閉式熱泵干燥介質溫濕度演化及對能耗的影響

于賢龍 賈振超 慈文亮 張宗超 趙 峰

(1. 山東省農業機械科學研究院，山東 濟南 250100;2. 農業農村部黃淮海現代農業裝備重點實驗室，山東 濟南 250100)

干燥作為農產品加工中高能耗操作環節，提質增效一直是其發展的重要方向，降低加工能耗對于干燥行業發展具有重要意義[1]。熱泵干燥是一種最具節能優勢的干燥技術，能夠輸出比運行耗能更多的熱能[2]。作為熱泵系統的一種，閉式除濕系統在運行過程中無需與外界環境進行氣體交換，通過蒸汽冷凝方式排出物料蒸發出的水分[3]。與開放式系統相比，閉式熱泵干燥系統具有熱效率高、系統獨立的優點[4]。目前，閉式熱泵干燥被廣泛應用于糧食[5]、果蔬[6]、水產品[7]等農產品干燥領域。

閉式熱泵干燥設備由熱泵機組與干燥系統兩大部分組成，空氣介質是干燥系統與熱泵機組傳熱傳質的媒介。干燥介質的狀態受熱泵系統和物料狀態共同控制，同時作用于物料脫水和熱泵裝置運行，進而影響物料水分蒸發速率和熱泵除濕能耗比[8]。由于物料在干燥過程中含水率跨度較大，傳熱傳質過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形成，會造成能量的不合理投入[10]。閉式干燥系統具有較高的產熱比，但除濕能耗比卻低于半開放式熱泵系統。Tunckal等[11]在香蕉片閉式熱泵干燥研究中發現，43 ℃干燥溫度下，熱泵系統的能效比達到3.059，但單位能耗除濕量僅為0.212 kg/(kW·h)。

針對閉式熱泵干燥除濕能耗比低的問題，研究擬解析閉式熱泵干燥裝置干燥過程的除濕能耗比、空氣介質溫濕度的演化與物料脫水的相關關系，探究各耗能部件在干燥過程中的耗能規律，以期為閉式熱泵干燥裝置與控制系統開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，閉式熱泵干燥試驗箱由熱泵機組、輔助加熱裝置、干燥室、循環風機組成。物料平鋪于干燥室料盤中，通過熱風對流實現干燥。

1. 壓縮機 2. 循環風機 3. 冷凝器1 4. 蒸發器 5. 冷凝器2 6. 輔助加熱管 7. 外部風機 8. 回風口 9. 干燥室 10. 進風口

如圖2所示，熱泵機組含有兩個冷凝器，壓縮機、冷凝器1、膨脹閥1、蒸發器組成冷媒內循環，實現干燥介質的除濕與加熱。循環風機推動空氣介質自下而上穿過干燥室，與物料接觸后的濕空氣經頂部返回蒸發器完成冷凝除濕，干空氣經冷凝器完成再加熱。壓縮機、冷凝器2、膨脹閥2、蒸發器組成冷媒外循環，實現干燥室多余熱量的排出。干燥介質的熱量傳遞給蒸發器，由冷媒經壓縮機傳遞給冷凝器2，外部風機推動大氣帶走冷凝器2的熱量。熱泵機組的內循環與外循環共同作用實現了干燥過程中各介質的溫濕度控制。

圖2 試驗裝置原理圖Figure 2 The schematic diagram of test device

數據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耗能與介質溫濕度參數。溫度傳感器與濕度傳感器放置于干燥室進風口；電能表與熱泵系統的電源連接。

1.2 試驗方法

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

(1) 能耗試驗：基于果蔬等農產品常用干燥條件，設定干燥溫度60 ℃、相對濕度10%，啟動系統進行預熱。待溫濕度參數穩定后，將復水棉布平鋪放入各干燥層，關閉干燥室門后計時開始。干燥開始后每10 s采集電能表、溫度傳感器、濕度傳感器數據。蒸發器排出的冷凝液流入儲水盒中，每30 min稱量儲水盒的質量。

(2) 干燥試驗：設定干燥溫度60 ℃、相對濕度10%，預熱完畢后，將復水棉布放入干燥室內干燥計時開始。選定干燥室上、中、下3層料盤中物料為目標物料，間隔30 min稱重一次，直至物料重量變化<0.02 g。

1.3 數據分析

1.3.1 系統能耗 熱泵干燥的耗能部件包括控制系統、循環風機、熱泵機組、輔助加熱裝置，其中控制系統和循環風機自干燥啟動后持續運行，其能耗隨干燥進行呈線性遞增；而熱泵機組與輔助加熱裝置受系統調控運行，其能耗通過對瞬時功率進行積分運算獲得。干燥過程中物料在t時刻的過程能耗計算式[13]：

(1)

式中：

Pc——控制系統功率，kW；

Pf——循環風機功率，kW；

Ph——熱泵機組功率，kW；

Pa——輔助加熱功率，kW；

t——干燥時間，h。

(2)

式中：

mwi——物料的實時重量，kg。

(3)

式中：

mw0——物料的初始重量，kg。

(4)

式中:

mci——冷凝水實時重量，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)是指水分蒸發消耗的能量與系統總耗能的比值，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。在高火條件下進入足量狀態，減小BRR上的彈簧張力對高火期間的影響將很小，但將導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 結果與分析

2.1 干燥特性

由圖3可知，干燥箱內上、中、下3層料盤內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；而上層物料干燥速率最低，且呈先升速后降速的趨勢。這主要是干燥介質中的水蒸氣隨著流動方向逐漸積累，同時其溫度下降，造成了空氣介質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行熱泵干燥物料脫水規律分析。由圖4可知，物料表面水分蒸發速率與蒸發器表面的水蒸氣冷凝速率隨時間的演化規律一致，均呈先增長后下降的趨勢，與Hamid等[18]的研究規律一致。物料脫水主要集中在干燥前1.5 h，脫除的水分占全過程的96%；同時88%的水分經熱泵機組排出系統。由于物料蒸發的部分水分滯留于空氣介質與熱泵機組中，蒸汽冷凝的總量要低于物料水分蒸發量。

圖4 物料水分蒸發與介質水分冷凝速率對比圖

2.2 干燥介質溫濕度變化

由圖5可知，干燥開始后熱泵機組將熱量傳遞給空氣介質而使其快速升溫，溫度由40 ℃短時間提高至50 ℃。隨后，介質溫度升溫速率放緩，80 min后緩慢升高至目標溫度(60 ℃)上下波動，此階段物料自身升溫以及水分蒸發消耗大量的熱量。物料表面蒸發出的水分在空氣介質中積累而使其相對濕度值在干燥初期迅速提升，干燥8 min時達到34.5%，隨后受熱泵機組除濕作用相對濕度持續下降。干燥前期介質相對濕度維持較高，可以顯著提高物料升溫速率，有助于物料表面水分的蒸發[19]。干燥100 min后，介質溫度在50～60 ℃ 范圍內呈周期性的波動，主要是因為干燥后期熱泵機組需要周期性地開啟外部循環排出壓縮機產生的多余熱量，造成了大量的熱量損失。

圖5 干燥過程中空氣介質溫濕度變化曲線

2.3 能量利用分析

由圖6可知，干燥開始后，控制裝置、循環風機、熱泵機組、輔助加熱管相繼啟動。控制裝置、循環風機、熱泵機組在干燥過程中持續運行。輔助加熱管在持續運行6 min 后停止，此時空氣溫度達到50 ℃(圖5)。干燥100 min 時，外部風機開始間歇式啟動，干燥室的熱量通過冷凝器2排放至大氣環境中。

圖6 熱泵干燥過程中各部件運行時序圖Figure 6 The sequence diagram of component operation during heat pump drying process

由圖7(a)可知，熱泵機組啟動后的初始功率為0.7 kW，隨著空氣介質溫度的提高，蒸發器負荷隨之增大，壓縮機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，熱泵機組的功耗會出現周期性波動，此時外部循環開啟，冷媒流經冷凝器2后返回壓縮機。輔助加熱工作時功率達到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組。干燥過程中熱泵機組、循環風機持續運行，能量消耗分別占干燥過程總耗能的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程中呈先升高后降低的趨勢。干燥初期，熱泵機組提供的熱量大量用于物料升溫和空氣介質加熱；而在0.5～1.0 h階段，物料升溫和介質升溫所消耗的熱量較少，熱泵機組耗能主要完成濕空氣冷凝換熱。因此在1.0 h時，除濕能耗比具有最高值，能量效率可達74.6%。干燥后期物料蒸發出的水分減少，空氣介質的相對濕度降低，蒸發器表面水蒸氣冷凝溫度下降，因此除濕能耗比降低[22-23]。熱泵機組在啟動外部循環時不但持續消耗電量，而且會將大量熱量排出大氣環境中，進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，不利于干燥機的節能，總除濕能耗比為0.45 kg/kW，能量效率為32.6%。

圖8 不同干燥時間段除濕能耗比對比圖

3 結論

探究了閉式熱泵干燥的物料脫水、干燥介質狀態、能耗的變化規律。結果表明，物料脫水與介質水蒸氣冷凝集中發生于干燥前1.5 h，此時，物料水分和干燥介質的相對濕度處于較高水平，熱泵機組的除濕能耗比超過0.78 kg/kW；干燥后期，干燥介質溫度升高而相對濕度降低，熱泵機組功耗增加但除濕速率下降，導致除濕能耗比降低至0.1以下。熱泵機組是熱泵干燥系統最高的耗能部件，單一的高溫低濕的控制參數會造成熱泵機組的持續運行，不利于后期的節能干燥。后續可進一步探究空氣介質溫濕度參數對閉式熱泵干燥能量利用的作用機制，分析基于溫濕度過程控制的節能調控方法，提高閉式熱泵干燥的節能效果。