馮道寧 李 麗 李志春 盛金鳳

(1. 廣西機電職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007；2. 廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工所，廣西 南寧 530007)

小型干燥與低溫保鮮兩用熱泵系統(tǒng)的設計與應用

馮道寧1,2李 麗1李志春2盛金鳳2

(1. 廣西機電職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007；2. 廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工所，廣西 南寧 530007)

設計一種可以實現(xiàn)低成本批量高溫干燥加工和低溫保鮮農(nóng)產(chǎn)品的小型兩用熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)改良了保溫房的結構，將干燥室和冷庫合二為一；采用了排濕和循環(huán)一體的新型風道。由于選用混合型制冷劑，熱泵變溫范圍可達 5～75 ℃，山藥烘干和桑椹冷藏的試驗結果表明：系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，在干燥模式時其升溫極限高，脫水速率快，在低溫保鮮模式時的制冷和保溫效果好，達到了設計要求。

農(nóng)產(chǎn)品；干燥；低溫保鮮；熱泵系統(tǒng)

熱泵是一種高效節(jié)能的新能源系統(tǒng)，既可以提供熱源實現(xiàn)對物料的加熱干燥，也可以通過熱交換實現(xiàn)制冷對瓜果蔬菜進行保鮮[1]。由于熱泵的變溫范圍有限，故國內(nèi)外對熱泵設備的現(xiàn)有研究都是圍繞著單熱或單冷功能，例如：張?zhí)m訓等[2]提出利用冷庫制冷時釋放的熱量對干燥箱內(nèi)的物品進行低溫干燥；李陽春等[3]對熱泵干燥的多種循環(huán)模式進行了分析；Nguyen等[4]使用熱泵閉環(huán)系統(tǒng)在30～35 ℃范圍內(nèi)低溫干燥木鱉果；羅喬軍等[5]分析了不同結構熱泵在各種氣候環(huán)境下的適應狀態(tài)和節(jié)能效果。

為了滿足高溫干燥和冷藏保鮮的需求，企業(yè)或農(nóng)戶不得不購買兩套熱泵設備，造成重復投資?；诖嗽O計了一種雙用途的熱泵系統(tǒng)，并在此基礎上研究高溫對山藥干燥脫水效率的影響，以及桑椹在低溫冷藏狀態(tài)下的保鮮效果。旨在進一步拓寬熱泵在食品加工中的應用前景。

1 兩用熱泵系統(tǒng)的設計

1.1 保溫房構造

冷庫和烘房的保溫原理相似，但冷庫的保溫標準高于烘房，保溫材料選擇10 cm厚的雙面不銹鋼聚氨酯保溫板，其厚度是普通烘房保溫材料厚度的兩倍，此外烘房和冷庫房體的結構和布局上也有顯著差異，例如烘房需要新風的進風門、排濕百葉窗、大功率的循環(huán)風機，而冷庫不需要；且進風門和排濕百葉窗一般采用鋁合金構件，若保溫房做冷藏用時會使得保溫效果急劇下降，為此對保溫房進行重新設計，使之可以滿足烘房和冷庫的雙重需要。

保溫房構造如圖1所示，在電控進風門3和排濕百葉窗9的外部，均設計了與風門和窗體大小一致的保溫罩，保溫罩的一邊用鉸鏈固定在保溫房的外壁，使其可以類似衣柜門一樣沿著鉸鏈的轉軸靈活轉動。當作烘房使用時，將保溫罩的插銷打開，保溫罩以轉軸為中心旋轉向下拉開；當作冷庫使用時，將保溫罩沿著轉軸向上閉合，利用自帶的插銷將保溫罩扣緊在外壁上，這樣便可形成一個完全密閉的保溫冷庫。

1.2 熱泵機組的設計

熱泵機組結構(圖2)由壓縮機、四通閥、室外換熱器、室內(nèi)換熱器、膨脹閥等過制冷劑管路連接成并形成一個制冷循環(huán)，通過四通電磁閥完成制冷和制熱模式的切換(制冷時，制冷劑流向如圖2中實線箭頭所示；制熱時，制冷劑流量如圖2中虛線箭頭所示)，能夠滿足全年運行冷熱負荷大范圍變化的要求。

1. 熱泵主機 2. 保溫房 3. 電控進風門 4. 進風罩 5. 室內(nèi)散熱器 6. 循環(huán)風機 7. 支架 8. 螺桿調節(jié)基座 9. 排濕百葉窗 10. 百葉窗保溫罩 11. 電控進風門保溫罩

圖1 保溫房內(nèi)部構造

Figure 1 Structure of thermal insulation room

1. 四通閥 2. 壓縮機 3. 膨脹閥 4. 循環(huán)風機 5. 室外換熱器 6. 室內(nèi)換熱器

圖2 熱泵機組結構

Figure 2 Thermal insulation shutter

1.2.1 選用高溫干燥模式 此時四通閥通電，系統(tǒng)按制熱方式運行，室內(nèi)換熱器為冷凝器，室外換熱器為蒸發(fā)器，其過程是冷媒通過蒸發(fā)器吸取室外的低溫熱源的熱量，然后經(jīng)過壓縮機成為高溫高壓的氣體，冷媒然后通過冷凝器放熱后變成高壓液體，同時冷媒的液化過程釋放出的熱量提升室內(nèi)空氣溫度，冷媒再經(jīng)過膨脹閥減壓變成過熱液體，最后流入蒸發(fā)器吸取熱量后重新進入壓縮機完成一個循環(huán)。

1.2.2 選用低溫保鮮模式 當室內(nèi)溫濕度都比較高，系統(tǒng)運行于制冷模式。此時四通閥斷電，系統(tǒng)冷媒的循環(huán)為制熱的逆過程，室外換熱器為冷凝器，室內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器，冷媒通過蒸發(fā)器吸收室內(nèi)空氣中的熱量而不斷汽化，使得房間的溫度降低，并把吸收的熱量帶到室外通過冷凝器釋放。

1.3 風道的改進

系統(tǒng)的風道包括熱循環(huán)風道和排濕風道，其直接影響干燥效率和干燥效果，傳統(tǒng)烘干房內(nèi)通常都加裝了頂部排濕風扇和外接于烤房外的回風道，見圖3(a)。

改進后的風道如圖3(b)所示，減少了外接風道和排濕風機，新風道中的循環(huán)風機兼有排濕風機的功能。循環(huán)風機安在角度可調節(jié)的基座上，和水平面呈一定的傾角，利用烘房內(nèi)墻形成的回流壁使得熱風得以循環(huán)，從而形成了一個完整的循環(huán)風道；循環(huán)風機的基座底部和螺桿連接(見圖1)，通過螺桿調節(jié)循環(huán)風機的傾斜角，以方便調整循環(huán)風道的角度，滿足烘干過程中對風量的需求，提高烘烤效率。當需要排濕時，打開電控進風門，循環(huán)風機將外部空氣吸入烤房內(nèi)，當吸入的空氣達到一定量時，烘房內(nèi)的氣壓將高于烘房外的氣壓，內(nèi)外氣壓差使得烘房內(nèi)的濕氣通過底部的百葉窗自動排出，此時循環(huán)風道兼有了排濕風道的功能[6]。

1. 循環(huán)風機 2. 排濕風機 3. 外接風道 4. 排濕百葉窗 5. 電控進風門

圖3 傳統(tǒng)風道與改進后風道示意圖

Figure 3 Structure of normal air duct and improved air duct

電動進風口和排濕百葉窗均為金屬材質，在系統(tǒng)制熱干燥時必須開啟，雖然兩者面積不大，但金屬窗體良好的導熱性不利于室內(nèi)保溫，尤其在冬季影響更為嚴重，因此在后期改進中采用鋁箔纖維隔熱棉覆蓋在窗體的外部，以保證百葉窗在正常工作下能大幅提升保溫效能。在烘房內(nèi)空置情況下，對烘房改進前后的保溫效果進行測試，結果表明，在室外環(huán)境溫度21.3 ℃，室內(nèi)溫度60.5 ℃和風速8.4 m/s不變的情況下，百葉窗附近的溫度只有27.2 ℃，比改造前低約9 ℃，熱量損耗約減少60%。

1.4 循環(huán)工質

制冷劑是實現(xiàn)熱泵大范圍變溫的關鍵要素之一，普通制冷劑如常見的R22、R410a、R134a、R407c等均可以在熱泵上使用，且變溫范圍均在15～55 ℃，其最低溫度不能滿足冷藏的需要，最高溫度也不能達到高溫快速干燥的標準。雖然R22對大氣層有一定的破壞作用，但由于價格便宜，性能優(yōu)良，R22在中國市場占有率依然很高[7]。R22屬于安全等級較高且不易燃易爆制冷劑，但R22在高溫工況下運行，壓縮機的排氣溫度和壓力都很高，易造成壓縮機頻繁停機保護甚至損壞；制冷劑R142b雖然屬于易燃易爆工質，但高溫熱力性能良好，R142b必須與其他工質混合使用以提高安全等級[8]。因此根據(jù)升溫極限的不同，將R22/R141b按質量比為6.6/3.4～7.0/3.0范圍混合成新型冷媒[9]。隨著R142b在混合冷媒中比例的增加，制熱量會減小，但抑制了R142b的可燃性，同時有效降低系統(tǒng)的排氣溫度和壓力，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[10]。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料及設備

2.1.1 試驗材料

山藥：干基含水率為3.39%；

桑椹：干基含水率為8.95%。

2.1.2 試驗設備

智能電表：LCDG-DG213-50型，山東力創(chuàng)公司；

風速/風溫儀：VC816B型，勝利科技有限公司；

溫濕度探頭：SHT10型，深圳科比商貿(mào)電子有限公司；

變頻冰箱：BCD-290W型，青島海爾集團公司。

2.2 評價指標

2.2.1 除濕能耗比與性能系數(shù)的測定 為了對熱泵系統(tǒng)的性能進行深入的研究，在干燥模式時對物料在不同溫度的脫水速率進行了測試，同時引入除濕能耗比(specific moisture extraction rate，SMER)和熱泵干燥系統(tǒng)的性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)對熱泵系統(tǒng)做綜合評價[11]。單位除濕能耗比定義為：

(1)

式中：

S——除濕能耗比，kg/(kW·h)；

M——熱泵干燥裝置的水分蒸發(fā)量，kg；

W——熱泵的總耗能，kW·h。

熱泵干燥系統(tǒng)的性能系數(shù)根據(jù)式(2)計算[12]：

C=1+S×h，

(2)

式中：

C——性能系數(shù)；

S——除濕能耗比，kg/(kW·h)；

h——水的蒸發(fā)潛熱，水在100 ℃時的蒸發(fā)潛熱為1.596 kg/(kW·h)。

2.2.2 失水率的測定 采用稱重法。失水率按式(3)計算：

(3)

式中：

X——失水率，%；

ML——流失的汁液質量，g；

MC——初始質量，g。

2.2.3VC含量的測定 按GB/T5009.86—2003的熒光法執(zhí)行。

2.3 試驗方法

烘房尺寸：3.35m×1.8m×1.8m，室內(nèi)初始溫度是22.4 ℃，相對濕度72.6%。室外環(huán)境溫度為23.5 ℃，5匹熱泵功耗最大功率4kW，風機功耗1kW，風機和熱泵壓縮機運行頻率均為工頻50Hz，室內(nèi)風機風速為8.4m/s，混合制冷劑R22和R141b的摩爾含量為75%和25%。

2.3.1 干燥溫度對物料干燥特性測試 山藥切片厚度為5mm，分別取55，65，75 ℃進行干燥試驗?？紤]到在烘房內(nèi)不同位置的風量和溫度均有差異，試驗中取烘房中心為定點位置[13]，分6層均勻放置了24盤重量為1.60kg/盤的新鮮山藥。試驗過程中每隔30min分別從每盤中各抽取50g山藥進行干基含水率測試。

2.3.2 冷藏保鮮測試 設定溫度為6 ℃，將保溫房的進風門和排濕百葉窗用保溫罩封閉，以提升保溫效果，但果蔬貯藏過程中會釋放一些氣體，累積到一定程度會使冷藏品生理失調，故每隔8h人工開啟保溫罩一次，并利用進風門和排濕百葉窗換氣1min。原料為新鮮桑椹，其VC含量為32.2mg/100g，冷藏時間為48h，循環(huán)風扇只開啟一個(0.5kW)。

3 結果與分析

3.1 干燥溫度對山藥熱泵干燥特性的影響

由圖4可知，在干燥過程中各試驗組樣品的干基含水率均隨時間增加逐步減小，且溫度越高干燥曲線越陡，說明山藥的干燥特性受溫度影響較大；上述結論也在圖5中得到驗證，在初始階段的溫度越高，干燥速率越大，其中75 ℃的曲線斜率最大。圖4所示的75 ℃的干燥曲線在5.5h附近出現(xiàn)明顯的下降拐點，65 ℃的干燥曲線在6h左右出現(xiàn)類似的下降拐點，這是因為山藥內(nèi)部的水分越來越少，水分從內(nèi)部遷移到表面的速率和從表面蒸發(fā)到周圍空氣中的速率都隨之降低，導致干燥變緩慢，且烘干溫度越高，拐點出現(xiàn)的時間越早，而較低烘干溫度(55 ℃)的干燥曲線保持相對平滑。

為公平起見，將3種溫度干燥曲線以出現(xiàn)下降拐點的最早時間5.5h為時間節(jié)點做數(shù)據(jù)分析。如表1所示，在烘干的前5.5h里，75 ℃曲線的干基含水率和除濕能耗比均優(yōu)于其他兩種溫度，這是由于物料初始濕度較高，高溫可以顯著地提高脫水效率；同時從圖4分析可知，自4.5h開始，75 ℃曲線的干基含水率的下降速率出現(xiàn)減緩，5.5～6.0h時尤為明顯；6h后，75 ℃和65 ℃的曲線趨于重合，原因在于山藥含有較多糊化淀粉、甘露聚糖和黏性蛋白等成分，持續(xù)高溫干燥不但對山藥的營養(yǎng)成分產(chǎn)生較大的破環(huán)，還使山藥的表面產(chǎn)生硬化膜，阻礙內(nèi)部水分的蒸發(fā)[14-15]，因此過高的干燥溫度在干燥階段的中后期會對脫水效率起反作用。

圖4 不同溫度下山藥的干燥曲線Figure 4 Drying curves of Chinese yam dried atdifferent temperatures

圖5 不同溫度下山藥干燥速率的變化Figure 5 Changes in the drying rate of Chinese yam driedat different temperatures

表1 不同溫度下的干燥試驗數(shù)據(jù)Table 1 Test datas of drying at differenttemperature (5.5 h)

如圖4所示，在75 ℃干燥條件下，7.5h和8h的干基含水率分別為13.1和12.3，兩者之間的差值已小于1%，故選取7.5h為最終干燥時間。通過表2可以進一步分析硬化膜對干燥速率和除濕能耗比的影響，當干燥時間為5.5h時其除濕能耗比值為1.17，6h減為1.07，之后隨著干燥時間增加該值逐漸下降，7.5h時其值已低至0.89，由上述分析可知由于硬化膜阻礙水分蒸發(fā)，系統(tǒng)的除濕效率已大幅減弱。故如前文所述，在烘干含淀粉和糖類較高的農(nóng)產(chǎn)品時，應在干燥階段的中后期適當降低干燥溫度，以有效地節(jié)約能源，避免硬化膜的產(chǎn)生，提高干燥產(chǎn)品的品質[16-17]。

表2 75 ℃干燥時的干基含水率和除濕能耗比Table 2 Moisture content and SMER at 75 ℃ drying

3.2 熱泵系統(tǒng)對桑椹的保鮮效果

失水率和VC含量的變化常作為衡量水果新鮮程度的重要指標[18-20]。因冷藏容積及物料質量不同，總能耗不具備可比性，數(shù)值僅供參考。表3對比了冰箱和熱泵系統(tǒng)保鮮效果，兩者儲存的桑椹在48h后的失水率和Vc含量均接近，目測表面色澤無明顯差別，熱泵系統(tǒng)在制冷狀態(tài)下對果蔬的保鮮效果接近于冰箱。

表3 熱泵系統(tǒng)和冰箱冷藏保鮮效果對比?Table 3 Comparison of cold storage effect between theheat pump and refrigerator after 48 hour

? 貯藏48h。

4 結論

試驗結果表明，兩用熱泵系統(tǒng)在高溫干燥時可以顯著提高物料初期的脫水效率，在山藥烘干試驗的前5.5h，75 ℃曲線的干基含水率和除濕能耗比均優(yōu)于55 ℃和65 ℃溫度曲線；低溫狀態(tài)下該熱泵系統(tǒng)保鮮能力基本與普通冰箱持平，在冷藏試驗中桑椹的脫水率和VC含量與冰箱保鮮的桑椹樣品并無明顯差異。在制造成本上兩用熱泵系統(tǒng)僅比單熱/單冷型的熱泵系統(tǒng)增加5 000元左右，占設備總造價的1/10，試驗還發(fā)現(xiàn)干燥或冷藏所需的最佳風速因物料的材質而異，因此后期改進中將采用變頻技術控制風機來優(yōu)化風量的控制，同時實現(xiàn)保溫罩的電動開啟和關閉。

[1] 孫玉紅, 黃太生. 空氣能熱泵干燥技術在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應用與分析[J]. 廣西農(nóng)學報, 2013(3): 44-46.

[2] 張?zhí)m訓, 韋玉堂, 王振輝, 等. 熱泵低溫干燥與冷藏保鮮聯(lián)合裝置的開發(fā)[J]. 農(nóng)機化研究, 2008(9): 105-107.

[3] 李陽春, 王劍鋒, 陳光明, 等. 熱泵干燥系統(tǒng)幾種循環(huán)的對比分析與研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2003, 34(6): 84-86, 95.

[4]NGUYENDinhDuc, 李保國, 薛雅萌. 木鱉果熱泵低溫干燥工藝研究[J]. 制冷學報, 2014, 35(6): 109-113.

[5] 羅喬軍, 張進疆, 何琳, 等. 空氣源熱泵谷物干燥的研究進展[J]. 食品與機械, 2014, 30(3): 228-233.

[6] 馮道寧, 孫健, 李麗, 等. 太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng): 中國,ZL201320617683.6[P]. 2014-05-17.

[7] 張碩. 制冷劑采購市場調查報告[R/OL]. (2012-07-05)[2015-08-12].http://bao.hvacr.cn/201207_2026295.html, 2012-7-5.

[8] 趙鵬. 非共沸混合制冷劑在高溫空調中的實驗研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學, 2010: 123-125.

[9] 倪宜華, 陳志文. 非共沸混合制冷劑在高溫空調中的實驗研究[J]. 低溫與超導, 2009(9): 69-72.

[10] 胡斌, 王文毅, 王凱, 等. 高溫熱泵技術在工業(yè)制冷領域的應用[J]. 制冷學報, 2011(5): 1-5.

[11] 張緒坤, 華棟, 徐剛, 等. 熱泵干燥系統(tǒng)性能試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2006(4): 94-98.

[12] 高鶴, 易建勇, 劉璇, 等. 番木瓜熱風干燥特性分析[J]. 食品與機械, 2014, 30(4): 38-42.

[13] 陳桂星, 于東, 施海敏, 等. 山藥加工方法的研究進展[J]. 包裝與食品機械, 2010, 28(5): 35-38.

[14] 高飛, 陳潔. 干燥風速對掛面品質的影響[J]. 河南工業(yè)大學學報: 自然科學版, 2009(6): 17-20.

[15] 焦巖, 李保國, 張巖, 等. 冰箱冷藏條件對果蔬貯藏質量的影響[J]. 食品科學, 2002(6): 150-153.

[16] 何新益, 馮瑞偉, 黃宗海, 等. 冬棗變溫壓差膨化干燥工藝的研究[J]. 食品與機械, 2010, 26(4): 126-128.

[17] 王雅嬌, 郭潔. 熱風風速和相對濕度對扇貝柱干燥特性及品質的影響[J]. 現(xiàn)代食品科學, 2013(12): 2 915-2 920.

[18] 衛(wèi)春會, 邊名鴻, 黃治國, 等. 桑椹酒香氣成分的HS—SPME—GC—MS分析[J]. 食品與機械, 2013, 29(3): 27-30.

[19] 包海蓉, 程裕東. 凍藏溫度對桑椹品質影響的研究[J]. 食品科學, 2006, 27(12): 130-133.

[20] 李麗, 李昌寶, 鄧海燕, 等. 廣西桑葚果汁營養(yǎng)成分及抗氧化活性分析[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報, 2012, 43(9): 1 378-1 381.

Design and application of the mini heat pump system for drying and low-temperature preservation

FENG Dao-ning1,2孫 健2SUNJian2LILi1LIZhi-chun2SHENGJin-feng2

(1.GuangxiVocationalCollegeofMechanical&ElectricalTechnology,Nanning,Guangxi530007,China； 2.Agro-foodScienceandTechnologyResearchInstitute,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning,Guangxi530007,China)

A small drying and refrigerating dual-purpose heat pump system for batch processing agriculture products was developed. The system was featured with low cost, improved structure of insulated room and new wet discharge-cycle air duct. heat pump selection of mixed refrigerant aimed at the drying highest temperature and the lowest refrigeration temperature respectively was 75 ℃ and 5 ℃. These reach results demonstrated that the system was stable, meet the design requirements of the high limit temperature and dehydrate rate in dry heating mode, and work well in keep-fresh mode.

agriculture product; dry; low-temperature preservation; heat pump

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(編號：201303073-06)；國家星火計劃項目(編號：2013GA790007)

馮道寧，男，廣西機電職業(yè)技術學院副教授，碩士。

孫健(1978—)，男，廣西農(nóng)業(yè)科學研究院研究員，博士。 E-mail:jiansun@yahoo.cn

2016-12-21

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.018