王保法 ，陳 潔 ，李興書 ，楊德亮 ，張 欣 ，呂瑩果 ，李雪琴

（1.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000；2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450052）

我國是小麥生產(chǎn)大國，而糧食轉(zhuǎn)化是提高農(nóng)業(yè)收入的主要途徑，其中掛面是以小麥粉為主要原料加工的工業(yè)化食品[1]。掛面是以小麥粉添加鹽、堿、水制做的濕面條，后經(jīng)懸掛干燥后切制成一定長度的干面條，它是人們喜愛的主要面食之一。掛面之所以可以長期存放，是因?yàn)樗ㄟ^干燥脫水的過程，其水分含量處于安全范圍內(nèi)，保存時間得以延長[2-3]。干燥工序是掛面加工過程中一道非常關(guān)鍵的程序，它不僅會影響掛面的質(zhì)量，更影響著干燥的效率[4-5]。掛面干燥就是合理調(diào)控干燥通道中作為傳遞介質(zhì)的空氣的溫度、濕度和流動的速度。不同干燥階段采取不同應(yīng)對措施，使掛面中水分?jǐn)U散汽化、轉(zhuǎn)移到空氣中形成濕空氣被帶走，并最終得到質(zhì)量優(yōu)良產(chǎn)品[6]。

傳統(tǒng)掛面干燥熱源供給是燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能，燃煤單位熱值價格低，掛面的干燥成本較低，但是散煤燃燒污染嚴(yán)重。國家自2014年以來逐步取締燃煤小鍋爐，個別掛面企業(yè)改用區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行掛面干燥，大部分中小企業(yè)采用了天然氣鍋爐進(jìn)行供熱，由于天然氣單位熱值價格相對燃煤來說比較昂貴，掛面干燥成本大幅增加，甚至翻倍，由于成本增高使中小企業(yè)的產(chǎn)品市場競爭力大幅下降。采取新技術(shù)進(jìn)行綠色干燥，并降低掛面干燥成本成為行業(yè)關(guān)注的重要課題[5,7]。

1 掛面不同干燥工藝

1.1 掛面干燥工藝

掛面干燥一般都采用對流熱力干燥法，即利用一次能源（煤或天然氣等）通過鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能給導(dǎo)熱介質(zhì)提供熱量，加熱干燥車間的空氣，借助風(fēng)力使熱空氣對流，用以加熱濕掛面，同時帶走濕掛面的水分，達(dá)到供熱干燥的目的[8]。

1.2 傳統(tǒng)鍋爐掛面干燥工藝

濕面條進(jìn)入烘房后，煤、燃?xì)?、電等能源通過鍋爐燃燒或發(fā)熱產(chǎn)生的熱能加熱導(dǎo)熱介質(zhì) （導(dǎo)熱油、水），導(dǎo)熱介質(zhì)通過管道進(jìn)入干燥室加熱上部空氣，在上部風(fēng)扇向下排風(fēng)的作用下將熱風(fēng)向下吹加熱濕掛面，烘干室形成的高溫高濕的空氣在排潮風(fēng)機(jī)的作用下直接排到室外空氣中，掛面干燥后進(jìn)入下一工序，完成掛面干燥過程，干燥工藝如圖1所示。

該工藝為傳統(tǒng)的掛面干燥工藝，高溫高濕的氣體直接排空，造成能源浪費(fèi)，產(chǎn)生兩個污染源，其一為黑色污染：鍋爐燃燒化石能源通過煙囪的排放物，其二為白色污染：高溫高濕的排潮風(fēng)形成的白霧。

1.3 空氣源熱泵供熱掛面干燥工藝

該干燥工藝與傳統(tǒng)的鍋爐加熱掛面干燥對比，最大的特點(diǎn)是，空氣源熱泵替代鍋爐，真正實(shí)現(xiàn)了無煙工廠，高溫高濕的排潮風(fēng)通過熱泵實(shí)現(xiàn)了余熱回收循環(huán)再利用，達(dá)到了節(jié)能效果，比傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t節(jié)能40%左右[9]。烘房的排潮風(fēng)通過管道匯集在一起，通過空氣源熱泵翅片蒸發(fā)器，翅片蒸發(fā)器內(nèi)管道的冷媒蒸發(fā)吸熱，排潮風(fēng)被吸熱后變成冷凝水與冷空氣，冷凝水匯集后再利用，冷空氣夏季可以通過專用管道排到操作間與包裝間降低室內(nèi)溫度，改善工人工作環(huán)境，減少制冷設(shè)備的投資及運(yùn)行費(fèi)用，其它季節(jié)直接排空，冬季減少白煙排放，可降低白色污染。吸熱后的冷媒通過壓縮機(jī)壓縮變成高溫氣體，高溫氣體通過冷凝器加熱介質(zhì)（水或空氣），加熱后的介質(zhì)輸送到烘房加熱干燥濕掛面，濕掛面水分蒸發(fā)變?yōu)楦蓲烀?，形成的排潮風(fēng)進(jìn)入下一個循環(huán)，達(dá)到節(jié)能的效果，工藝如圖2所示。

圖2 余熱回收空氣源熱泵掛面干燥工藝

2 空氣源熱泵工作原理

熱泵是一種將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置[10]?？諝庠礋岜脽崴骰驹恚核饕怯蓧嚎s機(jī)、熱交換器、軸流風(fēng)扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、節(jié)流裝置和電子自動控制器等組成[11]。接通電源后，軸流風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，室外空氣通過蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，溫度降低后的空氣被風(fēng)扇排出系統(tǒng)，同時，蒸發(fā)器內(nèi)部的介質(zhì)吸熱汽化被吸入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)將這種低壓介質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強(qiáng)制循環(huán)的水也通過冷凝器，被介質(zhì)加熱后送去供用戶使用，而介質(zhì)被冷卻成液體，該液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器，如此反復(fù)循環(huán)工作，空氣中的低位熱能被不斷吸收利用而加熱介質(zhì)，空氣源熱泵熱水機(jī)組的基本工作原理[12]如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵工作原理

空氣源熱泵現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在供暖、生活洗浴熱水、農(nóng)產(chǎn)品干燥上，隨著國家政策煤改電的實(shí)施，尤其是北方地區(qū)大力推廣空氣源熱泵供暖，空氣源熱泵技術(shù)得到快速發(fā)展。

3 空氣源熱泵供熱掛面干燥不同空氣焓值對比

空氣源熱泵的熱源主要是空氣中的能量，空氣中的能量與空氣焓值相關(guān)，焓值越高熱能越高，熱泵的工作效率就越高，但由于一年四季天氣溫差較大，尤其是我國北方地區(qū)，冬季室外環(huán)境溫度低，空氣焓值低，不利于熱泵能量轉(zhuǎn)換。結(jié)合掛面干燥工藝實(shí)際情況，掛面中低溫烘干技術(shù)干燥室排潮風(fēng)始終處于30～35℃之間，濕度在80%左右，濕空氣焓值高，正好適合空氣源熱泵的正常工作，且能效比高，避免結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。鄭州地區(qū)2019年全年不同月份平均溫濕度如圖4所示，以此為例計算出一年四季不同月份空氣中平均焓值與排潮風(fēng)焓值對比，如圖5所示。

圖4 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣溫濕度

圖5 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣焓值對比

4 掛面干燥所需能耗分析

掛面干燥的能耗主要與掛面的四個因素有關(guān)：濕掛面的脫水量，主要由濕掛面的初始水分及干掛面的終末水分所決定，新風(fēng)升溫所需的熱量，根據(jù)不同地區(qū)不同季節(jié)的室外空氣溫濕度，結(jié)合掛面室內(nèi)溫度，計算出新風(fēng)升溫所需的熱量；結(jié)構(gòu)散熱所需的熱量，即根據(jù)干燥房四壁的材料、厚度、面積及室內(nèi)外的溫差計算出散熱所需的熱量；濕掛面及掛面桿升溫所需的熱能，綜合以上四種因素精確計算出所需的熱量[13]。應(yīng)根據(jù)干燥房最大熱量需求，按照不同能源的熱值及鍋爐的能效比計算出匹配的功率數(shù)去配備熱源。輸出熱源的價值與能源的單位熱值價格、熱源設(shè)備的能效比有關(guān)系，不同能源及制熱設(shè)備的能效比計算的各設(shè)備輸出單位熱值價格見表1。

表1 不同能源噸掛面干燥耗能表

5 熱泵系統(tǒng)設(shè)計

本實(shí)例針對某廠的掛面進(jìn)行熱泵干燥設(shè)備的設(shè)計及實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間為冬季。該廠屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候，冬季盛行偏北風(fēng)，寒冷干燥，夏季盛行偏南風(fēng)，炎熱多雨，季風(fēng)區(qū)氣候明顯。本次熱泵干燥設(shè)備采用余熱回收式熱泵系統(tǒng)，其主要利用烘房中的排濕余熱作為熱泵主機(jī)的低位熱源，既能保證系統(tǒng)在冬季正常運(yùn)行，也可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時為結(jié)合原有的烘房條件及掛面干燥工藝要求，熱泵干燥系統(tǒng)采用高溫?zé)崴g接干燥模式。即熱泵干燥機(jī)以水為傳熱介質(zhì)，將水加熱后，通入烘房；并通過調(diào)節(jié)水盤管熱水流量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對物料進(jìn)行干燥。本實(shí)驗(yàn)的掛面干燥系統(tǒng)由熱泵干燥供熱裝置和隧道式烘房組成。烘房采用隧道式，需移行300 m，干燥時間為3h，干燥溫度為30～45℃。以冷風(fēng)定條、保溫出汗、升溫降潮、降溫散熱四道工序完成，濕掛面的含水率為30%～32%，干燥后成品掛面的含水率為12%～13%。

熱泵干燥系統(tǒng)分為A、B兩組，采用聯(lián)合供熱模式，每組系統(tǒng)是以四個30 HP的壓縮機(jī)組成的120HP的熱泵機(jī)組，每組的總功率為105 kW，額定制熱量為320 kW，輔助電加熱的額定功率為3×10kW。其中 A （B）1 的制冷介質(zhì)為 R22、A（B）2、A（B）3、A（B）14 的制冷工質(zhì)為 R134a，如圖6和圖7所示。

圖6 A組熱泵機(jī)組干燥示意圖

圖7 B組熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

5.1 烘房內(nèi)的溫濕度分布

由于A組B組的熱泵系統(tǒng)工作條件相同，因此選取易測量的B組熱泵系統(tǒng)為測試對象分別在B4蒸發(fā)器前B4～B1蒸發(fā)器后布置一個溫濕度探頭；并設(shè)置PT100測量熱泵系統(tǒng)的回水溫度和出水溫度并在開機(jī)狀態(tài)時定時記錄B1～B4系統(tǒng)的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、烘房間各區(qū)中的溫濕度。具體干燥參數(shù)見表2。

表2 掛面干燥過程各區(qū)溫濕度設(shè)定值

在本次實(shí)驗(yàn)的烘房中，共分為四區(qū)，如圖8所示。按照掛面干燥工藝的要求，一區(qū)為冷風(fēng)定條，保持常溫在30℃左右的環(huán)境下進(jìn)行；二區(qū)為保溫出汗要求控制溫度不要太高，濕度低于80%，使面條處于預(yù)熱保潮，水分慢慢蒸發(fā)。三區(qū)是升溫降潮階段，這個階段要進(jìn)一步升溫，逐步降低相對濕度，進(jìn)行去濕。四區(qū)為降溫散熱，在這個階段散發(fā)面條的熱量，逐步達(dá)到接近或略高于室內(nèi)的常溫；同時繼續(xù)蒸發(fā)一小部分水分，達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的含水量，并使面條各部分的水分平衡。各區(qū)之間的溫度均是通過調(diào)節(jié)水流量進(jìn)行調(diào)溫的，并通過調(diào)節(jié)隧道上部的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制干燥速率。

圖8 烤房掛面烘干路線圖

實(shí)際干燥過程中，在掛面進(jìn)入烘房干燥之前要對烘房進(jìn)行預(yù)熱，以達(dá)到濕掛面進(jìn)入烘房后的溫度要求。實(shí)驗(yàn)過程中，熱泵系統(tǒng)于6：00開機(jī)預(yù)熱，7：00時濕掛面從烘房出口進(jìn)入，開始進(jìn)行干燥。干燥全程長度300 m，干燥時間為3 h，濕掛面的輸送量為14掛/min，每掛掛面的平均凈重為2.7 kg。

由圖8可知從早上7:00濕掛面進(jìn)入烘房后，風(fēng)機(jī)開啟，烘房中的溫度、濕度逐漸上升?？梢钥闯?，一區(qū)、二區(qū)整體相對濕度較大，掛面中的水分主要在一區(qū)和二區(qū)去除，其熱負(fù)荷較大。而三區(qū)溫度最高，用以去除面條中最里部較難出去的水分。四區(qū)主要進(jìn)行降溫散熱，相對熱負(fù)荷最小。以實(shí)際效果來看，熱泵供給熱水可以滿足烘房面條干燥的要求，取得了良好的效果。

5.2 熱泵機(jī)組的出回水溫度變化

為滿足烘房間斷性干燥的需求，系統(tǒng)設(shè)置儲水罐，夜間干燥設(shè)備停止工作時，將熱水儲存在儲水罐中進(jìn)行保溫，同時在烘房熱負(fù)荷較小時，關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，可充分將儲水罐中熱水的熱量進(jìn)行循環(huán)利用。以實(shí)驗(yàn)日為例，儲水罐的出水溫度為32℃左右。預(yù)熱階段，溫度上升。烘房滿載干燥期間，平均出回水溫差為11℃，當(dāng)濕掛面停止輸送后，熱泵熱負(fù)荷減少，出回水溫差逐漸減小。

5.3 熱泵設(shè)備的性能分析

根據(jù)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分布，計算熱泵干燥系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP，根據(jù)物料的除濕情況和熱泵的系統(tǒng)能耗得出系統(tǒng)的單位能耗除濕量，計算數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱泵設(shè)備的性能分析

由表3可知，熱泵干燥系統(tǒng)對掛面進(jìn)行干燥的成本為68.79元/t，其熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP平均為2.40，單位能耗除濕量平均為2.825 kg水/(kW·h)。干燥過程中，充分利用烘房中干燥產(chǎn)生的濕空氣，將其進(jìn)行余熱回收利用，在實(shí)驗(yàn)廠冬季環(huán)境溫度相對較低時，依舊可以進(jìn)行正常高效的工作。傳統(tǒng)的熱泵干燥設(shè)備工作主要利用室外環(huán)境中的空氣能，通過熱泵將低位熱源轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶豢衫脽嵩?。在冬季寒冷的室外環(huán)境下，若只利用室外環(huán)境中的空氣能會造成蒸發(fā)溫度相對較低，壓縮機(jī)的壓比增大，降低機(jī)組的運(yùn)行效率，增加運(yùn)行能耗。而熱泵干燥系統(tǒng)采用余熱回收的方法，有效地解決了冬季熱泵運(yùn)行困難的短板，并提高了物料的干燥質(zhì)量。

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用余熱回收式的熱泵干燥設(shè)備，可更好地應(yīng)對冬季寒冷的天氣；相比單一的從室外環(huán)境取熱，該余熱回收式熱泵干燥設(shè)備的運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定。本次實(shí)驗(yàn)時間為12月下旬，正值寒冷冬季，充分證明了系統(tǒng)的可靠性。干燥房采用熱水盤管式干燥，更好地保證了烘房內(nèi)溫度的均勻性，溫度穩(wěn)定，保證了干燥品質(zhì)。本實(shí)例設(shè)計的熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP最大達(dá)2.46，熱泵干燥設(shè)備的單位能耗除濕量最大為2.88 kg水/(kW·h)。在國家大規(guī)模推行煤改電的大政策下，熱泵干燥設(shè)備的溫度控制精度較高，無有害物質(zhì)排放，不僅保證物料的干燥品質(zhì)，且不污染物料、運(yùn)行成本低、節(jié)能環(huán)保、具有較大的推廣價值。經(jīng)過三年多的運(yùn)行，各項指標(biāo)達(dá)到預(yù)期值，各月份每噸干產(chǎn)品干燥電耗如圖9所示。

圖9 不同月份掛面烘干電耗

全年各月份平均干品掛面電耗不超70 kW·h/t，電費(fèi)按 0.7元/（kW·h）計算，平均成本為 49 元/t，耗能低，節(jié)能及環(huán)保效果明顯。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用余熱回收熱泵技術(shù)進(jìn)行掛面干燥，按目前平均噸掛面用天然氣30 m3計算，每方燃?xì)赓M(fèi)為3.0元左右，平均噸掛面干燥成本為90元左右，改用熱泵噸掛面干燥按節(jié)約30元，目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面，按50%產(chǎn)能進(jìn)行熱泵烘干技術(shù)改造，400萬t掛面一年節(jié)約干燥成本1.2億元，相當(dāng)為行業(yè)增加約1.2億元的凈利潤。

6.2 社會效益分析

目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面，按50%產(chǎn)能進(jìn)行熱泵烘干技術(shù)改造，按噸干品掛面30m3天燃?xì)庥嬎悖?00萬t掛面全年減少1.2億m3天燃?xì)馊紵?，每方燃?xì)馊紵a(chǎn)生的二氧化碳為1.76 kg排放，相當(dāng)于減少二氧化碳排放量21.12萬t，相當(dāng)于每年多栽15.64萬棵樹（1棵普通的樹每天可吸收5 kg二氧化碳，一年按三個季節(jié)光合作用，每年可吸收1.35 t二氧化碳）。

7 結(jié)論及建議

通過實(shí)際案例分析，余熱回收循環(huán)利用及空氣源熱泵掛面烘干技術(shù)，達(dá)到了綠色、環(huán)保、高效及節(jié)能的效果，是未來替代傳統(tǒng)燃燒化石能源為主的鍋爐供熱掛面干燥的發(fā)展方向。

盡管該技術(shù)比傳統(tǒng)鍋爐節(jié)能40%左右，投資回報率高，運(yùn)行成本低等優(yōu)勢，但先進(jìn)技術(shù)的前瞻性與客戶認(rèn)知度滯后的矛盾，加上熱泵技術(shù)一次性固定投資相對傳統(tǒng)的鍋爐投資高，為鍋爐投資的3～4倍，客戶接受率低。

應(yīng)加大節(jié)能新技術(shù)宣傳推廣力度，如實(shí)際案例參觀、行業(yè)會議推介等；也可通過行業(yè)協(xié)會向政府主管部門建議，參考類似北方供暖煤改電補(bǔ)助、農(nóng)產(chǎn)品及煙葉熱泵改造專項財政補(bǔ)貼政策，出臺掛面干燥熱泵改造建設(shè)補(bǔ)貼制度，減輕企業(yè)投資負(fù)擔(dān)，加快新技術(shù)的推廣應(yīng)用；制造企業(yè)加快新技術(shù)的研發(fā)，降低新技術(shù)中設(shè)備制造成本，減少掛面企業(yè)熱泵干燥技改的一次性投資，如此可起到雙贏的結(jié)果。