面向藥材貯藏的熱泵干燥系統實驗研究

汪澤林，張良*，徐笑鋒，吳清清

新材料、新技術在熱泵系統中的應用專題

面向藥材貯藏的熱泵干燥系統實驗研究

汪澤林1，張良1*，徐笑鋒2，吳清清2

（1.上海理工大學，上海 200093；2.上海海立電器有限公司，上海 201206）

針對藥材貯藏前傳統干燥處理方法效率低，藥材易變質，處理能耗高，不利于藥材高品質貯藏等問題，優化藥材干燥處理方法至關重要。采用真空低溫干燥技術，設計一套以真空干燥箱為傳質系統進行低溫干燥的熱泵干燥處理系統。系統包含基于熱泵壓縮機驅動的真空低溫干燥系統、真空泵、變頻風機等設備，通過對其進行干燥性能實驗研究，分析獲得熱泵冷凝溫度、空氣入口風速以及空氣入口溫度對該系統干燥性能的影響。在環境真空壓力?40～0 kPa實驗條件下，熱泵真空低溫干燥系統的干燥量、干燥效率、傳質系數及傳熱系數最大值分別為3.96 kg/h、44.19%、3.75 g/(m2·s)、3.25 W/(m2·℃)，析濕過程傳質系數及傳熱系數最大值分別為44.51 g/(m2·s)及36.03 W/(m2·℃)，熱泵系統最大能效為6.08。對實驗數據進行回歸分析，得 到熱泵真空低溫干燥系統干燥效率模型，模型計算值與實驗值的最大偏差在±21%以內，平均偏差為9.18%，預測效果較好。相較于常壓下熱泵低溫干燥技術，基于真空低溫干燥技術的熱泵干燥系統能夠有效提高藥材干燥效率，降低藥材干燥處理過程中的能源消耗，為藥材高品質貯藏提供保障。

熱泵；藥材貯藏；低溫蒸發；藥材干燥；真空環境；傳熱傳質

“十四五”以來，我國醫藥制造業產值持續增長，對藥材的需求量也在日益增大。藥材貯藏前干燥處理能夠有效抑制腐敗微生物的生長，最大程度地保存藥材的營養價值，是作為藥材長期優質貯藏的基本標準。風干、陰干等傳統的干燥方法存在干燥效率低、干燥周期長、容易發霉變質等問題，以礦物能源為驅動的熱風干燥方法干燥效率高，但會降低藥材品質，不利于藥材長期貯藏，且能源消耗大，造成環境污染[1-2]。隨著藥材干燥處理量的增加，干燥處理行業能耗逐漸增加，直接影響我國碳排放量[3-4]。因此在藥材干燥處理過程中，提高干燥效率、保證藥材高品質貯藏，降低能耗節約能源勢在必行[5]。

為研究出高效低能耗的藥材干燥處理方式，國內外很多學者基于熱泵系統采用低溫干燥法對藥材進行干燥處理，熱泵低溫干燥技術的優點在于熱能消耗低，對低品位能源適應性強，采用低溫熱源為驅動熱源，以空氣為干燥劑即可實現對藥材的有效干燥[6-7]。熱泵低溫干燥系統利用水分在空氣中溶解度較高的特點，實現水分與藥材的分離，從而達到藥材干燥的目的，并通過冷凝器將水蒸氣冷凝回收再利用，實現冷量與熱量的雙重利用，從而大大降低能耗[8-9]。同時，采用溫度濕度可控的熱泵干燥技術干燥藥材的顏色、成分等品質均優于傳統熱風干燥技術，有利于藥材安全、高質量的長期貯藏[10]。鑒于以上優點，國內外學者對熱泵低溫干燥技術進行研究。Liu等[11]研究了封閉式熱泵干燥系統熱濕失衡的問題，探究了空氣流量對干燥過程的影響。王天皓等[12]實驗研究了多級熱泵串聯對熱泵干燥系統性能的提升。Gan等[13]研究了干燥溫度和干燥連續性對干燥速率的影響。張忠進等[14]通過實驗研究了干燥箱內空氣相對濕度對水分蒸發速率的影響。Yildirim等[15]采用數值方法研究了空氣吸濕過程的空氣質量流量對系統性能的影響。Mistry等[16]采用理論方法對比研究了空氣吸濕過程的空氣入口相對濕度對系統性能的影響。Zubair等[17]通過實驗對比研究了空氣吸濕過程的液氣比以及不同加熱類型對系統性能的影響。Zhang等[18]通過實驗研究了氣液間傳質過程，并擬合出總體積傳質系數關聯式。總結國內外學者研究成果可知，基于低溫干燥技術的熱泵系統能夠適用于藥材干燥領域。同時，干燥空氣參數、熱泵系統參數等均對熱泵干燥系統應用于藥材干燥過程中熱質傳遞效率產生較大影響。研究這些影響因素是探索提升干燥效率以及系統整體性能的重要方式，但現有的研究結論多針對常壓下干燥過程，不同環境壓力下多種影響因素對熱泵系統應用于藥材干燥過程的影響有待完善。

本文考慮到環境真空壓力對藥材干燥處理過程的影響，在低溫干燥的基礎上，采用熱泵真空低溫干燥技術對藥材進行干燥處理。選取熱泵冷凝溫度、熱泵系統能效、熱泵蒸發溫度、空氣入口風速、空氣入口溫度及環境真空壓力作為研究對象，對熱泵真空低溫干燥系統的內傳熱傳質性能進行研究，并對實驗數據回歸分析得出通用性強的干燥效率實驗模型。旨在降低藥材干燥處理過程中的能源消耗，提高干燥效率，實現能源的高效利用的同時最大程度地保持藥材貯藏品質。

1 熱泵真空低溫干燥系統理論分析

1.1 熱質傳遞耦合理論分析

環境壓力的降低在改變干燥過程熱質耦合傳遞驅動勢的同時，也改變了干燥過程的熱質傳遞耦合關系，對熱泵干燥系統性能有重要影響。

對于低溫干燥過程，空氣與藥材表面液膜間的對流換熱關系又可表述為：

空氣與液膜間的對流傳質關系又可表述為：

將式（1）、式（2）中導熱系數和對流換熱系數的數學關系，以及分子擴散率和對流傳質系數積分后可表述為式（3）、式（4）形式。

環境壓力的變化對邊界層流動狀態以及水蒸氣擴散速率有直接影響，但同時由于水蒸氣在空氣中的擴散速率對氣液間傳質系數影響超過邊界層增加的影響，因此環境壓力的降低削弱了藥材干燥過程氣液間顯熱傳熱能力的同時并未削弱氣液間的傳質能力，相反，環境壓力的降低促進了氣液間傳質能力的提升，強化氣液間熱質耦合傳遞過程。

1.2 熱泵系統理論分析

環境壓力的降低在強化了干燥過程熱質傳遞耦合的同時，對熱泵系統效能也發生影響。對于低溫干燥過程，熱泵系統能效（）可通過式（7）表示。

藥材干燥量相同時，環境壓力的下降強化了氣液間熱質傳遞耦合過程，導致藥材加熱過程所需熱量以及空氣析濕過程所需制冷量均呈減小趨勢。因此，當藥材干燥量不變時，熱泵系統能效隨環境壓力的減小而增加。

2 熱泵真空低溫干燥系統性能研究

熱泵真空低溫干燥系統由熱泵系統、空氣循環系統、干燥系統以及數據采集系統組成。實驗系統原理如圖1所示。

熱泵系統由變頻壓縮機、水冷冷凝器、風冷冷凝器、熱力膨脹閥、清水回收箱等組成。熱泵系統既為干燥系統提供熱量加熱藥材，并通過變頻壓縮機調節循環水溫度，又為該系統提供冷量，將循環空氣中的水蒸氣冷凝析出，得到達到排放標準的冷凝水。

干燥系統由水箱、過濾器、水循環泵、水冷冷凝器、藥材干燥箱等組成。藥材干燥箱作為藥材干燥的核心部件，為氣液間熱質交換過程提供了場所，同時系統可根據藥材干燥箱中所需熱量，通過調節閥控制水循環中循環水質量流量。水箱中的冷凝水在循環水泵的驅動下進入水冷冷凝器，進行熱交換加熱后流經藥材干燥箱內加熱盤管，加熱藥材，藥材內高溫水分與低溫干燥空氣直接接觸。以藥材表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差為驅動勢能驅使藥材中水分遷移至空氣，吸濕后的濕空氣流經清水回收箱時，與熱泵干燥箱進行熱交換，空氣中的水分被冷凝析出，析濕后的干空氣在循環風機的驅動下重新流入藥材干燥箱，如此反復多次，實現藥材低溫干燥。

循環空氣系統由變頻風機、真空泵、穩壓罐、電加熱等組成，系統通過變頻風機調節空氣入口流速，通過電加熱控制空氣入口溫度，并通過真空泵調節環境真空壓力，將吸濕后高溫、高濕空氣經冷凝后變為低溫干燥空氣供系統循環使用。實驗系統主要設備配置如表1所示。

圖1 實驗系統原理

表1 實驗系統主要設備參數

Tab.1 Main equipment parameters of the experimental system

3 實驗材料與方法

3.1 實驗方案

本文選取秦艽作為實驗材料，將秦艽根莖切斜厚片，根莖平均厚度為（2±0.2）cm，經鹵素水分測定儀（測量精度為0.1 mg）測量，新鮮秦艽根莖初始含水率為（80±1）%，裝載量為（100±0.1）kg。為探究藥材干燥過程中不同影響因素對系統性能的影響，在多種運行工況下對系統性能進行實驗分析，實驗參數設置如表2所示。

表2 實驗參數

Tab.2 Experimental parameters

將實驗藥材置于藥材干燥箱中，在不同工況下進行24 h干燥實驗。對同一組實驗將按照不同真空壓力進行，先進行真空壓力為0 kPa（即常壓）下的所有實驗，后面依次類推。測量干燥前后藥材含濕量、干燥箱進出口空氣溫度、流速、含濕量等關鍵參數，并進行數據處理，對實驗結果進行分析。

3.2 數據處理及誤差分析

熱泵真空低溫干燥系統性能可以通過干燥量、干燥效率、干燥及析濕過程傳質系數、傳熱系數進行評定。

藥材干燥量：

干燥效率：

傳質系數：

傳熱系數：

在本文研究中的測量結果需要相應的指標來確定測量結果準確度，通過重復實驗來判斷各輸入量的影響，因此其不確定度為A類[19-20]。對空氣側質量流量a，氣液間傳熱系數和傳質系數a,h、a,h，干燥量?a,h，干燥效率進行不確定度分析。

空氣側質量流量：

傳熱系數：

傳質系數：

干燥量：

干燥效率：

在真空壓力為0 kPa環境下，熱泵冷凝溫度為55 ℃，空氣入口溫度為16.0 ℃，體積流量為275 m3/h的工況下，進行多組熱泵系統藥材干燥性能實驗測試。將實驗結果代入式（11）～（17）進行誤差分析，計算結果如表3所示。

表3 實驗測量參數不確定度

Tab.3 Uncertainty of experimental measurement parameters

4 結果分析

4.1 真空壓力與熱泵冷凝溫度

圖2所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時，真空環境下熱泵冷凝溫度變化對熱泵干燥系統性能的影響。

由圖2a、c可知，干燥過程中，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率在低冷凝溫度范圍內呈現逐漸增加的趨勢，在高冷凝溫度范圍內增加趨勢逐漸變緩。隨著冷凝溫度的增加，干燥量逐漸增加，干燥效率逐漸減小，且干燥效率減小幅度隨著真空壓力的減小而增大。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.97 kg/h增至3.31 kg/h，最大干燥效率由17.6%增至34.11%。隨著冷凝溫度的增加，由真空壓力減小引起的干燥量增加幅度由93.27%減小至11.45%。

由圖2b、d可知，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質系數在低冷凝溫度內呈現逐漸增加的趨勢，在高冷凝溫度范圍呈現先增加后減小或逐漸減小的趨勢，傳熱系數均呈減小趨勢。隨著冷凝溫度的增加，傳質系數在高真空壓力范圍內呈現逐漸增加的趨勢，在低真空壓力范圍呈現先增加后減小的趨勢，傳熱系數均呈增加趨勢。

圖2的現象是由于相同冷凝溫度下，藥材表面水蒸氣分壓力不變，但隨著環境真空壓力的減小，液膜表面等效含濕量以及傳質驅動勢幅度增加，空氣密度減小，導致傳質速率的增加，空氣傳熱效率下降。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大傳熱系數由2.14 W/(m2·℃)降至1.65 W/(m2·℃)。同時由式（11）可知，隨著傳質速率的增加，藥材干燥量呈增大趨勢，導致由于換熱溫差的增大對空氣側傳熱的強化效果減小，間接降低了空氣側換熱效率。

圖2 真空環境下熱泵冷凝溫度對熱泵干燥系統性能的影響

4.2 真空壓力與熱泵蒸發溫度

圖3所示為空氣體積流量為275 m3/h時，真空環境下熱泵蒸發溫度變化對熱泵干燥系統性能的影響。

圖3 真空環境下熱泵蒸發溫度對熱泵干燥系統性能的影響

由圖3可知，空氣去濕過程中，傳熱系數隨著真空壓力的減小而下降，隨著蒸發溫度增加而增大。傳質系數隨真空壓力的減小以及蒸發溫度的增加而增大。當真空壓力從0 kPa減小至?40kPa時，傳熱系數降低了約23.35%，傳質系數增大了約22.92%。這是由于蒸發溫度變化對參與傳熱的氣體分子活躍程度有影響，濕空氣中水蒸氣分子擴散率隨著蒸發溫度的增加而增加，隨著真空壓力的減小，分子擴散率進一步增大，分子碰撞減小對傳熱弱化更加明顯，傳熱系數逐漸減小，傳質系數增大趨勢更加明顯。

4.3 真空壓力與空氣入口流速

圖4為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃、空氣入口溫度為16.0 ℃時，真空環境下空氣入口流速變化對熱泵干燥系統性能的影響。

由圖4a、c可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，干燥量增加趨勢逐漸變緩，干燥效率先逐漸增加后基本保持不變。隨著空氣入口流速的增加，干燥量和干燥效率呈相反的趨勢，干燥量逐漸增大，而干燥效率逐漸減小。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.65 kg/h增至3.47 kg/h，最大干燥效率由24.48%增加至39.03%，且當真空壓力分別從0 kPa減小至?15 kPa以及從?15 kPa減小至?40 kPa時，干燥量和干燥效率的平均增加幅度分別為19.79%、17.30%以及5.96%、7.48%。

由圖4b、d可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，傳質系數呈現先增加后減小的趨勢，傳熱系數呈減小的趨勢。隨著空氣入口流速的增加，傳質系數和傳熱系數均呈現逐漸增加的趨勢。當空氣入口流速由0.8 m/s增至1.6 m/s時，最大傳質系數由2.65 g/(m2·s)增至3.68 g/(m2·s)，最大傳熱系數由2.13 W/(m2·℃)增至2.77 W/(m2·℃)。

圖4 真空環境下空氣入口風速對熱泵干燥系統性能的影響

圖4的現象是由于在同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣容納水蒸氣能力、水蒸氣在空氣中的擴散速率以及氣液間傳質勢差協同增加導致了空氣側傳質速率的增加。同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣密度變得稀薄后，氣體分子間距離變大，氣體分子間相互碰撞概率降低。由于相互碰撞傳遞的熱量減少，空氣側顯熱換熱效率降低。

4.4 真空壓力與空氣入口溫度

圖5所示為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃，空氣入口體積流量為275 m3/h時，真空環境下空氣入口溫度變化對熱泵干燥系統性能的影響。

由圖5a、c可知，干燥過程中，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率增加趨勢逐漸平緩，且增加幅度隨著空氣入口溫度的增大而增加。隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率均呈現先逐漸增加后基本不變的趨勢，且隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率隨真空壓力增加幅度逐漸增加。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.36 kg/h增至3.96 kg/h，最大干燥效率由28.88%增加至44.19%。

由圖5b、d可知，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質系數在低空氣入口溫度范圍內逐漸減小，在高空氣入口溫度范圍內先增加后減小。傳熱系數呈逐漸減小的趨勢。隨著空氣入口溫度的增加，傳質系數在高真空壓力范圍內呈現先增加后平穩的趨勢，在低真空壓力范圍內呈現逐漸增加的趨勢。傳熱系數呈逐漸減小的趨勢。

圖5的現象是由于在空氣入口溫度較低時，相同空氣含濕量下，空氣入口相對濕度更高，空氣中水蒸氣分壓力更高，導致空氣吸濕水分能力有限，真空壓力的減小對氣液間傳質勢差的強化效果得不到體現。但隨著空氣入口溫度的升高，相同空氣含濕量下，空氣相對濕度降低，空氣中水蒸氣分壓力下降，空氣吸濕能力增強。同時，隨著真空壓力的降低，會導致空氣分子量的減少，從而削弱空氣吸濕能力，且影響效果隨真空壓力的降低而增大，因此當真空壓力降低到一定值時，繼續降低真空壓力傳質系數又會出現逐漸減小的趨勢。

4.5 真空壓力與熱泵系統能效

圖6所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時，真空壓力變化對熱泵干燥系統性能的影響。

由圖6可知，干燥過程中，相同藥材干燥量下，隨著真空壓力的減小，熱泵系統能效呈減增大趨勢。隨著干燥量的增加，熱泵系統能效逐漸減小的趨勢。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，熱泵系統最大能效由5.66增至6.08。當干燥量從1.25 kg/h增加至2.5 kg/h時，熱泵系統最大能效下降了14.14%。分析原因可知，圖11的現象是由于相同干燥量下，隨著真空壓力的減小，氣液間傳質勢得到增強，干燥藥材所需熱量及空氣去濕所需冷量減小，因此熱泵系統能效增加。相同真空壓力下，隨著干燥量增加，熱泵系統需通過提高冷凝溫度以提高藥材中水分與干燥空氣間傳質勢。同時，干燥箱出口空氣溫度及含濕量隨之增大，需通過減小蒸發溫度提高濕空氣與換熱器間的換熱溫差，提高氣液間傳質勢，因此熱泵系統能效下降。

圖5 真空環境下空氣入口溫度對熱泵干燥系統性能的影響

圖6 真空壓力對熱泵系統能效的影響

4.6 熱泵真空低溫干燥效率模型

式中：0為修正系數，指數1～8分別為各影響因素的影響因子。因常壓工況是真空工況下的一個特殊工況，因此在對干燥效率進行擬合時，將常壓工況數據并入真空工況。將通過對實驗數據的多元線性回歸分析，即可得到干燥效率模型中各影響因子數值大小。

通過真空環境下的實驗數據對式（18）進行多元線性回歸，參數0～8的值為分別為?8.000、0.275、?0.138、2.160、?1.259、0.054、?0.559、?0.173、?1.056，干燥效率模型具體形式如式（23）所示。

干燥效率的實驗值與回歸計算值兩者之間的平均絕對值偏差值（Average Absolutedeviation，d）為：

圖7為實驗模型計算值和實驗值的偏差情況。經計算干燥效率的平均絕對偏差為9.18%，最大絕對偏差為20.08%，在±15%偏差范圍內涵蓋了95.27%的數據點，在±20%偏差范圍內涵蓋了98.90%的數據點。

5 結語

對面向藥材貯藏的熱泵低溫真空干燥系統進行了實驗研究，研究主要獲得以下結論：

1）在真空環境下，通過熱泵低溫真空干燥系統對藥材進行干燥處理，能夠顯著提高藥材干燥量、干燥效率以及熱泵系統能效。

2）循環空氣的流速及溫度的增加，有利于提高藥材干燥過程的干燥量，通過增大空氣流速保持不同真空壓力下空氣流動雷諾數一致可以彌補因真空環境壓力降低導致的干燥過程傳熱系數減小的問題，并增大干燥過程的傳質系數。

3）本文所建立的藥材干燥效率模型預測精度較高，平均絕對偏差為9.18%，在±15%偏差范圍內涵蓋了95.27%的數據點，在±20%偏差范圍內涵蓋了98.90%的數據點。

研究結果表明，熱泵低溫真空干燥系統針對藥材貯藏前的干燥處理效果較好，在低能耗工況下能夠有效提高藥材干燥處理效率。保證了藥材品質，減少了環境污染，有利于藥材的高品質貯藏，并為面向藥材貯藏的熱泵干燥系統設計提供了一定的理論依據。

[1] KOMONSING N, KHUWIJITJARU P, NAGLE M, et al. Effect of Drying Temperature Together with Light on Drying Characteristics and Bioactive Compounds in Turmeric Slice[J]. Journal of Food Engineering, 2021, 317(6): 110695.

[2] HOPPE T, VAN BUEREN E. Guest Editorial: Governing the Challenges of Climate Change and Energy Transition in Cities[J]. Energy, Sustainability and Society, 2015, 5(1): 19.

[3] 張鵬, 吳小華, 張振濤, 等. 熱泵干燥技術及其在農特產品中的應用展望[J]. 制冷與空調, 2019, 19(7): 65-71.

ZHANG P, WU X H, ZHANG Z T, et al. Heat Pump Drying Technology and Its Application Prospects in Agricultural Special Products[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2019, 19(7): 65-71.

[4] 趙宗彬, 朱斌祥, 李金榮, 等. 空氣源熱泵干燥技術的研究現狀與發展展望[J]. 流體機械, 2015, 43(6): 76-81.

ZHAO Z B, ZHU B X, LI J R, et al. Research Status and Prospect of Air Source Heat Pump Drying Technology[J]. Fluid Machinery, 2015, 43(6): 76-81.

[5] 羅超. 我國低碳經濟的發展和政策措施[D]. 大連: 東北財經大學, 2013.

LUO C. The Strategy of China's Low-Carbon Economic Development[D]. Dalian: Dongbei Dongbei University of Finance and Economics, 2013.

[6] COMAKLI K, SIMSEK F, COMAKLI O, et al. Determination of Optimum Working Conditions R22 and R404A Refrigerant Mixtures in Heat-Pumps Using Taguchi Method[J]. Applied Energy, 2009, 86(11): 2451-2458.

[7] 喻穎睿, 魏娟, 李偉釗, 等. 制藥行業干燥過程廢氣零排放熱泵系統性能實驗研究[J]. 制冷學報, 2023, 44(1): 43-49.

YU Y R, WEI J, LI W Z, et al. Experiment on Performance of Zero-emission Heat Pump System for Drying Process in Pharmaceutical Industry[J]. Journal of Refrigeration, 2023, 44(1): 43-49.

[8] THIRUMALAI VENKATARAMAN R, SRITHAR K. An Investigation into a Laboratory Scale Bubble Column Humidification Dehumidification Desalination System Powered by Biomass Energy[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 139: 232-244.

[9] 張潤霞, 王贊社, 孟祥兆, 等. 溶液除濕中基于水蒸氣壓差的傳質系數[J]. 化工學報, 2015, 66(12): 4774-4779.

ZHANG R X, WANG Z S, MENG X Z, et al. Mass Transfer Coefficient for Liquid Dehumidification Based on Vapor Pressure Difference[J]. CIESC Journal, 2015, 66(12): 4774-4779.

[10] THAM T C, NG M X, GAN S H, et al. Impacts of Different Drying Strategies on Dryingcharacteristics, the Retention of Bio-Active Ingre Dient and Colour Changes of Dried RosellE[J]. Chinesejournal of Chemical Engineering, 2018, 26(2): 303-316.

[11] LIU S C, LI X Q, SONG M J, et al. Experimental Investigation on Drying Performance of an Existed Enclosed Fixed Frequency Air Source Heat Pump Drying System[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 130: 735-744.

[12] 王天皓, 張振濤, 楊俊玲, 等. 多級熱泵串聯干燥系統性能模擬[J]. 制冷技術, 2020, 40(4): 15-21.

WANG T H, ZHANG Z T, YANG J L, et al. Performance Simulation on Multi-Stage Series Heat Pump Drying System[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2020, 40(4): 15-21.

[13] GAN S, ONG S P, CHIN N, et al. A Comparative Quality Study and Energy Saving on Intermittent Heat Pump Drying of Malaysian Edible Birds Nest[J]. Drying Technology, 2016, 35(1): 4-14

[14] 張忠進, 玄哲浩, 王國華. 熱泵干燥裝置的性能試驗[J]. 農業機械學報, 2006, 37(8): 140-143.

ZHANG Z J, XUAN Z H, WANG G H. Experimental Study on Performances of Heat Pump Dryer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(8): 140-143.

[15] YILDIRIM C, SOLMAZ I. A Parametric Study on a Humidification-Dehumidification (HDH) Desalination Unit Powered by Solar Air and Water Heaters[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 86: 568-575.

[16] MISTRY K, MITSOS A, LIENHARD J. Optimal Operating Conditions and Configurations for Humidification-Dehumidification Desalination Cycles[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(5): 779-789.

[17] ZUBAIR S, ANTAR M, ELMUTASIM S, et al. Performance Evaluation of Humidification-Dehumidification (HDH) Desalination Systems with and without Heat Recovery Options: An Experimental and Theoretical Investigation[J]. Desalination, 2018, 436: 161-175.

[18] ZHANG J W, LIU J H, ZHANG L, et al. Air-Side Heat Transfercharacteristics under Wet Conditions at Lower Ambient Pressure of Fin-And-Tube Heatexchanger[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 142: 118439.

[19] KIRKUP L, FRENKEL R B. An Introduction to Uncertainty in Measurement Using the GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)[M]. Cambridge, UK; New York: Cambridge University Press, 2006

[20] LIRA I. Evaluation the Measurement Uncertainty Fundamental and PracticalGuidance[J]. Metrologia, 2003, 40(4): 207.

Experimental Research on Heat Pump Drying System for Medicinal Herbs Storage

WANG Zelin1, ZHANG Liang1*, XU Xiaofeng2, WU Qingqing2

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Haili Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Aiming to solve the problems of low efficiency, easy deterioration, high energy consumption and unfavorable conditions for high-quality storage in the drying process of medicinal herbs, it is crucial to optimize the drying method. By vacuum low-temperature evaporation drying technology, a heat pump drying system was designed with a vacuum drying chamber as the mass transfer system to conduct low-temperature drying. The system was composed of equipment such as a vacuum low-temperature drying system driven by a heat pump compressor, a vacuum pump and a variable-frequency fan. The performance of the system was studied through experiments, and the effects of heat pump condensation temperature, air inlet velocity, and air inlet temperature on the drying performance of the system were analyzed. Under experimental conditions with environmental vacuum ranging from ?40 to 0 kPa, the maximum values of drying capacity, drying efficiency, mass transfer coefficient, and heat transfer coefficient for the heat pump vacuum low-temperature drying system were 3.96 kg/h, 44.19%, 3.75 g/(m2·s), and 3.25 W/(m2·℃) respectively. The maximum values of mass transfer coefficient and heat transfer coefficient in the dehumidification process were 44.51 g/(m2·s) and 36.03 W/(m2·℃) respectively. The maximum coefficient of performance (COP) for the heat pump system was 6.08. Regression analysis was conducted on the experimental data to obtain the correlation equation for the drying efficiency in the heat pump vacuum low-temperature drying system. The maximum deviation between the calculated values and experimental values was within ±21%, and the average deviation was 9.18%, indicating a good predictive performance. Compared with the heat pump low-temperature drying technology at normal pressure, the heat pump drying system based on vacuum low-temperature drying technology effectively improves the efficiency of herb drying and reduces energy consumption in the herb drying process, ensuring the high-quality storage of medicinal herbs.

heat pump; medicinal herbs storage; low-temperature evaporation; medicinal herbs drying; vacuum environment; heat and mass transfer

TB486；TK173

A

1001-3563(2024)01-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.001

2023-10-09

上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室（13DZ2260900）