高 萌，李 明，王云峰，余瓊粉，李 坤，孫 偉，羅 熙

·研究速報·

低溫環(huán)境下熱泵熱風(fēng)干燥藏藥性能試驗(yàn)

高 萌1，李 明1※，王云峰1，余瓊粉1，李 坤2，孫 偉2，羅 熙1

（1. 云南師范大學(xué) 太陽能研究所，昆明 650500；2. 云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，昆明 650500）

為提升低溫環(huán)境下藏藥干燥特性，該研究提出回?zé)?、噴焓熱泵干燥系統(tǒng)模式，并通過試驗(yàn)探究所設(shè)計系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性及能效特性，獲取低溫條件不同方式載物模式下熱泵連續(xù)運(yùn)行的特性及變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：在冬季高原嚴(yán)寒大溫差（30 ℃）下，回?zé)嵝蜔岜孟到y(tǒng)換熱器換熱效率平均為13.58%。噴氣增焓熱泵系統(tǒng)（?13.39～16.69 ℃）最低制熱系數(shù)COP（Coefficient of Performance, COP）比普通渦旋熱泵系統(tǒng)（?11.4～18.3 ℃）提升了51.5%，COP平均提高16.9%，有效提高了低溫下系統(tǒng)制熱能效。物料擺放方式以及鋪料厚度對干燥效果影響顯著，當(dāng)裝載量為100%，碼放高度20 cm時，物料成品表皮色澤金亮，干燥度均勻，單位能耗除濕量SMER（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）大。與傳統(tǒng)方式相比，對同等數(shù)量的物料，熱泵干燥耗時僅為傳統(tǒng)陰干方式的1/9，且成本降低1 160元/t，同時避免了環(huán)境的二次污染。研究結(jié)果表明回?zé)?、噴焓型熱泵系統(tǒng)能滿足低溫工況下藏藥材干燥所需的能量供給且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

干燥；溫度；熱泵；系統(tǒng)性能；藏藥；高寒大溫差；COP

0 引 言

藏藥有近兩千年歷史，僅次于中醫(yī)藥學(xué)。藏藥秦艽（），龍膽屬多年生草本植物，有止痹痛、清熱解毒等功效[1]。新鮮秦艽不能直接入藥，故干燥作為初加工步驟，必不可少。目前秦艽干燥多用自然陰干或傳統(tǒng)烤房烘干等方法。

干燥技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很寬，而且在工業(yè)生產(chǎn)中所需要的能量消耗巨大，約占全部能耗的12%～20%。在中國，中藥材傳統(tǒng)的干燥方法有陰干、曬干以及烘干等[2-6]，以上方法存在干燥周期長、人力物力需求大、生產(chǎn)效率低及難以嚴(yán)格控制等缺陷且缺乏科學(xué)系統(tǒng)的理論。為提高能源利用率，降低能耗，已有一些學(xué)者結(jié)合藥材干燥過程的特殊性、復(fù)雜性，把現(xiàn)代社會新技術(shù)應(yīng)用于中藥材干燥中[7-10]。丁昌江等[11]用高壓電場干燥技術(shù)對知母、西洋參等中藥飲品進(jìn)行干燥，比烘箱干燥有效成分保留率高，干燥時間縮短。宗文雷等[12]利用熱泵干燥蒜片、姜片，產(chǎn)品復(fù)水率高；邱羽等[13-14]分別研究熱泵干燥香菇特性，結(jié)果表明干燥溫度是影響熱泵干燥時間的主要因素，且風(fēng)溫、風(fēng)速對香菇品質(zhì)影響較大。熱泵干燥技術(shù)[15-22]目前已廣泛應(yīng)用于木材、糧食、食品加工及紡織行業(yè)中，該技術(shù)具有對溫度、濕度、氣流速度可控性，環(huán)保，低成本，高效節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

上述研究均在環(huán)境溫度15 ℃以上進(jìn)行干燥。盡管已有研究者用熱泵在常溫下干燥藥材，且用回?zé)岱绞教岣呦到y(tǒng)性能有了一定的研究[23]。云南迪慶藏族自治州地處云貴高原，平均海拔3 300 m以上，在嚴(yán)寒冬季，環(huán)境溫度波動變化大，整體呈現(xiàn)出“年差小，日差大”的特征。在畝產(chǎn)量達(dá)200～250 kg的秦艽種植藏區(qū)香格里拉，冬季晝夜溫差可達(dá)30 ℃以上，夜晚溫度通常在?10 ℃以下，而藏藥收獲且干燥的時間一般在嚴(yán)寒冬季，且一般500 kg藏藥干燥時間均需48 h以上。采用空氣源熱泵系統(tǒng)干燥可以有效提升藥材干燥效率，但在冬季使用熱泵進(jìn)行干燥將出現(xiàn)白天性能較好、但夜晚環(huán)境溫度達(dá)?10 ℃時熱泵機(jī)組表現(xiàn)出蒸發(fā)器結(jié)霜量大、運(yùn)行不穩(wěn)定、供熱不平衡的問題。熱泵回?zé)嵯到y(tǒng)即通過熱回收器回收干燥箱排出濕空氣中的余熱或廢熱，并作為供熱使用，可提升熱量利用率。通過計算換熱效率來分析高原嚴(yán)寒地區(qū)熱泵干燥系統(tǒng)的回?zé)嵝阅?。該地區(qū)傳統(tǒng)干燥方式多為自然陰干或以燒柴、煤等為代價的熱風(fēng)方式進(jìn)行烘干，生產(chǎn)成本高、污染嚴(yán)重等問題存在。為此，本文在回?zé)峄A(chǔ)上采用非噴焓、噴焓2種方式進(jìn)行低溫工況下藏藥干燥特性的研究并進(jìn)行對比分析，并與傳統(tǒng)陰干方式進(jìn)行比較，從而獲取高寒大溫差特征下的熱泵干燥藏藥特性分析，為藏藥干燥加工業(yè)的干燥特性及產(chǎn)業(yè)化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 熱泵干燥系統(tǒng)設(shè)計及其工作原理

為對藏藥干燥系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，本文采用回?zé)崾椒椒ㄟM(jìn)行設(shè)計與試驗(yàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.干燥箱　2.物料架　3.大門　4.勻風(fēng)風(fēng)機(jī)　5.回風(fēng)風(fēng)道　6.3號閥門　7.1號閥門　8.2號閥門　9.新鮮空氣　10.換熱器11.冷凝器12.壓縮機(jī)　13.膨脹閥　14.蒸發(fā)器　15.風(fēng)機(jī)16.溫度傳感器17.熱風(fēng)

系統(tǒng)工作原理為：蒸發(fā)器（14）內(nèi)冷媒（R22）吸收低溫?zé)嵩矗ōh(huán)境）中的熱量汽化；經(jīng)壓縮機(jī)（12）等熵壓縮成高溫高壓氣體，進(jìn)入冷凝器（11）冷凝放熱，由風(fēng)機(jī)（15）將熱風(fēng)吹入干燥箱（1），打破物料內(nèi)部濕熱平衡，排出水分，最終實(shí)現(xiàn)干燥目的。為了改善熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低蒸發(fā)器結(jié)霜情況，提高制熱能效，利用換熱芯體（10）回收利用排氣廢熱。同時為了優(yōu)化低溫下系統(tǒng)性能，通過噴氣增焓壓縮機(jī)（12）的2級節(jié)流中間噴氣技術(shù)，即由中間壓力回氣噴射口補(bǔ)充制冷劑，從而增加壓縮機(jī)排氣量，冷凝器內(nèi)循環(huán)制冷劑量增加，實(shí)現(xiàn)提升制熱能力的目的。為進(jìn)行系統(tǒng)分析，布置了T型熱電偶進(jìn)行溫度測量。

該系統(tǒng)主要包括2部分：干燥箱和熱泵系統(tǒng)。干燥箱（長×寬×高為3.9 m×2.1 m×2.3 m），容積約15 m3，額定裝載量為1.5t。其包含有：4個8層結(jié)構(gòu)的物料架（長1.8 m×寬0.6 m×高1.7 m），層間距為20 cm；勻風(fēng)風(fēng)機(jī)，由3×3的陣列分布的9個小風(fēng)機(jī)組成。熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、換熱器、風(fēng)機(jī)、膨脹閥等部件組成。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料與儀器

該試驗(yàn)選取云南省迪慶藏族自治州香格里拉市新鮮采挖的藏藥秦艽作為試驗(yàn)材料。秦艽初始含水率為75%～83%，根部整體不切片干燥，堆積厚度分別為10、20 cm，厚度誤差±2 cm。

試驗(yàn)所采用測試具體參數(shù)詳見表1。

表1　試驗(yàn)測試儀器

2.2 測定指標(biāo)

2.2.1 熱泵干燥系統(tǒng)的性能指標(biāo)

換熱器效率即熱泵干燥系統(tǒng)對干燥箱內(nèi)部濕空氣進(jìn)行熱回收的效率[16]，用以表征系統(tǒng)回?zé)嵛绽寐剩?/p>

式中wet為換熱器實(shí)際換熱熱流量，W；max為理論上換熱器最大換熱熱流量，W；q為換熱流體最小質(zhì)量流量，kg/h；c為換熱流體比熱容kJ/(kg·℃)；Δmin為換熱流體進(jìn)出口最小溫差,℃；wet進(jìn)入換熱器濕空氣溫度，℃；ai進(jìn)入換熱器新鮮空氣溫度，℃。

熱泵干燥系統(tǒng)的制熱能效系數(shù)COP（Coefficient of Performance），表示系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率之比：

式中P為熱泵冷凝器制熱功率，W；m為空氣流進(jìn)冷凝器的質(zhì)量流量，kg/h；pa為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；lo為冷凝器出口的空氣溫度，℃；li為冷凝器進(jìn)口的空氣溫度，℃；d為干燥過程中的某時刻。

單位能耗除濕量SMER（Specific Moisture Extraction Rate），指每單位能耗除去水分的質(zhì)量，用以表征系統(tǒng)干燥過程中使用能量的有效性：

式中m為濕物料初始質(zhì)量，kg；m為所得干物料質(zhì)量，kg；為系統(tǒng)干燥過程總耗電量，kW·h。

2.2.2 物料干燥特性測試指標(biāo)

物料的含水率，用以表征物料本身所含水分占比，可作為干燥進(jìn)行程度的判斷指標(biāo),干燥物料的干基含水率[20]表示為

式中m為濕物料中濕分質(zhì)量，kg。

干燥物料的干燥速率[19]，即干燥水分排出的快慢程度：

式中MC和MC+dt分別為MC在和+d時刻的含水率。

干燥物料的失水率，即物料干燥過程中的水分變化：

式中m為時刻濕物料質(zhì)量，kg。

3 結(jié)果與分析

3.1 高寒大溫差工況下系統(tǒng)回?zé)嵝阅茉囼?yàn)分析

如圖2a所示，普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)換熱器進(jìn)口濕空氣溫度范圍為：6.28～53.63 ℃，換熱器進(jìn)口新風(fēng)溫度范圍為：?11.88～18.29 ℃，濕空氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新風(fēng)溫度，新風(fēng)在換熱器內(nèi)經(jīng)熱傳導(dǎo)與濕空氣進(jìn)行熱交換，換熱后新空氣溫度為?10.04～21.61 ℃；如圖2b所示，噴氣增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)換熱器進(jìn)口濕空氣溫度范圍為：10.39～62.29 ℃，換熱器進(jìn)口新空氣溫度范圍為：?13.24～16.69 ℃，濕空氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新風(fēng)溫度，新風(fēng)在換熱器內(nèi)經(jīng)熱傳導(dǎo)與濕空氣進(jìn)行熱交換，換熱后新空氣溫度為?10.04～21.61 ℃。由公式（1）計算得，普通渦旋壓縮機(jī)熱泵干燥系統(tǒng)換熱器瞬時換熱效率范圍為6.29%～66.95%，平均值為13.58%；噴氣增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)換熱器瞬時換熱效率范圍為4.59%～58.14%，平均值為9.56%。而邱羽[24]在昆明環(huán)境溫度為16.8～29.7 ℃條件下，通過試驗(yàn)測得空氣源熱泵回?zé)嵯到y(tǒng)換熱器瞬時效率為23.0%～84.8%，均值41.2%。

在高原冬季大溫差環(huán)境下，環(huán)溫晝夜起伏變化大，系統(tǒng)熱損大，且濕空氣中水分含量高，大量熱能被濕空氣損耗，造成余熱回收利用率低。高寒大溫差工況下，普通渦旋壓縮機(jī)熱泵回?zé)嵯到y(tǒng)換熱器最高換熱效率與溫和地區(qū)相比降低了21%，平均換熱效率降低了67%；由于環(huán)境溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致噴氣增焓熱泵系統(tǒng)換熱器最高換熱效率與溫和地區(qū)相比降低了31.4%，平均換熱效率降低了76.7%。綜上，結(jié)合傳熱學(xué)換熱基本原理可知，環(huán)境溫度越低，晝夜溫差越大，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效率越差。

3.2 冬季嚴(yán)寒大溫差下回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行特性分析

為測試冬季嚴(yán)寒大溫差（30 ℃）工況下的普通渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)性能特性，課題組分別在2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日進(jìn)行2組藏藥干燥測試。由于夜間溫度低，系統(tǒng)制熱性能較低，故第一組試驗(yàn)，采取日間工作、夜間停機(jī)的分段式間接干燥（環(huán)溫：?4.3～19.9 ℃，溫差24.2 ℃），主要測試系統(tǒng)在白天溫差波動較小工況下的運(yùn)行特性；第二組試驗(yàn)，系統(tǒng)晝夜連續(xù)不間斷干燥（環(huán)溫：?11.4～18.3 ℃，溫差約30 ℃），測試系統(tǒng)晝夜大溫差下連續(xù)不間斷運(yùn)行特性。

圖2 換熱器進(jìn)出口空氣溫度

系統(tǒng)只在日間間接性運(yùn)行較系統(tǒng)晝夜連續(xù)運(yùn)行時，環(huán)境溫度波動小，干燥箱入風(fēng)口溫度變化斜率較大，即溫升速度快，表明環(huán)境溫度變化幅度對系統(tǒng)制熱性能影響明顯。當(dāng)環(huán)境溫度最低為?4.3 ℃時，干燥箱入風(fēng)口溫度11 ℃，而當(dāng)環(huán)境溫度最低為?11.4 ℃時，干燥箱入風(fēng)口溫度僅0.53 ℃。即環(huán)境溫度下降7.1 ℃，入風(fēng)口溫度下降10.47 ℃。環(huán)境溫度波動起伏變化越大，干燥箱入風(fēng)口溫升速度越慢，系統(tǒng)制熱性能越低；反之亦然。由于高寒大溫差波動劇烈，壓縮機(jī)壓比升高，容積效率降低，制冷劑循環(huán)量減少，造成系統(tǒng)制熱性能降低，導(dǎo)致干燥箱入風(fēng)口溫度急劇下降，結(jié)果如圖3所示。

由公式（4）計算可知，整個干燥過程中普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)瞬時制熱能效（COPo）變化范圍為1.01～2.73，平均制熱能效（COPao）為1.89。

分析干燥過程中普通渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)在冬季不同自然環(huán)境溫度下的連續(xù)運(yùn)行的性能特性。如圖4所示，普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)的COPo隨著環(huán)境溫度變化呈規(guī)律性變化，環(huán)境溫度越高，COPo升高速率越快。當(dāng)1月18日環(huán)境溫度低至?11.4 ℃，系統(tǒng)COPo亦隨之下降，至最低值1.01，熱泵系統(tǒng)幾乎不起作用，即環(huán)境溫度低于?11.4 ℃，普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)幾乎不制熱。且環(huán)境溫度（?2.82～8.66 ℃）波動越小，即日均環(huán)境溫度越高，則日均COPao越高；環(huán)境溫度（?11.4～18.3 ℃）波動越大，即日均環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)制熱性能（1.01～2.59）波動越大；日均COPao越低。

圖3 環(huán)境溫差對干燥箱入風(fēng)口溫度的影響

圖4 系統(tǒng)性能

綜上分析可知，普通渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)可以滿足低溫下熱泵干燥熱量需求，但系統(tǒng)波動性較大，制熱性能平均值較低，且在低至?11.4 ℃環(huán)境溫度時，COPo最小值僅為1.01。

為了提升低溫下熱泵系統(tǒng)的制熱性能，提高其適應(yīng)性、穩(wěn)定性，在原有基礎(chǔ)上選取噴氣增焓壓縮機(jī)代替原普通渦旋壓縮機(jī)，并于2019年1月3日－1月7日進(jìn)行試驗(yàn)測試。噴氣增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)在制熱過程中，各階段循環(huán)工質(zhì)流量不同。如圖5所示為高寒大溫差工況下噴氣增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)制熱過程的壓焓圖，其中冷凝器內(nèi)高壓制冷劑放熱后分為：制冷回路和補(bǔ)氣回路。2′-4冷凝放熱過程，產(chǎn)生高熱空氣進(jìn)入干燥箱，制冷劑變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌蠎B(tài)；4-6絕熱節(jié)流過程，一次節(jié)流；6-7補(bǔ)氣吸熱蒸發(fā)過程，制冷劑節(jié)流后經(jīng)中間經(jīng)濟(jì)器噴入壓縮機(jī)內(nèi)；6-4′制冷劑蒸發(fā)冷凝放熱過程；4′-5′制冷劑蒸發(fā)絕熱節(jié)流過程，二次節(jié)流；5′-1制冷劑蒸發(fā)吸熱過程，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑從環(huán)境空氣中吸熱；1-8壓縮機(jī)的絕熱壓縮過程，得到高壓制冷劑；8-9-7制冷蒸氣與補(bǔ)氣蒸氣混和過程，高、低壓蒸氣混和變?yōu)橹袎赫魵猓?-2′壓縮過程，混和的制冷劑經(jīng)壓縮變?yōu)楦邷馗邏褐评鋭┤肜淠骼淠艧?，進(jìn)行下一個循環(huán)。1-2-3-4-5-1普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)制冷劑制熱循環(huán)過程。

由公式（4）計算可得整個干燥過程中噴氣增焓系統(tǒng)瞬時制熱能效（COPaj）變化范圍為1.53～2.86，平均制熱能效（COPaaj）為2.21，試驗(yàn)結(jié)果如圖4b所示。

當(dāng)環(huán)境溫度低至?13.39 ℃時，噴氣增焓熱泵干燥系統(tǒng)的COPaj最小值為1.53，較普通渦旋壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)最小COPo提高了51.5%，整個干燥過程中系統(tǒng)COP平均提高了16.9%。

由此可見，在溫差高達(dá)30 ℃的高原嚴(yán)寒地區(qū)，噴氣增焓系統(tǒng)制熱效果較普通熱泵系統(tǒng)制熱能效顯著，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提高。部分結(jié)果見表2。

3.3 不同裝載量對物料干燥的影響

為了測試不同環(huán)境溫度下，普通渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)不同裝載量對物料干燥效果的影響。課題組于2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日分別進(jìn)行了2組不同裝載量的藏藥秦艽干燥試驗(yàn)，以藥材失水率達(dá)到67%作為干燥結(jié)束的判斷條件。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表2　部分日期試驗(yàn)測試結(jié)果

表3　部分不同裝載量試驗(yàn)測試結(jié)果

當(dāng)裝載量約60%，鋪料厚度為10 cm時，物料出現(xiàn)干燥不均勻現(xiàn)象，即接近入風(fēng)口處物料過度干燥，失水率高達(dá)74%，出現(xiàn)黑糊現(xiàn)象，而遠(yuǎn)離入風(fēng)口處物料干燥度不足，失水率僅50%；當(dāng)裝載量約100%，鋪料厚度為20 cm時，干燥箱內(nèi)部物料相互間擠壓壓力增大，空間利用率占比高，箱內(nèi)風(fēng)阻增強(qiáng)，溫升速度降低，但物料干燥度較均勻，平均失水率約67%。干燥物料成品如圖6所示。

圖6 秦艽干燥成品

由公式（6）得SMER為1.74 kg/(kW·h)（1 465 kg）、1.41 kg/(kW·h)（910 kg）。

試驗(yàn)表明，干燥箱滿載（100%）較非滿載（60%）時，單位質(zhì)量耗電量降低了26.9%，平均失水率降低了9.4%，SMER提升了23.4%，且物料堆積厚度為20 cm相較于堆積厚度為10 cm，物料的裝載量增加，堆砌厚度高，物料內(nèi)部壓力增大，干燥箱內(nèi)部風(fēng)阻變大，物料干燥均勻度顯著提升。

將熱泵干燥秦艽與傳統(tǒng)陰干秦艽方式相比較。通過試驗(yàn)測試可知，熱泵干燥3 t秦艽所需時間為18 d，僅為傳統(tǒng)陰干方式耗時的1/9，干燥成本節(jié)省1 160元/t（成本=人工費(fèi)+電費(fèi)）。熱泵系統(tǒng)就節(jié)省電費(fèi)成本而言，設(shè)備的成本回收期約3～4 a。

通過感官評價可知，傳統(tǒng)陰干方式下，由于環(huán)境氣候多變，對物料二次污染不可避免，造成物料表面色澤暗黑，良莠不齊，如圖6所示；而熱泵干燥方式下，物料表面色澤金黃，干燥度均勻，同時避免了二次污染。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示。

表5　熱泵干燥與傳統(tǒng)干燥對比

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在高原（海拔3 100～4 000 m）嚴(yán)寒（冬季最低溫度可達(dá)?15 ℃）環(huán)境大溫差（30 ℃）氣候條件下，為克服低溫環(huán)境下空氣源熱泵干燥系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)器結(jié)霜嚴(yán)重、制冷工質(zhì)吸氣量驟減、系統(tǒng)制熱波動大等問題，本文在回?zé)嵝蜔岜酶稍锵到y(tǒng)基礎(chǔ)上采用噴氣增焓的方式較好地滿足了晝夜連續(xù)干燥作業(yè)熱泵能量供給及穩(wěn)定運(yùn)行的需求；結(jié)合藏區(qū)太陽能資源豐富特點(diǎn)可采用太陽能輔助換熱方式，將白天太陽能輻射能量收集并在夜間與蒸發(fā)器換熱降低蒸發(fā)器結(jié)霜率，從而有效提高熱泵系統(tǒng)在低溫時的制熱能效，該部分工作正在開展試驗(yàn)驗(yàn)證。同時在不同干燥溫度及干燥時段對藥材品質(zhì)成分含量進(jìn)行科學(xué)分析并建立相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫，提供合理的不同物料干燥過程中傳熱傳質(zhì)特性，對于熱泵系統(tǒng)的控制與優(yōu)化均是后期研究工作的重要內(nèi)容。

4.2 結(jié) 論

本文對回?zé)嵝蜔岜脽犸L(fēng)干燥藏藥秦艽進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明：

1）在冬季高原嚴(yán)寒大溫差（30 ℃）工況下，回?zé)嵝蜔岜酶稍锵到y(tǒng)換熱器瞬時換熱效率范圍為6.29%～66.95%，平均值為13.58%。

2）在高寒大溫差（30 ℃）環(huán)境下，回?zé)嵝蜔岜酶稍锵到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可滿足干燥所需的能量供給。普通渦旋壓縮機(jī)熱泵回?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行在?11.4～18.3 ℃，其瞬時COPo為1.01～2.73，均值為1.89；噴氣增焓熱泵系統(tǒng)運(yùn)行在?13.39～16.69 ℃，其瞬時COPaj為1.57～2.86，均值為2.21，其均值較普通熱泵系統(tǒng)制熱性能提升了16.9%，最低值提高了51.5%，有效提升了環(huán)境溫度低于?11.4 ℃時系統(tǒng)制熱能力及能效，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性及穩(wěn)定性。。

3）干燥箱裝載量約100%（1 465 kg，鋪料厚度20 cm）與裝載量60%（910 kg，鋪料厚度10 cm）相比較，滿載時物料平均失水率降低9.4%，單位質(zhì)量耗電量降低26.9%，SMER提升了23.4%。與傳統(tǒng)陰干方式相比較，干燥相同數(shù)量物料，熱泵干燥僅為傳統(tǒng)陰干方式耗時的1/9；且干燥成本降低1 160元/t。熱泵系統(tǒng)設(shè)備成本回收期約3～4 a。

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Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature

Gao Meng1, Li Ming1※, Wang Yunfeng1, Yu Qiongfen1, Li Kun2, Sun Wei2, Luo Xi1

(1. Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2. School of Physics and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

Tibetan medicine has a long history to serveas a national medicine second only to Chinese medicine. Fresh Tibetan medicine cannot be directly used as medicine. Drying process is essential as a preliminary processing step. The heat pump drying method can be suitable for this case, due to its energy saving, environmental protection, and low cost. In this study, a noveldrying system mode of heat recovery andair-jet enthalpy heat pump was proposed to improve the drying characteristics of Tibetan medicine under low-temperature environments. A systematic experiment was conducted to explore the stability and energy efficiency for the continuous operation of system, thereby to obtain the changing characteristics of continuous operation onthe heat pump in different load modes at low temperature conditions. In order to explore the performance characteristics of heat pump drying for the Tibetan medicine at low temperature environment in winter, a drying oven was built with the size of 3.9m ×2.1m ×2.3m (length ×width ×height)and a volume of about 15m3, as well asa rated load of 1.5 t. An ordinary ring scroll compressor,and anair jet enthalpy compressor in a heat pump system were selected to carry out the load experiment test at the ambient temperature of -11.4?18.3 and -13.39?16.69 ℃. The ordinary scroll compressor in a heat pump system workedin the segmented drying mode, and the continuous drying operation mode was used to dry Tibetan medicine. The air-jet enthalpy-increasing heat pump system performedday and night for the continuous drying. Results were as follows: Under the severe cold and large temperature difference (30 ℃) in the winter plateau, the averageefficiencyof heat transfer in the air-jet enthalpy-increasing heat pump system (-13.39?16.69 ℃) was 9.56%, and that in the ordinary scroll compressor heat pump system (-11.88?18.29 ℃) was 13.58%. It infers that the efficiency of heat transferin a heat exchanger was relatively low, asthe ambient temperature decreased.The compressor selection has no significant effect on the heat exchange efficiency of heat exchanger. The minimum coefficient of performance (COP) of air-jet enthalpy-increasing heat pump system(-13.39?16.69 ℃) increased by 51.5%, compared with the ordinary scroll heat pump system (-11.4?18.3 ℃). The average value of COP increased by 16.9% during the whole progress, indicating effectively improved the heating energy efficiency of a system at low temperatures. The placement and thickness of amaterial presenteda significant influence on the drying effect. When the loading capacity of drying box was about 100% and stacking thickness was 20 cm, the finalproduct behavedbright color, uniform drying, and the high specific moisture extraction rates (SMER). Compared with the traditional air-drying method, the drying time of a heat pump was only 1/9 of conventional dry method for the same amount of materials, while,the drying cost was reduced by 1 160 yuan/t. The recoveryandair-jet enthalpy heat pump system can meet the energy supply that required for the drying of Tibetan medicinal materials under the low-temperature conditions.

drying; temperature; heat pump; system performance; Tibetan medicine; plateau severe cold temperature difference; COP

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Gao Meng, Li Ming, Wang Yunfeng, et al. Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 316-322. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038 http://www.tcsae.org

2020-06-21

2020-10-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51966019，21965040）；云南省基礎(chǔ)研究計劃重點(diǎn)項(xiàng)目（202001AS070025）

高萌，博士生，從事太陽能熱利用的研究工作。Email：gmynnu@126.com

李明，教授，博士生導(dǎo)師，從事太陽能及可再生能源的開發(fā)應(yīng)用及制冷與低溫工程方面的研究工作。Email：lmllldy@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038

S226.6; TK11+4; S-3

A

1002-6819(2020)-21-0316-07