空氣源熱泵烘干大棗系統(tǒng)的研究

韓 明，賈英新(.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 06300； .河北省機電一體化中試基地，河北 石家莊 05008)

空氣源熱泵烘干大棗系統(tǒng)的研究

韓 明1，賈英新2
(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200； 2.河北省機電一體化中試基地，河北 石家莊 050081)

本文設計完成了空氣源熱泵烘干大棗系統(tǒng)，主要研究空氣源熱泵的設計及大棗干燥的控制方法。

空氣源熱泵;大棗;干燥系統(tǒng)

近年來，由于霧霾嚴重，天氣惡劣，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化[1]。新能源將代替燃煤等產(chǎn)生污染的能源[2]。空氣源熱泵技術(shù)越來越成熟，不產(chǎn)生廢水、廢氣，能效比高，空氣源熱泵將是未來工業(yè)的主要能源[3]。熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵烘干機組利用逆卡諾原理，從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象(溫度較高的物體)。把空氣源熱泵干燥技術(shù)運用到大棗干燥中，提高了大棗的品質(zhì)，節(jié)省了能源，減少污染，將有效的解決大棗干燥問題。

1 熱泵干燥原理圖

熱泵烘干技術(shù)是利用(制冷劑)在蒸發(fā)器中減壓蒸發(fā)，使蒸發(fā)器表面溫度低于室內(nèi)空氣露點，這樣當空氣流經(jīng)蒸發(fā)器時受到冷卻而降低到露點以下，空氣中多余的蒸汽就會在蒸發(fā)器表面冷凝而析出，冷凝水滴入接水盤后，由排水管流入盛水容器中。液態(tài)工作介質(zhì)吸熱氣化后，經(jīng)壓縮機做功送入冷凝器，在高溫高壓下冷凝器放出大量的氣化潛熱。在蒸發(fā)器中冷卻后的空氣通過冷凝器時，吸熱溫度回升后，以干燥狀態(tài)排出，與送入室內(nèi)空氣混合。從而降低了室內(nèi)空氣濕度，達到了干燥脫水的目的。熱泵干燥原理如圖1。

圖1 熱泵干燥原理圖

2 熱泵系統(tǒng)的設計

烘干方案的設計是一個系統(tǒng)“工程”。要綜合考慮物料屬性和產(chǎn)品特性的確定。由于大棗要求保證其色澤及其感官品質(zhì)等特性，選用靜態(tài)式烘干方式， 靜態(tài)式適應所有物料，指的是物料擺放在烘干房內(nèi)進行烘干，物料是靜止的。

2.1 烘干系統(tǒng)的配置計算

根據(jù)烘烤經(jīng)驗，設計每次烘干大棗300kg，烘干時間為20h，脫水率40%,烘干房大?。?.5m*1.8m*2.0m。最高溫度要求值：65℃；烤房環(huán)境初始溫度25℃。

(1)烘干房物料加熱烘干的熱量衡算

脫水量為：M1=1×300×40%=120kg

烘干后的物料量為：M2=1×300-120=180kg

(2)把物料加熱到65度所需要的熱量Q1

Q1=CM2(t2-t1) =0.46×180×(65-25) =3312(kcal)=3.8kW·H

物料的比熱容C=0.46kcal/kg·℃

烘干最高溫度t2=65℃

烘干的起始溫度t1=25℃

(3)烘干水分蒸發(fā)所消耗的熱量Q2

Q2=C水M1(t2-t1)+h·M1=4.187×120×(65-25)+2394×65 =20097.6kJ+155610kJ=166496.2kJ =39831.6(kcal)=48.82kW·H

水的相變潛熱取h=2394kJ/kg·℃

水的比熱容C水=1.0kcal/kg·℃=4.187kJ/kg·℃

(4)排濕過程帶走的熱量Q3

Q3=40%Q總

(5)有效熱量Q總

Q總=Q1+Q2+Q3=3.8+48.82+0.4 Q總

Q總=(Q1+Q2)÷0.6=(3.8+48.82) ÷0.6=88kW

5) 烘干時間為20h，每小時提供的功率為88÷20=4.4kW

2.2 熱泵烘干機配置

(1)壓縮機的匹配

根據(jù)有效熱量Q總，選用美國谷輪ZW系列高溫壓縮機，即ZW61KAE-TFP-542，該壓縮機制熱溫度可以高達65℃以上，輸入功率3.7kW，熱能效比2.5，制熱能力9.2kW。采用環(huán)保型制冷劑R134a,R134a破壞臭氧層的潛能值ODP為零，無色無味，不燃，具有良好的熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定性。

(2)冷凝器與蒸發(fā)器面積的計算

冷凝器面積：F0=1000QK/(K0ΔTM)

QK=C1Q0Q0=Q0’*95%*98%

F0為冷凝器的面積，Q0’為壓縮機標稱制冷量14.45kW，C1是負荷系數(shù)1.253， K0傳熱系數(shù)為33.182,ΔTM對數(shù)的平均溫差11.677℃，QK冷凝器的熱負荷。

冷凝器面積：

F0=1000*1.253*95%*98%*14.45/(33.182*11.677)=43.655m2

蒸發(fā)器面積：

F=1000*Q0/(KΔTM)=F0/C1=43.655 /1.253=34.840m2

冷凝器及蒸發(fā)器均采用0.115mm的親水鋁箔，片型為波紋片，翅片間距為2.0mm，分布均勻，無變形。長U管φ9.25mm、δ=0.35mm光管，短U管φ9.52mm、δ=0.60mm光管。

2.3 大棗干燥工藝

大棗的干制，是把鮮棗的水分降到25%左右，使可溶性固體物濃度升高達到微生物難以生存和利用的程度，并抑制酶的活性，以達到長期保存和利用的目的。大棗的干燥工藝根據(jù)高效空氣源熱泵循環(huán)與干燥介質(zhì)循環(huán)耦合技術(shù)及當?shù)剞r(nóng)戶的烘烤經(jīng)驗，采用平流式烘干方式。

最終的烘烤工藝如下：

(1)預熱階段：烘烤開始，關(guān)閉排濕口和進新風口，使烤房的溫度迅速升溫到45℃。

(2)恒定階段：大棗在45℃～55℃大量排水，應保持此溫度5～10h，具體時間根據(jù)裝載量進行調(diào)整，若溫度達不到時調(diào)小進風口，此階段需要達到60～70%干。

(3)高溫階段：定色定型之后，提高溫度到60℃,直到完全烘干，此時排濕口的相對濕度在15%左右。

(4)結(jié)束階段：完全烘干后，可以關(guān)閉機組，把大棗悶半小時左右，之后便可以出烤房。

大棗干燥的要點可以概括為，在保證溫度的情況下盡量排濕，這樣得到的大棗褐變程度較輕，呈暗紅色。在干燥過程中，烤房內(nèi)部的溫度要緩慢提升，并且最高溫度不能超過65℃。

3 控制系統(tǒng)的設計

整個控制系統(tǒng)主要控制三部分干燥室、循環(huán)空氣處理部分和熱泵如圖2所示。

控制系統(tǒng)通過采集干燥室內(nèi)的溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測到物料表面溫度及其空氣中的濕度，再通過溫濕度判斷新風量及其循環(huán)空氣情況，最終控制熱泵系統(tǒng)中壓縮機及其風機運行時間，已達到物料合理干燥的目的。具體控制邏輯如圖3。

圖2 空氣源熱泵干燥裝置的控制框圖

圖3 空氣源熱泵干燥系統(tǒng)的控制邏輯

在空氣源熱泵控制系統(tǒng)中，溫濕度是一種帶反饋的閉環(huán)控制。根據(jù)溫濕度傳感器采集干燥箱的實際數(shù)據(jù)，與設定數(shù)據(jù)相比較，控制執(zhí)行機構(gòu)啟停，將干燥箱內(nèi)的溫濕度控制在設定值范圍內(nèi)，達到空氣源熱泵干燥的控制精度。溫度和相對濕度控制的慣量比較大，變化趨勢是相反的。溫度控制主要是比較當前的溫度值和設定值，調(diào)整壓縮機的運行時間，以此來調(diào)節(jié)熱量交換的流量，使干燥箱內(nèi)的溫度穩(wěn)定在設定值。濕度控制是建立在溫度控制的基礎(chǔ)上的，在目標溫度下比較當前的相對濕度和設定濕度值，調(diào)整排濕風門和進風門的開度，把潮濕的空氣排出，相對濕度較高的空氣經(jīng)過發(fā)熱器時，溫度降低，其所含的水分將冷凝成水析出經(jīng)排水管排出機組外，把相對濕度控制在濕度設定值。

4 結(jié)論

本文把空氣源熱泵運用到大棗烘干過程中，以達到降低能源消耗和提高烘干后大棗品質(zhì)效果。系統(tǒng)采用保溫效果好的保溫材料作為干燥室箱體，減少了烘干過程中無謂的能耗損失。全自動的溫濕度過程控制，控制精度高，靈活方便。換熱過程中不需要特殊技術(shù)的換熱器。封閉循環(huán)的熱風循環(huán)方式有利于降低運行能耗。排濕系統(tǒng)通過蒸發(fā)器的熱回收增加了熱泵的工作效率，提高熱泵的能效比(COP值)水平，同時降低了能耗。

[1] 燕一松.霧霾已成能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的“催促鞭”[J].中國石油企業(yè),2013,Z(1):36-37.

[2] 李振宇,黃格省.推動我國能源生產(chǎn)革命的途徑分析[J].化工進展,2015,(10).

[3] 張昌. 熱泵技術(shù)與應用.北京機械工業(yè)出版社,2008.

[4] 鄭春明. 熱泵在農(nóng)副產(chǎn)品干燥中的應用[J].農(nóng)機與食品機械, 1997,(2):26-28.

[5] 張緒坤, 胡文偉, 張進疆,等. 國內(nèi)外熱泵干燥的現(xiàn)狀與展望[J].江西科學,2009,27(4):629-633.

[6] 潘永康, 王喜忠, 劉相東.現(xiàn)代干燥技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社,2007.

Study on drying jujube system by air source heat pump

HAN Ming1，JIA Ying-xin2
(1.ShougangJingtangUnitedIron&SteelCo.Ltd，TangshanHebei063200,China；2.HebeiMechatronicsIntermediatePilootProdutionBase，ShijiazhuangHebei050081,China)

In this paper, an air source heat pump drying jujube system is designed. This paper mainly studies the design of air source heat pump and the control method of jujube drying.

Air source heat pump; Jujube; Dry system

2017-05-25

韓明,男,工程師,主要研究方向：變頻器及自動控制.

1001-9383(2017)02-0042-05

TK172

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