基于多熱泵系統(tǒng)組合的冷熱均衡干燥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曾小輝，吳耀森，李浩權(quán)，龔 麗，龍成樹

（1.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020 年我國主要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)總量約66 949.2 萬t，水產(chǎn)品6 549.2 萬t[1]，但我國農(nóng)產(chǎn)品加工量和加工水平與世界發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距，發(fā)達(dá)國家農(nóng)產(chǎn)品加工程度達(dá)到80%以上，而我國只有45%，其中二次以上深加工只有20%[2]。干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工的重要方式，且是能源消耗的大工序[3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家干燥能耗達(dá)到工業(yè)能耗的7%～15%[4-5]。大批量農(nóng)產(chǎn)品烘干按熱源分主要有煤、天然氣、油、柴、生物質(zhì)等[6]，近年來國家大力倡導(dǎo)綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展，水源或者空氣源熱泵干燥頗受人們關(guān)注。

事實(shí)上，除熱泵干燥以外，上述燃燒式熱源烘干主要采用排濕的方式，即將大量高溫高濕空氣排至環(huán)境，這不僅造成了能源的浪費(fèi)，而且也造成對環(huán)境的熱污染。熱泵干燥的主要熱能來源于水（或者空氣）中，熱能廉價(jià)，較傳統(tǒng)干燥可節(jié)約30%或更多[7]。熱泵干燥的優(yōu)勢不僅在于節(jié)能，而且有效地將冷、熱進(jìn)行了循環(huán)利用，其冷端為蒸發(fā)器主要起除濕作用，熱端為冷凝器主要起升溫作用，因此，熱泵干燥機(jī)應(yīng)用于某些農(nóng)產(chǎn)品物料中幾乎能實(shí)現(xiàn)全封閉干燥[8-9]。然而，大量農(nóng)產(chǎn)品干燥過程所需冷熱量與熱泵干燥機(jī)制取的冷熱量并不能完全匹配。例如一些農(nóng)產(chǎn)品熱泵干燥前期水分大量蒸發(fā)，而冷量不足以滿足除濕，此時(shí)只能采用排濕風(fēng)機(jī)排出濕熱；而干燥后期由于物料水分減少，又會有大量冷量剩余。

因此，無論采用天然氣、礦石燃料燃燒等排濕烘干或熱泵干燥，都較難滿足農(nóng)產(chǎn)品烘干過程中冷、熱的均衡需求。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本文基于冷熱量均衡控制方法，開展多熱泵系統(tǒng)聯(lián)合的制冷熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研發(fā)冷熱量通風(fēng)換熱關(guān)鍵部件，形成冷熱均衡的熱泵干燥機(jī)；選取臘腸為對象，開展干燥工藝試驗(yàn)研究，以更好地滿足農(nóng)產(chǎn)品烘干過程中的冷熱量均衡需求。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本文圍繞農(nóng)產(chǎn)品干燥過程冷熱量均衡供給的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了多熱泵系統(tǒng)聯(lián)合的冷熱均衡干燥機(jī)，主要包括圖1 所示的7 大部分：其中雙效機(jī)組由若干熱泵冷熱水子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)制取冷熱時(shí)相互獨(dú)立，以水為載冷、熱介質(zhì)置換出能量，故雙效熱泵機(jī)組主要用于制取冷、熱水，1 份電能可制取3 份冷量和4 份熱量；三效熱泵機(jī)組，具備雙效熱泵機(jī)組的功能，同時(shí)在雙效熱泵機(jī)組的基礎(chǔ)上增加了散熱系統(tǒng)，用于單獨(dú)補(bǔ)充均衡系統(tǒng)所需的冷量。雙效機(jī)組和三效機(jī)組制取的冷熱水供給烘房組，烘房即用于農(nóng)產(chǎn)品批次干燥的干燥室。1 個多熱泵系統(tǒng)組合的冷熱均衡干燥機(jī)可配置至少2 個以上的干燥烘房，此種一拖多的設(shè)備應(yīng)用模式特別適用于大中型肉制品加工企業(yè)，可實(shí)現(xiàn)冷熱量的合理分配，同時(shí)減少了設(shè)備先期總投入成本。

圖1 多熱泵系統(tǒng)組合的冷熱均衡干燥機(jī)系統(tǒng)圖

1.2 烘房的工作原理

多熱泵系統(tǒng)組合的冷熱均衡干燥機(jī)主要分為安裝屋面（或者生產(chǎn)車間以外）的多熱泵組合制冷熱水系統(tǒng)和生產(chǎn)車間內(nèi)多個單元干燥烘房，二者之間通過冷熱水路連通。由圖2 中生產(chǎn)車間農(nóng)產(chǎn)品干燥烘房即為其中1 個單元。物料干燥前先啟動制冷熱水系統(tǒng)，儲備一定量的冷水和熱水（例如：設(shè)定熱水溫度為63 ℃，冷水溫度為15 ℃）；待烘干物料進(jìn)入干燥烘房，用戶只需一鍵啟動烘干工藝，冷熱水在水泵的驅(qū)動作用下分別進(jìn)入干燥烘房的加熱器和除濕器內(nèi)，干燥箱內(nèi)空氣介質(zhì)在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下穿過加熱器和除濕器被升溫和除濕，而后經(jīng)過物料區(qū)與濕物料進(jìn)行熱質(zhì)交換。此外，當(dāng)干燥烘房內(nèi)濕度大于設(shè)定值時(shí)將往烘房外排濕，最終達(dá)到干燥物料的目的。

圖2 冷熱均衡供應(yīng)的干燥烘房結(jié)構(gòu)示意圖

在大中型農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)相同產(chǎn)能需求的前提下，購置多熱泵組合的均衡干燥機(jī)（一拖多）與多臺單機(jī)烘干設(shè)備比較的優(yōu)勢：①相較于單臺單機(jī)烘干設(shè)備其供冷熱量更充足，保障烘干產(chǎn)品的品質(zhì)；②由于物料烘干過程冷熱量需求不均衡，合理安排進(jìn)入干燥烘房的時(shí)間可實(shí)現(xiàn)錯峰干燥，充分利用好冷量和熱量，故一拖多的干燥機(jī)總裝機(jī)容量小于多臺單機(jī)的總功率，總投入成本減少，干燥能耗降低。因此，研制設(shè)備對大中型企業(yè)有節(jié)本、增效和保質(zhì)的作用，且可減少尾氣排放，對環(huán)保亦有重要意義。

2 冷熱均衡熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和制冷配件等組成。本文以批次烘焙3 000 kg 原料廣式臘腸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，加工周期約為42 h，出成率約為50%，烘烤溫度為45～58 ℃（廣東某肉食加工廠提供數(shù)據(jù)）。因此，針對單個干燥烘房小時(shí)平均去水量為35.72 kg/h，而廣式臘腸烘干前期12 h 去水量約為整個干燥過程去水量的65%，故前12 h 平均去水量約為81.25 kg/h,為確保廣式臘味的烘干品質(zhì)取最大去水量為平均去水量的1.5 倍，則干燥烘房的小時(shí)最大去水能力為121.88 kg/h。去水能耗則根據(jù)某廣式臘味烘焙廠家提供數(shù)據(jù)，熱泵干燥廣式臘腸的去濕能耗為4.0 MJ/（kg 水）。結(jié)合上述數(shù)據(jù)進(jìn)行熱泵系統(tǒng)主要部件選型設(shè)計(jì)如下。

2.1.1 壓縮機(jī)選擇

由烘烤溫度及物料去濕能耗需求可知，壓縮機(jī)制熱功率不小于135.42 kW，選擇丹佛斯SZ148 型渦旋壓縮機(jī)，通過查閱壓縮機(jī)工況文獻(xiàn)可知，蒸發(fā)溫度為5 ℃，冷凝溫度為70 ℃時(shí)，其制熱功率為40.1 kW,制冷功率為25.09 kW，故選擇4 臺SZ148 型壓縮機(jī)。

2.1.2 蒸發(fā)器和冷凝器的選擇

由于采用水為換熱、載冷介質(zhì)，故兩器的結(jié)構(gòu)形式為干式殼管式，殼管換熱系數(shù)k取1.2 kW/（m2.℃），進(jìn)出口水溫5 ℃。干式殼管換熱器面積計(jì)算如公式（1）所示。

式中：

Q——制熱量（或者制冷量），kW；

A——換熱面積，m2；

Δtm——對數(shù)傳熱溫差，℃。

式中：

t1——換熱介質(zhì)進(jìn)入溫度，℃；

t2——換熱介質(zhì)換熱后出來溫度，℃；

t——蒸發(fā)溫度（或者冷凝溫度），℃。

結(jié)合以上工況參數(shù)、制熱功率和制冷功率和公式（1）和（2）計(jì)算，得到單個系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器面積分別約為2.9、4.7 m2。

綜上，壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器型式、規(guī)格型號等技術(shù)參數(shù)確定后，膨脹閥、干燥過濾器、電磁閥、四通閥等可依照制冷功率、管徑等選擇對應(yīng)型號。因此，雙效熱泵主機(jī)與三效熱泵主機(jī)主要通過聯(lián)結(jié)以上制冷元器件形成制冷系統(tǒng)，其中三效熱泵主機(jī)為雙冷凝器系統(tǒng)，其中1 個冷凝器外接散熱冷卻塔，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制冷。

2.2 冷熱均衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由圖3 可知，冷熱均衡控制系統(tǒng)主要包括冷熱水制取控制系統(tǒng)和干燥烘房冷熱水供應(yīng)系統(tǒng)2大部分。冷熱水制取控制主要包括控制熱泵雙效機(jī)組、三效機(jī)組、散熱系統(tǒng)、散冷系統(tǒng)、制冷水泵、制熱水泵等零部件，該系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定熱水溫度、冷水溫度驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行冷熱水的制取，其中率先啟動冷熱水雙效機(jī)組、運(yùn)行一定時(shí)間后再啟動三效機(jī)組中冷熱同時(shí)制取模式，當(dāng)熱水達(dá)到設(shè)定值而冷水高于設(shè)定溫度則啟動三效系統(tǒng)單獨(dú)制冷水模式。

圖3 冷熱均衡控制系統(tǒng)控制流程圖

冷熱水供應(yīng)系統(tǒng)主要包括供冷熱水水泵、電磁閥、加熱換熱裝置、除濕換冷裝置、風(fēng)機(jī)、烘房庫體、風(fēng)道、排濕等。當(dāng)烘房干燥工藝設(shè)定完成后，一鍵啟動烘干模式，烘房內(nèi)溫濕度探頭實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)通過比對干燥工藝各階段設(shè)定溫、濕度值與實(shí)時(shí)溫、濕度值，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)指令條件，則啟動熱水泵、冷水泵按需向干燥烘房內(nèi)輸送熱量和冷量。

制冷熱水系統(tǒng)與供冷熱水系統(tǒng)之間主要依據(jù)水箱冷熱水溫度而聯(lián)動，若干燥過程熱量需求增多，隨著水箱熱水溫度的降低至設(shè)定值-偏差值，制冷熱水系統(tǒng)將自動啟動雙效機(jī)組進(jìn)行熱量補(bǔ)給，同樣冷水溫度升高超過設(shè)定值+偏差值也會有相應(yīng)降溫動作。

2.3 均衡系統(tǒng)內(nèi)烘干設(shè)備運(yùn)行應(yīng)用

實(shí)際上，1 個制冷熱水系統(tǒng)可以供應(yīng)多個供冷熱水系統(tǒng)，這樣不僅可以減少水箱的數(shù)量、節(jié)省場地，甚至可以一定程度減少平均每個供冷水系統(tǒng)的匹數(shù)，達(dá)到高效利用冷熱量的目的。采用熱泵系統(tǒng)制取冷熱水，制熱系數(shù)為3～4[10]，因此選擇雙效機(jī)組 ：三效機(jī)組=3 ：1。均衡系統(tǒng)內(nèi)烘干設(shè)備運(yùn)行前，系統(tǒng)默認(rèn)檢測冷熱水箱水溫，當(dāng)冷（或熱）水溫度低于（或高于）設(shè)定溫度時(shí)供冷熱水系統(tǒng)將不會啟動運(yùn)行，如圖3 所示，制冷熱水系統(tǒng)自動檢測冷/熱水箱水位直至均達(dá)到水箱容積2/3以上，制冷熱水系統(tǒng)檢測水溫與設(shè)定值T0的偏差等級關(guān)系而判斷開機(jī)雙效主機(jī)和三效主機(jī)的臺數(shù)，具體動作邏輯詳見圖4，以圖4中區(qū)域（1）為例，當(dāng)熱水溫度低于設(shè)定溫度+下偏差3，且冷水溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，則開啟3臺雙效機(jī)組制取冷、熱水和1臺三效機(jī)組單獨(dú)制取冷水，其它區(qū)域邏輯控制以此類推；中間“保持原狀態(tài)區(qū)”即保持系統(tǒng)原有啟動設(shè)備數(shù)量直至跨越上偏差1或者設(shè)定熱水溫度值。

圖4 均衡系統(tǒng)動作邏輯圖

綜上所述，雙效機(jī)組 ：三效機(jī)組=3 ：1 的多熱泵組合的冷熱均衡干燥機(jī)，即整體由3 臺4 個SZ148熱泵雙效系統(tǒng)和1 臺4 個SZ148 熱泵三效系統(tǒng)組合而成，系統(tǒng)運(yùn)行過程中冷水溫度最低可達(dá)8 ℃（蒸發(fā)溫度為4 ℃），熱水最高溫度為65 ℃（冷凝溫度為70 ℃），該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)為4 個3 000 kg/批干燥烘房供熱，壓縮機(jī)的總匹數(shù)為192 匹（1 匹=0.75 kW）。采購相同產(chǎn)能的（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所自主研發(fā)）GHRH170 型熱泵干燥機(jī)單機(jī)設(shè)備，該機(jī)處理量為1 500 kg/批，裝機(jī)容量24 匹/臺+12 kW 輔助電加熱，需要8 臺，按壓縮機(jī)最佳工況計(jì)算1 kW 等效于4 kW 發(fā)熱絲，則采用單機(jī)設(shè)備共需要192+24 匹，比研制設(shè)備增加12.5%的裝機(jī)功率，事實(shí)上電熱絲產(chǎn)熱最大取其功率的90%，即單機(jī)設(shè)備為滿足干燥熱量需求還需更大裝機(jī)容量。

3 研制烘干設(shè)備應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)：廣州某臘味肉食制品廠，位于廣州市黃埔區(qū)香荔路。

烘干設(shè)備：由廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研制，安裝于肉食制品廠生產(chǎn)車間5 樓。

試驗(yàn)物料：廣式臘腸中“三七腸”即肥肉 ：瘦肉=3 ：7[11]，配料滾揉冷庫儲藏12 h，采用德國漢特曼灌腸設(shè)備扭結(jié)灌注成130 mm，直徑22 mm，物料批次進(jìn)入量為26 車，33 桿/車，分上、中、下3 層，每車原料臘腸重量180～190 kg。

烘干工藝：烘干溫度范圍45～58 ℃，相對濕度為20%～70%，采用逐步升溫降濕干燥模式，烘干周期為42～46 h，出成率為53%～58%。

3.2 數(shù)據(jù)曲線及分析

圖5 數(shù)據(jù)點(diǎn)為每小時(shí)設(shè)定溫度、相對濕度值與均衡系統(tǒng)內(nèi)烘干設(shè)備實(shí)際運(yùn)行溫度、相對濕度值。上方溫度曲線可知，廣式臘味烘干采用是逐步升溫的干燥方式，每小時(shí)實(shí)際運(yùn)行溫度的平均值與設(shè)定溫度值的最大偏差：除烘干過程中3 個停機(jī)排濕降溫緩蘇階段外，最大偏差出現(xiàn)在升溫烘干前期第6 h，設(shè)定溫度為52 ℃，實(shí)測平均溫度為50.57 ℃，控制相對最大偏差為-2.75%，其他時(shí)間段溫度控制相對偏差為-2.05%～1.65%，其中第7、第14、第21 h為停機(jī)降溫緩蘇區(qū)，設(shè)定溫度為35 ℃，設(shè)定相對濕度依次為60%、50%和40%，緩蘇時(shí)間為1 h，其目的分別為廣式臘腸的縮身定型、色澤調(diào)節(jié)和風(fēng)味調(diào)節(jié)，因?yàn)槎虝r(shí)間升溫干燥有利于脂質(zhì)的氧化降解[12]，形成風(fēng)味物質(zhì)，此外緩蘇干燥有利于提升產(chǎn)品整體的干燥均勻性、外觀色澤及形成表面均勻紋路。

圖5 廣式臘味烘干均衡系統(tǒng)內(nèi)烘干設(shè)備運(yùn)行曲線

每小時(shí)設(shè)定相對濕度與實(shí)測小時(shí)平均相對濕度值的最大偏差：除3 個降溫緩蘇階段和最后降溫出庫階段，最大偏差值出現(xiàn)在前期升溫階段的第8 h，設(shè)定相對濕度為45%，實(shí)測相對濕度值為48.92%，其它時(shí)段控制偏差范圍為-2.08%～1.85%。相對濕度反映干燥介質(zhì)的吸濕能力，實(shí)測相對濕度偏高說明此時(shí)的干燥能力略小于需求，由相對濕度曲線可知干燥前期設(shè)定相對濕度與實(shí)測值出現(xiàn)交錯，而干燥后期實(shí)測回風(fēng)濕度基本位于設(shè)定值以下，原因在于廣式臘腸干燥采用逐步升溫降濕干燥方式，前期臘腸水分多，溫度升高臘腸吸熱蒸發(fā)水分增加，而干燥溫度升高和相對濕度降低均會提升設(shè)備整體除濕能力，因而精準(zhǔn)匹配控制蒸發(fā)水分略小于除濕能力即可以獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，所以前期會出現(xiàn)設(shè)定濕度與回風(fēng)濕度交錯；后期由于臘腸水分逐漸減少，因而實(shí)測相對濕度會略低于設(shè)定濕度。

圖6 為3 個樣品的失水率曲線，每個位置樣品分為上、中、下3桿，均勻分布于干燥烘房前中后3個位置。由圖中3個樣品的失水率曲線可知，整個干燥過程中烘房3個位置的廣式臘腸失水率相差不大，說明設(shè)備的整體干燥均勻性較好；前24小時(shí)廣式臘腸烘干去水量：樣品1、樣品2、樣品3分別占原料臘腸的36.8%、38.4%和36.9%，占廣式臘腸烘干總?cè)ニ浚ǔ龀陕?6%）的83.86%、87.27%，83.64%；均衡系統(tǒng)內(nèi)烘干設(shè)備運(yùn)行44 h，3個位置樣品均達(dá)到烘干要求，整個干燥烘房的終點(diǎn)干燥不均勻度為1%，可見廣式臘腸的烘干去水主要集中在第1天，采用均衡系統(tǒng)烘干廣式臘腸能夠較好保障干燥品質(zhì)。

圖6 廣式臘味烘干失水率曲線

3.3 研制設(shè)備加工產(chǎn)品品質(zhì)檢測

研制設(shè)備干燥加工的臘腸產(chǎn)品經(jīng)過溫度18～22 ℃暫存間冷卻3～4 h 后，進(jìn)行分支剪切和定量稱重包裝，隨機(jī)從該批次產(chǎn)品中，抽取5 包檢測樣品，每包500 g，按照GB/T 23493—2009 中式香腸抽檢加工臘腸產(chǎn)品，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 廣式臘腸生產(chǎn)檢測數(shù)據(jù)表

表1 中數(shù)據(jù)可知，研制設(shè)備干燥加工的廣式臘腸產(chǎn)品感官性狀、水分等符合國家食品標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。其中產(chǎn)品水分含量、亞硝酸鹽、過氧化值均遠(yuǎn)低于國標(biāo)，原因在于廣東省為高溫高濕氣候環(huán)境，較低水分有利于延長保質(zhì)期。

4 小結(jié)及展望

本文從烘干設(shè)備生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中存在的問題著手，分析了存在問題的原因，設(shè)計(jì)了多熱泵組合的冷熱均衡干燥機(jī)，并進(jìn)行了批次物料試驗(yàn)，結(jié)論如下。

1）設(shè)計(jì)了多熱泵系統(tǒng)組合冷熱均衡干燥機(jī)，建立了干燥機(jī)的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對內(nèi)部主要零部件的功能及實(shí)現(xiàn)冷熱均衡的原理進(jìn)行了具體介紹。

2）以廣式臘腸為例，對熱泵系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器機(jī)型進(jìn)行了選型計(jì)算，確定了雙效熱泵系統(tǒng)、三效熱泵系統(tǒng)中主要零部件的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；設(shè)計(jì)了雙效熱泵系統(tǒng) ：三效熱泵系統(tǒng)=3 ：1 的冷熱均衡干燥機(jī)，該機(jī)型實(shí)現(xiàn)了1 個冷熱均衡系統(tǒng)給4臺3 000 kg/批干燥烘房供應(yīng)冷熱量，比相同產(chǎn)能的單機(jī)臘味干燥設(shè)備節(jié)省了裝機(jī)總功率。

3）與廣州某肉食制品廠合作，建立了一拖多的多熱泵系統(tǒng)組合冷熱均衡干燥機(jī)，并進(jìn)行了多批生產(chǎn)性應(yīng)用試驗(yàn)，得到干燥機(jī)運(yùn)行的溫度、相對濕度控制精準(zhǔn)度較好，干燥不均勻度小，抽檢的廣式臘腸產(chǎn)品的干燥品質(zhì)均達(dá)到特級臘腸標(biāo)準(zhǔn)。

4）開發(fā)的多熱泵組合的冷熱均衡干燥機(jī)，溫度控制范圍為10～63 ℃，濕度控制范圍為10～95 %RH，因此該設(shè)備既適用于中高溫的果蔬與肉制品干燥，也適用于略低于常溫水產(chǎn)魚制品等熱敏性物料的烘干。