康玉寬　劉麗娟　陸景　李眾立

摘 要：針對(duì)秦巴山區(qū)蒼溪縣山珍資源優(yōu)勢(shì)和農(nóng)戶實(shí)際烘干需求，設(shè)計(jì)了一種新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)。本文闡述了除濕熱泵烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，然后對(duì)木耳進(jìn)行不同模式下的烘干試驗(yàn)。結(jié)果表明：低溫除濕模式去水能力較好，木耳的干燥品質(zhì)較好，而且換熱效率高達(dá)85.7%。

關(guān)鍵詞：熱泵烘干機(jī);閉式高溫干燥;低溫除濕干燥;恒溫干燥

中圖分類號(hào)：TS203 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）11-0026-04

Design of a New-Type Closed Cycle Desiccation Heat Pump Dryer System

KANG Yukuan LIU Lijuan LU Jing LI Zhongli

（City College， Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： A new type of closed-loop dehumidification heat pump dryer was designed according to the resource advantages of Cangxi County in Qinba mountain area and to meat the actual drying needs of farmers. This paper described the structure and operation principle of the heat pump dryer， and then carried out the drying test of auricularia auricula under different modes. The results show that the low-temperature dehumidification mode has better water removal ability and better drying quality of Auricularia auricula， meanwhile ，the heat transfer efficiency is reach up to 85.7%.

Keywords： heat pump dryer;closed high temperature drying;low temperature dehumidification and drying;constant temperature drying

隨著熱泵烘干技術(shù)[1-2]的推廣，烘干機(jī)成本降低，經(jīng)濟(jì)效益提高，能耗降低。熱泵烘干技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，能效比高達(dá)5.8。同時(shí)，熱泵烘干室溫度可以始終控制在50 ℃左右，溫和、細(xì)致地烘干物料，能達(dá)到自然晾曬的效果，并且能夠保持物料的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分，因此，能滿足各類烘干材料的需求，并根據(jù)溫度及相對(duì)濕度的變化調(diào)整烘干工藝進(jìn)行個(gè)性化、自動(dòng)化烘干設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高產(chǎn)量的新型閉環(huán)除濕熱泵烘干技術(shù)[3]是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的最佳選擇。

1 新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)設(shè)計(jì)及工作模式

1.1 新型熱泵烘干機(jī)組成（樣機(jī)參數(shù)）

研究者設(shè)計(jì)的新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)，“閉環(huán)除濕”是指將待干燥的產(chǎn)品放在密閉的保溫箱內(nèi)，通過(guò)閉式循環(huán)風(fēng)將水蒸氣冷凝后排出機(jī)柜，達(dá)到除濕干燥的目的。試驗(yàn)樣機(jī)的主要部件（圖1所示）有壓縮機(jī)（型號(hào)為2V42W225AZ，屬于往復(fù)式壓縮機(jī)，制冷量7.355 kW，輸入功率2.26 kW，壓縮機(jī)制熱溫度可達(dá)60 ℃以上，制冷劑為R22）、氣液分離器、電子膨脹閥（DPF-1.8C）、內(nèi)/外冷凝器（外冷凝器面積16.18 m2，內(nèi)冷凝器面積12.91 m2）、輔助換熱器（面積10 m2）、干燥過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、四通閥（STF-0408）、閥門(mén)等和相關(guān)管路。其中，內(nèi)/外冷凝器及輔助換熱器的翅片為波紋片，翅片間距為1.8 mm，厚度為0.115 mm，R22作為熱泵制冷劑。

1.2 工作模式

新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)的原理如圖2所示。與傳統(tǒng)熱泵干燥裝置不同的是，新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)將一個(gè)外換熱器安置在壓縮機(jī)和內(nèi)換熱器之間，并配置冷凝風(fēng)機(jī);通過(guò)調(diào)節(jié)四通閥，切換使用輔助換熱器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控溫功能，同時(shí)可以回收外換熱器加熱時(shí)產(chǎn)生的熱量。

為了滿足秦巴山區(qū)氣候特點(diǎn)和不同山珍的烘干需求，新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)控溫除濕[4]部分共設(shè)計(jì)了3種模式：閉式高溫干燥、低溫除濕干燥和恒溫干燥。

1.2.1 閉式高溫干燥模式。閉式高溫干燥模式，四通閥開(kāi)啟，工質(zhì)閥2接通，工質(zhì)閥1斷開(kāi)，輔助換熱器功能轉(zhuǎn)換為冷凝換熱，外換熱器功能轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)換熱。經(jīng)外冷凝器加熱后的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入干燥室，加熱物料，變?yōu)楦邷馗邼竦目諝?，?jīng)干燥室排出，與輔助換熱器進(jìn)行熱交換，濕空氣被加熱，再與內(nèi)冷凝器進(jìn)行熱交換，變?yōu)楦邷乜諝?，再由風(fēng)機(jī)送入干燥室，如此循環(huán)工作。此模式中，外冷凝器為蒸發(fā)器，有利于與空氣交換更多的熱量，提高空氣的加熱效率。

1.2.2 低溫除濕干燥模式。低溫除濕干燥模式，首先四通閥不上電，處在自復(fù)位狀態(tài)，然后開(kāi)啟外冷凝器風(fēng)機(jī)。工質(zhì)閥2斷開(kāi)，工質(zhì)閥1閉合。經(jīng)外冷凝器處理后的空氣在干燥室內(nèi)流通，流通過(guò)程伴隨空氣狀態(tài)和空氣溫度變化，具體過(guò)程如下：空氣吸收物料表面的水分后，濕空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，蒸發(fā)作用下導(dǎo)致表面溫度下降。低溫空氣開(kāi)始凝結(jié)成水珠，從排水管流出。室內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)內(nèi)換熱器加熱后，再由風(fēng)機(jī)送入干燥室，完成一次低溫除濕干燥循環(huán)。

1.2.3 恒溫干燥模式。在持續(xù)高溫過(guò)程中，當(dāng)烘房室內(nèi)空氣溫度值達(dá)到設(shè)定值，可調(diào)節(jié)四通閥，將外換熱器切換功能，由原來(lái)的蒸發(fā)換熱功能轉(zhuǎn)換為冷凝換熱，將內(nèi)冷凝器和輔助換熱器的其中一個(gè)，由冷凝換熱轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)換熱，達(dá)到能量平衡，實(shí)現(xiàn)恒溫干燥過(guò)程。循環(huán)空氣進(jìn)入干燥室后，吸收物料表面的水分，與物料進(jìn)行熱交換，變?yōu)楦邼窨諝?，?jīng)風(fēng)機(jī)排出，流經(jīng)外冷凝器，蒸發(fā)作用下，空氣中的水蒸氣凝結(jié)出水珠，變?yōu)榈蜏馗稍锟諝猓俳?jīng)內(nèi)冷凝器放熱后，變?yōu)楦邷乜諝?，?jīng)風(fēng)機(jī)送入干燥室加熱物料。此時(shí)，冷凝風(fēng)機(jī)打開(kāi)，系統(tǒng)處于半開(kāi)放狀態(tài)，與外界進(jìn)行熱交換，達(dá)到恒溫過(guò)程。

1.3 控制方案

控制方案控制流程如圖3所示[5]。

該控制方案實(shí)現(xiàn)了新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機(jī)的閉式高溫干燥過(guò)程控制、低溫除濕干燥過(guò)程控制、恒溫干燥過(guò)程控制。系統(tǒng)在上位機(jī)的控制下，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，模式選擇，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行完成后，系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，上位機(jī)顯示風(fēng)機(jī)狀態(tài)，若正常，執(zhí)行下一步壓縮機(jī)工作，如不正常輸出執(zhí)行，上位機(jī)顯示原因。上位機(jī)指示壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，若正常，系統(tǒng)執(zhí)行下一步運(yùn)行時(shí)間段[t1]設(shè)置，如不正常則輸出執(zhí)行，上位機(jī)顯示原因。執(zhí)行程序在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)完成預(yù)設(shè)溫、濕度控制、PID控制。執(zhí)行完成后，程序進(jìn)行溫度范圍監(jiān)測(cè)，若系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度范圍，系統(tǒng)執(zhí)行輸出，若未達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度范圍，系統(tǒng)執(zhí)行報(bào)警，上位機(jī)顯示，最后結(jié)束控制。

2 烘干試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

本研究只針對(duì)蒼溪縣秋季常見(jiàn)的黑木耳進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)烘干經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)每次烘干黑木耳5 kg，烘干時(shí)間為8 h，脫水率為40%，脫水量為2 kg，烘房環(huán)境初始溫度為25 ℃，最高溫度為55 ℃。

2.1.1 烘干試驗(yàn)物料。挑選形狀和大小相近、無(wú)破碎的黑木耳[6]。用清水清洗黑木耳，將黑木耳中的沙粒、灰塵等物質(zhì)清理出來(lái)，并放置在日光下晾曬大約1 h，曬掉黑木耳表面的水分。用水分測(cè)定儀測(cè)得初始含水率約為80%。

2.1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。分別對(duì)閉式高溫干燥、低溫除濕干燥[4]、恒溫干燥3種模式進(jìn)行驗(yàn)證，每種模式以空氣相對(duì)濕度（Relative Humidity，RH）40%、50%、60%和80%為變量，進(jìn)行4組試驗(yàn)（每組試驗(yàn)選用5 kg黑木耳進(jìn)行干燥），每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。溫度設(shè)置具體方案如下：①閉式高溫干燥模式，烘干機(jī)烘干溫度設(shè)置25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃四個(gè)階段，每個(gè)溫度間隔2 h;②低溫除濕干燥模式，烘干機(jī)烘干溫度設(shè)置55 ℃、45 ℃、35 ℃和25 ℃四個(gè)階段，每個(gè)溫度間隔2 h;③恒溫干燥模式，烘干機(jī)烘干溫度設(shè)置25 ℃四個(gè)階段相同溫度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

啟動(dòng)烘干機(jī)，分別按照3種方案依次設(shè)定參數(shù)，得到閉式高溫干燥、低溫除濕干燥、恒溫干燥模式的干燥特性如圖4至圖6所示。

由3種模式的干燥曲線圖可知，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，黑木耳的含水率逐漸下降。相對(duì)濕度在50%、60%時(shí)，干燥初期（小于4 h），低溫除濕干燥模式和閉式高溫干燥模式干基含水率相比恒溫干燥要低，即干燥速度快，效果好。5h后，各模式下的干燥速率無(wú)明顯差別。此外，濕度為40%的干燥曲線相接近，濕度80%的干燥明顯較慢。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，初期干燥如果快速提高溫度，可以防止木耳表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。溫度升高可以快速去除黑木耳中的游離水。變溫干燥，可增加水分子的活性，繼而加強(qiáng)向表面的散發(fā)速度;但恒溫干燥在中后期效果較差。

變溫干燥模式（低溫除濕干燥模式和閉式高溫干燥模式）整個(gè)干燥過(guò)程脫水速率下降較為平緩，黑木耳內(nèi)層的水分逐漸向外層遷移，水分?jǐn)U散的均勻性要優(yōu)于恒溫干燥，不會(huì)因干燥前期脫水速率過(guò)大而后期過(guò)小造成黑木耳葉收縮開(kāi)裂。

對(duì)比試驗(yàn)烘干產(chǎn)品外形可知，恒溫干燥模式的干燥速率低，黑木耳存在收縮不充分、葉片不平整或破碎、表面色澤灰暗或無(wú)光澤等外形較差的問(wèn)題。閉式高溫干燥模式的干黑木耳有一部分存在烤焦現(xiàn)象，低溫除濕干燥模式的干燥產(chǎn)品外觀形態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量良好。

3 低溫除濕干燥模式下烘干機(jī)換熱效率研究

試驗(yàn)表明，利用低溫除濕模式干燥產(chǎn)品，不論干燥速率還是產(chǎn)品外形，都較其他模式效果好，故僅對(duì)低溫除濕模式烘干機(jī)的換熱效率進(jìn)行研究。結(jié)合低溫除濕模式的工作原理圖（見(jiàn)圖2），對(duì)外冷凝器換熱效率進(jìn)行試驗(yàn)分析。換熱器換熱效率定義為該換熱器的實(shí)際傳熱熱流量[Φ]與理論上最大的傳熱熱流量[Φmax]之比，即

[η=ΦΦmax=W2（t''2-t'2）Wmin（t'1-t'2）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當(dāng)[（Cm）2=W2=Wmin]時(shí)，有

[η=t''2-t'2t'1-t'2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[η]為換熱器的瞬時(shí)換熱效率;[Φ]為換熱器的傳熱流量，K/W;[Φmax]為理論上最大可能的傳熱熱流量，K/W;[W2]為流體2[換熱器第二熱源（水源）]的熱容量，W/K;[Wmin]為最小熱容量，W/K;[t'1]為熱流體的初始溫度，℃;[t'2]為冷流體的初始溫度，℃;[t''2]為冷流體加熱后的溫度，℃。

冷流體理論上可加熱到[t''2=t'1]，即冷流體所能達(dá)到的最大程度地加熱。因此，溫差（[t'1-t'2]）即為冷流體的最大溫差。在低溫除濕干燥模式下進(jìn)行木耳干燥，不同工況下，對(duì)冷流體的加熱程度和兩流體的進(jìn)口溫差作了數(shù)值分析，如表1所示。

在有效溫差范圍內(nèi)，可以計(jì)算出該熱泵烘干機(jī)換熱器的最大換熱效率為85.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)秦巴山區(qū)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了適宜山珍深加工的新型熱泵烘干機(jī)設(shè)備。對(duì)熱泵烘干機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了烘干機(jī)的閉式高溫干燥、低溫除濕干燥、恒溫干燥3種模式，滿足了秦巴山區(qū)多樣的山珍烘干需求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，低溫除濕干燥模式去水能力較好，木耳的干燥品質(zhì)較好，而且換熱效率高達(dá)85.7%。該設(shè)備得到了蒼溪縣政府的大力支持和有效推廣，具有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王榮根，吳志華，胡秋生，等.熱泵烘干技術(shù)在食用菌等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用與實(shí)踐[C]//浙江省電力學(xué)會(huì).浙江省電力學(xué)會(huì)2017年度優(yōu)秀論文集.北京：中國(guó)電力出版社，2017：314-322.

[2]劉學(xué)章，年玉琳，王軼凡.熱泵烘干系統(tǒng)中國(guó)專利申請(qǐng)概況[J].制冷與空調(diào)，2019（7）：61-64.

[3]徐開(kāi)軒，劉廣彬，王天佐，等.閉式熱泵種子干燥系統(tǒng)熱力性能研究[J].制冷與空調(diào)，2019（7）：72-76.

[4]徐俊.油菜籽低溫除濕干燥關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014：72.

[5]尚巧贈(zèng)，王勇，梁月肖.熱泵干燥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）：32-35.

[6]齊懷琴，李春林.黑木耳烘干控制系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)食用菌，2015（6）：49-50.