一种用于粮食烘干的闭式空气源热泵调控系统及方法与流程

本发明涉及粮食存储，具体为一种用于粮食烘干的闭式空气源热泵调控系统及方法。

背景技术：

1、粮食烘干是指将收获的湿度较高的粮食通过热风或其他方法进行干燥以降低湿度的过程。粮食烘干的目的是控制粮食储存过程中的湿度，保证粮食的质量和安全。近年来，以空气为介质的热泵装置烘干粮食，成为粮食烘干的一种新方式，热泵装置将导热介质中的热量搬运到空气中，进入烘干仓带走粮食水分，再对出仓空气进行除湿加温，不断循环，以此烘干粮食，能够精准调控粮食的烘干程度。

2、在粮食收获的时节，烘干时间往往会比较紧张，烘干系统使用统一的高温来烘干粮食，但由于不同粮食的含水率不同，在烘干多种粮食组成的杂粮时，热泵很难把控烘干温度，现有流程很可能造成一些含水率较低的粮食被过度烘干，导致粮食品质的损失，过度的高温烘烤还可能影响粮食的保质期限，带来不必要的损失。

3、此外，现有热泵的导热介质都是预先加热好的，在烘干完粮食后，介质中仍然存在不小的热量，这部分热量会被浪费掉，影响热泵系统的节能效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于粮食烘干的闭式空气源热泵调控系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于粮食烘干的闭式空气源热泵调控系统，包括：检测中枢模块、粮食测试模块、空气源处理模块、烘干控制模块和热泵采热模块；

3、所述检测中枢模块用于检测烘干仓中待烘干粮食的质量，估算出需要通入的空气量与测试温度，并在烘干仓的入仓口与出仓口处，分别检测一次空气的温度与湿度，并把检测到的空气温湿度随时间变化的曲线存入数据库；

4、所述粮食测试模块用于在恒定温度下，向烘干仓中通入不同湿度的空气，根据出仓口空气的湿度变化，确定烘干仓内不同含水率粮食的比例，并在每个湿度等级下，通入持续加热的空气，测量不同种类粮食烘干速度与空气温度的关系；

5、所述空气源处理模块用于控制通气口的气泵功率，从而调整在整个热泵烘干系统内的空气量，并利用热泵与蒸发器对出仓空气进行除湿与加温，使空气再次入仓时，温度与湿度均达到系统设定值；

6、所述烘干控制模块用于分析数据库中出入仓空气温湿度的变化情况，计算空气入仓时的理想温湿度，分析烘干仓内粮食的烘干情况，根据不同粮食的特性，在保证粮食品质的前提下，给出完成粮食烘干所需的最短时间；

7、所述热泵采热模块用于根据通气量、各阶段气体温度与湿度，计算热泵需要搬运的热量，进一步确定导热介质所需的数量与温度，在导热介质温度不足时，动态调整对导热介质的加热速度，使导热介质中存储的热量与烘干粮食所需的热量相匹配。

8、进一步的，所述检测中枢模块包括：烘干仓检测单元和空气检测单元；

9、所述烘干仓检测单元用于通过压力传感器检测烘干仓内存放的待烘干粮食的质量，估算出烘干粮食所需的空气量与测试温度；

10、所述空气检测单元用于根据设置在入仓口与出仓口的温湿度计，实时测量流过烘干仓前后空气温湿度的变化情况，绘制空气温度与空气湿度随烘干时间的变化曲线，将所述变化曲线存入数据库。

11、进一步的，所述粮食测试模块包括：湿度等级单元、比例分析单元和温度测定单元；

12、所述湿度等级单元用于向粮仓中通入测试温度的空气，并按固定速率持续改变入仓空气的湿度，并检测出仓后的空气湿度；

13、所述比例分析单元用于根据出仓口处空气湿度的变化情况，确定各含水率的粮食在烘干仓中所占的比例，并根据不同粮食的含水率确定烘干时的湿度等级；

14、所述温度测定单元用于在不同湿度等级下，按固定速率持续改变入仓空气的温度，测量不同种类粮食的烘干速率。

15、进一步的，所述空气源处理模块包括：进气单元和除湿控温单元；

16、所述进气单元由于调控进入热泵烘干体系的空气量；

17、所述除湿控温单元用于利用蒸发器对出仓空气进行湿度调控，并利用热泵对出仓空气进一步进行温度调控。

18、进一步的，所述烘干控制模块包括：数据分析单元、参数调节单元和时间预测单元；

19、所述数据分析单元用于分析数据库中出入仓空气温湿度的变化情况，模拟出烘干仓内各类粮食的含水率变化情况；

20、所述参数调节单元用于根据烘干仓内粮食的含水率变化情况与温度敏感系数，计算空气入仓时的理想温湿度；

21、所述时间预测单元分析烘干仓内粮食的烘干情况，根据不同粮食的特性，在保证粮食品质的前提下，给出完成粮食烘干所需的最短时间。

22、进一步的，所述热泵采热模块包括：介质控温单元和热量调整单元；

23、所述介质控温单元用于根据通气量、各阶段气体温度与湿度，计算热泵每个烘干循环需要搬运的热量，结合导热介质的初始温度，确定导热介质的理想温度；

24、所述热量调整单元用于在检测到导热介质的实际温度低于下一循环的理想温度时，对导热介质进行加热。

25、一种用于粮食烘干的闭式空气源热泵调控方法，包括以下步骤：

26、s100.将待烘干的杂粮存入烘干仓，检测仓内杂粮的重量，并在烘干仓的入气口与出气口处设置温湿度传感器，检测通入烘干仓前后空气温度与空气湿度的变化；

27、s200.向烘干仓中通入除湿后的外界空气，并以恒定速率增加空气的湿度，检测通入烘干仓前后空气湿度的变化情况，分析不同含水率的粮食在杂粮中所占比例，根据粮食的含水率比例情况，进一步确定烘干时空气的湿度等级；

28、s300.向烘干仓中通入不同湿度等级的空气，并以恒定速率增加空气的温度，测量出不同种类粮食烘干速率与空气温度的相关函数，确定热泵在各湿度等级内的烘干温度，使总烘干时长最短；

29、s400.用户输入烘干目标，开始烘干程序，按步骤s200确定的湿度等级顺序，将恒定湿度的空气加热到对应的烘干温度通入烘干仓，达到烘干时长后，将入仓空气的温湿度调控到下一等级，重复上述流程，完成所有湿度等级的烘干程序；

30、s500.根据烘干过程中，各阶段气体的温度与湿度，计算热泵需要搬运的热量，计算热泵在每个循环需要搬运的热量，结合导热介质的初始温度，确定导热介质在下一循环的理想温度，并在检测到导热介质的实际温度低于下一循环的理想温度时，对导热介质进行加热。

31、进一步的，步骤s100包括：

32、步骤s101.将需要烘干的粮食存入烘干仓，烘干仓内的重量传感器读取存入仓内粮食的重量，将其记为h；

33、步骤s102.在入仓口与出仓口设置温湿度传感器，检测烘干仓两端空气的温湿度，入仓口处检测到的空气温度记为q1，空气湿度记为p1，出仓口处检测到的空气温度记为q2，空气湿度记为p2；

34、步骤s103.当入仓口处空气的温湿度与出仓口处空气的温湿度相等时，封闭烘干仓，进入步骤s201。

35、进一步的，步骤s200包括：

36、步骤s201.在通气管道内通入外界空气，并运行管道内的蒸发器，将外界空气的湿度降为0，向烘干仓内通入处理后的空气，并在出仓口处检测空气的湿度；

37、步骤s202.保持入仓空气的温度恒定，通过调节蒸发器的功率，使入仓空气的湿度p1与时间t间的关系满足p1=g·t，其中g为预设的常数，t为时间，出仓口检测到的出仓空气的湿度p2与时间t间的关系记作函数p2（t）；

38、根据烘干仓的体积与仓内空气的流速，计算入仓空气在烘干仓内停留的时间t0，令p（t）=p2（t-t0），所述p（t）代表入仓空气湿度p1对应的出仓空气湿度；

39、步骤s203.构造函数g（t），所述g（t）=p（t）-g·t，对g（t）进行二次求导，得到g（t）的二阶导函数g（t）；

40、获取在g（t）≥e条件下变量t的所有取值区间，所述e为预设常数，将所述取值区间的下界按从小到大的顺序构成集合x，x={t1,t2,…，tm,…tn}，其中n为取值区间的数量，tm为第m个取值区间的下界；

41、步骤s204.确定湿度等级的集合y，y={s1,s2,…,sm,…,sn}，所述集合y中的元素与集合x中的元素一一对应，sm代表第m个湿度等级，且sm=g·tm；

42、步骤s205.获取步骤s202执行过程中重量传感器检测到的粮食重量随时间的变化函数h0（t），构造函数h（t）=h-h0（t），按以下公式确定各湿度等级的粮食比例：

43、；

44、其中，表示湿度等级为sm的粮食在粮仓中所占的比例，0＜,≤1，且a0=1，t0=0。

45、本步骤能够对热泵的烘干温度与湿度进行精确调控，通过测试步骤估算出杂粮中不同含水率粮食的比例。

46、进一步的，步骤s300包括：

47、步骤s301.在入仓口调制湿度为s1，温度为预设零点的空气，把空气通入烘干仓，并以恒定速率增加入仓空气的温度，在出仓口检测出仓空气的湿度，在入仓空气温度增至预设温度tmax时，排空烘干仓内的空气，通入湿度为s2，温度为预设零点的空气，并重复上述步骤，以此类推，直到湿度为sn，温度为tmax的空气被通入烘干仓为止；

48、把空气温度时间的变化关系记作t=k·t，其中k为预设的温度增加速度，t为时间，通入湿度等级为sm的空气时，在出仓口处检测到的空气湿度随时间的变化函数记为qm（t）；

49、步骤s302.按以下公式，计算烘干速度与温度间的关系：

50、；

51、其中rm（t）代表湿度等级为sm时，蒸发仓内蒸发速率与温度t之间的关系函数，按上述方法，得到数据集z，z={r1（t），r2（t），…，rm（t），…，rn(t)}，计算数据集z中每个函数在区间[0,tmax]内的最大值，构成数据集z0，所述z0={r1,r2,…,rm,…,rn}，其中rm为函数rm（t）在[0,tmax]内的最大值；

52、步骤s303.按以下公式，计算各湿度等级的粮食烘干速率与温度间的关系：

53、；

54、其中，vm（t）代表湿度等级为sm的粮食烘干速度与烘干温度间的关系函数，h为烘干仓内粮食的总重量；

55、步骤s304.确定每个湿度等级的烘干时长，使总时长最短：

56、；

57、其中，d为烘干总时长，s0为用户设置的烘干目标，si表示第i个湿度等级，表示湿度等级为si的粮食在粮仓中所占的比例，ri代表数据集z0中第i个元素，vj表示湿度等级为si的粮食烘干速度与烘干温度间的关系函数，ci代表湿度等级si的烘干时长，所述s0＜si。

58、本发明能够根据粮食重量、含水量与各种粮食的比例，结合不同粮食的热敏性，计算出烘干这批粮食的最短时间，同时保证不损伤粮食品质。

59、进一步的，步骤s400包括：

60、步骤s401.用户输入烘干目标s0，根据步骤s304中的公式，计算d取最小值时，ci的取值集合j，j={c1,c2,…,cm,…,cn}，其中cm代表湿度等级sm的理想烘干时长；

61、步骤s402.将湿度为s1的空气加热到r1后通入烘干仓，持续通入c1时长后，更换湿度为s2，温度为r2的空气通入烘干仓，持续通入c2时长，以此类推，直到湿度为sn，温度为rn的空气持续通入烘干仓内cn时长为止，完成烘干程序。

62、在本步骤中，由于烘干仓内烘干气体的高流速与粮食表面气孔的存在，粮食吸收烘干气体中的湿度而导致含水率上升的速度很慢，在烘干过程中可以忽略。

63、本发明在时间有限的场景下，烘干流程更加高效快捷，保证了粮食的质量和安全，循环利用的空气也有助于热量的均匀分布，避免不均匀的热量分布导致部分粮食过度烘干，而其他部分还干燥的情况发生。

64、进一步的，步骤s500包括：

65、步骤s501.计算在进行各湿度等级的烘干过程时，热泵需要搬运的热量：

66、；

67、其中，e为水的比热容，lm代表湿度等级为sn时热泵需要搬运的热量，且l0=0；

68、步骤s502.计算导热介质在每个循环中的预计温度：

69、；

70、其中，um为导热介质在湿度等级为sn时的预计温度，e为导热介质的比热容，w为热泵中导热介质的储量，且u0=0；

71、步骤s503.在开始进行湿度等级为sm的烘干流程前，检测到um＜um-1时，对导热介质进行加热，使导热介质的温度达到um。

72、本发明能够根据通气量、各阶段气体温度与湿度，计算热泵需要搬运的热量，进一步确定所需的导热介质的数量与温度，在导热介质温度不足时，动态调整对导热介质的加热速度。

73、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

74、本发明能够对热泵的烘干温度与湿度进行精确调控，通过测试步骤估算出杂粮中不同含水率粮食的比例，在烘干杂粮时速度更快、效果更好，解决了杂粮烘干时烘干温度与烘干时间难以把控的问题，防止出现在杂粮烘干过程中部分粮食被过度烘干，导致粮食整体品质下降的问题，确保了热泵烘干设备的安全性能和控制系统的稳定性，保证了烘干过程的快速、安全和高效。

75、本发明能够根据粮食重量、含水量与各种粮食的比例，结合不同粮食的热敏性，计算出烘干这批粮食的最短时间，同时保证不损伤粮食品质，在时间有限的场景下，烘干流程更加高效快捷，保证了粮食的质量和安全，循环利用的空气也有助于热量的均匀分布，避免不均匀的热量分布导致部分粮食过度烘干，而其他部分还干燥的情况发生。

76、本发明能够根据通气量、各阶段气体温度与湿度，计算热泵需要搬运的热量，进一步确定所需的导热介质的数量与温度，在导热介质温度不足时，动态调整对导热介质的加热速度，使粮食烘干完毕时，导热介质的温度回到初始温度，减少了导热介质的热量散失，相比传统空气源热泵烘干系统更加节能，避免了能量的浪费。