谷物干燥节能供热技术与装备

本书涉及工程热物理、燃烧动力学、高等传热传质学、机械设计、图形学、自动控制理论等多个领域，结合国家科技部的“十四五”发展规划以及国家工信部颁布农机装备发展行动方案(2016-2025)的重点内容。提出研发粮食智能干燥与供热设备，重点突破在线水分检测、太阳能干燥、PLC控制、多燃料系统开发、成型生物质燃料热风炉热效率提升等关键技术，优化谷物农产品烘干过程工艺模型，开发高效能、多燃料烘干组合、智能型烘干机，提高粮食、特色农产品烘干的生产率和质量。

本书结合国内外干燥机供热设备的发展概况、多元化燃料的种类和特性，系统地分析谷物干燥用供热、换热、清洁除尘和余热回收等新技术。重点探讨寒区换热器和燃烧炉等典型设备的热能特性与运行规律，以典型常用粮食干燥换热器为例，结合研究团队研制干燥机配套供热设备的实际应用，给出列管式和旋板式供热设备的设计过程，着重研究分析了列管换热器与气相旋转换热器的传热理论与换热效率。针对近年来农作物秸秆综合利用的迫切要求，开发应用了多种秸秆成型燃烧热风炉，配合智能控制系统，实现“原汤化原食”的新型供热模式，实现谷物节能干燥的规模化生产。同时对太阳能和热泵供热系统的特性及装备机型进行研究，系统地阐述谷物干燥清洁节能供热技术与装备的应用情况。

第一章概述1

第一节谷物干燥供热技术1

第二节谷物干燥换热技术10

第三节干燥供热除尘工艺与技术18

第四节余热回收技术33

第二章燃料特性与理论空气量45

第一节燃料的种类和成分45

第二节燃料的发热量48

第三节秸秆成型燃料的性能50

第四节理论空气量和过剩空气系数59

第三章常用粮食干燥换热器的研究65

第一节列管式换热器65

第二节旋板式换热器79

第三节热管式换热器94

第四节气相旋转式换热器105

第五节电磁加热式换热器109

第四章粮食干燥供热设备的应用研究126

第一节固体燃料机烧式热风炉126

第二节秸秆颗粒燃烧炉137

第三节圆捆秸秆燃烧炉153

第四节生物质方捆燃烧炉160

第五章太阳能热泵供热系统应用研究175

第一节太阳能供热系统175

第二节空气能热泵供热系统193

第三节太阳能热泵联合干燥技术212

第六章气相旋转换热器的试验研究222

第一节气相旋转换热器热量损失试验研究222

第二节换热器壳体嵌合结构模型建立与数值模拟237

第三节振动测量与嵌合结构优化试验249

第四节气相旋转管壳式换热器的性能试验研究255

第五节气相旋转管壳式换热器数值模拟研究267

第七章列管换热器设计与试验研究282

第一节列管换热器的设计282

第二节列管换热器的数值模拟研究288

第三节列管换热器传热性能试验研究298

附录单位换算和基础数据305

参考文献313

后记316

国家粮食安全问题是关乎国计民生的重大问题，节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措。“十三五”期间单位国内生产总值能耗较比上个五年计划降低15％左右，我国干燥能耗占整个工业能耗的比例较大，提高能源的利用效率，降低一次能源的消耗和提高单位能耗的产值是干燥节能的关键。由于我国的能源结构是以煤炭为主，因此由经济发展带来的能源安全和环境问题日益突出。从能源安全、减少污染、改善生态环境和立足于本国资源利用诸方面来考虑，开发利用安全、可靠的清洁能源，并提高其在能源结构中的比重，是实现可持续发展的重要保证。粮食干燥问题深度影响着国家粮食安全，而干燥成本更取决于节能供热技术的应用。市场上用于粮食干燥的供热系统换热效率为70%左右，如若供热设备换热效率提高5%，那么全国可节省成本数十亿元以上。我国秸秆资源丰富，秸秆处理难、利用率不高已成为农业绿色、可持续发展的难点问题。把秸秆综合利用作为减少大气污染、保护环境的必要手段，是实施黑土地保护、促进农业可持续发展的务实举措，因此，秸秆燃料化的高效利用是替代燃煤型粮食干燥供热的重要方向。粮食干燥供热技术是一个重大问题，随着现代化大农业的快速发展和粮食产量的提升，对干燥系统的生产能力和节能技术等方面提出了更高的要求。

本书涉及工程热物理、燃烧动力学、高等传热传质学、机械设计、图形学、自动控制理论等多个领域，结合科技部的“十四五”科技创新规划以及工信部颁布的《农机装备发展行动方案（2016—2025）》重点内容，提出研发粮食智能干燥与供热设备，重点突破在线水分检测、太阳能干燥、PLC控制、多燃料系统开发、成型生物质燃料热风炉热效率提升等关键技术，优化谷物农产品干燥过程工艺模型，开发高效能、多燃料干燥组合、智能型干燥机，提高粮食、特色农产品干燥的生产率和质量。黑龙江省是地处高寒地区的农业大省，也是国家重点商品粮生产基地，因此系统提升寒区谷物节能、保质干燥和高效供热技术，显得尤为重要。

《谷物干燥节能供热技术与装备》是实现节能减排型智能型农机装备和保障粮食安全不可或缺的应用性技术书籍，谷物干燥供热环节不仅关系到降低一次能源的消耗问题，而且是提高粮食干燥品质和产能的关键。本书结合国内外干燥机供热设备的发展概况、多元化燃料的种类和特性，系统地分析了谷物干燥用供热、换热、清洁除尘和余热回收等新技术，重点探讨了寒区换热器和燃烧炉等典型设备的热能特性与运行规律；以典型、常用粮食干燥换热器为例，结合研究团队研制干燥机配套供热设备的实际应用，给出列管式和旋板式供热设备的设计过程，着重研究分析了列管换热器与气相旋转换热器的传热理论与换热效率。针对近年来农作物秸秆综合利用的迫切要求，开发应用了多种秸秆成型燃烧热风炉，配合智能控制系统，实现“原汤化原食”的新型供热模式，实现了谷物节能干燥的规模化生产。同时对太阳能和热泵供热系统的特性及装备机型进行研究，系统地阐述了谷物干燥清洁节能供热技术与装备的应用情况。

近年来，随着生态环境保护和新能源利用意识的增强，实现谷物干燥生产过程中供热环节的智能化节能控制、多元性燃料利用、清洁除尘成为发展的主流。在供热工作流程中实现全程自动化和智能化操作是2025年的发展目标之一，智能化技术和新能源的应用前景广阔。

为了推进清洁能源节能供热技术的发展，著者结合近年来的相关科学研究项目撰写了本书。著者与国内同行有着广泛的学术联系，掌握供热领域的理论发展前沿，并且研制了多种节能型换热器和热风炉；采用理论分析与实验研究相结合的方法，系统研究了强化传热规律，构建了多尺度的热量传递模型，应用于粮食干燥实际供热生产中。

本书适用于采暖供热工程、农业机械化及自动化、机械设计与制造、农产品加工工程等专业的学生以及现代化农场、粮食加工企业的相关人员阅读参考。

本书得到了黑龙江省农机智能装备重点实验室、省重大科技开发项目（GA15B204）、全国基层农技推广项目和黑龙江省自然科学基金联合项目的资助。

本书由黑龙江八一农垦大学工程学院车刚教授与万霖教授合著。车刚教授完成第一～第四章内容，万霖教授完成第五～第七章内容。

由于著者水平所限，在结构、文字、图例等方面难免有不足之处，恳请广大读者提出宝贵意见。

著者

2020年11月