水產(chǎn)品可控溫?zé)岜酶稍餀C的設(shè)計

李美容 仇寶春 沈侃 周云 張柔佳 韓志 謝超

摘要為解決水產(chǎn)品在自然日曬干燥中存在的諸多問題，根據(jù)其特性和干燥的特殊要求，開發(fā)設(shè)計了新型可控溫水產(chǎn)品熱泵干燥機。介紹了熱泵干燥機的工作原理，該可控溫?zé)岜酶稍餀C的方案設(shè)計，包括系統(tǒng)設(shè)計、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)部件選型原則，并進行實驗驗證。

關(guān)鍵詞熱泵干燥；水產(chǎn)品；開發(fā)設(shè)計

中圖分類號S226.6文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2016）04-332-03

Design of Temperaturecontrolled Heat Pump Dryer for Aquatic Product

LI Meirong， QIU Baochun， SHENG Kan et al（College of Shipping and Port Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 3160222）

AbstractIn order to solve the problems existed in the aquatic products under the condition of natural sun drying， a new type of temperaturecontrolled heat pump dryer was designed for aquatic product， according to its features and drying requirements. Then， working principles of heat pump dryer were introduced， as well as the schematic design （system design， main structure design， selection principles of system components）. Finally， verification test was carried out.

Key wordsHeat pump drying； Aquatic product； Development design

舟山群島新區(qū)是我國最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)基地和水產(chǎn)品集散地。生鮮水產(chǎn)品含水率高，且含豐富的脂肪和蛋白質(zhì)，極易腐敗，需要采用有效手段進行加工處理[1]。由于水產(chǎn)品干燥處理后，運輸過程不需要冷鏈，可節(jié)約成本。因此，水產(chǎn)品干燥是一種常見的生鮮水產(chǎn)品加工處理方法。傳統(tǒng)干燥方法分為日光干燥和熱風(fēng)干燥，日光干燥依賴于天氣條件，并且難以保證衛(wèi)生；熱風(fēng)干燥耗能較大，熱敏性成分易被破壞[2]。錢炳俊等提出了熱泵干燥水產(chǎn)品，模擬自然風(fēng)干燥，物料表面水分的蒸發(fā)速度與水分從內(nèi)部向表面遷移的速度比較接近[3]。但是，干燥溫度無法有效控制，影響了干燥后的水產(chǎn)品品質(zhì)。筆者針對現(xiàn)有水產(chǎn)品熱泵干燥的缺點，設(shè)計了一種水產(chǎn)品可控溫?zé)岜酶稍餀C，并對水產(chǎn)品可控?zé)岜酶稍锛夹g(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)部件進行選型，定制樣機進行實驗驗證。結(jié)果表明，該新型可控溫?zé)岜酶稍餀C適用面廣，產(chǎn)品品質(zhì)好，有重要的推廣應(yīng)用價值。

1工作原理

熱泵干燥原理：熱泵干燥是將低溫低濕空氣強制循環(huán)于食品間，使被干燥物體的含水量逐漸減少最終達到干燥效果的工藝，熱泵干燥系統(tǒng)如圖1所示，主要包括空氣循環(huán)和熱泵循環(huán)。

空氣循環(huán)：滿足生產(chǎn)要求的干空氣進入干燥室，低溫干空氣在強制循環(huán)中不斷吸收食品表面水分；帶走被干燥物體的水分，成為濕空氣后出來，然后經(jīng)過蒸發(fā)器進行冷卻除濕；達到飽和狀態(tài)的空氣經(jīng)過蒸發(fā)器被降溫析出水分，析出的水分由集水器排出庫體；低溫干空氣再經(jīng)過冷凝器，被加熱成高溫干空氣；最后與飽和狀態(tài)空氣混合生成低溫干空氣，再進入干燥室內(nèi)吸收被干燥物體的水分成為濕空氣，如此反復(fù)循環(huán)。

熱泵循環(huán)：制冷劑在蒸發(fā)器中吸收來自干燥過程循環(huán)風(fēng)的熱量，由液體蒸發(fā)為蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮后送到冷凝器中，在高壓下制冷劑冷凝液化，放出高溫的冷凝熱去加熱來自蒸發(fā)器降溫去濕后的低溫干空氣，把它加熱到要求的溫度后進入干燥室內(nèi)作為干燥介質(zhì)循環(huán)使用，液化后的制冷劑經(jīng)膨脹閥再次回到蒸發(fā)器內(nèi)[4-5]。

2方案設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計由于壓縮機的輸入功，冷凝器的散熱量必將大于蒸發(fā)器的吸熱量，蒸發(fā)器與冷凝器都處于封閉的空氣循環(huán)系統(tǒng)中，若空氣與外界無熱量交換，則封閉的循環(huán)空氣的熱量會不斷增加，內(nèi)部溫度會逐漸上升[6]。在熱泵干燥裝置剛開始運行時，由于系統(tǒng)尚未達到穩(wěn)定的狀態(tài)點，這部分額外的熱量可以將空氣加熱到設(shè)定的運行狀態(tài)點。但是，一旦空氣達到穩(wěn)定狀態(tài)點后，倘若持續(xù)加熱，則封閉的空氣的溫度就會越來越高，造成冷凝器端傳熱溫差減小，導(dǎo)致冷凝壓力不斷增高，熱泵系統(tǒng)的熱泵系數(shù)下降，最終出現(xiàn)停機[7-8]。因此，為保持機組的恒溫運行，就需要將這部分熱量排到系統(tǒng)之外，將空氣循環(huán)參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)。所以，在冷凝器與壓縮機之間增加一個換熱器；而要使得機體內(nèi)達到恒溫，外置換熱器即可視為一個外冷凝器。打開外冷凝器，高溫制冷劑與外界空氣交換熱量使制冷劑溫度降低，即向外界散熱，帶走壓縮機的輸入功，實現(xiàn)恒溫過程?？煽販?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)如圖2所示。

注：1.膨脹閥；2.冷凝器；3.換熱器；4.壓縮機；5.蒸發(fā)器；6.干燥室；a.干空氣流向；b.濕空氣流向；c.帶走的熱量；d.熱泵干燥組。

Note：1.Expansion valve；Condenser；3.Heat exchanger；4.Compressor；5.Evaporator；6.Drying room；a.Dry air flow；b.Wet air flow；c.Exhaust heat；d.Heat pump drying group.

2.3系統(tǒng)部件選型原則

2.3.1壓縮機的選型。相對于活塞式而言，渦旋式、螺桿式更能適應(yīng)可控溫?zé)岜酶稍餀C的工況。其理由是：①該機組通常在冬季需要除去其換熱器的冰凍，系統(tǒng)突然地逆向工況開啟，會使?jié)櫥瓦M入壓縮機中，造成壓縮機的破壞。而由于活塞式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜將造成應(yīng)力破壞，其余2類壓縮機完全能應(yīng)付以上情況。②由于可控溫?zé)岜酶稍餀C需要的運行方式多樣，各個狀態(tài)差異較大，非常考驗壓縮機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。渦旋式、螺桿式的部件簡單，能夠很好地適應(yīng)干燥機的工作環(huán)境，而活塞式適用于一般空調(diào)的條件。③可控溫干燥機需要的壓力大，渦旋式、螺桿式比活塞式在相同的條件下更能提高對于體積的利用率，使干燥機運行效率提高，減少過程運行期間的能耗，從而創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值，而活塞式則不能。④傳動件的復(fù)雜程度與壓縮機的磨擦耗損成正比，而活塞式壓縮機傳動件整體多，故對于系統(tǒng)而言會降低其效率。

在綜合以上內(nèi)容的同時經(jīng)過與其他機器的比對，查閱有關(guān)壓縮機樣本，選擇德國比澤爾壓縮機有限公司生產(chǎn)的HSK534330（Y）84型壓縮機。

2.3.2冷凝器的選型。相對于開窗式而言，波紋式翅片是適合可控溫?zé)岜酶稍餀C的翅片型號。其理由是：①隨著霧霾天氣的加劇，開窗式在北方室外易于粘上粉塵，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)直線下降，且拆裝困難，清洗不便。②波紋式冷凝器能滿足冷熱兩用干燥機的設(shè)計要求，不易被粉塵覆蓋，能夠增大換熱面積，從而保證其換熱系數(shù)能夠一直維持在高水平，但其作為換熱器時，霜凍嚴重。③在該系統(tǒng)中由于空間有限，比較適合的管線布置方式為V型盤管、W型管線。因為高度較高的V型系列使得整個系統(tǒng)的運行效率降低，且根據(jù)模擬氣流組織形式，浪費了空間資源，尺寸矮小的W型盤管能夠有效避免上述問題。

綜上所述，W型盤管作為冷凝器能克服換熱效率、空間大小、空氣阻力等問題。W型設(shè)計參數(shù)經(jīng)過計算能滿足作為換熱器時的各種運行工況下的技術(shù)指標(biāo)。

2.3.3熱力膨脹閥的選型。該系統(tǒng)中選用熱力膨脹閥為節(jié)流機構(gòu)。其理由是：①可控溫?zé)岜酶稍餀C在冷工況運行時，單膨脹閥的制熱系數(shù)隨著系統(tǒng)的變化而變化，難以維持在一定的范圍內(nèi)。而在制熱狀態(tài)下，由于只有一個膨脹閥顯得太過龐大，使得系統(tǒng)與室外空氣的交換熱減少，未能達到要求。②在不同的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)下，運用雙膨脹閥使得膨脹閥的選擇具有針對性，冷、熱運行狀態(tài)能夠分別滿足[9]。

2.3.4蒸發(fā)器的選型。分析該干燥機的設(shè)計要求，選擇板式、干式殼管式2種器具。其理由是：①板式具有較大的空間體積，能夠使制冷劑分布在各個方向，且冷熱均勻，能有效提高系統(tǒng)的運行效率，節(jié)約能源，做到持續(xù)發(fā)展。②干式殼管式所需占有的空間面積較大，故適用于大中型的機組，其體積的龐大導(dǎo)致潤滑油的回轉(zhuǎn)十分艱難，與板式相比較，交換熱量較少。

比較上述，選擇板式器具：型號I 6，I 16B40.4/4006，在實際情況下交換熱量的面積為4 m2，蒸發(fā)器間內(nèi)路口的長度為7 mm，設(shè)備能夠交換能量的面積為5 m2，質(zhì)量123 kg。

3實驗驗證

根據(jù)方案設(shè)計定制樣機如圖5所示，采購樣品進行實例驗證。

在市場上購買同種水產(chǎn)品（小黃魚）處理后分成相同的A、B 2等份；將其中的一份樣品A放入新型干燥機，在溫度為35 ℃，濕度為20%的條件下干燥3 h；另一份樣品B放入普通干燥機，在相同條件下干燥3 h。經(jīng)觀察，A、B 2組樣品的品相都比較完好，A樣品色澤則更飽滿，沒有明顯斑點出現(xiàn)。經(jīng)過水分測定儀測量，A組樣品濕度為61.31%，B組樣品濕度為71.25%。實驗表明，新型可控溫?zé)岜酶稍餀C更適用于水產(chǎn)品干燥，且干燥質(zhì)量佳，經(jīng)濟性高。

4結(jié)論

與現(xiàn)有的水產(chǎn)品熱泵干燥裝置相比，該可控溫?zé)岜酶稍餀C巧妙設(shè)置2個冷凝器，一個為內(nèi)冷凝器，一個作為外冷凝器，外冷凝器放置在壓縮機與內(nèi)冷凝器之間。外冷凝器的設(shè)置是為了保持機組的恒溫運行，它將機組內(nèi)部增加的熱量排到系統(tǒng)之外，將空氣循環(huán)參數(shù)有效控制在一定范圍內(nèi)，從而達到恒溫效果。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2016年該研究設(shè)計的熱泵干燥機，具有干燥溫度可控、結(jié)構(gòu)緊湊、熱效率高等優(yōu)點，特別適用于水產(chǎn)品干燥，可以根據(jù)不同水產(chǎn)品及不同加工要求靈活控制，適用范圍廣，干燥品質(zhì)高，應(yīng)用前景廣闊。

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