本发明涉及的是干燥机技术领域，具体涉及一种多种工况自适应的多级热泵型低温循环式谷物干燥机。
背景技术
低温循环式谷物干燥机采用低温、高缓苏比及大风量烘干，具有干燥品质好、能耗相对较低、特别适合稻谷干燥等优点，是我国南方水稻产区普遍采用的一种粮食干燥机，广泛适用于家庭农场、种粮大户。但是，目前广泛使用的低温循环式谷物干燥机主要以煤或柴油为燃料，燃煤会排放出大量含硫气体与粉尘，对环境有较大污染；而柴油虽然污染较小，但我国石油资源较为匮乏，加之以柴油做燃料，干燥成本过高，在谷物干燥中应用非常有限。
由于热泵干燥较常规气流干燥可降低能耗20-40%，是一种十分有效的节能干燥技术，还具有绿色无污染、环境友好等优点，因此，在谷物干燥中的应用逐渐增多，是我国粮食干燥技术及设备未来发展的主要方向。目前，国内已开发出以低温循环式谷物干燥机为基础的热泵型低温循环式谷物干燥机。但是，由于热泵性能受环境温度的影响很大，生产使用发现，现有的热泵型低温循环式谷物干燥机还存在以下两个方面的问题：
(1)在晚稻收获的后期，环境温度较低，导致热泵的性能急剧下降，产生的热风温度过低，达不到干燥工艺的要求，严重时甚至不能正常启动工作。
(2)对工况适应性差，难以根据环境工况对输出热量进行调节，影响热泵性能系数(cop)的改善和单位能耗除湿率(smer)的提高。
尽管谷物干燥采用定风量恒温干燥，理论上，干燥所需要的热量为定值，但对于特定干燥机，由于其在不同温度环境下热量损失不同，因此，同样质量的谷物，在不同温度环境下干燥时所需要的热量有明显差异，通常是在稻谷干燥季节最低的环境温度下，稻谷干燥所需的热量最大。如果采用热泵式干燥，由于热泵系统的性能受环境温度很大，较高的环境温度下，热泵系统的性能系数较高，同样输入功率下，输出功率较高；而在较低的环境温度下，热泵系统的性能系数较小，同样输入功率下，输出功率较低。这就意味着，在谷物干燥热量消耗需求最大的时候，热泵输出功率却最低。为此，在设计热泵式加热系统时，为满足在较低环境温度下进行谷物干燥的工艺要求，就必须加大热泵式加热系统的输入功率，以保证热泵加热系统在较低温度下有足够的功率输出。但这样一来，在小麦干燥季，由于环境温度较高，小麦干燥的热量消耗相应较低，而热泵的输出功率却相对较高，就会出现谷物干燥所需的热量与热泵输出功率之间不匹配问题。如果热泵加热系统的输出功率不能随着谷物干燥热量需求的变化进行相应的调整，则会导致干燥能耗的增加，不利于节能。
为了解决上述问题，同时针对春夏季较高环境温度下，小麦收获后烘干及秋冬季较低环境温度下，水稻收获后烘干的要求，设计一种新型的多种工况自适应的多级热泵型低温循环式谷物干燥机尤为必要。
技术实现要素：
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种多种工况自适应的多级热泵型低温循环式谷物干燥机，结构设计合理，改善热泵加热系统的性能，实现热泵系统的输出功率随着干燥热量需求的变化进行精确的调整，有效降低能耗，节能环保，实用可靠，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种多种工况自适应的多级热泵型低温循环式谷物干燥机，包括干燥机本体、加热系统、控制系统及环境温度监测系统四个部分，环境温度监测系统连接至控制系统，控制系统与加热系统连接，所述加热系统由第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统串联而成，第一级热泵系统由第一冷凝器、第一膨胀阀、第一蒸发器和第一压缩机组成，第二级热泵系统由第二冷凝器、第二膨胀阀、第二蒸发器和第二压缩机组成，第三级热泵系统由第三冷凝器、第三膨胀阀、第三蒸发器和第三压缩机组成，外部新风依次经过第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器吸收制冷工质释放出来的热量后，送入烘干机对谷物进行加热并吸湿干燥，废气经过风机排出，同时第一级热泵系统中高温高压的制冷剂在第一冷凝器中放热冷凝成液体，经过第一膨胀阀减压进入第一蒸发器，在第一蒸发器中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第一压缩机吸入压缩成高温高压气体，再进入第一冷凝器进行下一个循环；第二级热泵系统中高温高压的制冷剂在第二冷凝器中放热冷凝成液体，经过第二膨胀阀减压进入第二蒸发器，在第二蒸发器中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第二压缩机吸入压缩成高温高压气体，再进入第二冷凝器进行下一个循环；第三级热泵系统中高温高压的制冷剂在第三冷凝器中放热冷凝成液体，经过第三膨胀阀减压进入第三蒸发器，在第三蒸发器中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第三压缩机吸入压缩成高温高压气体，再进入第三冷凝器进行下一个循环。
作为优选，所述的控制系统包括有plc控制器，plc控制器内部嵌有稻谷和小麦的环境温度-干燥热量消耗数学模型以及环境温度-热泵输出功率数学模型，plc控制器利用环境温度监测系统中的环境温度传感器检测环境出温度，再根据该温度数据，利用嵌入在plc控制器中的两个模型预测出在该环境温度下谷物干燥所需要消耗的热量以及在此环境温度下每一级热泵系统所具有的输出功率，通过plc控制器控制第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统的启动或关闭，调节加热系统的热量输出，以匹配该环境温度下谷物干燥的耗热需求。
作为优选，所述的加热系统的工作方式包括有第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统单独工作、其中两级系统组合工作或三级系统共同工作的方式；所述的第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统的输出功率均不相同，第一级热泵系统的输出功率p1、第二级热泵系统的输出功率p2、第三级热泵系统的输出功率p3采用大中小三种不同功率，即p1＞p2＞p3，加热系统的工作方式通过组合产生q1=p1＋p2＋p3、q2=p1＋p2、q3=p1＋p3、q4=p2＋p3q5=p1、q6=p2以及q7=p3共七种不同大小的功率输出，与环境工况进行匹配。
作为优选，所述的加热系统采用四级热泵系统，在第一级热泵系统1、第二级热泵系统、第三级热泵系统的基础上增设第四级热泵系统，加热系统由第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统、第四级热泵系统串联构成，该加热系统的工作方式包括有第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统、第四级热泵系统单独工作、其中两级系统组合工作、其中三级系统组合工作或者四级系统共同工作的方式；所述的第一级热泵系统、第二级热泵系统、第三级热泵系统、第四级热泵系统的输出功率均不相同，第一级热泵系统的输出功率p1、第二级热泵系统的输出功率p2、第三级热泵系统的输出功率p3、第四级热泵系统的输出功率p4采用大中小四种不同功率，即p1＞p2＞p3＞p4，加热系统的工作方式通过组合产生q1=p1、q2=p2、q3=p3、q4=p4、q5=p1＋p2、q6=p1＋p3、q7=p1＋p4、q8=p2＋p3、q9=p2＋p4、q10=p3＋p4、q11=p1＋p2＋p3、q12=p1＋p2＋p4、q13=p1＋p3＋p4、q14=p2＋p3＋p4以及q15=p1＋p2＋p3＋p4共十五种不同大小的功率输出，与环境工况进行匹配。
作为优选，所述的第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机均采用喷气增焓压缩机，保证各级热泵系统在-15℃下正常工作，增大了压缩机在严寒下的制热能力。
本发明的有益效果：本装置改善热泵加热系统的性能，对工况适应性佳，热泵加热系统的输出功率能随着谷物干燥热量需求的变化进行相应的调整，根据环境工况对输出热量进行调节，降低干燥能耗，利于节能环保。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明不同工况下的热泵系统能量输出示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种多种工况自适应的多级热泵型低温循环式谷物干燥机，包括干燥机本体、加热系统、控制系统及环境温度监测系统四个部分，环境温度监测系统连接至控制系统，控制系统与加热系统连接，所述加热系统由第一级热泵系统1、第二级热泵系统2、第三级热泵系统3串联而成，第一级热泵系统1由第一冷凝器101、第一膨胀阀102、第一蒸发器103和第一压缩机104组成，第二级热泵系统2由第二冷凝器201、第二膨胀阀202、第二蒸发器203和第二压缩机204组成，第三级热泵系统3由第三冷凝器301、第三膨胀阀302、第三蒸发器303和第三压缩机304组成，外部新风依次经过第一冷凝器101、第二冷凝器201、第三冷凝器301吸收制冷工质释放出来的热量后，送入烘干机4对谷物进行加热并吸湿干燥，废气经过风机5排出，同时第一级热泵系统1中高温高压的制冷剂在第一冷凝器101中放热冷凝成液体，经过第一膨胀阀102减压进入第一蒸发器103，在第一蒸发器103中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第一压缩机104吸入压缩成高温高压气体，再进入第一冷凝器101进行下一个循环；第二级热泵系统2中高温高压的制冷剂在第二冷凝器201中放热冷凝成液体，经过第二膨胀阀202减压进入第二蒸发器203，在第二蒸发器203中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第二压缩机204吸入压缩成高温高压气体，再进入第二冷凝器201进行下一个循环；第三级热泵系统3中高温高压的制冷剂在第三冷凝器301中放热冷凝成液体，经过第三膨胀阀302减压进入第三蒸发器303，在第三蒸发器303中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由第三压缩机304吸入压缩成高温高压气体，再进入第三冷凝器301进行下一个循环。
本加热系统也可采用四级热泵系统，即在第一级热泵系统1、第二级热泵系统2、第三级热泵系统3的基础上增设第四级热泵系统，每级热泵系统均由一套独立的喷气增焓压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀构成，可独立工作，第一级热泵系统1、第二级热泵系统2、第三级热泵系统3、第四级热泵系统串联构成一个整体的加热系统，其工作原理与三级热泵系统一致，即冷空气依次经过第一级、第二级、第三级、第四级热泵系统的冷凝器，吸收制冷工质释放出来的热量，温度逐步提高到工艺要求的温度后，进入烘干机对谷物进行加热并吸湿干燥，废气经过风机排出，各级热泵系统中高温高压的制冷剂在冷凝器中放热冷凝成液体，经过膨胀阀减压进入蒸发器，在蒸发器中从周围环境中吸热蒸发变成气体，由压缩机吸入压缩成高温高压气体，再进入冷凝器进行下一个循环。
所述控制系统包括有plc控制器6，plc控制器6内部嵌有稻谷和小麦的环境温度-干燥热量消耗数学模型以及环境温度-热泵输出功率数学模型，首先通过plc控制器6，利用环境温度监测系统中的环境温度传感器检测环境出温度，再根据该温度数据，利用嵌入在plc控制器6中的两个模型预测出在该环境温度下谷物干燥所需要消耗的热量以及在此环境温度下每一级热泵系统所具有的输出功率，通过plc控制器6控制第一级热泵系统1、第二级热泵系统2、第三级热泵系统3中某一级单独作业、某二级系统组合工作或三级热泵系统共同工作的启动或关闭，调节加热系统的热量输出。
具体的，在构建热泵加热系统时，选择不同功率的制冷压缩机，使每级热泵系统的输出功率均不相同，即p1＞p2＞p3或p1＞p2＞p3＞p4。同时，对于三级热泵加热系统，使整个热泵加热系统的最大总输出功率pmax=p1＋p2＋p3，最小总输出功率pmin=p3。假设小麦收获季最高环境温度为40℃，水稻收获季最低环境温度为0℃，将烘干机工作的环境温度划分为7段，即：t1=0-5℃、t2=5-10℃、t3=10-15℃、t4=15-20℃、t5=20-25℃、t6=25-30℃、t7=35-40℃。如图2，对于三级热泵系统，就可以通过控制系统，使某一级热泵系统单独工作、某两级系统组合工作或三级系统共同工作的方式，产生q1=p1＋p2＋p3、q2=p1＋p2、q3=p1＋p3、q4=p2＋p3q5=p1、q6=p2以及q7=p3共7个不同的功率输出。q1-q7分别对应着t1-t7，也就是说当温度传感器检测到环境温度在t1时，控制系统使第一级、第二级和第三级热泵系统全部启动工作，产生q1的功率输出；而当温度传感器检测到环境温度为t7时，控制系统使第三级热泵系统工作，将第一级和第二级热泵系统关闭，产生q7的功率输出，其余以此类推。通过这种方式，就可以使热泵系统的输出功率，随着环境温度和谷物干燥热量需求的变化而进行相应的调整，从而达到降低干燥能耗的目的。按照同样的方法，如果热泵加热采用4级热泵系统，则可以产生q1=p1、q2=p2、q3=p3、q4=p4、q5=p1＋p2、q6=p1＋p3、q7=p1＋p4、q8=p2＋p3、q9=p2＋p4、q10=p3＋p4、q11=p1＋p2＋p3、q12=p1＋p2＋p4、q13=p1＋p3＋p4、q14=p2＋p3＋p4以及q15=p1＋p2＋p3＋p4共15个不同的功率输出，热泵系统的输出功率随着环境温度和谷物干燥热量需求变化的调整更为精确。
本具体实施方式的技术优势在于：(1)第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机均采用喷气增焓压缩机，不但保证各级热泵系统在-15℃下正常工作，而且增大了压缩机在严寒下的制热能力，解决了热泵系统在低温下性能急剧下降、热风温度过低，不能正常启动工作的问题。
(2)建立稻谷和小麦的环境温度-干燥热量消耗数学模型以及环境温度-热泵输出功率数学模型，并将其嵌入在plc控制器中，能根据检测到的环境温度，自动预测出在环境温度下谷物干燥所需要消耗的热量以及在此环境温度下每一级热泵系统所具有的输出功率及总输出功率，以匹配该环境温度下谷物干燥的耗热需求，从而改善整个热泵加热系统的性能，达到降低能耗的目的。
(3)采用三级或四级输出功率不同的热泵系统构成多级加热系统，根据温度传感器检测到的环境温度，通过plc控制器使其中的某一级热泵系统单独工作、某两级系统组合工作或三级系统共同工作的方式，产生7个(三级热泵系统)或15个(四级热泵系统)不同的功率输出，分别对应7种或15种环境温度工况，使热泵系统的输出功率可随环境温度的变化而调整，实现热泵系统的输出功率随着干燥热量需求的变化进行较为精确的调整，达到节能降耗的目的，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。