被截留在杂质废气分离装置中的杂质依靠重力沉降作用通过干燥机底部的杂质收集斗被聚集到全封闭的杂质收集袋内，以实现杂质的全部回收。粮食干燥产生的植物性杂质经回收后可作为生物质固体清洁能源原料，加工生产的颗粒燃料，可用于烘干热风炉热源等工业供热及城镇供暖等领域。
[0076]
本设计应用于粮食干燥的热泵系统，通过太阳能、地热能和空气能的冷热负荷提供满足粮食干燥的基本要求，并通过组合式空调器中回热器和恒湿器的设计，一定程度上增强了系统本身的性能和稳定性，额外添置的杂质回收系统，大大提高了系统的环保性。
[0077]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。