熱泵與膜蒸餾集成型果汁低溫濃縮裝置

秦彥沛，謝繼紅，雷文芳，陳東

天津科技大學機械工程學院（天津 300222）

果汁濃縮是果汁加工過程中的重要環(huán)節(jié)之一[1]。果汁濃縮是將水果榨成原汁后，通過某種濃縮技術，分離出原汁中的部分水分，制成具有與原汁色澤、風味和營養(yǎng)成分等特性相近的制品[2-3]。果汁濃縮具有降低包裝、運輸和貯藏成本，延長貯藏時間，方便市場銷售等優(yōu)點。果汁中含有許多熱敏成分，低溫濃縮可以有效保留果汁中的熱敏成分，獲得高品質的濃縮產品[4-6]。

目前，果汁低溫濃縮的主要措施包括冷凍濃縮、真空蒸發(fā)濃縮和膜蒸餾濃縮。李銀星[7]以套管式界面漸進冷凍濃縮過程為代表，進行了較為系統的理論和試驗研究，設計并搭建了套管式冷凍濃縮試驗裝置，冷凍濃縮對果汁中風味成分保留較好，但裝置用于處理中高濃度果汁具有一定難度。秦貫豐等[8]采用一臺多級智能化的冷凍濃縮儀，對蘋果汁的冷凍濃縮和真空蒸發(fā)濃縮進行了對比試驗和分析，結果顯示對于營養(yǎng)及風味保存而言，冷凍濃縮遠優(yōu)于真空蒸發(fā)濃縮，但真空蒸發(fā)濃縮的蒸發(fā)強度較大。王煥[9]設計了一種內部熱量回收型多效膜蒸餾裝置，并對蘋果汁、梨汁等果汁進行了濃縮試驗，結果表明膜蒸餾濃縮能夠處理中高濃度果汁，且裝置具有高效節(jié)能的特點，但操作溫度達到75～90 ℃，該溫度下果汁中的營養(yǎng)成分受到較大影響[10-11]。

在膜蒸餾濃縮過程中，果汁中的水分在熱側膜表面汽化時需要吸收熱能，水蒸氣穿過膜孔后在膜的另一側被冷卻時需要冷能，所以膜蒸餾濃縮對熱能和冷能的需求量較大[12-13]；熱泵能夠通過消耗少量電能制取多倍的熱能和冷能，熱泵與膜蒸餾集成型裝置能夠在常壓下實現果汁的低溫濃縮，且其對料液適應性強，能耗低，具有良好的應用優(yōu)勢。雖然果汁低溫濃縮裝置的試驗研究較為廣泛，但對熱泵膜蒸餾裝置的果汁濃縮試驗研究相對較少，基于小型熱泵膜蒸餾裝置對澄清蘋果汁進行低溫濃縮試驗，以期為裝置的進一步研究提供一定的理論依據和數據參考。

1 裝置結構與工作原理

熱泵與膜蒸餾集成時可有多種型式，其中性能較優(yōu)的型式有熱泵多效型膜蒸餾裝置、內部能量回收型熱泵膜蒸餾裝置和熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置。熱泵多效型膜蒸餾裝置和內部能量回收型熱泵膜蒸餾裝置適于處理耐溫較高的料液，熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置適于處理果汁等耐溫較低的熱敏料液。熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置的結構流程如圖1所示。

由圖1可知，熱泵膜蒸餾裝置包含3個循環(huán)單元：由加熱器、壓縮機、冷卻器和節(jié)流閥等構成了熱泵工質循環(huán)單元；由冷卻器、冷卻液泵、輔冷器和膜蒸餾組件等構成了冷卻液循環(huán)單元；由加熱器、果汁泵、果汁罐和膜蒸餾組件等構成了果汁循環(huán)單元。其中，膜蒸餾組件由殼體外繞管、殼體和殼體內的中空纖維疏水膜管等構成，殼體內壁與中空纖維疏水膜管之間為空氣。膜蒸餾組件的截面如圖2所示。

圖1 熱泵膜蒸餾裝置結構流程圖

圖2 膜蒸餾組件截面圖

熱泵膜蒸餾裝置工作時，熱泵工質經節(jié)流閥降壓后進入冷卻器汽化吸熱而產生冷能，氣態(tài)工質進入壓縮機被壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|，進入加熱器液化而產生熱能，再回到節(jié)流閥；果汁在果汁泵的作用下，被加熱器中的熱泵工質加熱后進入膜蒸餾組件的中空纖維疏水膜管內，果汁中的水分在膜表面汽化形成水蒸氣后穿過膜孔再穿過空氣間隙，到達殼體內壁后被冷卻為冷凝水并被排出膜蒸餾組件，被濃縮后的果汁回到果汁罐；冷卻液在冷卻液泵的作用下，進入纏繞在膜蒸餾組件殼體外的繞管內，吸收穿膜蒸氣在膜蒸餾組件殼體內部冷卻放出的熱能，經輔冷器和冷卻器降溫到設定溫度后，回到冷卻液罐。熱泵膜蒸餾裝置在3個循環(huán)單元的協調工作下，實現果汁濃縮。

2 試驗研究

2.1 試驗材料與部件

膜蒸餾組件中，中空纖維疏水膜管材料采用聚丙烯（PP），殼體材料采用聚氯乙烯（PVC），繞管材料采用聚乙烯（PE），具體參數如表1所示。

表1 膜蒸餾組件具體參數

熱泵單元采用蒸汽壓縮式熱泵，熱泵單元組成部件的結構與參數如表2所示。

表2 熱泵單元組成部件的結構與參數

輔冷器采用翅片管式換熱器，可通過調節(jié)所配置風機的轉速來調整輔冷器的散熱量；果汁泵和冷卻液泵采用全塑料型、無刷直流電機驅動的微型泵，微型泵具有體積小、果汁適應性好、散熱損失小等特點。

2.2 試驗料液與測量儀表

試驗所用料液為澄清蘋果汁，糖度為11 °Brix，冷卻液采用純凈水。試驗需要測量的參數和儀表如表3所示。

2.3 操作流程

將試驗所用測量儀表進行歸零校準與標定。檢查膜蒸餾組件是否存在破損、親水化等問題，確保沒有問題后將膜蒸餾組件清洗干凈備用。將蘋果汁加到果汁罐，將純凈水加入冷卻液罐，開啟果汁泵和冷卻液泵后調節(jié)蘋果汁和冷卻液的流量到設定值，啟動熱泵壓縮機運行熱泵，蘋果汁溫度逐漸上升，當蘋果汁進膜蒸餾組件溫度上升至設定值附近時，啟動輔冷器，使蘋果汁進膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在設定值；待裝置其他工況參數也不再隨時間變化時，裝置進入穩(wěn)定運行階段；在裝置穩(wěn)定運行狀態(tài)下，記錄測點溫度、蘋果汁和冷卻液流量、熱泵壓縮機功率等參數，測量蘋果汁濃縮過程中排出的冷凝水質量、糖度和電導率等。

3 結果與分析

3.1 啟動階段關鍵參數變化規(guī)律

熱泵膜蒸餾裝置啟動階段，裝置各測溫點的溫度變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，蘋果汁進膜蒸餾組件（測溫點1）溫度、蘋果汁出膜蒸餾組件（測溫點2）溫度、蘋果汁進熱泵加熱器（測溫點5）溫度、蘋果汁出熱泵加熱器（測溫點6）溫度均隨時間的增加而升高，冷卻液進膜蒸餾組件（測溫點3）溫度、冷卻液出膜蒸餾組件（測溫點4）溫度、冷卻液進熱泵冷卻器（測溫點7）溫度、冷卻液出熱泵冷卻器（測溫點8）溫度均隨時間的增加而降低，裝置運行到25 min后，蘋果汁和冷卻液的溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。熱泵膜蒸餾裝置運行初期，熱泵對蘋果汁的加熱量大于膜蒸餾組件對蘋果汁的吸熱量，因此蘋果汁溫度逐漸升高；隨著裝置的運行，熱泵的加熱量逐漸減小，而膜蒸餾組件的吸熱量逐漸增加，當熱泵的加熱量和膜蒸餾組件的吸熱量相近時（約25 min后），蘋果汁溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。造成冷卻液溫度降低的原因是熱泵膜蒸餾裝置運行初期，熱泵對冷卻液的吸熱量大于膜蒸餾組件對冷卻液的放熱量；隨著裝置的運行，熱泵的吸熱量逐漸減小，而膜蒸餾組件的放熱量逐漸增加，當熱泵的吸熱量和膜蒸餾組件的放熱量相近時（約25 min后），冷卻液溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。

表3 試驗參數和儀表

圖3 膜蒸餾組件進出口溫度變化規(guī)律

圖4 熱泵進出口溫度變化規(guī)律

3.2 穩(wěn)定運行階段參數與性能指標

熱泵膜蒸餾裝置進入穩(wěn)定運行階段后，蘋果汁進熱泵加熱器溫度穩(wěn)定在42.6 ℃、蘋果汁出熱泵加熱器溫度和蘋果汁進膜蒸餾組件溫度均穩(wěn)定在47.7 ℃、蘋果汁出膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在43.7 ℃、冷卻液進熱泵冷卻器溫度穩(wěn)定在26.7 ℃、冷卻液出熱泵冷卻器溫度穩(wěn)定在23.1 ℃、冷卻液進膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在23.0℃、冷卻液出膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在26.2 ℃；熱泵壓縮機功率為53.8 W；蘋果汁流量為8.7 g·s-1、冷卻液流量為10.7 g·s-1。

在以上運行參數下，對熱泵膜蒸餾裝置的主要性能指標進行計算分析。

熱泵制熱量的計算公式為

式中：Qh為熱泵制熱量，W；mf為膜蒸餾組件中蘋果汁的質量流量，g·s-1；cf為蘋果汁比熱容，kJ·（kg·K）-1；Tfi為蘋果汁出熱泵加熱器溫度，K；Tpo為蘋果汁進熱泵加熱器溫度，K。

膜蒸餾過程中的有效熱能占膜蒸餾過程消耗總熱能的比率稱為膜蒸餾組件的熱效率，其計算公式為

式中：η為膜蒸餾組件熱效率，無因次；Qeff為膜蒸餾過程中的有效熱負荷，W；Q總為膜蒸餾過程消耗總熱量，W。

熱泵制熱系數反映了熱泵單位功耗所能放出的熱量，其計算公式為

式中：COPhp為熱泵制熱系數，無因次；Qh為熱泵制熱量，W；Pcom為熱泵壓縮機功率，W。

節(jié)能倍率為蘋果汁中水分汽化消耗的能量與熱泵壓縮機消耗能量之比（約相當于多效蒸發(fā)的效數），可反映熱泵膜蒸餾裝置總體的能量效率。其計算公式為

式中：ESR（Energy saving ratio）為裝置的節(jié)能倍率，無因次；m為排出冷凝水的速率，g·s-1；r為冷凝水的汽化潛熱，kJ·kg-1；Pcom為熱泵壓縮機功率，W。

經計算與測量，熱泵膜蒸餾裝置的主要性能指標如表4所示。

表4 性能指標

由裝置穩(wěn)定運行數據可見，從蘋果汁中分離出的冷凝水糖度和電導率較低，表明裝置可以在常壓下實現對蘋果汁的低溫濃縮，且具有較高的分離效率；裝置的節(jié)能倍率為1.61，約相當于兩效真空蒸發(fā)裝置，且由于裝置的規(guī)模較小，熱損失等因素對裝置性能影響較大，使試驗數據與理論值存在偏差，裝置的能耗指標還有較大的提升空間。

當熱泵膜蒸餾裝置的熱損失很小且可以忽略不計時，裝置節(jié)能倍率的理論值近似為膜蒸餾組件的熱效率與熱泵制熱系數的乘積，即

對于中小型熱泵膜蒸餾裝置，上述工況下熱泵的理論制熱系數可達4.0以上，膜蒸餾組件的理論熱效率可達0.75以上，裝置節(jié)能倍率的理論值可達3.0以上。

4 結論

熱泵與膜蒸餾集成型裝置能夠用于常壓下果汁的低溫濃縮，且具有能耗低、便于處理中高濃度果汁等優(yōu)勢；裝置啟動后，果汁溫度會自動上升，到達設定溫度附近時，啟動輔冷器，即可將果汁溫度穩(wěn)定在設定值，裝置可進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；基于小型試驗裝置對進入膜蒸餾組件為47.7 ℃、糖度為11 °Brix的澄清蘋果汁的濃縮試驗表明，裝置節(jié)能倍率為1.61；當裝置規(guī)模擴大，對環(huán)境的熱損失可忽略不計時，其節(jié)能倍率的理論值可達3.0以上，具有較好的應用前景。研究結果為熱泵與膜蒸餾集成型裝置在果汁低溫濃縮方面的應用提供了理論依據與數據參考。