一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置 |
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申请号 | CN201811221703.1 | 申请日 | 2018-10-19 | 公开(公告)号 | CN109173559B | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
申请人 | 吉林工商学院; 吉林大学; 长春吉大科学仪器设备有限公司; | 发明人 | 吴文福; 王桂英; 韩峰; 孟宪梅; 付大平; 薛红岩; 张启军; 孙长虹; 陈江; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置,包括:干燥机,其 自上而下 依次设置有缓苏段、干燥段、排粮段、排粮口;并且所述干燥段两侧连通有两个管道;提升机,其设置在所述干燥机外侧,呈竖直分布,并且所述提升机能够将谷物从底端提升至顶端,使谷物进入所述干燥机; 输送机 ,其连接所述提升机底端与所述干燥机排粮口;热 风 机,其出口端与所述干燥段的一侧管道连通;加热器,其出口与所述热风机的入口端连通; 冷凝器 ,其入口与所述干燥段的另一侧管道连通,出口连通所述加热器的入口;喷淋 泵 ,其设置在所述冷凝器内。本发明能给干燥机提供干净、稳定的干燥介质;并能回收干燥后的尾气循环利用,节约 能源 ,降低成本。 | ||||||
权利要求 | 1.一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的控制方法,其特征在于,所述冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置,包括: |
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说明书全文 | 一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置技术领域[0001] 本发明涉及谷物干燥领域,尤其涉及一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置。 背景技术[0002] 随着社会经济的发展,能源和环境是人们关注的焦点,各行业都提倡节能减排、低碳环保,粮食烘干属于高能耗高污染的作业,更需要采用降低能耗和减少污染的设备,现有的热力粮食烘干机多采用热风炉作为热源,燃煤热风炉由于烟气污染严重处于逐步被燃油、燃气和生物质热风炉取代的趋势,而电能是理想的清洁能源,缺点在于烘干成本较高。另外,烘干机尾气温度一般在30~60℃,相对湿度约为50%~80%,属于低温余热资源,虽然品味不高,但流量大、连续稳定,但现在市场上的批式循环粮食烘干机干燥段尾气余热回收利用的不多,更谈不上冷凝增热即深度利用尾气的潜热了,这部分热能就白白浪费了。 [0003] 另外,烘干机自动化控制技术也在迅速发展,准确而智能的烘干机控制系统是烘后粮食品质的有力保证,因此如何实现精准而稳定的控制是粮食烘干机行业追求的目标。其中热源设备的控制也是影响烘干机系统控制的重要环节,其中采用传统的燃煤、燃油、燃气热风炉的燃烧控制具有随机性大,燃烧过程复杂、具有较大的滞后性等特点,实现热风炉的精准控制比较困难。 发明内容[0005] 本发明为解决目前的技术不足之处,提供了一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置,通过干燥机的出口与冷凝器入口连通,并使冷凝器的出口分别连接加热器与进风风机,实现增热,干燥机提供干净、稳定的干燥介质; [0007] 本发明的另一目的是控制外界冷空气与冷凝器出来的冷凝气的比例,防止换热器内结冰的同时,提高冷凝效率和热效率。 [0008] 本发明提供的技术方案为:一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置,包括: [0009] 干燥机,其自上而下依次设置有缓苏段、干燥段、排粮段、排粮口;并且所述干燥段两侧连通有两个管道; [0010] 提升机,其设置在所述干燥机外侧,呈竖直分布,并且所述提升机能够将谷物从底端提升至顶端,使谷物进入所述干燥机; [0011] 输送机,其连接所述提升机底端与所述干燥机排粮口; [0012] 热风机,其出口端与所述干燥段的一侧管道连通; [0013] 加热器,其出口与所述热风机的入口端连通; [0014] 冷凝器,其入口与所述干燥机的另一侧管道连通,出口连通所述加热器的入口; [0015] 喷淋泵,其设置在所述冷凝器内。 [0016] 优选的是,还包括: [0017] 进风口,其设置在所述冷凝器一端; [0018] 进风风机,其设置在所述进风口; [0019] 冷凝风机,其入口与所述冷凝器的出口连通,出口与所述进风口连通。 [0020] 优选的是,还包括: [0021] 排潮引风机,其与所述冷凝器连接,并且所述排潮引风机上设置有排潮口; [0022] 水箱,其通过水泵与所述喷淋泵连接; [0023] 所述冷凝器上设置有溢流口,用于排出冷却水; [0024] 并且所述溢流口与所述水箱的连通。 [0025] 一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的控制方法,包括: [0026] 将待干燥粮食装入干燥机至预定料位; [0027] 热介质依次经过加热器、热风机、干燥机,构成热介质流; [0028] 从所述干燥机排出的低温介质经过冷凝器处冷凝除水后得干燥低温介质,所述干燥低温介质分为第一干燥低温介质和第二干燥低温介质,所述第一干燥低温介质进入所述加热器,所述第二干燥低温介质与外界冷空气混合为混合冷凝介质; [0029] 所述混合冷凝介质与所述冷凝器内的低温介质进行换热冷凝; [0030] 采用基于等效积温的粮食循环干燥控制方法检测待干燥粮食的含水量,直至其达到要求时,停止干燥,排出粮食。 [0031] 优选的是, [0032] 所述第二干燥低温介质经由冷凝风机抽取至所述冷凝器的换热管内,所述外界冷空气通过所述冷凝器的进风风机进入所述冷凝器的换热管内,与所述第二干燥低温介质混合为混合冷凝介质; [0033] 通过调控所述冷凝风机调节所述第二干燥低温介质流量与所述外界冷空气的流量关系,使所述混合冷凝介质温度等于所述干燥低温介质的露点; [0034] 所述外界冷空气与所述第二干燥低温介质流量的流量满足: [0035] [0036] 其中,Q1为所述外界冷空气流量,Q2为所述第二干燥低温介质流量,d3为干燥低温介质的湿含量,dm为所述混合冷凝介质的湿含量。 [0037] 优选的是, [0038] 所述混合冷凝介质的湿含量dm的确定方法: [0039] 在空气焓湿图上确定所述外界冷空气状态点A,低温介质状态点C,以及混合冷凝介质的状态点D,线段点AD与等温线t=td相交于点M(dm,Im),点M(dm,Im)为混合冷凝介质的状态点; [0040] 其中,td为所述露点,Im混合冷凝介质的热含量。 [0041] 优选的是, [0042] 通过调控所述冷凝风机与进风风机的转速来调节所述第二干燥低温介质流量与所述外界冷空气的流量关系,所述进风风机转速n1和所述冷凝风机的转速n2满足: [0043] [0044] 并且,Q1和Q2满足: [0045] Q1+Q2≤Q [0046] 其中,Q为所述低温介质的流量。 [0047] 优选的是, [0048] 所述干燥机排出的低温介质经过冷凝器处冷凝除水后得冷凝水,所述冷凝水进入水箱,喷淋泵抽取所述冷凝水喷淋所述换热管外表面。 [0049] 优选的是, [0050] 所述基于等效积温的粮食循环干燥控制方法具体包括: [0051] 步骤一、确定理论积温值CT0; [0052] 步骤二、计算实时等效积温CT1 [0053] [0054] 其中,Te为平衡温度, 为平均温度, 满足: [0055] [0057] 步骤三、计算修正等效积温CT2 [0058] CT2=K0×CT1 [0059] 其中,K0为积温修正系数,取值为0.96; [0060] 步骤四、当|CT0‑CT2|>ε,待干燥粮食继续干燥,直至出现|CT0‑CT2|≤ε时,停止干燥,排出粮食。 [0061] 优选的是, [0062] 所述理论积温值CT0的值利用积温模型确定,具体方法如下: [0063] 在粮食干燥理论积温品质图中,根据干燥机内相对湿度、干燥机缓苏比选取相应的积温线参考线和品质参考线,沿着谷物初始水分点作水平线,该水平线与干燥品质指标的品质参考线具有交点,经过所述交点的积温线所对应的积温值即为理论积温值CT0。 [0064] 本发明所述的有益效果:1)设计了多级冷凝增热换热器,其增加了冷凝水喷淋清洗循环系统,可及时清洗冷凝器换热管上的灰尘和泥土,尽可能不影响换热效率,能够采用电能清洁能源,提供给干燥机干净、准确、稳定的工艺所需的干燥介质;2)利用冷凝增热尾气回收工艺将干燥段尾气冷凝除湿后回收再利用,干燥介质形成了空气源封闭循环,大大节约了能源,降低了烘干成本,提高了经济效益;3)改变了传统循环烘干工艺高湿尾气不回收的情形,实现40%以上的节能,特别适合于寒冷和半寒冷地区应用;4)通过调节冷凝风机和进风风机的频率(或转速),实现冷凝气流(第二干燥低温介质)和外界冷空气风量的配比,防止换热管内结冰的同时保证通过冷凝器的干燥气流能冷凝出合适量的水,将冷凝气温、湿度降到最佳,从而达到使整个烘干系统的热效率和脱水效率最佳的目的;5)采用等效积温的控制系统实时检测粮食水分,实现粮食循环干燥过程的自动控制;6)能够利用寒冷地区的冷介质进行冷凝作业,避免了使用价格昂贵、操作复杂的热泵装备,使设备价格降低1/2以上。 附图说明 [0065] 图1为本发明的冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的结构图。 [0066] 图2为本发明的冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的俯视图。 [0067] 图3为本发明的冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的工艺流程图。 [0068] 图4为本发明的基于等效积温的粮食循环干燥控制方法流程图。 [0069] 图5为本发明的空气焓湿图。 具体实施方式[0071] 本发明的冷凝循环增热批式循环谷物干燥设备主要包括装粮、启动循环、自动冷凝调温、监控水分、停止作业和排粮等部分组成。如图1‑2所示,干燥机110,其自上而下依次设置有有缓苏段、干燥段、排粮段、排粮口,在干燥段两侧连通设置有两个管道111。缓苏段用于干燥过程中的谷物储存以利于谷物内部水分向外扩散,干燥段用于谷物加热干燥,排粮段设置在干燥段底部,排粮口的上方,其能将干燥后的谷物从排粮口排出到干燥机110外。提升机120设置在干燥机110外侧,呈现竖直布置,并且提升机120的高度大于干燥机110的高度,在提升机120的底部设置有提粮口,提升机120将从提粮口进入的谷物提升至提升机120的顶端,使谷物进入干燥机110。输送机180连接提升机120底端提粮口与干燥机110排粮口,通过转动方向能够与提粮口相衔接,使从排粮口排出的谷物进入到提粮口。输送机180采用螺旋输送机。 [0072] 热风机130出口端与干燥段的一侧管道111连通,为干燥段提供所需温度的热风。加热器140,其出口与热风机130的入口端连通;提供均匀、稳定且可精确控制的干燥介质。 冷凝器150入口与所述提升段的另一侧管道连通,出口连通所述加热器的入口,冷凝器150的换热管为S型冷凝器,是干燥段的尾气(低温介质)与换热管内的外界冷空气和一部分尾气冷凝气(第二干燥低温介质)混合后气体的换热装置,将尾气中的显热和部分潜热回收利用并将尾气除湿。喷淋泵151设置在冷凝器150内,喷淋泵151通过水泵152连通,将水泵152内的水通过水喷射到S型冷凝器150的每个换热管外表面,以除去干燥段尾气冷凝后留在换热管外表面的灰尘和泥土,且冷凝器150的换热管下方设置有污泥箱190,用于收集干燥气流中排出的灰尘、泥土等杂质,并且要定时清理。冷凝器工作一段时间后需要清洗除垢,清洗水通过清洗水出口153排出。 [0073] 在冷凝器的一端设置有进风口155,进风口155连通所述冷凝器150内换热管,在进风口155处分出两端头,一端头设置有进风风机,用于抽取外界冷空气,另一端头连通冷凝风机170的出口,将两处进来的气流混合,进入换热管内换热,防止换热管结冰。冷凝风机170的入口与冷凝器150的出口相连通。冷凝风机170和进风风机为变频风机,将冷凝气与外界冷空气按比例配风,调节冷凝器进风口155处风温在0℃以上,干燥机尾气露点温度以下,排潮引风机160与冷凝器150连接,并且排潮引风机160上设置有排潮口161。冷凝器150壳程湿度达到85%时启动排潮引风机160排潮,此时排入大气的尾气已经经过冷凝放热及除尘处理。冷凝器150上设置有溢流口154,用于排出干净的冷却水;并且溢流口154与所述水箱的连通,回收利用冷却水。排粮段设置有排粮机构,所述排粮机构包括叶轮,并且所述叶轮旋转带动位于叶轮上方的谷物运动到叶轮下方进而从所述排粮口排出。干燥机110上部缓苏段设置有料位传感器。 [0074] 如图4装粮过程如下:启动提升机120给干燥机110从顶部上粮,料位传感器满粮报警后,停止装粮作业;启动循环过程:通过启动热风机130、提升机120、螺旋输送机180、干燥机排粮机构和加热器140启动粮食循环,使待干燥粮食在循环过程中逐步干燥降水,启动变频的冷凝风机170开启干燥介质循环(热介质流与低温介质流),使空气在热风机130、干燥机110、冷凝器150、加热器140之间形成了封闭循环,干燥段尾气(低温介质)通过冷凝器150冷凝放热除湿之后再循环利用,开启喷淋水泵151,启动喷淋清洗循环;自动冷凝调温:通过变频回流冷凝风机170和进风风机,控制尾气冷凝气(第二干燥低温介质)和外界冷空气的配比进而使得冷凝器管程的温度控制在尾气冷凝气的露点温度(或露点温度之内),确保冷凝器内的干燥段尾气既要冷凝又不能结冰;监控水分:基于等效积温的粮食循环干燥的控制方法,实时监测粮食的水分,达到目标水分便自动停止作业;停止作业:关闭加热器140、干燥机排粮机构、螺旋输送机180、提升机120和热风机130以停止粮食循环,关闭变频冷凝风机170和进风风机以停止热介质循环,关闭水泵152以停止清洗循环;排粮:打开提升机120与仓储设备的接口,关闭提升机120与干燥机110的接口,启动干燥机排粮机构、输送机 180和提升机120将烘干到安全水分的粮食排入预定装置。冷凝循环增热批式循环谷物干燥设备包括:加热器140,用于提供稳定、可靠、可控的热能,进而加热干燥介质,接在热风机 130一端,热风机130将通过加热器140加热后的空气再鼓入循环式干燥机110的干燥段,进行热风干燥过程,提升机120用于将粮食提升到干燥机110的顶部,实现从顶部上粮的作业、粮食循环干燥作业和排粮作业,螺旋输送机180,连接干燥机110和提升机120,用于实现粮食循环干燥作业和排粮作业,干燥段排出的湿热尾气进入多级冷凝器150,在多级冷凝器 150内,湿热尾气冷凝放热并和从进风口155进入多级冷凝器150换热管内的外界冷空气与冷凝气的混合气体交换热量,即湿热尾气中的水蒸气由气态变成液态放出汽化潜热,大大增加了湿热尾气的可利用的热量,同时尾气的湿含量降低,多级冷凝器150壳程湿度达到 85%时启动排潮引风机160排潮,此时排入大气的烘干机尾气已经经过冷凝放热及除尘处理,是低温较干净的气体,多级冷凝器150工作过程中,喷淋泵151不断将通过水泵152抽出的水喷射到多级冷凝器150的每个换热管外表面,以除去干燥段尾气冷凝后留在换热管外表面的灰尘和泥土,多级冷凝器150工作一段时间后需要清洗除垢,清洗水通过清洗水出口 153排出。多级冷凝器150内水蒸气冷凝的液态水从冷却水溢流口154排入清洗水槽,进一步作为清洗水加以利用。 [0075] 本发明所述的冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能控制方法及设备,开创了冷凝增热回收利用尾气并使干燥介质形成了封闭循环的新方法,通过风量配比合理控制进入换热管的空气温度,解决了冷凝水结冰的问题,喷淋清洗换热管解决了尾气带入的粮食中灰尘附着在换热管上降低换热效率的问题,排出的潮气也经过了清洗,达到清洁、无污染的目的。整套设备及工艺主要的优点就是节能、无污染、热介质控制精度高、设备投资少。 [0076] 作为本发明还包括,整个系统配备一套控制柜,连接控制整个烘干系统的各个部件装置的协同工作,加热器140提供准确、均匀的烘干机所需温度的热风,温度数据可实时准确的反馈给控制系统,热风机130、提升机120、干燥机110、输送机180、水泵152都通过控制系统控制并同时开启工作,通过变频回流冷凝风机170和进风风机控制冷凝器与外界冷空气的混合比例以使冷凝器管程入口温度控制在0℃以上,尾气露点温度以下,从而保证换热管上的冷凝水不结冰,冷凝器150安装湿度传感器,实时检测冷凝器壳程的气体湿度不超过85%,超过时就启动排潮引风机160排潮。 [0077] 本发明提供的一种冷凝循环增热批式循环谷物干燥节能装置的控制方法,包括:将待干燥粮食装入干燥机至预定料位;热介质依次经过加热器、热风机、干燥机,构成热介质流;从所述干燥机排出的低温介质经过冷凝器处冷凝除水后得干燥低温介质,所述干燥低温介质分为第一干燥低温介质和第二干燥低温介质,所述第一干燥低温介质进入所述加热器,所述第二干燥低温介质与外界冷空气混合为混合冷凝介质;所述混合冷凝介质与所述冷凝器内的低温介质进行换热冷凝;采用基于等效积温的粮食循环干燥控制方法检测待干燥粮食的含水量,直至其达到要求时,停止干燥,排出粮食。 [0078] 所述第二干燥低温介质经由冷凝风机抽取至所述冷凝器的换热管内,所述外界冷空气通过所述冷凝器的进风风机进入所述冷凝器的换热管内,与所述第二干燥低温介质混合为混合冷凝介质; [0079] 通过调控所述冷凝风机频率调节所述第二干燥低温介质流量与所述外界冷空气的流量关系,使所述混合冷凝介质温度等于所述干燥低温介质的露点; [0080] 所述外界冷空气与所述第二干燥低温介质的流量满足: [0081] [0082] 其中,Q1为所述外界冷空气流量,Q2为所述第二干燥低温介质流量,d3为干燥低温介质的湿含量,dm为所述混合冷凝介质的湿含量。 [0083] 所述混合冷凝介质的湿含量dm的确定方法: [0084] 在冷凝器的入口处设置有流量计,可以实时检测进入冷凝器的介质的流量Q,在冷凝器的入口和出口分别设置有温湿度计,用来测量低温介质和干燥低温介质的温度与湿度,同时进风风机入口处设置有测量外界冷空气的温湿度计,由此可以确定低温介质、干燥低温介质和外界冷空气在空气焓湿图上的状态点,如图5所示,A(d0,I0)为外界冷空气状态点,I0为外界冷空气的热含量;C(d2,I2)为低温介质状态点。图中φ=100%为等相对湿度线。本发明中控制混合冷凝介质的温度为干燥低温介质的露点,由此可以确定焓湿图中混合冷凝介质的状态点D(d3,I3),I3为混合冷凝介质的热含量;连接AD,找出等温线t=td,线段AD与等温线t=td相交于点M(dm,Im),点M(dm,Im)为混合冷凝介质的状态点;其中,td为所述露点,其根据冷凝后的干燥低温介质的温湿度,查表或通过空气焓湿图可求得。Im为混合冷凝介质的热含量。 [0085] 通过调控所述冷凝风机与进风风机的转速来调节所述第二干燥低温介质流量与所述外界冷空气的流量关系,所述进风风机转速n1和所述冷凝风机的转速n2满足: [0086] [0087] 并且,Q1和Q2满足: [0088] Q1+Q2≤Q [0089] 其中,Q为所述低温介质的流量。 [0090] 由于风机的风量(流量)与风机转速成正比关系,且在已知进风风机的额定转速n100 0 0 及其对应的额定流量Q1和冷凝风机的额定转速n2及其对应的额定流量Q2时,可以得到: [0091] 和 [0092] 为使得热效率和脱水效率达到最佳,需要控制换热管内外流量一致,即使Q1+Q2=Q,则可以根据以上公式关系计算得知进风风机和冷凝风机的转速值,由此可以控制流量。 [0093] 同时,由于电机(进风风机或冷凝风机)转速和频率也存在着如下的关系[0094] n=60f/p [0096] 由此,也可以通过改变电机(进风风机或冷凝风机)的频率来控制器转速,由此控制电机(进风风机或冷凝风机)的流量。 [0097] 所述干燥机排出的低温介质经过冷凝器处冷凝除水后得冷凝水,所述冷凝水进入水箱,喷淋泵抽取所述冷凝水喷淋所述换热管外表面。 [0098] 如图4所示,基于等效积温的粮食循环干燥控制方法具体包括: [0099] 步骤一、测量有效体积V、单位排粮体积Q,计算干燥机的单次循环时间t,[0100] [0101] 其中V为干燥机有效体积,Q为排粮轮单位排粮体积,w为排粮轮转速,t为干燥机内粮食完成一个循环所需时间。 [0103] 步骤三、确定计算等效干燥积温基点的平衡温度Te,选择使用平衡温度由前期在文献中平衡水分模型推导出,谷物的平衡温度Te与平衡相对湿度、平衡水分之间的关系模型如下式,其中谷物平衡相对湿度选用温湿度采集单元采集的环境湿度,平衡水分选用谷物干燥的目标水分。 [0104] [0105] 上述公式中,EMC代表平衡水分,%;ERH代表排潮空气平衡相对湿度,%;Te代表平衡温度,℃;A、B、C分别代表3个参数,针对不同品种数值不同如下表1。 [0106] 表1不同品种干燥物的方程参数和拟合度 [0107] [0108] 注:R2是决定系数;MRE%是平均相对百分率误差。 [0109] 步骤四、在干燥作业中,实时检测记录多个安装在干燥段内布置的温度传感器检测的粮食温度,计算和存储干燥机内待干燥粮食的等效积温值CT1 [0110] [0111] 其中,Te为平衡温度, 为平均温度, 满足: [0112] [0113] 其中,Ti为第i个温度传感器测量的温度,k为温度传感器个数, [0114] 步骤五、计算修正等效积温CT2 [0115] CT2=K0×CT1 [0116] 其中,K0为积温修正系数,取值为0.96; [0117] 步骤四、当|CT0‑CT2|>ε,待干燥粮食继续干燥,直至出现|CT0‑CT2|≤ε时,停止干燥,排出粮食。 [0118] 理论积温值CT0的值利用积温模型确定,具体方法如下:在粮食干燥理论积温品质图中,根据干燥机内相对湿度、干燥机缓苏比选取相应的积温线参考线和品质参考线,沿着谷物初始水分点作水平线,该水平线与干燥品质指标的品质参考线的交点为A,经过A点的积温线所对应的积温值即为理论积温值CT0。 [0119] 本发明中,按照一定的采样周期来采集各传感器、温湿度计、流量计的测试数据,并进行数据的处理与分析,来调控进风风机或冷凝风机以及其余各装置部件的工作状态。 |