新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機系統(tǒng)設計

康玉寬　劉麗娟　陸景　李眾立

摘 要：針對秦巴山區(qū)蒼溪縣山珍資源優(yōu)勢和農(nóng)戶實際烘干需求，設計了一種新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機。本文闡述了除濕熱泵烘干機的結(jié)構(gòu)及運行原理，然后對木耳進行不同模式下的烘干試驗。結(jié)果表明：低溫除濕模式去水能力較好，木耳的干燥品質(zhì)較好，而且換熱效率高達85.7%。

關(guān)鍵詞：熱泵烘干機;閉式高溫干燥;低溫除濕干燥;恒溫干燥

中圖分類號：TS203 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）11-0026-04

Design of a New-Type Closed Cycle Desiccation Heat Pump Dryer System

KANG Yukuan LIU Lijuan LU Jing LI Zhongli

（City College， Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： A new type of closed-loop dehumidification heat pump dryer was designed according to the resource advantages of Cangxi County in Qinba mountain area and to meat the actual drying needs of farmers. This paper described the structure and operation principle of the heat pump dryer， and then carried out the drying test of auricularia auricula under different modes. The results show that the low-temperature dehumidification mode has better water removal ability and better drying quality of Auricularia auricula， meanwhile ，the heat transfer efficiency is reach up to 85.7%.

Keywords： heat pump dryer;closed high temperature drying;low temperature dehumidification and drying;constant temperature drying

隨著熱泵烘干技術(shù)[1-2]的推廣，烘干機成本降低，經(jīng)濟效益提高，能耗降低。熱泵烘干技術(shù)可實現(xiàn)能量的循環(huán)利用，能效比高達5.8。同時，熱泵烘干室溫度可以始終控制在50 ℃左右，溫和、細致地烘干物料，能達到自然晾曬的效果，并且能夠保持物料的色、香、味和營養(yǎng)成分，因此，能滿足各類烘干材料的需求，并根據(jù)溫度及相對濕度的變化調(diào)整烘干工藝進行個性化、自動化烘干設計，實現(xiàn)高效率、低成本、高產(chǎn)量的新型閉環(huán)除濕熱泵烘干技術(shù)[3]是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施的最佳選擇。

1 新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機設計及工作模式

1.1 新型熱泵烘干機組成（樣機參數(shù)）

研究者設計的新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機，“閉環(huán)除濕”是指將待干燥的產(chǎn)品放在密閉的保溫箱內(nèi)，通過閉式循環(huán)風將水蒸氣冷凝后排出機柜，達到除濕干燥的目的。試驗樣機的主要部件（圖1所示）有壓縮機（型號為2V42W225AZ，屬于往復式壓縮機，制冷量7.355 kW，輸入功率2.26 kW，壓縮機制熱溫度可達60 ℃以上，制冷劑為R22）、氣液分離器、電子膨脹閥（DPF-1.8C）、內(nèi)/外冷凝器（外冷凝器面積16.18 m2，內(nèi)冷凝器面積12.91 m2）、輔助換熱器（面積10 m2）、干燥過濾器、風機、四通閥（STF-0408）、閥門等和相關(guān)管路。其中，內(nèi)/外冷凝器及輔助換熱器的翅片為波紋片，翅片間距為1.8 mm，厚度為0.115 mm，R22作為熱泵制冷劑。

1.2 工作模式

新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機的原理如圖2所示。與傳統(tǒng)熱泵干燥裝置不同的是，新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機將一個外換熱器安置在壓縮機和內(nèi)換熱器之間，并配置冷凝風機;通過調(diào)節(jié)四通閥，切換使用輔助換熱器，實現(xiàn)系統(tǒng)的控溫功能，同時可以回收外換熱器加熱時產(chǎn)生的熱量。

為了滿足秦巴山區(qū)氣候特點和不同山珍的烘干需求，新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機控溫除濕[4]部分共設計了3種模式：閉式高溫干燥、低溫除濕干燥和恒溫干燥。

1.2.1 閉式高溫干燥模式。閉式高溫干燥模式，四通閥開啟，工質(zhì)閥2接通，工質(zhì)閥1斷開，輔助換熱器功能轉(zhuǎn)換為冷凝換熱，外換熱器功能轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)換熱。經(jīng)外冷凝器加熱后的空氣經(jīng)風機送入干燥室，加熱物料，變?yōu)楦邷馗邼竦目諝?，?jīng)干燥室排出，與輔助換熱器進行熱交換，濕空氣被加熱，再與內(nèi)冷凝器進行熱交換，變?yōu)楦邷乜諝猓儆娠L機送入干燥室，如此循環(huán)工作。此模式中，外冷凝器為蒸發(fā)器，有利于與空氣交換更多的熱量，提高空氣的加熱效率。

1.2.2 低溫除濕干燥模式。低溫除濕干燥模式，首先四通閥不上電，處在自復位狀態(tài)，然后開啟外冷凝器風機。工質(zhì)閥2斷開，工質(zhì)閥1閉合。經(jīng)外冷凝器處理后的空氣在干燥室內(nèi)流通，流通過程伴隨空氣狀態(tài)和空氣溫度變化，具體過程如下：空氣吸收物料表面的水分后，濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器，蒸發(fā)作用下導致表面溫度下降。低溫空氣開始凝結(jié)成水珠，從排水管流出。室內(nèi)空氣經(jīng)過內(nèi)換熱器加熱后，再由風機送入干燥室，完成一次低溫除濕干燥循環(huán)。

1.2.3 恒溫干燥模式。在持續(xù)高溫過程中，當烘房室內(nèi)空氣溫度值達到設定值，可調(diào)節(jié)四通閥，將外換熱器切換功能，由原來的蒸發(fā)換熱功能轉(zhuǎn)換為冷凝換熱，將內(nèi)冷凝器和輔助換熱器的其中一個，由冷凝換熱轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)換熱，達到能量平衡，實現(xiàn)恒溫干燥過程。循環(huán)空氣進入干燥室后，吸收物料表面的水分，與物料進行熱交換，變?yōu)楦邼窨諝?，?jīng)風機排出，流經(jīng)外冷凝器，蒸發(fā)作用下，空氣中的水蒸氣凝結(jié)出水珠，變?yōu)榈蜏馗稍锟諝?，再?jīng)內(nèi)冷凝器放熱后，變?yōu)楦邷乜諝?，?jīng)風機送入干燥室加熱物料。此時，冷凝風機打開，系統(tǒng)處于半開放狀態(tài)，與外界進行熱交換，達到恒溫過程。

1.3 控制方案

控制方案控制流程如圖3所示[5]。

該控制方案實現(xiàn)了新型閉環(huán)除濕熱泵烘干機的閉式高溫干燥過程控制、低溫除濕干燥過程控制、恒溫干燥過程控制。系統(tǒng)在上位機的控制下，首先進行系統(tǒng)初始化，模式選擇，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行完成后，系統(tǒng)控制風機運轉(zhuǎn)，上位機顯示風機狀態(tài)，若正常，執(zhí)行下一步壓縮機工作，如不正常輸出執(zhí)行，上位機顯示原因。上位機指示壓縮機狀態(tài)監(jiān)測，若正常，系統(tǒng)執(zhí)行下一步運行時間段[t1]設置，如不正常則輸出執(zhí)行，上位機顯示原因。執(zhí)行程序在整個運行時間段內(nèi)完成預設溫、濕度控制、PID控制。執(zhí)行完成后，程序進行溫度范圍監(jiān)測，若系統(tǒng)達到預設溫度范圍，系統(tǒng)執(zhí)行輸出，若未達到系統(tǒng)預設溫度范圍，系統(tǒng)執(zhí)行報警，上位機顯示，最后結(jié)束控制。

2 烘干試驗研究

2.1 試驗條件

本研究只針對蒼溪縣秋季常見的黑木耳進行試驗。根據(jù)烘干經(jīng)驗，設計每次烘干黑木耳5 kg，烘干時間為8 h，脫水率為40%，脫水量為2 kg，烘房環(huán)境初始溫度為25 ℃，最高溫度為55 ℃。

2.1.1 烘干試驗物料。挑選形狀和大小相近、無破碎的黑木耳[6]。用清水清洗黑木耳，將黑木耳中的沙粒、灰塵等物質(zhì)清理出來，并放置在日光下晾曬大約1 h，曬掉黑木耳表面的水分。用水分測定儀測得初始含水率約為80%。

2.1.2 試驗方案設計。分別對閉式高溫干燥、低溫除濕干燥[4]、恒溫干燥3種模式進行驗證，每種模式以空氣相對濕度（Relative Humidity，RH）40%、50%、60%和80%為變量，進行4組試驗（每組試驗選用5 kg黑木耳進行干燥），每組試驗重復3次，試驗數(shù)據(jù)取平均值。溫度設置具體方案如下：①閉式高溫干燥模式，烘干機烘干溫度設置25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃四個階段，每個溫度間隔2 h;②低溫除濕干燥模式，烘干機烘干溫度設置55 ℃、45 ℃、35 ℃和25 ℃四個階段，每個溫度間隔2 h;③恒溫干燥模式，烘干機烘干溫度設置25 ℃四個階段相同溫度。

2.2 試驗結(jié)果及分析

啟動烘干機，分別按照3種方案依次設定參數(shù)，得到閉式高溫干燥、低溫除濕干燥、恒溫干燥模式的干燥特性如圖4至圖6所示。

由3種模式的干燥曲線圖可知，隨著干燥時間的延長，黑木耳的含水率逐漸下降。相對濕度在50%、60%時，干燥初期（小于4 h），低溫除濕干燥模式和閉式高溫干燥模式干基含水率相比恒溫干燥要低，即干燥速度快，效果好。5h后，各模式下的干燥速率無明顯差別。此外，濕度為40%的干燥曲線相接近，濕度80%的干燥明顯較慢。

從上述試驗結(jié)果可知，初期干燥如果快速提高溫度，可以防止木耳表面產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。溫度升高可以快速去除黑木耳中的游離水。變溫干燥，可增加水分子的活性，繼而加強向表面的散發(fā)速度;但恒溫干燥在中后期效果較差。

變溫干燥模式（低溫除濕干燥模式和閉式高溫干燥模式）整個干燥過程脫水速率下降較為平緩，黑木耳內(nèi)層的水分逐漸向外層遷移，水分擴散的均勻性要優(yōu)于恒溫干燥，不會因干燥前期脫水速率過大而后期過小造成黑木耳葉收縮開裂。

對比試驗烘干產(chǎn)品外形可知，恒溫干燥模式的干燥速率低，黑木耳存在收縮不充分、葉片不平整或破碎、表面色澤灰暗或無光澤等外形較差的問題。閉式高溫干燥模式的干黑木耳有一部分存在烤焦現(xiàn)象，低溫除濕干燥模式的干燥產(chǎn)品外觀形態(tài)和產(chǎn)品質(zhì)量良好。

3 低溫除濕干燥模式下烘干機換熱效率研究

試驗表明，利用低溫除濕模式干燥產(chǎn)品，不論干燥速率還是產(chǎn)品外形，都較其他模式效果好，故僅對低溫除濕模式烘干機的換熱效率進行研究。結(jié)合低溫除濕模式的工作原理圖（見圖2），對外冷凝器換熱效率進行試驗分析。換熱器換熱效率定義為該換熱器的實際傳熱熱流量[Φ]與理論上最大的傳熱熱流量[Φmax]之比，即

[η=ΦΦmax=W2（t''2-t'2）Wmin（t'1-t'2）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當[（Cm）2=W2=Wmin]時，有

[η=t''2-t'2t'1-t'2] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[η]為換熱器的瞬時換熱效率;[Φ]為換熱器的傳熱流量，K/W;[Φmax]為理論上最大可能的傳熱熱流量，K/W;[W2]為流體2[換熱器第二熱源（水源）]的熱容量，W/K;[Wmin]為最小熱容量，W/K;[t'1]為熱流體的初始溫度，℃;[t'2]為冷流體的初始溫度，℃;[t''2]為冷流體加熱后的溫度，℃。

冷流體理論上可加熱到[t''2=t'1]，即冷流體所能達到的最大程度地加熱。因此，溫差（[t'1-t'2]）即為冷流體的最大溫差。在低溫除濕干燥模式下進行木耳干燥，不同工況下，對冷流體的加熱程度和兩流體的進口溫差作了數(shù)值分析，如表1所示。

在有效溫差范圍內(nèi)，可以計算出該熱泵烘干機換熱器的最大換熱效率為85.7%。

4 結(jié)語

本文針對秦巴山區(qū)的特點，開發(fā)了適宜山珍深加工的新型熱泵烘干機設備。對熱泵烘干機結(jié)構(gòu)、原理、運行模式進行設計，實現(xiàn)了烘干機的閉式高溫干燥、低溫除濕干燥、恒溫干燥3種模式，滿足了秦巴山區(qū)多樣的山珍烘干需求。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出，低溫除濕干燥模式去水能力較好，木耳的干燥品質(zhì)較好，而且換熱效率高達85.7%。該設備得到了蒼溪縣政府的大力支持和有效推廣，具有良好的市場前景。

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