太陽能熱泵聯(lián)合干燥農(nóng)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)研究

李　銳王瑞霞江燕濤（廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江5405）

太陽能熱泵聯(lián)合干燥農(nóng)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)研究

李銳1王瑞霞2江燕濤3
（廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524025）

太陽能干燥是農(nóng)產(chǎn)品干燥方法中比較節(jié)能的方法，但由于太陽能間斷性和不穩(wěn)定性，單一利用太陽能干燥將大大降低干燥效率，并且由于農(nóng)產(chǎn)品物料的多樣性和性質(zhì)的復(fù)雜性，單一太陽能干燥很難滿足干品的質(zhì)量要求，常常采用的辦法是和其他能源結(jié)合。本文從新能源開發(fā)利用與節(jié)能減排的角度出發(fā)，基于湛江地區(qū)農(nóng)戶對農(nóng)產(chǎn)品干燥的需求現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種太陽能與熱泵聯(lián)合干燥裝置，利用該裝置對白蘿卜進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的干燥效果，結(jié)果表明該干燥裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠，并具有良好的農(nóng)產(chǎn)品干燥效果。

太陽能；熱泵；干燥；含水率

1　引言

太陽能具有清潔無污染的可再生能源特點(diǎn)，并且是再生的，開發(fā)新能源將其應(yīng)用于果蔬的干燥是切實(shí)可行的，但同時(shí)它是一種不穩(wěn)定的間歇性能源，這使得太陽能需要結(jié)合其它能源應(yīng)用于干燥［1］。太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)將單熱源的熱泵干燥與太陽能結(jié)合起來，該聯(lián)合干燥技術(shù)既集二者優(yōu)點(diǎn)，又克服了太陽能干燥受氣候條件影響的弱點(diǎn)［2］。

2　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)研究在搭建成型的一種太陽能熱泵集熱系統(tǒng)上進(jìn)行，研究階段共分6次實(shí)驗(yàn)，其中分別為2次太陽能實(shí)驗(yàn)，2次熱泵實(shí)驗(yàn)，1次太陽能+熱泵實(shí)驗(yàn)、1次熱泵+太陽能實(shí)驗(yàn)，測試系統(tǒng)測試干燥過程中集熱器和干燥室進(jìn)出口空氣的溫度，并記錄消耗電量，為太陽能集熱系統(tǒng)性能分析研究提供數(shù)據(jù)。

2.1材料預(yù)處理

由于白蘿卜含水率高，初始含水率一般在95%左右，比較適宜作為干燥實(shí)驗(yàn)的物料。實(shí)驗(yàn)研究所用材料為白蘿卜。選取長勢好、大小均勻、組織嫩脆、新鮮、無腐爛、長約30cm，直徑約7cm的白蘿卜，清洗干凈、切除根梢，切成（1.2～1.6 cm）×30 cm的白蘿卜條。

2.2實(shí)驗(yàn)研究方案

方案一:晴天太陽能輻射強(qiáng)度大，干燥箱進(jìn)口溫度達(dá)到約55℃時(shí)，單獨(dú)開啟太陽能干燥系統(tǒng)；方案二:陰天和晚上用熱泵對物料進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)；方案三:用太陽能+熱泵進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。

每次實(shí)驗(yàn)蘿卜條用量為15kg，均勻鋪在物料架上，干燥至安全含水率8%。在實(shí)驗(yàn)過程中，抽取部分樣品標(biāo)上記號，每2小時(shí)取一次樣本，測試樣本重量，實(shí)驗(yàn)完成后記錄整個(gè)干燥過程所消耗的能量。

由于白蘿卜含水量高，比較難干燥，因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共干燥24h左右。

2.3水率測定

采用常壓烘干箱法，即熱失重測量法。該操作方法簡單，通過測量加熱前后重量變化換算出水份含量。計(jì)算公式:

通常根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)干燥的時(shí)間約為24小時(shí)左右，并且隔2h，進(jìn)行再次稱重，重復(fù)幾次直至樣品質(zhì)量變化不超過某一范圍。

2.4物料含水率表示方法

物料含水率的表示方法有兩種:濕基表示法和干基表示法。

濕基含水率，用w表示，即:

式中:

2.5含水率測定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法是:選取長約30cm，直徑約7cm的優(yōu)質(zhì)白蘿卜，把蘿卜清洗干凈、切除根梢，切成8cm左右厚度的蘿卜片，將處理好的物料均勻鋪在物料架上。將7.35kg切片物料平鋪，用熱泵單獨(dú)實(shí)驗(yàn)干燥14.5h后稱重為495g，然后將干燥后的495g物料在太陽下曬3天后重量為424g，第3天稱重重量與第2天稱重對比，物料重量變化不超過2%時(shí)，即認(rèn)定此重量為絕干重量，根據(jù)式2 -1計(jì)算出初始含水率（%）=94.3%，從而可以得出物料初始含水率94.3%，與資料查到白蘿卜的初始含水率在95%左右很接近。

3　干燥系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)

為了對熱泵干燥裝置的性能進(jìn)行深入的研究，通常用熱泵性能系數(shù)（COP，無量綱值）、單位時(shí)間除濕量（MER，kg/h）和單位能耗除濕量（SMER，kg/（kW·h））來綜合評價(jià)一個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)［3］。

單位能耗除濕量SMER，單位為kg/（kW· h），表征熱泵系統(tǒng)性能指標(biāo)的物理量。是除濕設(shè)備主要的經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)，即在消耗單位能耗的情況下，干燥設(shè)備的除濕量［7］。其定義式為:

式中:

Ms—消耗電能，kWh。

傳統(tǒng)干燥器的理論SMER值為1.595kg/ （kWh）（100℃），而實(shí)際的SMER只有理論值的20%～80%［4］。

單位時(shí)間除濕量MER，單位為kg/h，表征熱泵系統(tǒng)干燥速率的物理量。其定義式為:

式中:

M d—除濕量，kg；

H—除濕耗時(shí)，h

熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)COP，表征熱泵效率的無量綱物理量，其定義式為:

式中:

Q—高溫下熱泵輸出的有用熱量；

W—壓縮機(jī)消耗的電能。

熱泵的COP值越高，說明熱泵熱效率、熱工性能越好。但實(shí)際熱泵運(yùn)行并非理想熱力循環(huán)狀態(tài)，往往其性能系數(shù)只有理想熱泵的40-50%［6］。COP值越大，熱泵效率也越高。格力空氣源熱泵夏季制冷性能系數(shù)COP值在3.0左右，冬季不計(jì)算計(jì)化霜損失，制熱系數(shù)COP值也在3.0左右。夏季節(jié)約電能效果明顯，是常規(guī)電熱水器的1/4。

4　結(jié)果與分析

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行6次干燥實(shí)驗(yàn)，白蘿卜在晴天太陽能實(shí)驗(yàn)和陰天或晚上的熱泵實(shí)驗(yàn)各兩次，兩次白天太陽能+晚上熱泵干燥實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)1，3和4干燥后最終含水率均達(dá)到了8%（白蘿卜干燥的安全含水率）以實(shí)驗(yàn)2，5和6含水率稍高。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4-1。

表4-1　白蘿卜干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比列表

對比實(shí)驗(yàn)后干品品質(zhì)，可以得出太陽能干燥時(shí)不需要抽濕機(jī)工作，既可以達(dá)到干燥品質(zhì)要求，又節(jié)約能源；而熱泵干燥熱濕空氣循環(huán)空間只有干燥室內(nèi)部，不用抽濕機(jī)工作會降低干燥速率，且物料在高溫高濕情況下，容易腐爛變質(zhì)，對干燥品質(zhì)造成影響。

4.2實(shí)驗(yàn)1、2干燥室進(jìn)出口溫度變化分析

由圖4-1，圖4-2可以看出，實(shí)驗(yàn)1干燥箱進(jìn)出口溫差為5℃，干燥箱入口溫度比環(huán)境溫度高16.6℃；而實(shí)驗(yàn)2干燥箱進(jìn)出口溫差更大，為9.2℃，干燥箱入口溫度比環(huán)境溫度高12.5℃；

溫度隨時(shí)間實(shí)時(shí)變化原因分析:早上9點(diǎn)，太陽能輻射強(qiáng)度小，集熱器吸收的的熱量少，且干燥前期，物料表明的自由水蒸發(fā)快，需要的熱量多，因此干燥箱入口的溫度低，大約在50℃左右。隨著太陽能輻射強(qiáng)度的增大，干燥系統(tǒng)的溫度不斷升高，在中午12時(shí)左右達(dá)到最高約65℃，然后又呈下降趨勢，至下午5點(diǎn)時(shí)候溫度和早上10點(diǎn)比較接近，圖形類似向下開口的拋物線。最晚下午6點(diǎn)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，為防止?jié)裎锪献冑|(zhì)腐爛，晚上回收進(jìn)冰箱冷藏，第二天繼續(xù)太陽能干燥實(shí)驗(yàn)。

兩次太陽能干燥實(shí)驗(yàn)，干燥箱入口處平均溫度均達(dá)到50℃左右，比室外空氣溫度高出13℃左右，太陽能熱風(fēng)干燥與直接曬干相比可以較大的縮短干燥周期。

4.3實(shí)驗(yàn)1、2樣品重量和濕基含水率隨時(shí)間變化

對實(shí)驗(yàn)測得的樣品重量進(jìn)行處理，讓最終含水率均為8%，可以得出樣品含水率隨時(shí)間變化的數(shù)值及曲線變化，如表4-2。

圖4-1　實(shí)驗(yàn)1干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

圖4-2　實(shí)驗(yàn)2干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

表4-2　實(shí)驗(yàn)1、2樣品重量和濕基含水率隨時(shí)間變化表

由圖3-3，圖3-4可以看出:⑴干燥樣品重量隨時(shí)間變化曲線與干燥樣品含水率隨時(shí)間變化曲線規(guī)律是一致的。⑵太陽能干燥實(shí)驗(yàn)在22個(gè)小時(shí)的干燥過程中，含水率變化曲線比較光滑幾乎呈一條直線，隨時(shí)間穩(wěn)定下降。在22h，樣品含水率在14%左右處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，開始進(jìn)入降速干燥階段。經(jīng)過2個(gè)小時(shí)，干燥時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，實(shí)驗(yàn)1樣品含水率達(dá)到了8%，經(jīng)過4個(gè)小時(shí)，干燥時(shí)間達(dá)到26h時(shí)，實(shí)驗(yàn)2樣品含水率達(dá)到了8%。

由以上分析可以得出結(jié)論，白蘿卜太陽能干燥實(shí)驗(yàn)，在22h之前屬于恒速干燥階段，在22h出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后進(jìn)入降速干燥階段，干燥時(shí)間在26小時(shí)左右可達(dá)到白蘿卜干燥的安全含水率8%左右。

圖4-3　實(shí)驗(yàn)1、2干燥樣品重量隨時(shí)間變化曲線圖

圖4-4　實(shí)驗(yàn)1、2干燥樣品含水率隨時(shí)間變化曲線圖

圖4-5　實(shí)驗(yàn)3進(jìn)、出水溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖4-6　實(shí)驗(yàn)4進(jìn)、出水溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖4-7　實(shí)驗(yàn)3干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

4.4實(shí)驗(yàn)3進(jìn)、出水溫度隨時(shí)間變化分析

由圖4-5，圖4-6可以看出進(jìn)、出水溫度溫度隨時(shí)間變化曲線靠的非常近，說明兩者溫差很小，干燥箱得到熱量為熱泵熱水管供給熱量。

4.5實(shí)驗(yàn)3、4干燥室進(jìn)出口溫度變化分析

從圖4-7，圖4-8，可以看出:在白天時(shí)候進(jìn)出口溫差很小，晚上稍大；干燥前期溫差稍小，干燥后期溫差稍大。由于熱泵干燥空氣循環(huán)空間極小，僅為干燥箱內(nèi)部空間，所以干燥箱進(jìn)出口溫差并不能反映物料得到熱量的大小。

4.6實(shí)驗(yàn)3、4樣品含水率隨時(shí)間變化分析

實(shí)驗(yàn)3熱泵實(shí)驗(yàn)，干燥過程進(jìn)行9.5h后進(jìn)入晚上，由于樣品重量是人工稱重，測量數(shù)據(jù)缺失（9.5-21.5）h的數(shù)據(jù)，同理實(shí)驗(yàn)4，缺失（6-17.5）h的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖4-8實(shí)驗(yàn)1、2干燥樣品濕基含水率隨時(shí)間變化曲線得出的結(jié)論，干燥至含水率在14%時(shí)，均為等速干燥階段，含水率在14%-8%為降速干燥階段，對實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和推測，讓最終含水率均為8%，可以得出樣品含水率隨時(shí)間變化的數(shù)值及曲線變化，如圖4 -9。

由圖3-9得出，熱泵干燥實(shí)驗(yàn)在17個(gè)小時(shí)的干燥過程中，含水率變化曲線比較光滑幾乎呈一條直線，隨時(shí)間穩(wěn)定下降。在17h時(shí)，品含水率在14%左右處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，開始進(jìn)入降速干燥階段，與太陽能干燥時(shí)變化規(guī)律一致。經(jīng)過4個(gè)小時(shí)，干燥時(shí)間達(dá)到21時(shí)，實(shí)驗(yàn)3，4樣品含水率均達(dá)到了8%。

圖4-8　實(shí)驗(yàn)4干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

圖4-9　實(shí)驗(yàn)3，4干燥樣品含水率隨時(shí)間變化曲圖

圖4-10　實(shí)驗(yàn)5干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

圖4-11　實(shí)驗(yàn)6干燥室進(jìn)出口溫度變化曲線圖

圖4-12　實(shí)驗(yàn)5干燥樣品含水率隨時(shí)間變化曲線圖

可以得出結(jié)論，白蘿卜熱泵干燥實(shí)驗(yàn)，在前17h屬于恒速干燥階段，在17h出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后進(jìn)入降速干燥階段，干燥時(shí)間在21小時(shí)左右可達(dá)到白蘿卜干燥的安全含水率8%以下。

4.7實(shí)驗(yàn)5，6干燥箱進(jìn)出口隨時(shí)間變化曲線圖

從圖4-10，4-11可以看出:太陽能干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)，干燥箱進(jìn)出口溫差稍大，熱泵干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)溫差很小；熱泵干燥時(shí)，干燥箱供給熱量比較均勻，由于干燥后期需要熱量少，圖4-10可以看出熱泵干燥后期箱內(nèi)溫度逐漸升高，所以熱泵干燥比較適合前期干燥。

無論太陽能實(shí)驗(yàn)，還是熱泵實(shí)驗(yàn)干燥箱入口均比環(huán)境溫度高13℃左右。由于熱泵干燥空氣循環(huán)空間極小，僅為干燥箱內(nèi)部空間，所以干燥箱進(jìn)出口溫差并不能反映物料得到熱量的大小。

4.8實(shí)驗(yàn)5，6干燥樣品含水率隨時(shí)間變化曲線

實(shí)驗(yàn)5，干燥過程進(jìn)行8h后進(jìn)入晚上，由于樣品重量是人工稱重，所以缺失（10-18.5）h的數(shù)據(jù)，同理實(shí)驗(yàn)6，缺失（2-11.5）h的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖4-3實(shí)驗(yàn)1、2干燥樣品濕基含水率隨時(shí)間變化曲線得出的結(jié)論，干燥至含水率在14%時(shí)，均為等速干燥階段，含水率在14%-8%為降速干燥階段，對實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和推測，讓最終含水率均為8%，得出圖4-12的樣品含水率隨時(shí)間變化的曲線變化。

由圖4-12得出，干燥實(shí)驗(yàn)的前期干燥過程中，含水率變化曲線比較光滑幾乎呈一條直線，隨時(shí)間穩(wěn)定下降，干燥實(shí)驗(yàn)的后期干燥過程中，含水率下降比較緩慢，最后的2個(gè)小時(shí)，幾乎是平行于時(shí)間軸，變化甚微。由于測量的數(shù)據(jù)有限，實(shí)驗(yàn)5預(yù)計(jì)在干燥時(shí)間為19h左右處，開始進(jìn)入降速干燥階段，預(yù)計(jì)干燥時(shí)間達(dá)到22h時(shí)，實(shí)驗(yàn)5樣品含水率達(dá)到安全含水率8%；實(shí)驗(yàn)6預(yù)計(jì)在干燥時(shí)間為22h左右處，開始進(jìn)入降速干燥階段，干燥時(shí)間達(dá)到26h時(shí)，實(shí)驗(yàn)6樣品含水率達(dá)到安全含水率8%。

對比實(shí)驗(yàn)5，6，可以得出實(shí)驗(yàn)后期干燥過程比較緩慢，實(shí)驗(yàn)6后期用太陽能干燥，降速階段時(shí)間較長。可以得出結(jié)論，白蘿卜太陽能與熱泵聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)，在前21h屬于恒速干燥階段，在21h出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，之后進(jìn)入降速干燥階段，干燥時(shí)間在25小時(shí)左右可達(dá)到白蘿卜干燥的安全含水率8%以下。

通過以上分析，對表3-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，均干燥至含水率8%時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4-3:

表4-3　白蘿卜干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比列表

通過表4-3看出，單位時(shí)間平均除濕量最小的是實(shí)驗(yàn)1，2太陽能實(shí)驗(yàn)，最大的是熱泵實(shí)驗(yàn)，太陽能+熱泵介于兩者之間。

5　小結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)研究，由樣品重量時(shí)間變化曲線的分析，物料干燥的規(guī)律，和達(dá)到安全含水率所需要的時(shí)間來看，得出太陽能干燥單位能耗比熱泵干燥小，節(jié)能率達(dá)51%左右，明顯減少了電能消耗；熱泵實(shí)驗(yàn)的單位時(shí)間平均除濕量比太陽能干燥實(shí)驗(yàn)大，太陽能+熱泵聯(lián)合干燥實(shí)驗(yàn)則介于兩者之間；而太陽能干燥實(shí)驗(yàn)的平均單位能耗除濕量比熱泵干燥實(shí)驗(yàn)大，太陽能+熱泵聯(lián)合的單位能耗除濕量視太陽能和熱泵干燥時(shí)間分配情況而定，由此推論太陽能干燥效果比熱泵效果更優(yōu)更節(jié)能。

［1］康躍賓.太陽能—熱泵除濕（PKl570）干燥系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.林業(yè)勘測設(shè)計(jì)，2002，⑴:73-77

［2］張璧光，趙忠信，高建民，等.木材干燥的節(jié)能研究-除濕干燥與太陽能干燥［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，（1）:189-192

［3］陳坤杰，李娟玲，張瑞合.熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000，31（3）:109-111

［4］陳東，謝繼紅.熱泵干燥裝置［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2006，12

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Experimental Study of Solar and Heat Pump Equipment Combined Drying of Agricultural Products

LIRui1；WANG Ruixia2；JIANG Yantao3
（Engineer College of Guangdong Ocean University，zhanjiang524025，Guangdong，china）

Solar drying ismethod of drying agricultural productsmore energy-efficientmethod，but due to solar discontinuity and instability，using a single solar drying will greatly reduce the drying efficiency，and due to the diversity of agricultural productmaterial and properties of complexity，the single solar drying is difficult tomeet the quality requirements，isoften used in combination with other energy.This paper from the new energy developmentby starting with the perspective of energy-saving emission reduction，Zhanjiang area farmers to meet needs of drying agricultural products，design a kind of solar energy and heatpump combined drying device based on，drying experimentswere conducted using the device ofwhite radish，verify the the device the drying effect，the results show that the drying device as the economy running reliable，and has good agricultural products drying effect.

Solar；Heat pump；Dry；Themoisture content

TK51

B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.014

ISSN1005-9180（2016）02-070-07

2015-12-29

李銳（1972-），男，實(shí)驗(yàn)師，研究方向:制冷與空調(diào)技術(shù)。Email:gdourui@126.com。

江燕濤，Email:jiang238@163.com