水產品可控溫熱泵干燥機的設計

李美容 仇寶春 沈侃 周云 張柔佳 韓志 謝超

摘要為解決水產品在自然日曬干燥中存在的諸多問題，根據其特性和干燥的特殊要求，開發設計了新型可控溫水產品熱泵干燥機。介紹了熱泵干燥機的工作原理，該可控溫熱泵干燥機的方案設計，包括系統設計、主要結構設計、系統部件選型原則，并進行實驗驗證。

關鍵詞熱泵干燥；水產品；開發設計

中圖分類號S226.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-332-03

Design of Temperaturecontrolled Heat Pump Dryer for Aquatic Product

LI Meirong， QIU Baochun， SHENG Kan et al（College of Shipping and Port Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 3160222）

AbstractIn order to solve the problems existed in the aquatic products under the condition of natural sun drying， a new type of temperaturecontrolled heat pump dryer was designed for aquatic product， according to its features and drying requirements. Then， working principles of heat pump dryer were introduced， as well as the schematic design （system design， main structure design， selection principles of system components）. Finally， verification test was carried out.

Key wordsHeat pump drying； Aquatic product； Development design

舟山群島新區是我國最大的水產品生產基地和水產品集散地。生鮮水產品含水率高，且含豐富的脂肪和蛋白質，極易腐敗，需要采用有效手段進行加工處理[1]。由于水產品干燥處理后，運輸過程不需要冷鏈，可節約成本。因此，水產品干燥是一種常見的生鮮水產品加工處理方法。傳統干燥方法分為日光干燥和熱風干燥，日光干燥依賴于天氣條件，并且難以保證衛生；熱風干燥耗能較大，熱敏性成分易被破壞[2]。錢炳俊等提出了熱泵干燥水產品，模擬自然風干燥，物料表面水分的蒸發速度與水分從內部向表面遷移的速度比較接近[3]。但是，干燥溫度無法有效控制，影響了干燥后的水產品品質。筆者針對現有水產品熱泵干燥的缺點，設計了一種水產品可控溫熱泵干燥機，并對水產品可控熱泵干燥技術進行系統設計、內部結構設計、系統部件進行選型，定制樣機進行實驗驗證。結果表明，該新型可控溫熱泵干燥機適用面廣，產品品質好，有重要的推廣應用價值。

1工作原理

熱泵干燥原理：熱泵干燥是將低溫低濕空氣強制循環于食品間，使被干燥物體的含水量逐漸減少最終達到干燥效果的工藝，熱泵干燥系統如圖1所示，主要包括空氣循環和熱泵循環。

空氣循環：滿足生產要求的干空氣進入干燥室，低溫干空氣在強制循環中不斷吸收食品表面水分；帶走被干燥物體的水分，成為濕空氣后出來，然后經過蒸發器進行冷卻除濕；達到飽和狀態的空氣經過蒸發器被降溫析出水分，析出的水分由集水器排出庫體；低溫干空氣再經過冷凝器，被加熱成高溫干空氣；最后與飽和狀態空氣混合生成低溫干空氣，再進入干燥室內吸收被干燥物體的水分成為濕空氣，如此反復循環。

熱泵循環：制冷劑在蒸發器中吸收來自干燥過程循環風的熱量，由液體蒸發為蒸汽，經壓縮機壓縮后送到冷凝器中，在高壓下制冷劑冷凝液化，放出高溫的冷凝熱去加熱來自蒸發器降溫去濕后的低溫干空氣，把它加熱到要求的溫度后進入干燥室內作為干燥介質循環使用，液化后的制冷劑經膨脹閥再次回到蒸發器內[4-5]。

2方案設計

2.1系統設計由于壓縮機的輸入功，冷凝器的散熱量必將大于蒸發器的吸熱量，蒸發器與冷凝器都處于封閉的空氣循環系統中，若空氣與外界無熱量交換，則封閉的循環空氣的熱量會不斷增加，內部溫度會逐漸上升[6]。在熱泵干燥裝置剛開始運行時，由于系統尚未達到穩定的狀態點，這部分額外的熱量可以將空氣加熱到設定的運行狀態點。但是，一旦空氣達到穩定狀態點后，倘若持續加熱，則封閉的空氣的溫度就會越來越高，造成冷凝器端傳熱溫差減小，導致冷凝壓力不斷增高，熱泵系統的熱泵系數下降，最終出現停機[7-8]。因此，為保持機組的恒溫運行，就需要將這部分熱量排到系統之外，將空氣循環參數控制在一定范圍內。所以，在冷凝器與壓縮機之間增加一個換熱器；而要使得機體內達到恒溫，外置換熱器即可視為一個外冷凝器。打開外冷凝器，高溫制冷劑與外界空氣交換熱量使制冷劑溫度降低，即向外界散熱，帶走壓縮機的輸入功，實現恒溫過程。可控溫熱泵干燥系統如圖2所示。

注：1.膨脹閥；2.冷凝器；3.換熱器；4.壓縮機；5.蒸發器；6.干燥室；a.干空氣流向；b.濕空氣流向；c.帶走的熱量；d.熱泵干燥組。

Note：1.Expansion valve；Condenser；3.Heat exchanger；4.Compressor；5.Evaporator；6.Drying room；a.Dry air flow；b.Wet air flow；c.Exhaust heat；d.Heat pump drying group.

2.3系統部件選型原則

2.3.1壓縮機的選型。相對于活塞式而言，渦旋式、螺桿式更能適應可控溫熱泵干燥機的工況。其理由是：①該機組通常在冬季需要除去其換熱器的冰凍，系統突然地逆向工況開啟，會使潤滑油進入壓縮機中，造成壓縮機的破壞。而由于活塞式結構的復雜將造成應力破壞，其余2類壓縮機完全能應付以上情況。②由于可控溫熱泵干燥機需要的運行方式多樣，各個狀態差異較大，非常考驗壓縮機的結構設計。渦旋式、螺桿式的部件簡單，能夠很好地適應干燥機的工作環境，而活塞式適用于一般空調的條件。③可控溫干燥機需要的壓力大，渦旋式、螺桿式比活塞式在相同的條件下更能提高對于體積的利用率，使干燥機運行效率提高，減少過程運行期間的能耗，從而創造更高的經濟價值，而活塞式則不能。④傳動件的復雜程度與壓縮機的磨擦耗損成正比，而活塞式壓縮機傳動件整體多，故對于系統而言會降低其效率。

在綜合以上內容的同時經過與其他機器的比對，查閱有關壓縮機樣本，選擇德國比澤爾壓縮機有限公司生產的HSK534330（Y）84型壓縮機。

2.3.2冷凝器的選型。相對于開窗式而言，波紋式翅片是適合可控溫熱泵干燥機的翅片型號。其理由是：①隨著霧霾天氣的加劇，開窗式在北方室外易于粘上粉塵，導致換熱系數直線下降，且拆裝困難，清洗不便。②波紋式冷凝器能滿足冷熱兩用干燥機的設計要求，不易被粉塵覆蓋，能夠增大換熱面積，從而保證其換熱系數能夠一直維持在高水平，但其作為換熱器時，霜凍嚴重。③在該系統中由于空間有限，比較適合的管線布置方式為V型盤管、W型管線。因為高度較高的V型系列使得整個系統的運行效率降低，且根據模擬氣流組織形式，浪費了空間資源，尺寸矮小的W型盤管能夠有效避免上述問題。

綜上所述，W型盤管作為冷凝器能克服換熱效率、空間大小、空氣阻力等問題。W型設計參數經過計算能滿足作為換熱器時的各種運行工況下的技術指標。

2.3.3熱力膨脹閥的選型。該系統中選用熱力膨脹閥為節流機構。其理由是：①可控溫熱泵干燥機在冷工況運行時，單膨脹閥的制熱系數隨著系統的變化而變化，難以維持在一定的范圍內。而在制熱狀態下，由于只有一個膨脹閥顯得太過龐大，使得系統與室外空氣的交換熱減少，未能達到要求。②在不同的系統運轉下，運用雙膨脹閥使得膨脹閥的選擇具有針對性，冷、熱運行狀態能夠分別滿足[9]。

2.3.4蒸發器的選型。分析該干燥機的設計要求，選擇板式、干式殼管式2種器具。其理由是：①板式具有較大的空間體積，能夠使制冷劑分布在各個方向，且冷熱均勻，能有效提高系統的運行效率，節約能源，做到持續發展。②干式殼管式所需占有的空間面積較大，故適用于大中型的機組，其體積的龐大導致潤滑油的回轉十分艱難，與板式相比較，交換熱量較少。

比較上述，選擇板式器具：型號I 6，I 16B40.4/4006，在實際情況下交換熱量的面積為4 m2，蒸發器間內路口的長度為7 mm，設備能夠交換能量的面積為5 m2，質量123 kg。

3實驗驗證

根據方案設計定制樣機如圖5所示，采購樣品進行實例驗證。

在市場上購買同種水產品（小黃魚）處理后分成相同的A、B 2等份；將其中的一份樣品A放入新型干燥機，在溫度為35 ℃，濕度為20%的條件下干燥3 h；另一份樣品B放入普通干燥機，在相同條件下干燥3 h。經觀察，A、B 2組樣品的品相都比較完好，A樣品色澤則更飽滿，沒有明顯斑點出現。經過水分測定儀測量，A組樣品濕度為61.31%，B組樣品濕度為71.25%。實驗表明，新型可控溫熱泵干燥機更適用于水產品干燥，且干燥質量佳，經濟性高。

4結論

與現有的水產品熱泵干燥裝置相比，該可控溫熱泵干燥機巧妙設置2個冷凝器，一個為內冷凝器，一個作為外冷凝器，外冷凝器放置在壓縮機與內冷凝器之間。外冷凝器的設置是為了保持機組的恒溫運行，它將機組內部增加的熱量排到系統之外，將空氣循環參數有效控制在一定范圍內，從而達到恒溫效果。

安徽農業科學2016年該研究設計的熱泵干燥機，具有干燥溫度可控、結構緊湊、熱效率高等優點，特別適用于水產品干燥，可以根據不同水產品及不同加工要求靈活控制，適用范圍廣，干燥品質高，應用前景廣闊。

參考文獻

[1] 岑琦瓊，張艷平.水產品干燥技術的研究進展[J].食品研究與開發，2011，32（11）：156-158.

[2] 張國琛，毛志懷.水產品干燥技術的研究進展[J].農業工程學報，2004，20（4）：297-300.

[3] 錢炳俊，蘇樹強.熱泵干燥技術在水產品加工應用中的研究概況[J].浙江農業科學，2004（4）：830-831.

[4] 吳耀森，劉軍.小黃魚熱泵干燥工藝及設備選型分析[J].現代農業裝備，2015（2）：37-41.

[5] 張海紅，何建國.果蔬熱泵干燥裝置的研究 [J].機械與設計，2009，25（6）：160-163.

[6] 呂金虎，趙春芳.熱泵干燥技術在農副產品加工中的應用與分析[J].農業化研究，2010（1）：212-216.

[7] 張德元.淺談干燥設備系統的節能減排[J].化工機械，2009，36 （3）：195-199.

[8] CHUA K J，CHOU S K.A modular approach to study the performance of a twostage heat pump system for drying[J].Applied thermal engineering，2005，25：1363-1379.

[9] STROMMEN I，KRAMER K.New applications of heat pumps in drying processes[J].Dry technology，1994，12（4）：889-901.安徽農業科學，Journal of Anhui Agri. Sci.2016，44（4）：335-338