熱泵型干燥室氣流組織綜述

馮艷珍,趙 娟,耿 云,夏 天,王永華,牛寶聯,張忠斌

(1.南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023) (2.南京師范大學鎮江創新發展研究院,江蘇 鎮江 212000) (3.江蘇雪梅制冷設備有限公司,江蘇 泰州 215399)

干燥是一種通過加熱空氣向食品提供潛熱來蒸發水分的工業化保存方法[1],使食品的含水量和水分活度降低,從而抑制微生物的生長和繁殖[2-3]. 干燥也是一項能源密集型產業[4],需要消耗大量的能源,干燥耗能占工業總能耗的10%～15%[5],占全球制造設施總能耗的10%～25%. 傳統干燥技術采用燒煤[6]或燒柴的方式產生熱量,會浪費大量能源,污染環境甚至對產品品質產生危害. 隨著熱泵干燥技術的不斷增長,當今干燥室內氣流組織和管理問題更加嚴重. 降低熱泵干燥系統能耗、提高物料干燥速率的趨勢有兩種:優化能量回收裝置和改善氣流.

改善氣流有助于降低熱泵能源消耗,提高物料干燥效率和物料干燥品質. 在干燥領域中,空氣溫度和濕度、氣流速度、物料的類型及厚度、產品的初始和最終含水量、干燥過程、干燥室結構等[7-8]因素都會影響干燥效率,其中干燥過程、干燥介質和干燥室的幾何形狀決定了干燥室內氣流流動均勻性,進而決定了被干燥物料的干燥狀態[9-10]. 因此,氣流組織設計對提升干燥效果、節省能源具有重要意義[11].

干燥室內氣流組織表現為溫度場、流量場、相對濕度. 氣流分布對干燥室內溫度場、速度場有重要影響. CFD模擬是研究干燥室內氣流熱性能最常用的方法. 本文著眼于熱泵干燥過程中氣流組織難以均勻分布的問題,從干燥室內部結構設計、工況條件和節能系統形式三個因素入手,主要通過分析相關的實驗模擬,系統地總結了內部幾何結構對干燥室內氣流組織的影響,以及工況條件對干燥室內干燥物料速率快慢的影響. 另外,為了提高能量的再利用率,從兩個不同的方面概述了現有的研究中干燥物料的節能形式.

1 內部結構設計

在干燥過程中,靠近送風口位置處的食品獲得熱量最多,會被過度干燥,而遠離送風口位置處的食品不能被充分干燥,使最終產品水分含量不均勻. 另外,流體流動時,由于風道內沿程阻力和局部阻力的存在[12],導致沿氣流流動方向流速降低. 因此,熱泵干燥室內部各處流體流速數值存在差異,溫度分布也不均勻,影響干燥效率. 優化的幾何結構可減小流體流動過程中的阻力. 不同的送回風方式可避免干燥室內部形成回流. 設計物料位置可使物料處于最佳干燥工況環境[13]. 獲得均勻的內部流場是一項十分困難的技術,這要了解干燥過程中氣流的分布情況,保證干燥室內部流速及溫度均勻且穩定,無回流或渦流等.

圖1 雙進排風通道模型Fig.1 Model of double inlet and exhause channel

1.1 幾何結構設計

合理的幾何結構設計可以引導氣流在熱泵干燥室內部形成均勻穩定的流場. Amanlou等[14]在設計干燥室外部結構時增加了梯形靜壓室:實驗表明相較于傳統干燥室,靜壓室設計可使氣流分布均勻. 董繼先等[15]在干燥室設計了靜壓層,傳統干燥箱與側懸掛式干燥箱比較發現,該設計有效改善了物料上方的流速分布,但是整體上氣流速度較小. 而靜壓式平行送風型干燥箱使氣流在干燥區域形成水平狀流動,速度與溫度分布相對均勻,整體氣流速度較高,干燥效果較好. Scaar等[16]在風機、風機和干燥室之間設置導流板,經研究發現,相比無導流板,設置導流板后干燥室內的氣流分布更加均勻. Song等[17]對大容量空氣盤式干燥器內部流場進行了研究,發現在干燥室中安裝導流葉片,通過改變流場能夠減少低速區域,顯著提高流場的均勻性. Precoppe等[18]在研究荔枝干燥實驗中,將進風口設計為雙縫,實驗表明雙縫設計較單縫設計可有效提升物料出口處流速并改善壓力梯度及熱量分布的均勻性. Mathioulakis等[19]對送風通道設計一定坡度(圖1(a)),發現坡度設計可以引導空氣流均勻,但是送風通道實驗中,水平方向上氣流在干燥室的后部流動較激烈,甚至托盤處有強回流的特征,同時模型內部有兩個低風速區域,該設計并不理想. Margaris等[20]對此模型進行優化(如圖1(b)所示),將進出風通道后移,托盤位置等不變,結果發現優化后的干燥室在托盤位置各處形成了更為均勻的流場.

表1總結了對典型的干燥室內氣流分布和管理的實驗和數值研究,列出了對應的不同的幾何結構和實驗基礎[14-23].

表1 熱泵干燥室幾何結構設計總結Table 1 Summary of geometric structure design of heat pump drying chamber

1.2 送回風方式

Natalia等[24]在傳統干燥室的基礎上設計送風方式為下送上回如圖2(a)所示,Babu等[25]設計了3種送風方式如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示. 結果表明,下送上回模型使干燥室入口處氣流速度較高,速度分布明顯不均勻;圖2(d)模型相較于其他送風方式圖2(b)、圖2(c)模型較好,因為平行送風時內部氣流一次性經過托盤,流速較高且分布均勻. 除此之外,Reza[26]設計了一種下部中送風,兩側回風的送風方式,模擬結果表明:溫度在各區域內分布均勻. 當氣流速度在入口處較高時,豎直方向氣流速度均勻升高,且水平方向上有效的促進了氣流循環.

圖2 4種送回風方式Fig.2 4 ways to send back air

綜上所述,不同的送回風方式的設計可以通過改變送風風道和回風風道送入干燥室內的風量以及風速,影響干燥室內整體氣流組織的均勻性. 平行送風方式優于下送上回方式,而在平行送風方式中,其工作區速度、溫度分布更加均勻. 中送側回送風方式雖然在入口處氣流速度較高,但在水平方向上形成了氣流循環,且溫度分布在各個區域內分布均勻. 對角送風區別于傳統的上送下回或下送上回,沿著斜通道方向,氣流速度分布均勻.

1.3 物料因素

目前已有些研究人員意識到不同物料位置、厚薄、顆粒大小以及孔隙率對氣流組織分布有所影響,但相關研究還是缺乏,典型設計有托盤設計和傳送帶設計. Misha等[11]設計托盤擺放方式如圖3所示,模擬發現:圖3(b)模型中,托盤上部水平方向上空氣流速均較大,但是維持時間不長,速度降低很快;圖3(c)模型中底部托盤空氣流速較低. 在圖3(a)模型中氣流分配情況較好,氣流速度在各層托盤上空較高且變化不大,分布均勻. 之后在2015年發現托盤交替分布并配合導流板時,干燥空氣在干燥室中分配均勻,速率高. Song等[17]優化傳送帶結構,結構設置成U型,發現入口風速高時,氣流在傳送帶上方流速均勻升高,溫度在傳送帶上部分布穩定,變化不大.

圖3 托盤擺放方式Fig.3 Tray placement

2 工況設計

經研究發現,在同種物料進行熱泵干燥的前提下,物料的含水量與干燥室內相對濕度和干燥的溫度變化以及氣流的速度有很大的關系,氣流組織分布不均易導致溫度差增加[27],造成干燥品質較差的現象. 在其他條件一定時,如何選取較優質的干燥室內空氣溫度、相對濕度以及氣流速度至關重要.

2.1 空氣溫度、相對濕度

Mohammadi等[28]在研究獼猴桃樣品發現溫度升高可使獼猴桃上方的氣流溫度梯度增加,從而縮短干燥時間,改善干燥品質. Tunckal等[29]在研究香蕉切片樣品發現干燥時間隨著干燥溫度的升高而減少,即干燥效率增加,干燥品質相對較好. Aktas等[30]在39 ℃、40 ℃、41 ℃共3種溫度工況,蘋果片的厚度為 4 mm,氣流速為2 m/s、2.5 m/s時的不同條件下發現干燥室內干燥空氣的平均溫度為40 ℃,氣流速度為 2 m/s 時間,干燥效果最佳. Teeboonma等[31]在研究熱泵水果干燥機時,通過改變不同的溫度以獲得最優的干燥空氣溫度,最終經實驗得到最優的干燥空氣溫度為55 ℃. Pal等[32]使青甜椒在30 ℃、35 ℃、40 ℃下進行熱泵干燥,發現隨著溫度的升高,干燥速率不斷增加,甜椒含水量降低的速度加快. 考慮到產品的質量屬性及能量消耗,建議干燥溫度為35 ℃為宜. Nhata等[33]研究了玫瑰茄在固定風速2.5 m/s時,溫度提升增大了物料間水分蒸發的驅動力,加快了干燥速度.

干燥室內氣流組織分布是否合理,不僅與空氣的溫度有關,與空氣的相對濕度也有著密切的關系,Kuan等[34]以香蕉為研究對象,利用太陽能熱泵干燥器在35 h內將初始水分含量(濕基)從約74%降低到最終水分含量(濕基)約20%. Fang等[35]選擇干燥對象為蔬菜類時,發現較高的相對濕度促進水分的運動,最大程度降低初始干燥階段時干燥速率的負面影響. Chapchaimoh等[36]使用密閉系統熱泵干燥機將姜干燥200 min,相對濕度設定為20%～60%,發現空氣干燥在干燥室入口處的相對濕度高于氮氣干燥.

2.2 氣流速度

干燥室內工況對干燥物料的影響,除了熱泵所提供的溫度、相對濕度以外,還要分析干燥室內氣流速度. Shi等[37]在研究干燥物料為水果時,設定了0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s共4種不同的空氣流速,結果表明:干燥基本發生在速率下降的時期. 干燥溫度和氣流速度對雪蓮果切片的干燥行為有顯著影響,干燥時間隨溫度上升和空氣速度增加而減少. 當干燥對象為蔬菜類時,以香菇為研究對象時,發現循環風速為3 m/s為最優工況條件. Hawlader等[38]以馬鈴薯為研究對象,氣流速度設定為0.7 m/s,通過研究發現熱泵干燥使得產生干燥物料的褐變更少,多孔性更高,硬度更低,干燥效果優良. Zotti等[39]在40 ℃的條件下,風速為0.8～1.0 m/s進行研究,從所研究的物種的葉子中提取的香精油化學成分,最大程度地提高了庫拉薩維卡葡萄的香精油產量.

3 不同節能系統形式

目前,在熱泵干燥技術氣流組織分布問題上,研究發現:在熱泵干燥室內不同的附屬設備同樣影響干燥室內溫度的均勻性. 不同的節能系統形式如余熱回收和除濕,前者用于能量回收,使得設備節能;后者用于消除干燥室內余濕,提高干燥效率.

3.1 余熱回收裝置

余熱回收裝置具有回收余熱、平衡溫度和降低能耗的優點,不少研究人員設計了新型余熱回收裝置,將其應用于熱泵干燥裝置. Aktas等[40]設計熱交換芯體,室內空氣和新風分別流經氣流分隔板兩側,溫度與濕度均由較大的一側傳遞到較小的一側,實現熱量交換,完成熱回收,保證干燥室內溫濕度均勻. Erbay等[41]采用熱回收單元,不僅實現熱量回收,且使進入干燥室的空氣溫度維持定值,減小干燥室內溫度變化. Ghasemkhani等[42]將橫流板式換熱器裝入轉盤干燥機中,通過對蘋果片干燥過程進行了分析發現該裝置可以實現干燥過程中的熱能回收,保證干燥室內溫濕度分布的均勻性. Qiu等[43]則設計了一種新型的熱回收和蓄熱太陽能輔助熱泵干燥系統,該系統能同時實現余熱回收及除濕. 蒸發器和冷凝器集成在干燥室中,并在系統中設置了儲水罐,有效地回收余熱余濕有助于干燥室內部溫濕度分布均勻. 表2是對余熱回收進行的研究總結.

表2 余熱回收的研究總結Table 2 Research summary of waste heat recovery

3.2 除濕方法

熱泵除濕干燥是應用冷凍除濕的原理,將濕空氣冷卻到露點溫度以下,析出水分后,再利用冷凝熱加熱冷卻后的干空氣,從而達到除濕的目的. 熱泵除濕裝置能夠回收濕空氣的潛熱,因此節能效果顯著. 目前常用的除濕方法有閉環除濕方法其實際應用的一系列閉環除濕熱泵干燥機,實現了完全能量回收,已經大量應用在如糧食、果品、肉類制品、海產品、藥材、等行業,均取得超乎想象的良好效果. 表3總結出2011—2019年的各種除濕裝置涉及到的實驗研究,列出對應的除濕原理.

4 評價與討論

干燥室內合理的氣流組織可以使得被干燥的物料得到適宜的溫度以及充足的新鮮空氣,從而保證了物料的干燥效果以及品質. 對熱泵型干燥室內氣流組織的文獻綜述表明,大多數以CFD模擬為主要研究方法. 現有的文獻模擬了干燥室內不同的幾何結構(靜壓層高度/直徑/穿孔直徑、導流板角度/位置),送回風位置/形狀,多種邊界條件(空氣溫度、相對濕度、空氣流速等)結合的CFD模型. 需要注意的是,在不同的案例研究中,干燥室內氣流分布受多種因素的影響,主要影響因素還是干燥室內的幾何結構和不同的送回風方式. 當然,物料因素也是重要影響因素之一.

均勻性和節能性是熱泵干燥室內氣流組織和管理的兩個主要目標,就氣流本身而言,均勻性意味著干燥室內速度場、溫度場分布的動態均勻,這樣不同的干燥物料,它的干燥速率得當,物料的品質越好. 節能性體現在對干燥室內氣流進行能量回收,使得設備節能. 也可以表現為消除干燥室內余濕,提高干燥效率. 因此,干燥室內氣流均勻可以更好地干燥物料,從而確保產品品質. 通過設置靜壓層,調節導流板等,減少進入干燥室內氣流不均勻的現象,使物料更容易干燥. 在保證物料品質的情況下,考慮節能性,需要尋找各種節能方法,采用不同的節能設備. 因此,為了確保物料的干燥,以保持干燥速率和節能性在可接受的范圍內.

干燥室內氣流分布的重點是輸送和分布. 干燥室內氣流的輸送是一個多維的工作(上送上回、上送下回,地板送風、中送風). 設計了靜壓層,導流板將氣流均勻輸送到干燥室內. 文獻綜述中已有的研究多集中在改善氣流均勻性方面. 地板下靜壓室的邊界條件和導流板是影響干燥室內氣流均勻性的典型因素. 物料的擺放方式(全盤/半盤/滿盤)和托盤的位置是具有代表性的物料因素,合適的擺放方式可以創造更均勻的風速場. 必須綜合考慮托盤的位置,以確保托盤不會降低氣流與物料接觸的面積. 采用更有效的擺放方式,包括但不限于托盤位置/物料擺放. 物料顆粒的大小以及孔隙率等本身幾何形狀確實對干燥物料有影響,但僅是單方面因素.

5 結論

熱泵干燥室內的內部結構設計、工況條件以及不同的節能方法對氣流組織有很大的影響,在本文研究中,通過分析模擬和實驗研究了在不同條件下的氣流組織情況.

(1)干燥室內的幾何結構和送回風方式是影響熱泵干燥室內氣流分布的主要因素. 靜壓層改善了物料上方的流速分布,使氣流在干燥區域形成水平狀流動,使干燥室內速度與溫度分布相對均勻;導流板對進入干燥室內的風量方向進行控制,從而影響干燥室內的氣流分布. 不同的送回風方式的設計,通過改變送風風道和回風風道送入干燥室內的風量以及風速,也會影響干燥室內整體氣流組織的均勻性.

(2)工況研究表明,物料在干燥時,溫度同樣是影響干燥效率和效果的重要因素. 用較低的干燥溫度可以提高熱泵工作的能效;但是隨著相對濕度的下降,應逐漸提高干燥溫度,從而以實現熱泵高能效運行. 熱泵處于高能效運行,不同物料的干燥效果也可以達到最佳.

(3)內附設備中余熱回收技術的發展實現了熱泵干燥過程中對能量的余熱回收再利用、節能環保的特性. 不同的熱泵余熱回收裝置、除濕實現了對空氣的特殊除濕的處理,對能量再利用,提高了農產品的干燥效率,降低了能源的消耗,做到了能量利用最大化、干燥效果最優化.

6 展望

熱泵干燥的目的是通過少量的能量達到對產品的干燥效果,獲得大量的能量. 而干燥室內氣流的分布直接影響干燥效果. 熱泵干燥技術具有節能環保、品質可控等優點,它的普遍應用將提高農業產業的質量和效率. 但是,熱泵干燥設備成本較高,中小企業和農民購買困難,技術人員對設備的維修保養也是存在一定的難度. 因此,一方面需要進一步研發和開采更加節能高效的干燥設備,以提高干燥效率、降低設備成本、增強自動化智能化. 另一方面,影響干燥室內的氣流分布因素較多,幾何結構、工況研究以及能量回收等多方面的研究也有待進一步的深入探索. 本文所做的綜述只是定性的分析,在以后的研究中,尤其是除濕方法的研究較為缺乏,如何合理設計排濕口位置并對應設計不同的管道布置還需要進一步的研究,以改善干燥室內熱量及濕度的合理分布. 從干燥物料方面出發,應該進一步的研究物料與干燥室內氣流的傳熱傳質關系,找出兩者之間的聯系,如何從影響干燥效率,從而使得干燥的過程更加可控.