朱 燁， 江 濤， 洪 揚， 陳 超， 鄒海生， 邢精珠

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，上海，200092)

海帶是一種低堿性食物，富含人體所需的碘、鈣、磷等多種元素，是抑制老年肥胖，消除動脈硬化、防止甲狀腺腫大等疾病最理想的療效食品之一[1]。中國海帶養(yǎng)殖面積很廣，沿海各地都有養(yǎng)殖，福建、江蘇、山東等地的海帶加工廠也很多。采收的新鮮海帶通常含水率約為90%，需要經(jīng)過粗加工進(jìn)行脫水干燥處理，以便儲藏、再加工和消費。而干燥處理，是海帶加工中的重要技術(shù)過程。天然晾曬是傳統(tǒng)的海帶干燥方式，受到場地以及天氣的影響，存在衛(wèi)生狀況差、晾曬周期長、勞動力大等問題，導(dǎo)致海帶品質(zhì)低。使用鍋爐燃煤的方式烘干海帶，易造成污染環(huán)境，而且能源利用率低。使用天然氣為能源的方式烘干海帶，能源和設(shè)備維護(hù)成本較高，安全性不可靠[2]。

熱泵干燥目前在各個領(lǐng)域的研究應(yīng)用較多，相對于燃煤、燃?xì)?、燃油設(shè)備，其節(jié)能40%～60%，且烘干產(chǎn)品質(zhì)量好[3-5]。1943年，德國首次采用熱泵技術(shù)用于地下室除濕，之后迅速得到應(yīng)用[6]，如用熱泵干燥機(jī)對種子、果蔬進(jìn)行干燥試驗，結(jié)果表明熱泵干燥是一種節(jié)能、有效的干燥方法[7-10]。張建峰等[11]利用可編程控制器(PLC)與熱泵干燥結(jié)合，對干燥溫濕度、風(fēng)速等進(jìn)行設(shè)定和自動控制，提高了干燥產(chǎn)品品質(zhì)。張宇凱[12]采用比例-積分-微分控制(PID)與模糊控制結(jié)合的方法，增強控制的精確適應(yīng)性。另有一些研究表明，采用太陽能耦合熱泵式干燥，能夠節(jié)約能耗、提高能源利用率[13-17]。張璧光等[18-19]做了太陽能熱泵聯(lián)合干燥的試驗研究，驗證其可行性。但現(xiàn)有針對海帶干燥方面的研究較少。

本研究設(shè)計了海帶太陽能輔熱耦合干燥系統(tǒng)，通過對陽光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫濕度調(diào)節(jié)，進(jìn)行試驗分析，為海帶干燥技術(shù)提供新方法。

1 耦合干燥系統(tǒng)

中國有較豐富的太陽能資源，約有2/3的國土年輻射時間超過2 200 h，年輻射總量超過5 000 MJ/m2[20]。熱泵干燥具有節(jié)能環(huán)保、污染環(huán)境少等優(yōu)勢，將太陽能與熱泵系統(tǒng)耦合，能夠降低干燥過程的電能消耗。耦合干燥系統(tǒng)主要由陽光棚、熱泵系統(tǒng)和太陽能儲熱系統(tǒng)3大部分組成(圖1)。其工作原理是：陽光棚內(nèi)空氣經(jīng)太陽光照，溫度升高；太陽能儲熱系統(tǒng)給水箱儲熱，可為陽光棚提供熱量；熱泵系統(tǒng)對陽光棚內(nèi)空氣加熱與除濕；這3種形式的加熱模式可進(jìn)行耦合，被處理后的熱空氣經(jīng)陽光棚內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)送入干燥室，對物料進(jìn)行干燥處理；排出的熱量可通過排濕熱能回收器回收至蒸發(fā)器側(cè)。該系統(tǒng)具有以下特征：根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣髟O(shè)計太陽能集熱器和熱泵功率，提高集熱器的集熱與蓄熱能力及熱泵的供熱能力；提供3種供熱模式，可根據(jù)物料干燥情況改變不同耦合模式；干燥室內(nèi)裝有側(cè)排風(fēng)機(jī)，外部裝有余熱回收器，溫度較高而濕度較大的空氣可通過側(cè)排或余熱回收器回收。

圖1 耦合干燥系統(tǒng)示意圖

2 陽光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

陽光棚由排風(fēng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、風(fēng)道、懸掛機(jī)構(gòu)等組成(圖2)。

圖2 陽光棚結(jié)構(gòu)圖

2.1 風(fēng)道

根據(jù)海帶的特性，可調(diào)節(jié)拆卸風(fēng)板，形成兩種風(fēng)道模式：一種是從上進(jìn)風(fēng)，一種是從側(cè)面進(jìn)風(fēng)。這兩種模式分別適用于海帶懸掛和海帶平鋪。若從上進(jìn)風(fēng)，需將第一風(fēng)室內(nèi)用拆卸擋板1封住，則風(fēng)從第二風(fēng)室經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)直接進(jìn)入干燥室內(nèi)；若從側(cè)面進(jìn)風(fēng)，則需將干燥室內(nèi)上部用可拆卸擋板2封住，則風(fēng)從第二風(fēng)室經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)、干燥室上部進(jìn)入第一風(fēng)室內(nèi)，然后通過側(cè)面散流擋風(fēng)板將風(fēng)均勻引入干燥室內(nèi)。試驗過程中，選用懸掛模式，對整根海帶進(jìn)行烘干。

2.2 懸掛機(jī)構(gòu)

懸掛機(jī)構(gòu)是采用直徑4 mm鋼絲繩為海帶的掛架，鋼絲繩穿過固定在干燥室上部干燥室風(fēng)板下部的掛鉤上，來回繞用鎖扣緊固，共繞16排。在鋼絲繩上固定改造后的海帶夾，一排4個海帶夾。

3 試驗裝置設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)的選擇

陽光棚(長×寬×高)4 m×2 m×2 m，烘房(長×寬×高)3 m×2 m×1.6 m。放置海帶64根，總質(zhì)量60 kg，一根海帶大小為(長×寬)1.6 m×0.2 m，初始含水率約90%，烘干后含水量15%以下。試驗所在地為山東省榮成市尋山集團(tuán)。7—8月份，白天平均氣溫25 ℃，大氣壓強0.1 MPa，空氣相對濕度80%，日均照量15.135 MJ/(m2·d)。

3.2 干燥所需排濕量

海帶排濕量由式(1)可得：

(1)

式中：W—海帶排濕量(kg)；m—海帶初始質(zhì)量(kg)；V1—海帶初始含水率(%)；V2—干海帶含水率(%)。代入已知參數(shù)，可得W=52.94 kg。

3.3 干燥過程需熱量計算

為了節(jié)省能耗，白天采用光照加集熱水箱形式供熱，下午16：00開啟熱泵進(jìn)行烘干。

1)外墻逃逸能量[21]

Q外損=A×Δt×h

(2)

式中：A—外墻面積，m2；Δt溫差，℃；h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，傳熱系數(shù)為0.7 W/(m2·K)；Q外損—外墻逃逸能量，J。計算可得Q外損=1 288.89W=4.64×106J

2)地面損失熱量

Q地?fù)p=A×Δt×h

(3)

式中：A—地面面積，m2；Δt溫差，℃；h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，鋁板地面加保溫材料，傳熱系數(shù)為2.5 W/(m2·K)；Q地?fù)p—地面損失熱量，J。計算可得Q地?fù)p=1 150 W=4.14×106J

3)排風(fēng)損失熱量

m空氣=ρY

(4)

m排風(fēng)含濕量/進(jìn)風(fēng)含濕量=m飽和含水量×Ψ

(5)

m排風(fēng)含水量/進(jìn)風(fēng)水量=m排風(fēng)含水量×m空氣

(6)

Q排風(fēng)/進(jìn)風(fēng)=Cm排風(fēng)水量/進(jìn)風(fēng)水量Δt

(7)

式中：Y—熱交換排風(fēng)風(fēng)量(m3/h)，為2 800 m3/h；ρ—空氣密度(kg/m3)，為1.29 kg/m3；C—水比熱容[J/(kg·K)]，為1.003 J/(kg·K)；m飽和含水量—排氣溫度25 ℃，Ψ濕度80%的飽和含水量 (g/kg)，飽和含水量為20.36 g/kg；排氣溫度30 ℃;Ψ濕度60%的飽和含水量(g/kg)，飽和含水量為27.28 g/kg；進(jìn)氣溫度22℃，Ψ濕度60%的飽和含水量(g/kg)，飽和含水量為14.9 g/kg；Q排風(fēng)/進(jìn)風(fēng)—排風(fēng)/進(jìn)風(fēng)損失熱量，J。計算可得:Q排風(fēng)= 2.92×106J，Q進(jìn)風(fēng)= 5.2×106J，Q總熱損耗=16.9×106J。

4)水蒸發(fā)吸熱量

Q吸1=C海水m1Δt

(8)

Q吸2=r×m2

(9)

式中：Q吸1—海帶吸收能量(J)；C海水—海水比熱容[J/(kg·K)]，海水比熱容為3 890[J/(kg·C)]；m1—海帶質(zhì)量(kg)，含水率65%海帶質(zhì)量為17.15 kg；Δt—溫差(℃)；Q吸2—水氣化吸收能量；r—53.9℃水氣化潛熱，汽化潛熱為2 372.3 kJ/kg；m2—水蒸發(fā)的質(zhì)量(kg)，水蒸發(fā)質(zhì)量為10.1 kg。

熱泵開啟，海帶含水率從65%(17.15 kg)降到15%(7.05 kg)，Q吸1= 2.0×106J ，Q吸2=2.4×107J，Q總吸=Q吸1+Q吸2=26×106J。

3.4 太陽能集熱板面積大小計算

太陽能集熱器的主要作用，就是把太陽光中的熱能收集起來，通過連通管路傳遞給水箱，加熱水箱中的冷水，起到儲熱作用。本文選擇全玻璃真空管集熱器[22]。每根太陽能真空管的集熱面積為0.152 m2，設(shè)水箱內(nèi)水的質(zhì)量為1 000 kg。

(10)

式中：Ac—系統(tǒng)集熱器采光面積[23]，m2；Qw—日均用水量kg；tend—儲水箱內(nèi)水的終止溫度，50 ℃；Cw—水的定壓比熱容4.187 kJ/(kg·℃)；ti—水的初始溫度30 ℃；JT—集熱器受熱面上年均日輻照量15 135 kJ/m2；f—太陽能保證率，0.7；ηcd—集熱器集熱效率，0.6；ηL—管路及儲水箱熱損失率，0.15。

計算面積Ac=7.6 m2，n=50根管子，即需要1組真空管(50根)，規(guī)格為直徑58 mm×1 800 mm。

3.5 熱泵選型

根據(jù)熱泵廠家提供3P空氣能熱泵性能參數(shù)，制熱量Q=10 kW，抽濕量CS=8 L/h，余熱回收裝置可排濕2 L/h；再根據(jù)計算的熱損耗量，故選擇江蘇歐麥朗設(shè)備安裝工程有限公司0ML-3P型熱泵。

4 耦合干燥系統(tǒng)試驗

在山東榮成地區(qū)多云、晴天兩種天氣環(huán)境條件下進(jìn)行試驗。

經(jīng)測試、整理，得出海帶干燥時外部環(huán)境溫度、濕度、光照度隨時間變化，同時測得陽光棚內(nèi)部的溫度、濕度變化過程。表1為模式1(純熱泵干燥模式)，表2為模式2(集熱板模式+熱泵干燥模式)，表3為模式3(通風(fēng)+熱泵+集熱板模式)，表4為耗電量、海帶含水率等對比。按照模式1、2、3烘干完測得，海帶根部(最后部位)含水率分別為10.34%、8.33%和9.24%。

表1 純熱泵干燥模式

表2 集熱板模式+熱泵干燥模式

表3 通風(fēng)+熱泵+集熱板干燥模式

從以上3種模式可以看出，陽光棚內(nèi)相對含水率下降速度不同，當(dāng)含水率達(dá)到60%左右時，模式3所需時間最短，當(dāng)在13:00左右時就已經(jīng)達(dá)到要求，比其他兩種模式快了1 h左右；模式2和模式3，因同是晴天條件，太陽輻射量基本相同，運用集熱板模式+熱泵干燥方式，但模式3通風(fēng)條件好，干燥時間要比模式2短，耗電量小，說明通風(fēng)對海帶干燥有一定影響；同時，模式3環(huán)境溫度高，濕度低，導(dǎo)致其效率比模式2高，干燥速率與環(huán)境溫度、濕度有關(guān)系。3種模式中，共同點就是當(dāng)相對濕度達(dá)到穩(wěn)定值，需適當(dāng)提高陽光棚溫度，使得海帶內(nèi)部結(jié)合水遷移到表層，則可蒸發(fā)出水分，其相對濕度就會降低；當(dāng)繼續(xù)升溫，其相對濕度不會改變，這是因為水分由海帶內(nèi)遷移到表層的速度變慢，落后于蒸發(fā)速度，海帶內(nèi)結(jié)合水基本達(dá)到干燥性能指標(biāo)，然而溫度過高會造成海帶干透或內(nèi)部結(jié)構(gòu)變質(zhì)，所以需適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度，既能節(jié)省能耗，又能提高干燥品質(zhì)。3種模式條件下，外部環(huán)境溫度、濕度對干燥效率有很大影響，模式1環(huán)境條件較惡劣，溫濕度高，較難進(jìn)行干燥，而模式3環(huán)境條件最好，比其他兩種模式要好。

從表4可以看出，在鮮海帶量最少的條件下，純熱泵干燥耗電量最高；而采用通風(fēng)+熱泵+集熱板模式，耗電量最少。根據(jù)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)技術(shù)人員工作經(jīng)驗可知，干海帶含水率在15%左右，利于保存、不易變質(zhì)。綜上可知，通風(fēng)+熱泵+集熱板海帶干燥模式最為經(jīng)濟(jì)、高效。

表4 3種模式對比

5 結(jié)論

采用通風(fēng)+熱泵+集熱板干燥模式建立海帶太陽能輔熱耦合干燥系統(tǒng)。在環(huán)境溫度27.5 ℃時，陽光棚最高溫度可達(dá)50 ℃；環(huán)境溫度低，開啟熱泵對陽光棚加熱，可保證物料加熱溫度，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。該系統(tǒng)不僅能夠保證干海帶品質(zhì)，同時還能干燥其他水產(chǎn)品。利用通風(fēng)+熱泵+集熱板干燥海帶，溫度在40 ℃，該陽光棚10 h可干燥海帶60.32 kg，熱泵烘干時間只有5 h。多云或陰天，可進(jìn)行熱泵烘干，而且比日曬的海帶品質(zhì)好。利用太陽能輔熱耦合干燥系統(tǒng)對海帶干燥是可行的，但陽光棚的熱損耗1.7×107J，與吸收熱量2.6×107J相差不多，存留的熱量少，后期可以增加陽光棚保溫性，減少熱能損耗。

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