空氣流動方式影響種子熱泵干燥均勻性的研究

趙海波

(煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005)

空氣流動方式影響種子熱泵干燥均勻性的研究

趙海波

(煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005)

干燥不均勻性研究對于熱泵干燥裝置的設計與應用具有重要的意義．本文以白菜種子熱泵干燥為研究對象,采用數值模擬和統(tǒng)計分析方法,分析了干燥空氣從干燥托盤左上角流入右上角流出、中間上部流入下部流出、左上角流入右下角流出、左側流入右側流出等4種流動方式對熱泵干燥不均勻性的影響．結果表明,干燥空氣中間上部流入下部流出方式的干燥速率較低,干燥后種子的不均勻性最明顯,而干燥空氣左上角流入右下角流出方式的干燥速率較高,干燥后種子的均勻性最好,在熱泵干燥裝置設計中應優(yōu)先采用該種流動方式．

熱泵;干燥;均勻性

熱泵干燥能通過干燥溫度、濕度、速度和干燥周期的調節(jié)獲得高質量的干燥產品[1],節(jié)能性能優(yōu)越,其除濕能耗比可達傳統(tǒng)熱風干燥的10倍[2]．物料的熱泵干燥過程包括了物料內部的傳熱與傳質和物料與環(huán)境介質之間的傳熱與傳質2個過程,物料內部的傳熱與傳質受物料內部水分轉移機制、水分蒸發(fā)推動力等因素的影響,物料與環(huán)境之間的傳熱與傳質取決于干燥空氣溫度、濕度、流速以及表面蒸發(fā)面積與形狀的影響[3]．由于物料內部參數不易測量,現今干燥研究大都是從物料與環(huán)境之間的傳熱與傳質角度進行的．如Shi等[4]分析了干燥空氣溫度、風速對馬鮫魚熱泵干燥的影響,Hii等[5]研究了溫度階躍上升與下降對可可豆熱泵干燥的影響,Yang等[6]研究了溫度按方波、正弦與三角規(guī)律變化對白菜種子熱泵干燥的影響．

古赫曼準數Gu能夠描述干燥氣體干燥能力[7],它與干燥氣體的干球溫度和濕球溫度之差成比例,該差值越大表示干燥空氣的干燥能力越強,反之則越弱．在干燥過程中,干燥空氣流經物料表面時,吸收物料表面汽化的水分,空氣溫度隨之下降、濕度增加,導致Gu下降,空氣干燥能力降低．另一方面,干燥空氣在物料表面形成濃度邊界層,隨著流動的進行,邊界層厚度不斷增加,水分擴散的阻力隨之增加,使得處于空氣流動方向不同位置的物料的干燥程度會出現差別,產生干燥不均勻性問題．干燥不均勻性研究是干燥研究的熱點之一．楊洲等[8]發(fā)現位于干燥塔入口到出口不同層的稻谷的含水率會越來越大．孫鵬等[9]指出混流干燥同一水平面上糧食的水分差異最高達3%～5%．郝立群[10]比較了順流式、順逆流式、混流式、雙塔玉米干燥機和小型玉米干燥機的干燥特性,發(fā)現干燥機工藝結構、穿越糧層風速和糧層厚度是干燥后玉米水分不均勻度的主要影響因素．王振華等[11]研究發(fā)現換向通風能夠降低膨化顆粒飼料穿流干燥的不均勻度．熱泵干燥的不均勻性研究主要集中在微波輔助干燥引起的不均勻性．Bantle等[12]用微波輔助熱泵干燥鱈魚時,發(fā)現在干燥器內不同位置的干燥成品的含水率差別最大可達6%．Artnaseaw等[13]認為微波加熱的均勻性直接影響各部分物料的干燥速度及干燥成品質量的均一性,安鳳平等[14]則分析了微波饋入口不均和載料方式與干燥均勻性的關系．

為了降低干燥的不均勻性,Nijdam等[15]研究認為木材含水率的變化是由于干燥空氣在流動過程中不斷吸濕和氣流分布不均勻引起的,在降低由于干燥空氣增濕導致木材堆內含水率變化方面,氣流反轉比增加空氣流速更有效．Haque等[16]研究發(fā)現在干燥初期干燥空氣反轉3次以上才能降低最終含水率的差別．但是通過氣流反轉方式改善干燥的均勻性,需要對干燥空氣的流通通道構造等進行特殊設計,增加了系統(tǒng)結構與調控的復雜性．現有熱泵干燥研究中,Hii等[5]、Ong等[17]用的干燥箱為瘦高型,尺寸分別為330 mm×330 mm×1 000 mm和330 mm×330 mm×980 mm,采用了下進上出的流動方式．Shi等[4]、Wang等[18]的研究中干燥箱為寬扁形,采用了水平一側進另一側出的流動方式,Yang等[6]、李思遠等[19]中物料放在干燥托盤內干燥,空氣流動方向為水平左進右出方向．上述研究中沒有對熱泵干燥箱內空氣流動方式對干燥均勻性的影響進行分析研究,由于熱泵干燥箱內的物料干燥屬于對流干燥,所以在干燥裝置設計過程中,通過合理布置進出風口的位置,形成良好的氣流組織形式,對于提高傳質強度、改善干燥不均勻性是非常有益的．為此,本文擬以白菜種子熱泵干燥為例,通過數學模擬方法,分析比較幾種不同的干燥空氣進出風方式,從中選擇干燥速度快、均勻性好的方式,為熱泵干燥裝置的設計提供參考．

1 干燥空氣流動方式

由于白菜種子體積較小,以一定厚度在托盤內干燥時種子之間會層疊布置,干燥托盤在干燥室內呈多層堆放,可認為托盤除進風與出風外其余邊界皆封閉．針對此情況并做簡化處理,選擇其中一個干燥托盤為研究對象,種子在托盤內以3層整齊排列,根據進風與出風的相對位置,提出了流經種子表面的4種干燥氣體流動方式,分別是干燥空氣從干燥托盤左上角流入右上角流出(簡稱上進上出)、中間上部流入下部流出(上中進下中出)、左上角流入右下角流出(左上進右下出)、左側流入右側流出(左進右出),如圖1(按種子對稱性取其一半建模)．每種流動下進出風口面積相等．通過建立白菜種子的熱泵干燥模型,模擬得到不同流動方式下托盤內每個種子的平均含水率,在此基礎上分析比較干燥的不均勻性．

圖1 流動方式

2 數學模型

4種流動方式的差別在于進出風的相對位置即空氣側的進出口邊界位置不同,因此,按圖1建立4種幾何模型后,對應的數學模型可采用同一模型．由于白菜種子內部的濕度場是與自身溫度場、干燥空氣的溫度場和濕度場相耦合的,所以本文考慮了干燥空氣的傳熱與傳質特性,建立了由白菜種子傳熱模型和傳質模型、干燥介質的傳熱模型和傳質模型組成的熱泵干燥模型．

2.1 白菜種子傳質模型

通過合理簡化將濕度場即內部傳質研究問題進一步簡化．針對熱泵干燥下的白菜種子,作如下假設:種子是由種皮層和種胚層組成的球形,2層的質擴散系數分別為D1和D2,二者均隨含水率和溫度的變化而變化;在種皮層和種胚層分界面處含水率和傳質通量連續(xù);種子表面水分能迅速汽化．

在上述假設基礎上,建立的種子干燥過程內部質擴散模型由控制微分方程和初始條件組成．控制微分方程是基于菲克定律和質量守恒定律推導得到的[19]:

(1)

初始條件方程為

(2)

式中:X為干基含水率(水分質量/干基質量),下標1、2分別為種胚層和種皮層,0為初始值;τ為干燥時間;R為種子外半徑;R1為種胚層半徑;r為距離種子中心的距離;D為質擴散系數,種皮層和種胚層的質擴散系數由文獻[20]擬合求得．

2.2 空氣對流傳質模型

(3)

式中:u為空氣流速,下標x,y,z代表3個坐標軸方向．

2.3 白菜種子傳熱模型

(4)

2.4 空氣對流傳熱模型

質量守恒方程:

(5)

能量守恒方程為

(6)

式中:p為壓力;g為重力加速度;η為動力黏度．

干燥系統(tǒng)模型是由公式(1)～(6)組成的非線性偏微分方程組,采用有限元方法求解．

2.5 模型驗證

模型的正確性采用文獻[19]的實驗數據來驗證．主要參數為白菜種子的初始含水率為30%,種子在物料托盤中以單層均勻平鋪布置,熱泵干燥空氣溫度分別為30 ℃、35 ℃、40 ℃和45 ℃,相對濕度為30%．托盤中的種子對流干燥時,干燥空氣是水平方向進出的．將模擬得到的含水率結果與對應的實驗結果對比以分析模型的正確性．

圖2為試驗裝置原理圖．該裝置包括熱泵回路和干燥空氣回路兩部分．在熱泵回路中,從蒸發(fā)器出來的制冷劑氣體,經壓縮機壓縮后溫度和壓力升高,沿著2個支路分別進入輔助冷凝器和冷凝器．改變閥門1和2的開度可控制流經輔助冷凝器和冷凝器的制冷劑流量分配,改變冷凝器的散熱量,實現干燥空氣的溫度和相對濕度調節(jié)．制冷劑在冷凝器中放熱給干燥空氣后流出,與輔助冷凝器流出的制冷劑混合后經節(jié)流閥節(jié)流,變成低溫低壓的兩相氣體,進入蒸發(fā)器吸收空氣的熱量并氣化,再進入壓縮機繼續(xù)新的循環(huán)．空氣在干燥空氣回路中的流動是在風機驅動下完成的,在冷凝器中吸收制冷劑的熱量后溫度升高,進入干燥室干燥物料,物料蒸發(fā)的水分擴散到空氣中,空氣流經蒸發(fā)器并進行冷卻除濕后,再進入冷凝器繼續(xù)吸熱循環(huán)．

1.輔助冷凝器; 2.閥門1; 3.閥門2; 4.冷凝器; 5.壓縮機;6.節(jié)流閥; 7.蒸發(fā)器; 8.托盤; 9.輔風機; 10.電子天平; 11.主風機

圖2 熱泵實驗臺原理

Fig.2 Schematic diagram of heat pump test rig

圖3給出了模擬得到的白菜種子含水率值與實驗值的對比．可以看出,通過模擬得到的種子干燥過程中含水率變化趨勢與實驗測試結果吻合良好,且在不同干燥空氣溫度條件下絕大部分模擬值與實驗值之間的偏差在±10%以內．通過SPSS軟件的配對樣本T檢驗進一步計算了二者的相關系數,如表1．結果表明,在4種不同溫度條件下,模擬值與實驗值的相關系數都在0.996以上,35 ℃條件下相關系數可達0.999．可見,本文所建的模型精度較好,可以用于白菜種子的干燥模擬．

圖3 熱泵干燥過程中種子平均含水率的模擬與實驗值對比

Fig.3 Comparison of experimental and calculated average moi-sture content values of seeds during heat punp drying

表1 平均含水率實驗值與模擬值的相關系數

Tab.1 Correlation coefficients of experimental and calculated average moisture contents

干燥溫度/℃相關系數300.996350.999400.998450.998

3 結果分析

采用驗證后的模型,分別對4種流動方式下的白菜種子熱泵干燥進行了模擬計算．模擬采用的參數有:種子為3層整齊排列,種子初始溫度為20 ℃,干燥空氣進口溫度為40 ℃,相對濕度為30%,風速為0.5 m/s．

3.1 平均含水率的變化

圖4、5分別是4種流動方式下,熱泵干燥白菜種子的平均含水率與平均溫度的變化情況．由圖4可以看出,在干燥過程中,種子平均含水率逐漸降低,但是上中進下中出流動方式的種子平均含水率降低速度較低,而其他3種流動方式按左進右出、左上進右下出、上進上出順序種子平均含水率降低速度依次減小,但差別很小,3條曲線基本重合,這表明上中進下中出干燥方式的干燥速率較低,而其他3種方式的干燥速率沒有差別．就種子平均溫度變化而言,在干燥初期種子與干燥空氣溫差較大,種子吸收干燥空氣熱量后溫度快速上升,而后因種子干燥脫水需要吸熱使其溫度上升速度變慢．4種流動方式中,上中進下中出方式干燥的種子溫度變化相對較慢,溫度變化最快的是左進右出方式,其余依次是干燥室左上進右下出方式和上進上出方式．

圖4 不同流動方式時種子平均含水率的變化情況

Fig.4 Average moisture content variations of seed under differ-ent airflow types

圖5 不同流動方式時種子平均溫度的變化情況

Fig.5 Average temperatue variations of seed under differentairflow types

進一步地,通過分析干燥室內空氣氣流分布情況可以解釋上述含水率和溫度變化的原因．圖6～9分別是模擬得到的4種流動方式下空氣氣流在相鄰種子之間形成的通道內的分布情況．可以看出,上中進下中出流動方式干燥室內流速最小,且空氣流動分布均勻性最差,干燥室兩側空氣基本上呈滯留狀態(tài),這兩處的種子與空氣之間的傳熱傳質難以充分進行,導致所有種子的平均含水率下降和平均溫度升高速率均較慢．在其他3種流動方式中,左進右出方式的氣流分布更均勻,上下層種子之間的空隙流道內有更大的速度值,干燥室內沒有明顯的氣流滯留區(qū),干燥空氣與種子之間的傳熱傳質進行地較充分,其平均含水率下降速率和平均溫度升高速率與其余方式相比略大．在上進上出和左上進右下出2種流動方式中,干燥室內氣流分布均勻性比左進右出方式稍差,干燥室中部的空氣流速稍大,而干燥室前端和尾部要小些．左上進右下出流動方式中,空氣在種子間空隙通道內的速度要大于上進上出,使得該方式作用下種子平均含水率下降速率和平均溫度升高速率略大于上進上出方式．總的來說,雖然含水率變化要受到氣流分布的影響,但由于種子干燥過程處于降速干燥階段,干燥進程主要受內部水分擴散控制,外部的對流傳質影響相對較小,所以圖4中不同流動方式作用下的含水率差別較小,尤其是上進上出、左上進右下出和左進右出3種方式．

圖6 上進上出方式空氣氣流分布情況

Fig.6 Air flow distribution under the top inflow and top outflow type

圖7 上中進下中出方式空氣氣流分布情況

Fig.7 Air flow distribution under the top middle inflow and bottom middle outflow type

圖8 左上進右下出方式空氣氣流分布情況

Fig.8 Air flow distribution under the top left inflow and bottom right outflow type

圖9 左進右出方式空氣氣流分布情況

Fig.9 Air flow distribution under the left inflow and right out- flow type

3.2 平均含水率的統(tǒng)計分析

通過統(tǒng)計學方法可以實現流動方式對種子含水率均勻性的定量分析．圖10給出了干燥進行到3 000 s時,不同流動方式下托盤內所有種子的含水率值．沿x方向按照從左到右、從上到下的順序對托盤內的所有種子進行編號排序,得到每個種子的序號,如橫坐標所示．可以看出,不同流動方式干燥后的種子的含水率分布是不一樣的,上中進下中出方式干燥后種子含水率呈兩邊高、中間低的分布趨勢,其余3種則呈左側低右側高分布．

圖10 3 000 s時不同流動方式下各個種子的含水率值

Fig.10 moisture contents of each seed under different airflow types after 3 000 s drying

針對模擬得到的所有種子的含水率數據,通過統(tǒng)計分析中的方差和百分位數來定量描述不同種子含水率之間的離散趨勢,比較不同流動方式對干燥不均勻性的影響．

圖11 不同流動方式時種子平均含水率的方差值

Fig.11 Variances of average moisture contents of seed under different airflow types

百分位數是一種位置指標[22],用Px表示,Px是指樣本中有x%的值比它小,(100-x)%的值比它大,常用的是四分位數,包括P25、P50和P75分位數．P25和P75這2個分位數包括了中間50%的數值,既排除了兩端極端值的影響,又能反映較多數據的離散程度．圖12～15分別是干燥進行到1 000 s、3 000 s、6 000 s和9 000 s時,統(tǒng)計得到的不同流動方式下種子含水率的百分位數分布情況．圖中每個方框的上、中、下3條邊分別表示P25、P50和P75分位數,上下2個*表示含水率的最大和最小值,□表示平均值．可以看出,4種流動方式中,P25和P75分位數涵蓋的含水率范圍隨干燥的進行逐漸減小,在同一干燥時刻,上中進下中出干燥方式的P25和P75涵蓋的數值范圍最大,表明此流動方式下位于托盤內不同位置的種子含水率之間存在較大的差別．其余3種方式得到的種子含水率之間差別較小,尤其是左上進右下出方式的百分位數涵蓋的范圍最小,表明該方式干燥得到的種子含水率之間差別最小,干燥的均勻性最好．

圖12 1 000 s時不同干燥方式得到的種子平均含水率的百分位數

Fig.12 Percentile values of average moisture contents of seed under different airflow types after 1 000 s drying

圖13 3 000 s時不同干燥方式得到的種子含水率的百分位數

Fig.13 Percentile values of average moisture contents of seed under different airflow types after 3 000 s drying

圖14 6 000 s時不同干燥方式得到的種子含水率的百分位數

Fig.14 Percentile values of average moisture contents of seed under different airflow types after 6 000 s drying

圖15 9 000 s時不同干燥方式得到的種子含水率的百分位數

Fig.15 Percentile values of average moisture contents of seed under different airflow types after 9 000 s drying

4 結 論

干燥不均勻性研究對于熱泵干燥裝置的設計與應用具有重要的意義．本文以白菜種子熱泵干燥為例,采用數值模擬和統(tǒng)計分析方法,分析了干燥空氣從干燥托盤左上角流入右上角流出、中間上部流入下部流出、左上角流入右下角流出、左側流入右側流出等4種流動方式對熱泵干燥不均勻性的影響,得到如下結論.

(1)建立了白菜種子熱泵干燥模型,通過模擬結果與實驗結果的比較表明,在4種不同溫度條件下,模擬值與實驗值的相關系數都在0.996以上,35 ℃條件下相關系數可達0.999．證明了本文所建的模型精度較好,可以用于白菜種子的干燥模擬．

(2)通過模擬發(fā)現,流動方式對種子干燥速率有較大影響,上中進下中出流動方式得到的干燥速率較慢,左進右出方式的干燥速率較大．由于種子干燥過程主要受內部水分擴散控制,所以左上進右下出、左進右出、上進上出3種流動方式得到的種子含水率幾乎沒有差別．流動方式對種子平均溫度的變化速度也存在影響,上中進下中出流動方式干燥的種子溫度變化相對較慢,而左進右出流動方式干燥的種子溫度變化最快．

(3)通過比較計算不同流動方式下所有種子含水率的方差發(fā)現,上中進下中出流動方式干燥的種子的方差最大,而其余3種流動方式干燥的種子的方差差別不大,這表明上中進下中出流動方式的干燥不均勻性最明顯,其余3種流動方式干燥均勻性較好．

(4)通過進一步比較不同流動方式的百分位數P25和P75發(fā)現,除上中進下中出流動方式仍然具有最大的百分位數范圍外,其余3種流動方式干燥的種子的百分位數范圍較小,尤其是左上進右下出流動方式的百分位數涵蓋的范圍最小,表明該方式干燥得到的種子的含水率之間差別最小,干燥的均勻性最好．可見,在設計干燥裝置時,考慮干燥速率、種子含水率方差與百分位數等因素應優(yōu)先采用該種流動方式以獲得更好的干燥均勻性．

[1] Goh L J, Othman M Y, Mat S, et al. Review of heat pump systems for drying application[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15: 4788-4796.

[2] Kudra T, Mujumdar A S. Advanced drying technologies[M]. New York: Taylor & Francis Group,2009.

[3] 朱文學.食品干燥原理與技術[M].北京:科學出版社,2009.

[4] Shi Qilong, Xue Changhu, Zhao Ya, et al. Drying characteristics of horse mackerel dried in a heat pump dehumidifier[J].Journal of Food Engineering, 2008,84:12-20.

[5] Hii C L, Law C L, Law M C. Simulation of heat and mass transfer of cocoa beans under stepwise drying conditions in a heat pupm dryer[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,54:264-271.

[6] Yang Zhao, Zhu Enlong, Zhu Zongsheng, et al. A comparative study on intermittent heat pump drying process of Chinese cabbage seeds[J]. Food and Bioproducts Processing, 2013,91:381-388.

[7] 食品干燥原理技術基礎[M].高奎元,譯.北京:輕工業(yè)出版社,1986.

[8] 楊洲,羅錫文,李長友.稻谷含水率分布及變化規(guī)律[J].農業(yè)機械學報,2005,36(10):81-84.

[9] 孫鵬,趙冰,佟富強,等.大型混流干燥機干燥不均勻性的研究[J].農機化研究,2001(3):55-57.

[10] 郝立群.干燥后玉米水分不均勻度影響因素的分析與建議[J].中國糧油學報,2005,20(4):110-114.

[11] 王振華,楊德勇,丁甜,等.膨化顆粒飼料穿流干燥試驗[J].農業(yè)工程學報,2013,29(24):293-301.

[12] Bantle M, Kafer T, Eikevik T M. Model and process simulation of microwave assisted convective drying of clipfish[J]. Applied thermal energineering, 2013,59:675-682.

[13] Artnaseaw A, Theerakulpisut S, Benjapiyaporn C. Drying characteristics of Shiitake mushroom and Jinda chili during vacuum heat pump drying[J]. Food and Bioproducts Processing, 2010, 8 8:105-114

[14] 安鳳平,黃建立,宋洪波,等.微波真空干燥機干燥系統(tǒng)的設計及干燥均勻性的改善[J].福建農林大學學報,2011,40(1):85-90.

[15] Nijdam J J, Keey R B.Influence of local variations of air velocity and flow direction reversals on the drying of stacked timber boards in kilns[J]. Chemical Engineering Research and Design,1996,74(8):882-892

[16] Haque M N, Riley S G, Langrish T A G, et al. Model predicted effect of process variables on kiln drying of pinus radiata boards[J]. Drying Technology: An International Journal, 2007,25(3): 455-461.

[17] Ong S P, Law C L. Drying kinetics and antioxifant phytochemicals retention of salak fruit under different drying and pretreatment conditions[J]. Drying Technology,2011,29:429-441.

[18] Wang D C, Zhang G, Han Y P, et al. Feasibility analysis of heat pump dryer to dry hawthorn cake[J]. Energy conversion and management. 2011,52:2919-2924.

[19] 李思遠.種子熱泵干燥過程中傳熱傳質以及生命物質變化規(guī)律研究[D].天津:天津大學,2007.

[20] 張嘉輝.熱泵干燥理論和種子干燥性能的研究[D].天津:天津大學,1999

[21] 楊俊紅.植物性含濕多孔介質在干燥過程中優(yōu)化傳熱傳質機理的研究[D].天津:天津大學,1998.

[22] 張文彤,閆潔.SPSS統(tǒng)計分析基礎教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

(責任編輯 蘇曉東)

Effect of Airflow Types on Moisture Uniformity of Seed Heat Pump Drying

ZHAO Hai-bo

(Ocean School, Yantai University, Yantai 264005, China)

The moisture uniformity of dried products is important for design and application of heat pump dryers. The cabbage seeds drying by heat pump drying are investigated. The simulation method and statistic analysis are used to study the effect of airflow types on the moisture uniformity of heat pump drying. Four types of airflows, including the top left inflow and top right outflow, the top middle inflow and bottom middle outflow, the top left inflow and lower right outflow, and the left inflow and right outflow, are put forward. The results show that, among the four airflow types, the airflow of top middle inflow and bottom middle outflow has the lowest drying rate and poorest moisture uniformity, while the airflow of top left inflow and bottom right outflow has high drying rate and good moisture uniformity. Therefore, the airflow of top left inflow and bottom right outflow should be preferentially adopted in the design of heat pump dryers.

heat pump; drying; uniformity

1004-8820(2015)04-0265-08

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.007

2014-08-28

山東省自然科學基金資助項目(ZR2014EL029);山東省高等學?？蒲杏媱濏椖?J12LB55);煙臺大學博士啟動基金(hx07b29).

趙海波(1979- ),山東日照人，講師，博士，主要研究方向為熱泵干燥等熱泵應用研究.

TB61+1;TK173

A