閉式熱泵干燥介質(zhì)溫濕度演化及對(duì)能耗的影響

于賢龍 賈振超 慈文亮 張宗超 趙 峰

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

干燥作為農(nóng)產(chǎn)品加工中高能耗操作環(huán)節(jié)，提質(zhì)增效一直是其發(fā)展的重要方向，降低加工能耗對(duì)于干燥行業(yè)發(fā)展具有重要意義[1]。熱泵干燥是一種最具節(jié)能優(yōu)勢(shì)的干燥技術(shù)，能夠輸出比運(yùn)行耗能更多的熱能[2]。作為熱泵系統(tǒng)的一種，閉式除濕系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換，通過(guò)蒸汽冷凝方式排出物料蒸發(fā)出的水分[3]。與開(kāi)放式系統(tǒng)相比，閉式熱泵干燥系統(tǒng)具有熱效率高、系統(tǒng)獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)[4]。目前，閉式熱泵干燥被廣泛應(yīng)用于糧食[5]、果蔬[6]、水產(chǎn)品[7]等農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域。

閉式熱泵干燥設(shè)備由熱泵機(jī)組與干燥系統(tǒng)兩大部分組成，空氣介質(zhì)是干燥系統(tǒng)與熱泵機(jī)組傳熱傳質(zhì)的媒介。干燥介質(zhì)的狀態(tài)受熱泵系統(tǒng)和物料狀態(tài)共同控制，同時(shí)作用于物料脫水和熱泵裝置運(yùn)行，進(jìn)而影響物料水分蒸發(fā)速率和熱泵除濕能耗比[8]。由于物料在干燥過(guò)程中含水率跨度較大，傳熱傳質(zhì)過(guò)程存在明顯的非線性特征[9]。單一的干燥控制方式不利于物料脫水與品質(zhì)形成，會(huì)造成能量的不合理投入[10]。閉式干燥系統(tǒng)具有較高的產(chǎn)熱比，但除濕能耗比卻低于半開(kāi)放式熱泵系統(tǒng)。Tunckal等[11]在香蕉片閉式熱泵干燥研究中發(fā)現(xiàn)，43 ℃干燥溫度下，熱泵系統(tǒng)的能效比達(dá)到3.059，但單位能耗除濕量?jī)H為0.212 kg/(kW·h)。

針對(duì)閉式熱泵干燥除濕能耗比低的問(wèn)題，研究擬解析閉式熱泵干燥裝置干燥過(guò)程的除濕能耗比、空氣介質(zhì)溫濕度的演化與物料脫水的相關(guān)關(guān)系，探究各耗能部件在干燥過(guò)程中的耗能規(guī)律，以期為閉式熱泵干燥裝置與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，閉式熱泵干燥試驗(yàn)箱由熱泵機(jī)組、輔助加熱裝置、干燥室、循環(huán)風(fēng)機(jī)組成。物料平鋪于干燥室料盤中，通過(guò)熱風(fēng)對(duì)流實(shí)現(xiàn)干燥。

1. 壓縮機(jī) 2. 循環(huán)風(fēng)機(jī) 3. 冷凝器1 4. 蒸發(fā)器 5. 冷凝器2 6. 輔助加熱管 7. 外部風(fēng)機(jī) 8. 回風(fēng)口 9. 干燥室 10. 進(jìn)風(fēng)口

如圖2所示，熱泵機(jī)組含有兩個(gè)冷凝器，壓縮機(jī)、冷凝器1、膨脹閥1、蒸發(fā)器組成冷媒內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)干燥介質(zhì)的除濕與加熱。循環(huán)風(fēng)機(jī)推動(dòng)空氣介質(zhì)自下而上穿過(guò)干燥室，與物料接觸后的濕空氣經(jīng)頂部返回蒸發(fā)器完成冷凝除濕，干空氣經(jīng)冷凝器完成再加熱。壓縮機(jī)、冷凝器2、膨脹閥2、蒸發(fā)器組成冷媒外循環(huán)，實(shí)現(xiàn)干燥室多余熱量的排出。干燥介質(zhì)的熱量傳遞給蒸發(fā)器，由冷媒經(jīng)壓縮機(jī)傳遞給冷凝器2，外部風(fēng)機(jī)推動(dòng)大氣帶走冷凝器2的熱量。熱泵機(jī)組的內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)共同作用實(shí)現(xiàn)了干燥過(guò)程中各介質(zhì)的溫濕度控制。

圖2 試驗(yàn)裝置原理圖Figure 2 The schematic diagram of test device

數(shù)據(jù)采集記錄裝置由采集記錄器、電能表、溫度傳感器、濕度傳感器組成，周期性采集記錄系統(tǒng)耗能與介質(zhì)溫濕度參數(shù)。溫度傳感器與濕度傳感器放置于干燥室進(jìn)風(fēng)口；電能表與熱泵系統(tǒng)的電源連接。

1.2 試驗(yàn)方法

取40 cm×70 cm(長(zhǎng)×寬)的純棉布15片作為干燥物料，以保證試驗(yàn)物料屬性均勻一致[12]。棉布復(fù)水后重量為(3 000±20) g。

(1) 能耗試驗(yàn)：基于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品常用干燥條件，設(shè)定干燥溫度60 ℃、相對(duì)濕度10%，啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。待溫濕度參數(shù)穩(wěn)定后，將復(fù)水棉布平鋪放入各干燥層，關(guān)閉干燥室門后計(jì)時(shí)開(kāi)始。干燥開(kāi)始后每10 s采集電能表、溫度傳感器、濕度傳感器數(shù)據(jù)。蒸發(fā)器排出的冷凝液流入儲(chǔ)水盒中，每30 min稱量?jī)?chǔ)水盒的質(zhì)量。

(2) 干燥試驗(yàn)：設(shè)定干燥溫度60 ℃、相對(duì)濕度10%，預(yù)熱完畢后，將復(fù)水棉布放入干燥室內(nèi)干燥計(jì)時(shí)開(kāi)始。選定干燥室上、中、下3層料盤中物料為目標(biāo)物料，間隔30 min稱重一次，直至物料重量變化<0.02 g。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 系統(tǒng)能耗 熱泵干燥的耗能部件包括控制系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱泵機(jī)組、輔助加熱裝置，其中控制系統(tǒng)和循環(huán)風(fēng)機(jī)自干燥啟動(dòng)后持續(xù)運(yùn)行，其能耗隨干燥進(jìn)行呈線性遞增；而熱泵機(jī)組與輔助加熱裝置受系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行，其能耗通過(guò)對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行積分運(yùn)算獲得。干燥過(guò)程中物料在t時(shí)刻的過(guò)程能耗計(jì)算式[13]：

(1)

式中：

Pc——控制系統(tǒng)功率，kW；

Pf——循環(huán)風(fēng)機(jī)功率，kW；

Ph——熱泵機(jī)組功率，kW；

Pa——輔助加熱功率，kW；

t——干燥時(shí)間，h。

(2)

式中：

mwi——物料的實(shí)時(shí)重量，kg。

(3)

式中：

mw0——物料的初始重量，kg。

(4)

式中:

mci——冷凝水實(shí)時(shí)重量，kg。

1.3.3 能量利用分析 單位能耗除濕量(SMER)為消耗單位能量所除去物料中的水分量，則[15]：

(5)

能量效率(η)是指水分蒸發(fā)消耗的能量與系統(tǒng)總耗能的比值，則[16]：

高火條件下，助燃空氣壓力高，控制閥門的操作中空氣脈沖起主要作用而非彈簧。在高火條件下進(jìn)入足量狀態(tài)，減小BRR上的彈簧張力對(duì)高火期間的影響將很小，但將導(dǎo)致低火條件下變得更加足量。

(6)

即：

(7)

式中：

hl——水汽化潛熱，J/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性

由圖3可知，干燥箱內(nèi)上、中、下3層料盤內(nèi)物料的脫水速率存在明顯差異，下層物料在干燥初期干燥速率最高，且呈降速干燥趨勢(shì)；而上層物料干燥速率最低，且呈先升速后降速的趨勢(shì)。這主要是干燥介質(zhì)中的水蒸氣隨著流動(dòng)方向逐漸積累，同時(shí)其溫度下降，造成了空氣介質(zhì)的干燥能力沿氣流方向逐漸降低[17]。

圖3 熱泵干燥的物料脫水速率曲線Figure 3 The dehydration rate of materials during heat pump drying

由于不同位置的物料脫水速率差異較大，取各干燥層物料脫水速率的平均值進(jìn)行熱泵干燥物料脫水規(guī)律分析。由圖4可知，物料表面水分蒸發(fā)速率與蒸發(fā)器表面的水蒸氣冷凝速率隨時(shí)間的演化規(guī)律一致，均呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，與Hamid等[18]的研究規(guī)律一致。物料脫水主要集中在干燥前1.5 h，脫除的水分占全過(guò)程的96%；同時(shí)88%的水分經(jīng)熱泵機(jī)組排出系統(tǒng)。由于物料蒸發(fā)的部分水分滯留于空氣介質(zhì)與熱泵機(jī)組中，蒸汽冷凝的總量要低于物料水分蒸發(fā)量。

圖4 物料水分蒸發(fā)與介質(zhì)水分冷凝速率對(duì)比圖

2.2 干燥介質(zhì)溫濕度變化

由圖5可知，干燥開(kāi)始后熱泵機(jī)組將熱量傳遞給空氣介質(zhì)而使其快速升溫，溫度由40 ℃短時(shí)間提高至50 ℃。隨后，介質(zhì)溫度升溫速率放緩，80 min后緩慢升高至目標(biāo)溫度(60 ℃)上下波動(dòng)，此階段物料自身升溫以及水分蒸發(fā)消耗大量的熱量。物料表面蒸發(fā)出的水分在空氣介質(zhì)中積累而使其相對(duì)濕度值在干燥初期迅速提升，干燥8 min時(shí)達(dá)到34.5%，隨后受熱泵機(jī)組除濕作用相對(duì)濕度持續(xù)下降。干燥前期介質(zhì)相對(duì)濕度維持較高，可以顯著提高物料升溫速率，有助于物料表面水分的蒸發(fā)[19]。干燥100 min后，介質(zhì)溫度在50～60 ℃ 范圍內(nèi)呈周期性的波動(dòng)，主要是因?yàn)楦稍锖笃跓岜脵C(jī)組需要周期性地開(kāi)啟外部循環(huán)排出壓縮機(jī)產(chǎn)生的多余熱量，造成了大量的熱量損失。

圖5 干燥過(guò)程中空氣介質(zhì)溫濕度變化曲線

2.3 能量利用分析

由圖6可知，干燥開(kāi)始后，控制裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱泵機(jī)組、輔助加熱管相繼啟動(dòng)。控制裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱泵機(jī)組在干燥過(guò)程中持續(xù)運(yùn)行。輔助加熱管在持續(xù)運(yùn)行6 min 后停止，此時(shí)空氣溫度達(dá)到50 ℃(圖5)。干燥100 min 時(shí)，外部風(fēng)機(jī)開(kāi)始間歇式啟動(dòng)，干燥室的熱量通過(guò)冷凝器2排放至大氣環(huán)境中。

圖6 熱泵干燥過(guò)程中各部件運(yùn)行時(shí)序圖Figure 6 The sequence diagram of component operation during heat pump drying process

由圖7(a)可知，熱泵機(jī)組啟動(dòng)后的初始功率為0.7 kW，隨著空氣介質(zhì)溫度的提高，蒸發(fā)器負(fù)荷隨之增大，壓縮機(jī)排氣溫度提高而使功率緩慢上升至0.85 kW[20-21]。干燥90 min后，熱泵機(jī)組的功耗會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)，此時(shí)外部循環(huán)開(kāi)啟，冷媒流經(jīng)冷凝器2后返回壓縮機(jī)。輔助加熱工作時(shí)功率達(dá)到1.0 kW，如圖7(b)所示，在干燥前10 min輔助加熱消耗的能量高于熱泵機(jī)組。干燥過(guò)程中熱泵機(jī)組、循環(huán)風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，能量消耗分別占干燥過(guò)程總耗能的75%，18%，為熱泵干燥的主要耗能單元。

圖7 熱泵干燥過(guò)程中各部件功耗變化曲線Figure 7 The variation curve of component power consumption during heat pump drying process

由圖8可知，除濕能耗比在干燥過(guò)程中呈先升高后降低的趨勢(shì)。干燥初期，熱泵機(jī)組提供的熱量大量用于物料升溫和空氣介質(zhì)加熱；而在0.5～1.0 h階段，物料升溫和介質(zhì)升溫所消耗的熱量較少，熱泵機(jī)組耗能主要完成濕空氣冷凝換熱。因此在1.0 h時(shí)，除濕能耗比具有最高值，能量效率可達(dá)74.6%。干燥后期物料蒸發(fā)出的水分減少，空氣介質(zhì)的相對(duì)濕度降低，蒸發(fā)器表面水蒸氣冷凝溫度下降，因此除濕能耗比降低[22-23]。熱泵機(jī)組在啟動(dòng)外部循環(huán)時(shí)不但持續(xù)消耗電量，而且會(huì)將大量熱量排出大氣環(huán)境中，進(jìn)一步降低了能量的利用效率，干燥2.0 h后，除濕能耗比僅為0.004 kg/kW。在低相對(duì)濕度控制方法下，干燥前期熱泵干燥的除濕能耗比較高，后期除濕效率較低，不利于干燥機(jī)的節(jié)能，總除濕能耗比為0.45 kg/kW，能量效率為32.6%。

圖8 不同干燥時(shí)間段除濕能耗比對(duì)比圖

3 結(jié)論

探究了閉式熱泵干燥的物料脫水、干燥介質(zhì)狀態(tài)、能耗的變化規(guī)律。結(jié)果表明，物料脫水與介質(zhì)水蒸氣冷凝集中發(fā)生于干燥前1.5 h，此時(shí)，物料水分和干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度處于較高水平，熱泵機(jī)組的除濕能耗比超過(guò)0.78 kg/kW；干燥后期，干燥介質(zhì)溫度升高而相對(duì)濕度降低，熱泵機(jī)組功耗增加但除濕速率下降，導(dǎo)致除濕能耗比降低至0.1以下。熱泵機(jī)組是熱泵干燥系統(tǒng)最高的耗能部件，單一的高溫低濕的控制參數(shù)會(huì)造成熱泵機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行，不利于后期的節(jié)能干燥。后續(xù)可進(jìn)一步探究空氣介質(zhì)溫濕度參數(shù)對(duì)閉式熱泵干燥能量利用的作用機(jī)制，分析基于溫濕度過(guò)程控制的節(jié)能調(diào)控方法，提高閉式熱泵干燥的節(jié)能效果。