蘋果片熱泵干燥的實驗研究

段全成 張紹紅 李學(xué)瑞 田小亮 王德昌

摘要： 為了降低蘋果片干燥加工能耗，本文提出新的蘋果片熱泵干燥系統(tǒng)優(yōu)化方案。通過對熱泵干燥系統(tǒng)和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的干燥空氣溫度、濕度、空氣流速等相關(guān)參數(shù)的測量，以能源效率和除濕能耗比為指標(biāo)，將兩種干燥系統(tǒng)中干燥蘋果片的熱力學(xué)性能進行對比分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)空氣流速為25 m/s，干燥溫度分別為50 ℃和55 ℃時，計算出熱泵干燥系統(tǒng)的有效水分擴散系數(shù)為86×10-9～15×10-8 m2/s，單位除濕能耗比為123 kg/kW·h，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的有效水分擴散系數(shù)為97×10-10～30×10-9 m2/s，單位除濕能耗比為024 kg/kW·h。說明熱泵干燥系統(tǒng)比熱風(fēng)的干燥系統(tǒng)干燥時間縮減了30%，且熱泵干燥系統(tǒng)的干燥速率和水分擴散率高于熱風(fēng)干燥系統(tǒng)。該研究為蘋果片熱泵干燥加工提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 熱泵干燥； 熱風(fēng)干燥； 對比實驗； 干燥速率； 有效水分擴散系數(shù)； 單位除濕能耗比

中圖分類號： TK01； TK173文獻標(biāo)識碼： A

收稿日期： 20170306； 修回日期： 20171013

作者簡介： 段全成（1993），男，山東威海人，碩士研究生，主要從事熱泵干燥系統(tǒng)新技術(shù)和新能源利用技術(shù)研究。

通訊作者： 王德昌，男，教授，主要研究方向為濃度差蓄能裝置及系統(tǒng)理論與實驗、冰箱換熱器性能測試系統(tǒng)及熱泵干燥技術(shù)與應(yīng)用研究。Email： wdechang@163.com蘋果中含有人體所需要的Ga、K、Mg、Na、P等多種礦物質(zhì)[1]元素。傳統(tǒng)的蘋果片烘干工藝主要是利用熱空氣干燥系統(tǒng)或自然對流，熱空氣干燥系統(tǒng)通過燃燒石油、煤等化石燃料或電能加熱空氣來對蘋果片進行熱風(fēng)干燥，利用傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)不僅浪費大量能源，影響蘋果片品質(zhì)，而且對環(huán)境產(chǎn)生污染[2]。而新型的熱泵干燥系統(tǒng)可在確保干燥產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，很好地控制干燥運行條件，如干燥溫度、相對濕度、干燥空氣速度和干燥時間周期等[3]。熱泵干燥系統(tǒng)的蒸發(fā)器是用來除去干燥介質(zhì)中的水分，冷凝器用來提高干燥介質(zhì)的溫度，壓縮機可提高熱泵系統(tǒng)制冷劑的焓值，并提高過熱蒸汽的壓力[4]。作為新型節(jié)能干燥系統(tǒng)——熱泵干燥系統(tǒng)已被國內(nèi)外許多專家學(xué)者進行廣泛研究。M.Fatouh等人[5]利用熱泵干燥系統(tǒng)，研究了草本植物在干燥溫度為55 ℃時的各熱力學(xué)參數(shù)對干燥物品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)草本植物干燥物品質(zhì)與表面負荷、干燥空氣流速和干燥空氣溫度有密切關(guān)系，系統(tǒng)的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）約為191；當(dāng)干燥溫度為50 ℃，干燥時間為200 min時，K.Chapchaimoh等人[6]利用熱泵干燥系統(tǒng)對姜片熱力學(xué)特性進行詳細研究，并采用空氣和氮氣兩種氣體作為干燥介質(zhì)，得到熱泵系統(tǒng)的COP在28～37之間；Z .Oktay[7]設(shè)計一款滾筒式熱泵干燥系統(tǒng)，研究了在不同空氣循環(huán)率和空氣旁通率的條件下濕羊毛的干燥特性，得出利用新的熱泵干燥系統(tǒng)能夠更好地調(diào)控運行條件，系統(tǒng)的COP在2～35之間；M.Mohanraj等人[8]利用熱泵干燥系統(tǒng)，在40 ℃，空氣流速為15 m/s的條件下對椰子肉的溫度進行干燥，得到系統(tǒng)的平均COP為35；S.Aral等人[9]研究了在干燥溫度分別為50，60，70 ℃時，干燥空氣流速為05，09，13 m/s時的熱泵干燥特性，實驗結(jié)果得出Midilli干燥模型最適合描述對流干燥山楂果的干燥特性，且得出水分擴散率為234×10-10～209×10-9 m2/s；E.Kavak等人[10]在對南瓜干燥過程的熱力學(xué)第一、第二定律分析后，得出在干燥貨架和干燥室內(nèi)損隨著能量利用率的提高而提高，大部分的損失來自于干燥室的第一層貨架，且在實驗運行環(huán)境下，干燥過程的損在0～1165 kJ/s之間。以上這些對熱泵干燥性能的研究多以性能系數(shù)COP為標(biāo)準，但COP不能作為全面評價熱泵干燥系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準?；诖?，本文主要研究熱泵和熱風(fēng)干燥溫度、濕度和干燥時間對蘋果片干燥過程的影響，利用實驗數(shù)據(jù)計算了兩種干燥系統(tǒng)單位除濕能耗量的大小，并分析不同干燥條件下的有效水分擴散率變化情況，以期能準確預(yù)測蘋果片干燥過程水分變化規(guī)律和干燥速率。該研究為蘋果片熱泵干燥加工提供了理論指導(dǎo)。

1實驗系統(tǒng)及方法

1.1實驗系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)主要由熱泵系統(tǒng)、干燥室系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。制冷工質(zhì)采用R134 a，空氣在蒸發(fā)器內(nèi)除濕后，進入內(nèi)置冷凝器進行加熱，再進入干燥室干燥蘋果片；干燥室系統(tǒng)包括風(fēng)機、干燥室、加熱器等設(shè)備，在干燥室內(nèi)安裝溫度傳感器，風(fēng)速儀設(shè)備測量干燥室內(nèi)溫度風(fēng)速，并將信號傳遞給控制室；控制系統(tǒng)采用PLC控制，可自動調(diào)節(jié)熱泵干燥系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度。

實驗儀器：溫濕度儀（APESYS），溫度測量范圍在-40～100 ℃之間，精度為±02 ℃，相對濕度測量范圍在0%～100%之間，精度為±18%；溫度傳感器（賀利士M222PT100）的測溫范圍為-70～500 ℃，探頭長度為10 mm±1 mm，電子天平（FA2004N）最大負載為200 g，精度為01 mg；熱線風(fēng)速儀（KANOMAX）測量風(fēng)速范圍為000～500 m/s，精度為±2%；鼓風(fēng)干燥箱（GZX9030 MBE）控溫范圍為5～250 ℃，波動度為±1 ℃，均勻度為±1 ℃。

1.2實驗方法

使用常壓干燥法測定產(chǎn)品中水的質(zhì)量分數(shù)。在一定溫度和壓力下，將樣品在烤箱中加熱干燥，除去水分，干燥前后樣品的質(zhì)量差為樣品中水的質(zhì)量。新型熱泵干燥系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1新型熱泵干燥系統(tǒng)原理圖將稱量瓶在烤箱中預(yù)熱5 min，將干燥樣品和稱量瓶干燥2～4 h，冷卻30 min，干燥樣品與稱量瓶質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)。繼續(xù)干燥1 h，冷卻30 min，反復(fù)上述操作至恒重，稱量兩次前后相差小于2 mg。

干基條件下水的質(zhì)量分數(shù)[11]為

MC=m1-m2m2-m3×100%（1）

式中，m1為干燥樣品和稱量瓶質(zhì)量；m2為稱量樣品和稱量瓶質(zhì)量；m3為稱量瓶的恒重。

首先將蘋果切成厚度為3 mm，長度為50～70 mm，寬度為30～40 mm的薄片，利用電子天平稱重，記錄數(shù)據(jù)之后暫時儲存在保鮮袋中待用，防止水分流失造成實驗數(shù)據(jù)錯誤。將熱泵干燥系統(tǒng)和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)開啟，并設(shè)定到實驗溫度，開啟30 min之后，待參數(shù)穩(wěn)定，放入已提前準備好的實驗樣品、溫濕度儀和風(fēng)速儀，以檢測干燥系統(tǒng)溫濕度和風(fēng)速的變化。每隔30 min記錄干燥產(chǎn)物的質(zhì)量，連續(xù)計數(shù)，直到干燥物的質(zhì)量在30 min之內(nèi)相差2 mg以內(nèi)，結(jié)束干燥過程，此時產(chǎn)品為干燥最終產(chǎn)品。將干燥后產(chǎn)品繼續(xù)放入120 ℃烤箱中加熱90 min，測得最終干燥物質(zhì)的質(zhì)量，實驗結(jié)束。進行數(shù)據(jù)處理分析，研究產(chǎn)品中水的質(zhì)量分數(shù)、干燥速率和含水率等參數(shù)隨時間變化規(guī)律，同時計算干燥系統(tǒng)的COP及除濕能耗比，并進行分析比較。

1.3干燥參數(shù)的計算

在熱泵干燥系統(tǒng)中，最終干燥物水分的質(zhì)量分數(shù)為001%。熱泵干燥系統(tǒng)和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的溫度分別設(shè)為50 ℃和55 ℃，干燥過程中的含水率[12]為

MR=m-mem0-me（2）

式中，m為任意時刻水的質(zhì)量；m0為蘋果片樣品初始狀態(tài)水的質(zhì)量；me為平衡水的質(zhì)量。實驗中，由于me相對m和m0較小，可以忽略不計。因此，式（2）可簡化為[13]

MR=mm0（3）

根據(jù)菲克第二定律，得到水分有效擴散率為[14]

MR=8π2exp-π2Det4L2（4）

lnMR=ln8π2-π2Det4L2（5）

式中，De表示有效水分擴散系數(shù)，m2/s；L表示蘋果片厚度的一半。

干燥過程的干燥速率為[15]

DR=-dmddt=-mi+1-miti+1-ti（6）

式中，md為干基含水量，kg；md+1表示ti+1時刻的干基含水量，kg；mi表示ti時刻的干基含水量，kg；t表示干燥時間，h。

1.4系統(tǒng)性能指標(biāo)計算

整個熱泵干燥系統(tǒng)空氣循環(huán)假設(shè)為穩(wěn)流狀態(tài)，空氣循環(huán)遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。利用熱力學(xué)第一定律，通過研究干燥室的守恒公式得到干燥空氣在干燥室中的狀態(tài)變化。計算空氣的加熱量和除濕量等相關(guān)參數(shù)，最終將空氣的循環(huán)過程看成穩(wěn)流狀態(tài)，計算質(zhì)量和能量守恒方程[16]。

空氣循環(huán)質(zhì)量守恒方程為

∑m·i=∑m·o（7）

空氣能量傳遞平衡方程為

Qcd-∑Wi=∑m·iahoa-hia+V2o-V2i2（8）

式中，hoa和hia分別表示空氣的出口焓值和進口焓值，kJ/kg。

內(nèi)置冷凝器傳遞熱量[17]為

Qcd=m·iaCp，air（Tia-Tci）（9）

其中

m·ia=ρiaV·i（10）

式中，m·ia代表空氣的質(zhì)量流量，kg/h；Cp，air代表空氣的比熱，kJ/kg·K；V·代表空氣的體積流量，m3/h；ρair代表空氣的密度，kg/m3；Tia和Tci分別代表空氣進入干燥室溫度和空氣進入冷凝器入口溫度，K。

熱泵系統(tǒng)的COP[18]為

COPhp=QcdWh（11）

式中，Qcd代表冷凝器放出的熱量，kW；Wh代表壓縮機的功率，kW。

熱泵干燥系統(tǒng)除濕能耗比[19]為

SMER=m·dWh+Wcf+Waf（12）

式中，m·d為干燥速率，kg/h；Wcf為送風(fēng)機功率，kW；Waf為排風(fēng)機功率，kW。

熱風(fēng)干燥機的除濕能耗比[20]為

SMER=m·dWe+Wf（13）

式中，m·d為每小時系統(tǒng)除去水分的質(zhì)量，kg/h；We為電加熱的功率，kW；Wf為鼓風(fēng)干燥箱風(fēng)機的功率，kW。

2實驗結(jié)果分析

熱泵和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的溫度隨時間變化曲線如圖2和圖3所示，熱泵和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的初始溫度分別設(shè)定為50 ℃和55 ℃，由圖2和圖3可以看出，初始時刻，不同系統(tǒng)的溫度都明顯低于設(shè)定值，這主要是因為干燥物在干燥初期水分含量大，水分蒸發(fā)所需要的潛熱較大，使空氣溫度一直低于設(shè)定溫度，而且干燥貨架遠離送風(fēng)口，使溫度低于設(shè)定溫度2～3 ℃。對比圖2和圖3可知，熱泵干燥系統(tǒng)的溫度波動較小，而熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的溫度波動范圍較大。這說明熱泵機組有很好的穩(wěn)定性，對設(shè)定溫度控制的精度比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的高，而熱風(fēng)干燥系統(tǒng)需要利用電加熱間歇供熱來維持溫度穩(wěn)定，因此溫度波動大。

熱泵和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)相對濕度隨時間變化的曲線如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可以看出，不同干燥系統(tǒng)的相對濕度隨著干燥時間的加長而降低。這主要是因為水分在干燥初期從干燥產(chǎn)物中蒸發(fā)之后增加了干燥室內(nèi)的濕度，隨著干燥過程進行，系統(tǒng)不斷對空氣進行除濕，且干燥物中的水分含量逐漸減少，水分蒸發(fā)量減少，干燥室內(nèi)的濕度最終降到最低，干燥過程也逐漸完成。

在不同溫度下，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)含水率隨時間變化曲線如圖6所示，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)含水率隨時間變化曲線如圖7所示，隨著干燥時間的增加，干燥物質(zhì)的含水量逐漸趨向平衡，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6和圖7可以看出，熱泵干燥系統(tǒng)比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)更快達到含水率的穩(wěn)定狀態(tài)，熱泵系統(tǒng)完成這一過程需要150 min，而熱風(fēng)干燥系統(tǒng)完成這一過程需要250 min以上。這主要因為在熱泵系統(tǒng)中有效水分擴散率較大，水分析出速率高，熱泵系統(tǒng)最先達到穩(wěn)定狀態(tài)。在相同系統(tǒng)比較下可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，系統(tǒng)的含水率越快達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過比較得出，在相同溫度條件下，利用熱泵干燥系統(tǒng)比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)干燥時間能夠提高40%左右。

由圖6還可以看出，熱泵干燥系統(tǒng)干燥產(chǎn)物最終的含水率在01以下；而由圖7還可以看出，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)含水率能夠達到015～02之間。這主要是因為熱泵干燥系統(tǒng)的空氣在循環(huán)過程中除濕效果明顯，干燥室內(nèi)的循環(huán)空氣一直處于非飽和狀態(tài)，可以迅速帶走干燥物揮發(fā)的水分，使熱泵系統(tǒng)干燥物的含水率比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)下降的快。由于系統(tǒng)在運行過程中耗功和散熱量維持穩(wěn)定數(shù)值，根據(jù)式（12）和式（13）可以得出，熱泵和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的單位除濕能耗比分別為123 kg/kW·h和024 kg/kW·h。

在不同溫度下，熱泵和熱風(fēng)系統(tǒng)干燥速率隨時間變化曲線如圖8和圖9所示，兩種系統(tǒng)均在初始時刻干燥速率達到最大值。主要因為在初始狀態(tài)點，蘋果的水分含量最大，在干燥相同的時間段內(nèi)干燥速率處于最大值。55 ℃熱泵干燥系統(tǒng)初始干燥速率為19 kg/h，50 ℃熱泵干燥系統(tǒng)初始干燥速率達079 kg/h。相同干燥系統(tǒng)溫度越高，干燥速率越快。對比圖8和圖9可知，熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的干燥速率僅為04 kg/h。前90 min熱泵干燥系統(tǒng)的干燥速率明顯比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)快，在200 min左右達到穩(wěn)定值。

不同干燥系統(tǒng)在不同時間段水分擴散率如表1所示，由表1可以看出，不同的干燥系統(tǒng)在初始階段的水分擴散率較低，這主要是因為水分從干燥物內(nèi)部遷移到表面需要一定時間，當(dāng)水分擴散到表面后，水分擴散率的得到迅速提升，并維持穩(wěn)定，當(dāng)表面水分蒸發(fā)后，水分擴散率會再次降低，這時干燥物中的水分含量明顯減少，干燥物得到干燥；從表1中可以看出，熱泵干燥系統(tǒng)在相同溫度下，水分擴散率的最大值明顯大于鼓風(fēng)干燥系統(tǒng)，提高了熱泵干燥系統(tǒng)的干燥速率，干燥時間縮短。相同的系統(tǒng)在不同溫度下，水分擴散率也有明顯不同，一般情況下，溫度越高，系統(tǒng)的水分擴散率越大，水分擴散率與溫度成正比關(guān)系。

3結(jié)束語

本文主要對蘋果片熱泵干燥系統(tǒng)進行研究。通過對比實驗分析，兩種干燥系統(tǒng)對蘋果片的干燥特性和能源消耗的影響。在熱泵干燥系統(tǒng)和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)干燥空氣流速和干燥空氣溫度相同時，熱泵干燥系統(tǒng)能夠達到更低的空氣相對濕度，這更有利于吸收干燥物質(zhì)的水分，提高干燥速率。實驗結(jié)果表明，熱泵干燥系統(tǒng)干燥的蘋果片最終的水分含量比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的要低，熱泵干燥系統(tǒng)的干燥時間比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)減少30%左右，且熱泵干燥系統(tǒng)平均有效水分擴散系數(shù)比熱風(fēng)干燥系統(tǒng)高。在能源消耗方面，熱泵干燥系統(tǒng)的除濕能耗比也明顯高于熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，熱泵干燥系統(tǒng)更適用于蘋果片的干燥工藝。

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