热泵干燥（精选7篇）
热泵干燥 篇1
太阳能是清洁环保的可再生能源。我国地域广阔, 约有2/3的面积年辐射时间超过了2200h, 总辐射量达到5000MJ/m2。
干燥广泛地应用于各个领域, 据统计, 发达国家约有10%的燃料用于干燥[1]。由于传统能源对大气环境的污染, , 新型清洁能源已经成为各个国家关注的重点, 太阳能热泵干燥是在热泵干燥的技术上用太阳能取代电能, 是一种节能环保的新型干燥方式。
1 热泵干燥的结构和原理
热泵干燥由热泵系统和干燥系统两部分组成[2]。图1所示为热泵干燥原理图。热泵部分是由蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机组成。干燥系统是由干燥室、风机组成。制冷剂在蒸发器中吸收热量气化后进入压缩机, 经压缩机压缩升温升压, 后进入冷凝器冷凝放热。空气流经蒸发器侧析出水分除湿后, 流经冷凝器吸收热量升温后进入干燥室对物料进行干燥。
干燥装置一般分为三种: (1) 开式干燥器。开式干燥器从干燥室干燥物料后直接排放到大气中, 这种系统的缺点是从干燥室出来空气含有的余热被排放到大气中造成了浪费。 (2) 闭式干燥器。从干燥室干燥物料后出来的空气不排放到大气中, 而是循环使用。 (3) 半开半闭式干燥器。从干燥室出来的空气一部分被排放到大气中, 一部分留下来循环使用。这种系统的缺点是容易受到外界环境的影响。
2 太阳能热泵干燥的结构和原理
太阳能热泵原理如图2所示, 就是在图1的蒸发器处加上一个太阳能集热器。太阳能热泵分为直接膨胀式和非直接膨胀式[3,4]。文献[5]对太阳能热泵进行实验研究, 实验结果要比实际的COP值高, 这是因为太阳能热泵受气候、地域、温度、昼夜、纬度等影响较大。太阳能是清洁可再生能源, 太阳能热泵干燥是热泵干燥发展的一主要趋势。
3 太阳能热泵和其它类型的热泵的耦合
太阳能热泵和其它类型的热泵也有一些耦合应用, 不如太阳能-地热能耦合热泵, 太阳能-废热耦合热泵, 太阳能——炉火余热耦合热泵等。太阳能-炉火余热耦合热泵蒸发器的吸热热源来自两方面, 一个是太阳能平板集热器, 另外一个是炉火。夏季, 农村使用的传统燃料较少, 而且太阳能强度较好, 使用太阳能集热器作为蒸发器的吸热源;冬季, 农村使用的传统燃料较多, 而太阳能强度较弱, 可使用炉火作为蒸发器的热源。
1.集热器2.集热器风机3.主风机4.干燥室5.干燥物料6.排风机7.余热回收风机8.蒸发器9.压缩机10.节流阀11.冷凝器12.隔板
4 结论
太阳能是一种低成本、无污染的环保能源, 太阳能热泵干燥充分利用太阳能的能量, 有利于节约电能, 在当今能源和污染已成为世界的两大问题时, 太阳能热泵干燥具有广阔的发展前景。
摘要：自然干燥受环境的影响较大, 太阳能热泵干燥利用可再生能源-太阳能既环保又节能, 在干燥行业具有巨大的发展潜力。
关键词：太阳能,热泵干燥,耦合
参考文献
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[5]Georgive.A.Testing solar collectors as an energy source for a heat pump[J].RenewableEne-rgy, 2008, (33) :832-838.
太阳能耦合热泵干燥技术 篇2
随着世界能源的不断减少和环境的日趋恶化, 热泵干燥因其具有节能环保、耗电量较少、污染环境少, 而广泛应用于干燥行业。太阳能无污染的特点与热泵系统的耦合, 普通的热泵系统加上太阳能辅助加热技术的联合干燥方式, 能够降低干燥过程的电能消耗。太阳能-热泵联合干燥系统的优化设计意义深远[1]。
1 热泵干燥系统
热泵干燥系统包含热泵系统和干燥系统, 热泵系统是由蒸发器、压缩机、节流阀、冷凝器等部件组成的封闭回路。热泵系统内的制冷工质, 在蒸发器中吸收来自干燥过程所排放废气的热量后, 废气中的大部分水蒸气在蒸发器侧被析出直接排掉, 制冷工质由液体蒸发为饱和蒸汽, 后经压缩机压缩升温升压后进入冷凝器中, 在高压的制冷工质冷凝放热, 放出谔谔冷凝热量加热来自蒸发器的低温干空气, 低温干空气加热到要求的温度后进入到干燥室内, 用以干燥物料并循环使用;降温降压并液化后的制冷工质经节流阀再次回到蒸发器内, 如此封闭循环从而达到除湿干燥的目的[2]。
2 太阳能-热泵干燥干燥系统
1.太阳能集热器2.集热器风机3.主风机4.干燥室5.干燥物料6.排风机7.余热回收风机8.热泵蒸发器9.热泵压缩机10.热泵节流阀11.热泵冷凝器12.隔板
如图1所示, 太阳能-热泵联合干燥装置系统主要由三大部分组成:热泵加热、太阳能和除湿部分Ⅰ、风机和风道部分Ⅱ, 干燥部分Ⅲ。
太阳能-热泵联合干燥系统的工作流程如下:室外空气经太阳能、热泵联合加热与除湿后, 被处理后的热、干空气经集热器风机与风道部分Ⅱ送入干燥作业部分Ⅲ, 对物料进行干燥处理。干燥后的空气升温升湿后通过余热回收风机和通道回收至蒸发器侧进行余热回收。该设计的联合干燥系统具有以下特征: (1) 根据当地地区气候特征设计太阳能集热器, 提高集热器的集热与蓄热能力; (2) 热泵冷凝器与蒸发器之间安装了可拆除的隔板, 根据干燥模式的不同需求控制蒸发器与冷凝器之间的关闭和连通; (3) 集热器通道与热泵通道并行连接, 可根据外部环境的改变二改变系统的运行模式; (4) 干燥室内设排风机与余热回收通道, 温度较高而湿度较大的空气通过余热回收通道回收[3,4]。
3 太阳能-热泵联合干燥的优点
太阳能-热泵联合干燥主要用于谷物、果蔬、木材、药材等产品的干燥。太阳能热泵联合干燥系统优点很多, 主要具有以下几个方面: (1) 太阳能热泵联合干燥可以提高干燥的质量, 因为热泵干燥可以控制产品的含水率, 从而可以避免自然干燥中虫子、雨水, 灰尘等的危害和污染; (2) 太阳能热泵联合干燥可以缩短干燥的时间和节省场地, 如果采用自然干燥需要把产品铺开, 这样会占用很大的空间还需要干燥较长的时间, 而采用太阳能热泵联合干燥只需要把产品放入干燥室, 这样就节省了大量的场地; (3) 太阳能热泵联合干燥可以减少果蔬或谷物的腐烂, 由于果蔬或谷物含水量较高, 如不及时干燥就会腐烂, 而采用自然干燥受天气影响较大, 干燥时间长农产品的腐烂几率也会增大; (4) 有很多农产品干燥需要燃烧常规燃料, 如果采用太阳能热泵联合干燥可以更加节省燃料, 更加节能和环保[5,6]。
太阳能-热泵联合干燥系统也存在一些缺点:首先, 和自然干燥相比太阳能热泵;联合干燥需要消耗部分电能;其次, 太阳能热泵联合干燥对室外气象依赖较大, 而且, 太阳能热泵干燥系统的初期投资比较大。
摘要：太阳能耦合热泵干燥的联合干燥系统, 可以极大地降低干燥过程的电能消耗, 采用太阳能热泵干燥更加节能和环保。
关键词：太阳能,热泵干燥
参考文献
[1]旷玉晖, 王如竹.太阳能热泵[J].太阳能, 2002 (2) :20-24.
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热泵型谷物干燥机技术概述 篇3
热泵型谷物干燥机是由热泵型干燥热风机 (以下简称“热泵热风机”) 和谷物烘干塔二部分组成。实现了粮食烘干不需要燃烧燃料, 不烧火也能烘干粮食。克服了常规干燥机必须燃烧燃料, 不仅污染粮食也污染环境的问题。
热泵热风机目前采用的是最先进的空气源热泵技术, 多模块组合, 自动适应新风温度的变化, 实现了持续从一股自然空气中吸收热量, 再持续加热另一股被干燥机吸走的要加热粮食的空气, 而且热空气温度可以持续达到55℃~60℃。整个热泵热风机工作时都只是制冷系统在选择性地工作, 保证热风温度达到要求。也实现了“0”排放和低能耗。
热泵型谷物干燥机集使用经济性、环保性、安全性于一体。烘干过程无污染、零排放。其操作简单, 安全可靠, 适用性很强, 使用寿命长。
与传统的烘干机相比, 热泵型谷物干燥机具有以下明显优势:
1.安全无忧
不用燃料、不燃烧;用电不烧电;无明火, 不易产生火灾, 更安全。
2.省工省力
烘干自动完成, 过程全程保护, 完成自动停机;一键操作, 操作简便。
3.粮食更优
真正低温烘干;精确水分控制;粮食没有外加有害残留物;粮食品质更优。
4.高效节能
空气能技术移植应用, 消耗1倍的电能产出约4倍以上的热能, 比燃油烘干省80%以上、比燃煤烘干省60%以上。
5.绿色环保
利用热泵技术、实现零排放;对大气无污染、对土壤和水源无污染, 对PM2.5贡献率为零。
6.适应性强
可适应环境温度为-5℃~40℃;可适应灰分多的条件下工作。
7.一机多用
热泵主机可在烘干时产生冷气, 冷气可以再利用。
8.技术创新
(1) 独创开放式热泵加热技术, 从自然风到热风一次加热到位、连续供热风。
(2) 独创根据自然风温自动匹配制冷系统工作台数, 保证风温达到设定值。
(3) 独创吸尘技术, 使热泵能在浮灰多的环境中工作。
(4) 独创低温工作时制冷系统化霜技术, 使得化霜时不会对粮食加湿。
(5) 12项发明专利和9项实用新型专利。拥有完整的知识产权。
腌干鱼制品热泵干燥工艺参数优化 篇4
为了腌干鱼类制品的大规模机械化生产,还需对其热泵干燥工艺进一步优化。该研究以腌鱼为原料,针对腌鱼的热泵干燥过程及其工艺进行了较为深入的研究,为腌干鱼类热泵干燥加工工艺的改进提供有力的科学依据。
1 材料与方法
1. 1 材料与仪器
冰鲜三牙鱼( Otolithes ruber) 购于广东省台山市广海镇李贵记水产品加工厂。热泵干燥机( 河南绿叶能源科技有限公司出品) ; 电子天平( GB204,德国Mettler公司出品) ; 卤素水分测定仪 ( HG53,德国Mettler公司出品) ; 色差仪 ( DC-P3,北京市兴光测试仪器公司出品) 。
1. 2 试验方法
1. 2. 1腌干鱼制备方法制备流程为原料→解冻→三去→淹渍→清洗→干制→成品。操作要点为选择符合鲜度要求的冰鲜三牙鱼为原料,去鳞、内脏,清洗干净,摆放在腌制池内采用混合腌制法进行腌制,加盐量为鲜鱼质量的20% ~ 25% 。腌制2 d后将腌鱼用清水冲洗,去除表面的污渍和盐分,然后将鱼摆放在晒网上晾干表面水分,再将腌鱼放在热泵干燥机中干燥至鱼肉含水率30% 左右。
1. 2. 2色差测定采用DC-P3型全自动色差计测定腌干鱼类制品的色差。采用C/2光源,10 mm的测色光斑直径, 用标准陶瓷白板作为标准样。采用国际照明协会CIE的L* a*b*均匀色空间表色系统,L*表示亮度,其值的变化范围为从0到100,0表示黑色,100表示白色。a*表示从绿色到红色的值,80为绿色,100为红色。b*表示从蓝色到黄色的值,80为蓝色,100为黄色[19,20]。每个样从不同的角度分别读数,测3次,取3次读数的平均值。并根据测得的L*、a*值和b*值,计算色差ΔE的值公式如下: ΔE = [( ΔL*)2+ ( Δa*)2+ ( Δb*)2]1 /2。
1. 2. 3感官评定选10位有食品感官品尝经验的人员组成感官评价小组,对不同干燥条件下干燥的腌干鱼进行外观、气味、咬劲和回味四方面的感官评定,按照感官评分的细则进行打分,打分采用百分制,取10组评分的平均值。在进行评分时,评分员之间不能相互交谈,单独进行,避免相互之间的干扰[21]。每次品尝之后都用蒸馏水漱口,避免多次品尝后影响感官判断。感官评价标准见表1。
1. 2. 4不同干燥温度下腌鱼色差测定和感官评定将腌制好的鱼放在环境湿度为30% ,风速为1. 5 m·s- 1的条件下,将环境温度分别设定为20℃、30℃、40℃和50℃干燥24 h。干燥过程中每隔2 h记录一次样品的质量,再对不同干燥条件下的腌干鱼进行色差测定和感官评定。
1. 2. 5不同环境湿度下腌鱼色差测定和感官评定将腌制好的鱼放在环境温度为25℃ ,风速为1. 5 m·s- 1的条件下,将湿度设分别定为20% 、30% 、40% 和50% ,干燥至鱼肉含水率为30% 时停止干燥,干燥过程中每隔2 h记录一次没样品的质量,再对不同干燥条件下的腌干鱼进行色差测定和感官评定。
1. 2. 6不同干燥风速下腌鱼色差测定和感官评定将腌制好的鱼放在环境温度为25℃ ,环境湿度为30% ,将环境风速分别设定为1. 0 m·s- 1、1. 5 m·s- 1和2. 0 m·s- 1的条件下,至含水率为30% 时停止干燥,干燥过程中每隔2 h记录一次没样品的质量,再对不同干燥条件下的腌干鱼进行色差测定和感官评定。
1. 2. 7热泵干燥工艺的优化依据上述单因素试验的结果,确定各因素水平范围,以感官评分和色差为试验双指标。取环境温度、湿度和风速作为考察因素,对试验进行3因素3水平的L934正交组合设计,从而分析这3个因素与感官指标和色差之间的关系。各个试验因素的水平见表2。
1. 2. 8过氧化值的测定精确称取1. 00 g的热泵干燥和传统干燥的腌干鱼样,测定方法参阅GBT 5538-2005。每个样品做3个平行。
1. 2. 9干基含水率的测定称取3 ~ 10 g的样品,放入105℃的电热干燥箱中干燥3 h,直至达到恒质量后通过称量样品干燥前质量G和干燥后质量Gg( 前后2次称质量不超过0. 01 g) ,计算其干基含水率M,即M( % ) = 100× ( G - Gg) /Gg。
1. 2. 10 数据分析数据处理采用 SPSS 19. 0 统计软件和 Origin 8. 0 软件。
2 结果与讨论
2. 1 不同条件下的干燥曲线变化
2. 1. 1不同温度条件下腌干鱼含水率的变化在30% 的相对湿度和1. 5 m·s- 1的风速条件下,腌干鱼在不同温度下干燥过程中干基含水率呈现逐渐下降的变化规律( 图1 a) 。干燥温度分别为20℃、30℃、40℃和50℃时腌干鱼干基含水率随干燥时间的增加而降低。在30% 的相对湿度和1. 5 m·s- 1的风速条件下,不同干燥温度下腌干鱼的干基含水率变化相差较大。在同一干燥时间下,随着干燥温度升高,含水率逐渐减小。在不同温度条件下,达到含水率1. 00 g·g- 1所需的时间先后顺序依次是40℃、50℃、30℃和20℃。超过一定的温度,干燥到一定的含水率所需要的时间就会相应的延长一些。这主要是因为温度过高导致鱼体表面干燥过快,引起鱼体表面硬化,阻碍了内部水分的扩散,50℃温度过高引起表面硬化降低了水分的扩散,使得失水速率低于40℃条件下失水速率。在一定的温度范围内,温度越高达到一定含水率所需时间就相应较少。而超过一定温度,干燥到一定含水率所需要的时间就会相应延长一些。干燥温度为20℃、30℃、40℃和50℃时干燥11 h后腌干鱼 的含水率 分别为1. 01 g·g- 1、0. 92 g·g- 1、0. 82 g·g- 1和0. 86 g·g- 1( d. b. ,干基含水率) 。通过以上分析,在30% 的相对湿度和1. 5 m·s- 1的风速条件下,在选定的温度40℃条件下腌干鱼含水率降低的最多。
2. 1. 2不同湿度条件下腌干鱼含水率的变化30℃和1. 5 m·s- 1的风速条件下腌鱼在不同的湿度干燥过程中干基含水率呈现逐渐下降的的变化规律( 图1 - b) 。干燥湿度分别为20% 、30% 、40% 和50% 时,腌干鱼干基含水率随干燥时间的增加而降低。在不同的干燥湿度下,对腌干鱼的含水率进行单因素方差分析,可知,所选定的不同湿度干燥条件下腌干鱼含水率的变化相差显著。在同一干燥时间下,随着相对湿度降低鱼肉含水率逐渐减少。在相对湿度为40% 干燥条件得到的腌干鱼的含水率明显高于30% 而低于50% 条件下的含水率。通过以上分析,在30% 的相对湿度和1. 5 m·s- 1的风速条件下,在选定的湿度在30% 条件下腌干鱼含水率降低的最多。
2. 1. 3不同风速条件下腌干鱼含水率的变化不同风速对干燥过程的影响不同,干燥曲线是连续、光滑的,呈逐渐下降趋势,腌鱼中所含水分在逐渐减少( 图1 - c) 。随着时间延长,腌鱼体内的水分逐渐减少,不同风速对腌鱼的干燥速率影响很大。一定范围内,风速越高干燥越快。10 h以前在同一干燥时间段,风速不同干燥到相同的含水率所用时间也不同。风速越大,达到相同干燥程度所需的时间越少。10 h以后随着干燥过程中水分减少,降低相同干基含水率所需时间越来越长,干燥速率也逐渐变小。在此阶段,还能看到风速1. 5 m·s- 1时的干燥速率小于风速1. 0 m·s- 1时的干燥速率。出现这种现象的原因与鱼体表面硬化有关。鱼体表面硬化使水分输出的通道堵塞,造成失水速度减慢。因此,干燥时应注意风速不宜过高,以避免鱼体表面水分过快蒸发掉,导致出现表面硬化现象,阻碍内部水分向干燥空气蒸发,从而影响腌干制品的品质。
用SPSS 19. 0软件按影响因素对试验结果进行t检验, 所选取的风速梯度对腌制鱼样热泵干燥效果的影响显著( 表3) 。通过对t绝对值的比较发现,在95% 的置信区间里, 用风速1. 0 m·s- 1和1. 5 m·s- 1以及风速1. 5 m·s- 1和2. 0 m·s- 1热泵干燥过程中同一时间含水率差异明显。通过以上分析,在30% 的相对湿度和30℃条件下,在选定的风速2. 0 m·s- 1的条件下腌干鱼含水率降低的最多。
2. 2 不同干燥条件对腌干鱼的色差影响
2. 2. 1干燥温度对腌干鱼色差的影响干燥风速为1. 5 m·s- 1和湿度为30% 的条件下,干燥温度为50℃时腌鱼的ΔE要显著高于温度为20℃、30℃和40℃时的ΔE( P < 0. 05) ( 图2 - a) 。腌鱼的ΔE随着温度的上升而增加。30℃和20℃下的色差比较接近,40℃下的色差要略高于30℃。经过单因素方差分析可知,干燥温度对色差的影响极显著,选择适当的干燥温度可以降低干燥样品的色泽变化, 有助于提高腌干鱼的外观品质。基于以上的单因素分析, 选择30℃作为优化工艺的温度条件。
2. 2. 2湿度对腌干鱼色差的影响干燥风速为1. 5 m·s- 1和干燥温度为30℃的条件下,对于ΔE,干燥湿度为50% 时腌鱼的ΔE要显著高于湿度为20% 、30% 和40% ( P < 0. 05) 。腌鱼的ΔE随着湿度的增加呈现先降低后增加的趋势( 图2 - b) 。在所选定湿度条件下,30% 时腌干鱼与鲜鱼色差比较接近。经过单因素方差分析可知,干燥湿度对色差的影响显著,选择适当的干燥环境湿度可以降低干燥样品的色泽变化,有助于提高腌干鱼的外观品质。在后续的试验过程中选用30% 的相对湿度作进一步工艺优化。
2. 2. 3干燥风速对腌干鱼色差的影响对于ΔE, 干燥温度为30℃和干燥湿度为30% 的条件下,干燥风速为50% 时腌鱼的ΔE要显著高于干燥风速为1. 5 m·s- 1 条件下的ΔE ( P < 0. 05) ( 图2 - c) 。1. 5 m·s- 1的干燥速率条件下腌干 鱼与鲜鱼 色差比较 接近,色泽变化 比较小。经过单因素方差分析可知,干燥风速对色差的影响极显著,选择适当的干燥环境湿度可以降低干燥样品的色泽变化,有助于提高腌干鱼的外观品质。风速对腌干鱼的水分含量变化有影响,而水分含量对于制品的色泽有一定的影响。王丽丽等[22]曾对鱿鱼中水分含量对色泽的变化进行了研究,发现水分含量对其感官品质有一定的影响。在后续的优化试验过程中选用1. 5 m·s- 1的干燥风速作进一步的优化试验。
2. 3 不同干燥条件对腌干鱼感官品质的影响
2. 3. 1干燥温度对腌干鱼感官品质的影响不同干燥温度下得到的腌干鱼的感官评分也不相同( 图3 - a) 。感官评分随着干燥温度的升高先增大后减小。在所选定的干燥温度条件下,30℃获得的腌干鱼的评分最高。经过单因素方差分析可知,不同的干燥温度对于腌干鱼的感官品质的影响极显著。30℃下的感官评分明显高于其他几组,该组鱼样干燥效果相对其他几组较好。选择30℃作为下一步感官品质的工艺优化条件。
注: P < 0. 05 表示显著; P < 0. 01 表示极显著 Note: P < 0. 05 indicates significant difference; P < 0. 01 indicates very significant difference.
2. 3. 2湿度对腌干鱼感官品质的影响不同干燥环境湿度下得到的腌干鱼的感官评分也不相同( 图3 - b) 。感官评分随着干燥相对湿度的升高先增大后减小。在所选定的干燥湿度条件下,30% 获得的腌干鱼的评分最高。经过单因素方差分析可知,不同的干燥湿度对于腌干鱼的感官品质的影响极显著。在环境湿度为50% 的条件下获得的腌干鱼制品的感官品质比较低,这主要是由于环境的湿度过大不利于鱼体周围环境中水分的去除,使得腌鱼干燥不充分, 易于腐败变质,干燥鱼样不能获得腌制品特有的浓郁风味, 影响其干燥品质和口感。故选择30% 的相对湿度作为进一步的感官品质的工艺优化。
2. 3. 3风速对腌干鱼感官品质的影响不同干燥风速条件下得到的腌干鱼的感官评分也不相同( 图3 - c) 。在所选定的干燥风速条件下,1. 5 m·s- 1获得的腌干鱼的评分最高。鱼肉组织完整,无褐变,无腐败、酸败气味鱼肉结实, 咀嚼性好,回味悠长。故选择1. 5 m·s- 1的干燥风速作为进一步的工艺优化。
2. 4 不同干燥条件下腌干鱼品质的正交试验结果
在单一因素研究的基础上,对主要影响因素进行L934 正交试验( 表4) 。5号试验组所得样品的色差最小为2. 94, 感官评分为84. 0分。1号试验组所得样品的色差最大为11. 69,感官评分为66. 0分。由极差分析数据可以看出, 干燥温度、湿度和风速3个干燥工艺参数对干燥后腌干鱼的色差以及感官评分的影响是一致的。它们对干燥样品的色差以及感官评分影响由大到小的顺序依次为干燥温度 > 干燥风速 > 干燥湿度。试 验获得的 色差最佳 组合为A2C3B2,感官评分最佳工艺水平组合为A2C2B2。综合干燥后样品品质,以及干燥效率,确定热泵干燥工艺的最佳组合为A2C2B2,即干燥温度为30℃ ,干燥环境相对湿度为30% ,干燥过程中风速为1. 5 m·s- 1。
感官评价和色差在不同干燥温度、湿度和风速条件下的方差分析,可以看出温度对于腌鱼干燥后的感官品质和色差的影响显著( 表5和表6) 。湿度对于腌干鱼样的外观、色泽、风味和咬劲的感官品质以及色差影响不显著。这说明所选择的干燥环境的湿度对于感官品质和色泽的影响不大。但是根据单因素试验可知,湿度较低会造成鱼体表面的硬化,不利于干燥的进行,会降低腌干鱼样的感官品质, 使得鱼肉组织干燥不彻底,容易出现外干内不干的现象, 易于腐败变质,不易保藏。若是较高的湿度会降低腌鱼的感官品质,提高腌干鱼样的色差。造成鱼肉组织干燥缓慢, 并且难以形成浓郁的腌制风味。
2. 5 验证试验
根据确定的最佳工艺条件进行验证试验,同时用传统干燥方法干燥的腌干鱼作对照,测定腌干鱼的色差,并作出相应的感官评价和过氧化值来验证L934正交试验结果, 具体结果见表7。
注: F0. 05( 2,2)= 19. 00,F0. 01( 2,2)= 99. 00,后表同此 Note: F0. 05( 2,2)= 19. 00,F0. 01( 2,2)= 99. 00. The same case in the following table.
传统干燥的腌干鱼的色差为7. 63,感官评分为79. 6分,热泵干燥腌干鱼的色差为2. 68,感官评分为88. 7分。基本与正交试验结果吻合,并且两项指标均优于传统干燥的腌干鱼制品。热泵干燥的腌干鱼风味浓郁,鱼体完整透明,鱼骨清晰可见,无褐变。同时,热泵干燥的腌干鱼还大大缩短了干燥时间,降低了自然环境条件对于干燥过程的限制。过氧化值测定结果表明,热泵干燥腌干鱼过氧化值较传统方法干燥的腌干鱼低,说明腌干鱼的品质更好。
3 结论
干燥温度为20℃、30℃、40℃和50℃时干燥11 h后腌干鱼的含水率分别为1. 01 g·g- 1、0. 92 g·g- 1、0. 82 g·g- 1、0. 86 g·g- 1( d. b. ) 。在相对湿度为40% 干燥条件得到的腌干鱼的含水率明显高于30% 而低于50% 条件下的含水率。风速1. 0 m·s- 1和1. 5 m·s- 1以及风速1. 5 m·s- 1和2. 0 m·s- 1热泵干燥过程中同一时间含水率差异显著。
热泵干燥 篇5
桑叶为桑科植物桑Morus alba L.的叶子, 我国是世界上最大的桑树种植国[1], 卫生部将桑叶列为药食两用中药材之一[2]。因其滋阴凉血, 清肝明目, 故是中医临床上治疗糖尿病的有效药物之一。现代药理学及化学成分研究表明桑叶具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗病毒等多种药理活性, 其中生物碱以及黄酮类物质是桑叶中主要的降血糖活性成分[3,4]。
桑叶一年可以采摘3~6次[5], 定时采摘不仅能够提高产量, 而且有利于加快桑树的新陈代谢, 充分利用阳光和养分进行光合作用, 净化空气和制造有机物。然而, 大量高水分的新鲜桑叶产出, 需要及时进行脱水处理, 以防止其褐变和微生物滋生而腐烂。国内有关桑叶脱水的工艺研究相对较少, 不同温度、干燥方式及前处理对桑叶内多糖、DNJ、黄酮等营养成分都有一定影响[6]。冷冻干燥能最大限度保持桑叶的成分, 微波干燥对桑叶各种成分的影响也较小, 但是前者干燥时间长、生产成本高, 而后者操作过程过于复杂[6]。热风干燥对桑叶营养成分的保持比前两种干燥方式略差, 但不影响桑叶降糖主要功效, 从可操作性、产能及经济效益等方面综合考虑, 热风干燥比前两种干燥方式更适合工业批量生产。热风干燥是一种纯排湿的干燥方式, 此种方式单位能耗脱水能力较差, 尤其当遇到高湿天气时, 热风干燥单位脱水能耗将进一步升高。
热泵干燥技术是基于逆卡诺循环原理的一种高效除湿干燥技术, 它能够有效地利用环境热源, 高效、节能并已广泛应用于木材工业、纺织、制药、食品和农产品加工等行业[7]。本文应用GHRH型中高温热泵干燥机, 研究桑叶的脱水特性, 旨在对桑叶干燥工艺进行优化, 得到一个合理的桑叶热泵干燥工艺方案, 对桑叶脱水批量工业生产具有重要意义。
1 材料与实验方法
1.1 材料与试剂
材料:大桑叶, 采摘于广东省蚕桑所桑园, 形状为300 mm×200 mm的椭圆形, 初始水分含量为 (76±2.0) %。采摘时应防止叶脉受损, 溢出的汁液遇空气氧化而桑叶变色, 桑叶采摘后于5℃冷库中低温保鲜贮藏。
试剂:
1) G-250考马斯亮蓝:上海金穗生物科技有限公司;
2) 芦丁:非制剂, 上海金穗生物科技有限公司;
3) 乙醇、氢氧化钠、亚硝酸钠, 分析纯, 天津化学试剂三厂;
4) 硝酸铝, AR级分析纯, 上海埃比化学有限公司。
1.2 仪器与设备
GHRH型闭式热泵干燥实验装置, 广东省现代农业装备研究所自制, 温度可控范围为35~65℃, 风速可控范围为0~5.0 m/s, 干燥风在风机的驱动下于垂直面内循环, 干燥室内空气与湿物料进行传热传质, 经过传质的高湿空气穿过蒸发器除湿, 经过冷凝器加热, 以此达到干燥桑叶的目的。
赛多利斯水分测定仪, MA150, 德国赛多利斯集团;FA/JA系列上皿电子天平, 上海天平仪器厂;KANOMAX风速测定仪, KA32L型, 沈阳加野科学仪器公司;272-A型干湿温度计, 河间市重光温湿度仪表厂;UV-180OPC型紫外可见分光光度计, 上海亚荣生化仪器厂;HH-2恒温水浴锅, 江苏金坛市宏华仪器厂;离心机, 长沙平凡仪器仪表有限公司;移液管、研钵、石英砂、容量瓶、离心管、漏斗、烧杯、滤纸。
1.3 实验方法
新鲜桑叶预处理→开水热烫→迅速冷却, 拭干水分→称重、铺放于筛盘上→热泵干燥机干燥箱干燥→每隔一定时间测量桑叶质量→干燥至样品相邻减重低于0.2 g即终止→产品包装保存, 记录及分析数据。
1.3.1 单因素实验
桑叶热泵干燥主要受铺料量、热烫时间、干燥温度、干燥风速共4个因素影响, 其中前2个因素为预处理操作, 后2个因素是干燥过程影响因素。分别对各因素的实验设计如下:
铺料量的影响:设定温度和风速45℃, 0.5 m/s, 不采用热烫预处理, 铺料量因素的3水平依次为0.5、1.0、1.5 kg/m2, 铺好物料于干燥箱中进行烘干, 比较干燥效率和干燥产品的品质, 得到合适的铺料量参数。
热烫时间的影响:将铺料量、温度和风速设为定值1.0 kg/m2、45℃、0.5 m/s, 热烫时间因素6水平依次为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 min, 桑叶热烫后去除桑叶表面水分, 放至物料盘中入干燥箱进行烘干, 比较干燥效率和干燥产品品质, 得到合适的热烫时间参数范围。
干燥温度的影响:将铺料量、热烫时间和风速设为定值1.0 kg/m2、0 min、0.5 m/s, 选取干燥温度因素的4水平依次为35、45、55、65℃, 将新鲜桑叶铺放于料盘中放入干燥箱进行烘干, 比较干燥效率以获得合适的干燥温度参数。
干燥风速的影响:将铺料量、热烫时间和干燥温度设为定值1.0 kg/m2、0 min、45℃, 选取干燥风速因素的6水平依次为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s, 将桑叶放至物料盘中入干燥箱进行烘干, 比较干燥效率和干燥产品品质, 得到合适的干燥风速参数。
1.3.2 响应面实验
在单因素实验的基础上, 应用Minitab软件设置了温度、热烫时间、风速三个因素的响应面实验, 由于最大温度参数为中高温热泵干燥机的上边界温度 (65℃) , 依据响应面实验设计原则, 选用了中心复合表面实验方法, 因素水平设计内容见表1。
1.4 数据分析方法
单因素实验数据采用直观分析, 以确定各因素对桑叶热泵干燥速率的影响趋势及波动较大的参数区间。在单因素实验结果的基础上, 应用Minitab软件分析响应面实验数据, 分别选取完全二次、线性+交互模型、线性+平方模型、线性模型对桑叶热泵干燥的数学模型进行优化, 比较温度、热烫时间、风速以及两两交互作用对干燥速率的影响, 逐步去除不显著因素, 最终得到桑叶热泵干燥的最优数学模型, 并在软件响应面优化器中选择望大项目进行工艺参数优化, 得到最优干燥工艺参数。
1.5 产品指标测定方法
Figure.1 Mulberry leaf heat pump drying rate curve of temperature
1.5.1 复水性检测
将干燥后的桑叶 (M1) 放入50倍质量温度为60℃的水, 进行复水实验, 复水15 min后, 将桑叶捞出自然沥干表面水分, 然后进行准确称重 (M2) , 复水比籽的计算, 见公式1:
1.5.2 蛋白质含量检测
应用考马斯亮蓝法测定桑叶样品中蛋白质的含量[8]。
1.5.3 黄酮含量检测
采用紫外分光光度法测定桑叶样品中黄酮的含量[9]。
2 结果与分析
2.1 单因素实验结果
图1和图2分别是温度、风速对干燥速率的影响。
图1可知, 随着热泵干燥温度的提高, 干燥速率不断增大, 且温度在55~65℃间, 单位温升干燥速率提高量最大为1.898%, 分别为35~45℃和45~55℃的2.16倍和1.38倍。温度升高, 空气干燥介质传递给高湿桑叶的蒸发热量增加, 桑叶中水分蒸发速率加快, 干燥速率增大, 但是温度太高会影响桑叶内营养成分损失。因此, 在保证桑叶内有效成分的前提下, 可选择较高温度用于桑叶干燥, 以达到提高干燥效率的目的。
Figure.2 Mulberry leaf heat pump drying rate curve of wind speed
图2可知, 随着风速的提高, 干燥速率逐渐增大, 且风速在2.0~2.5 m/s时, 风速增大对干燥速率提高量影响最大, 最大可增加5.48%, 分别是1~2 m/s和2.5~3.0 m/s时的1.64倍和2.30倍。风速增大, 循环次数增加, 单位时间输送湿空气量增大, 干燥速率增大, 但因为湿物料量一定, 单位风速增大干燥速率提高量会呈现先增长后减少, 且风速的增大促使干燥介质空气与湿物料传热传质时间缩短, 能量利用率下降, 对于非闭式循环干燥将会导致热量浪费。因此, 应采用合理风速以保证能源的充分利用。
图3曲线可知, 随着热烫时间的延长, 桑叶干燥速率先增加后逐渐趋于不变, 未经热烫或者热烫时间为零时, 干燥速率最慢, 热烫时间为0~1 min变化最快。热烫即采用90℃以上的水对桑叶进行前处理, 热烫也称杀青, 有利于保护桑叶的绿色, 抑制一些氧化酶的活性, 同时也会破坏桑叶细胞的细胞壁, 释放细胞间的物理结合水。因此, 有可能桑叶绝干物质会有所减少, 适当的热烫时间可能增大细胞间隙, 有利于桑叶物料湿分的蒸发, 从而提高干燥速率, 但是热烫时间过长将会导致桑叶糜烂, 细胞分离, 营养成分流失。因此, 适当的热烫预处理有利于桑叶护色及干燥速率提高。
Figure.3 Mulberry leaf heat pump drying rate curve of blanching time
从表2数据可知, 随着铺料密度的增大, 干燥时间及干燥不均匀度逐渐增大, 桑叶干燥过程表现为表面迅速干燥而底层桑叶干燥速度较慢, 当桑叶铺料密度达到1.5 kg/m2时, 干燥不均匀度增加至5.20%, 高低水分差达到了14.72%, 表面桑叶皱缩严重, 下层物料粘结紧密只能依靠逐层向下干燥, 如果层数太多将会造成表层桑叶过干燥, 影响桑叶产品的品质, 而铺料密度小, 层数少, 干燥速率快, 但是占用面积大, 铺料工作量增加, 不利于提高单位产出率, 因此选取铺放密度为1.0 kg/m2, 这样桑叶干燥不均匀度较小, 且能取得较大产出率。
综上所述, 单因素实验数据、曲线反应了桑叶热泵干燥各因素的影响, 分析得到在保证品质的前提下, 宜采用较高温度, 故温度取热泵干燥机上边界值 (65℃) ;较优风速能提高热能利用率, 故风速范围为1.0~3.0 m/s;适当热烫能够起到护色、抑制酶活性及提高干燥速率, 因此选取热烫时间为1.0~3.0 min。
2.2 响应面实验结果
2.2.1 干燥速率影响方差分析
在单因素实验研究的基础上, 以温度、风速、热烫时间为自变量, 以干燥速率为响应值Y, 采用了三因素三水平的中心复合表面实验设计, 并对实验数据进行响应面分析, 中心点实验重复了6次, 用以估计实验误差, 采用Minitab 16.0进行分析。
注:P值<0.01时显著性标为**;P值<0.05时显著性标为*。
表3为响应面分析及实验结果, 对表3响应面实验结果方差分析, 见表4。表4可知, 温度因素和温度平方因素的P值为0.0 003和0.001, 均小于0.01, 因此温度及其平方作用为显著影响因素, 风速因素的P值为0.041小于0.05, 说明风速为影响干燥速率的次显著因素, 热烫时间、其它平方项和交互作用项为P值均大于0.05, 说明其它因素项对干燥速率影响不显著。
2.2.2 交互作用响应曲面及等值线
图4和5为桑叶温度与风速交互作用, 图4响应曲面逐渐往温度和风速增大的方向弯曲, 最终得到一个凹曲面;而图5等值线, 更直观显现温度和风速增大, 干燥速率逐渐增大。在温度处于45~52℃时, 出现了一个峰值, 而后随着温度的升高等值线呈现于温度轴平行的曲线, 即温度相对较低时, 与风速对干燥速率的交互作用影响大, 但随着温度的升高风速对干燥速率的影响逐渐被削弱。
图6和图7为风速、热烫时间的交互作用图, 图6曲面随着风速的增大逐渐向上弯曲且弯曲度逐渐平缓, 而随热烫时间的变化相对较少;图7等值线可以直观看出在风速为2.0~2.5 m/s取得较大干燥速率, 风速与热烫时间对干燥速率交互作用影响随着风速的增大变得更明显。
图8和图9温度与热烫时间交互作用图, 图7响应曲面随干燥温度的升高呈现下凹曲面, 而随热烫时间变化较少, 图9等值线图中等值线几乎与温度轴保持垂直, 说明温度和热烫时间对干燥速率几乎没有交互作用影响。
综上, 桑叶热泵干燥过程中当采用温度45~52℃, 应考虑风速与温度的交互作用影响, 当采用风速为2.0 m/s以上时, 应考虑热烫时间与风速的交互作用影响。
2.3 桑叶热泵干燥速率数学模型优化分析
由表5数据可知, 建立模型回归方程P值小于0.05, 表明模型显著, 建立的回归模型方程能够较好的解释响应结果并预测最佳干燥工艺参数。线性项和平方项P值均小于0.05, 说明线性项和平方项对干燥速率数学模型的主要影响因素, 而交互作用项为非显著因素。因此, 数学模型拟合中应侧重线性项和平方项。
由表6数学模型拟合数据知, 完全二次模型和线性+平方模型的R-Sq值与R-Sq (调整) 值均达到了90%以上, 且R-Sq值与R-Sq (调整) 比较接近, 认为模型的拟合效果比较好, 而线性模型和线性+交互作用模型的R-Sq值与R-Sq (调整) 值相对较低, 拟合效果较差。失拟的P值越大, 说明拟合效果越好;R-Sq (预测) 值与R-Sq值越接近, 表明用此回归模型进行预测的效果比较可信。比较表6中完全二次和线性+平方模型数据可知, 线性+平方模型的R-Sq (预测) 值与R-Sq值更接近, 且P值为0.076大于完全二次的失拟P值, 因此选择线性+平方模型。
对表3中数据进行线性+平方模型拟合, 得到桑叶热泵干燥速率Y的回归方程为:
2.4 优化工艺参数及验证结果
应用Minitab 16.0软件响应面分析优化器, 对表2中数据进行优化分析得到结果, 见图10。
由图10优化参数数据曲线可知, 最优干燥参数组合为:干燥温度为64.20℃, 风速为2.40 m/s, 热烫时间为2.0 min, 此时取到最大干燥速率为0.5 482, 合意度达到了99.402%, 将最优参数代入回归模型计算得到预测干燥速率Y为0.5 403, 与响应面优化器优化结果的相对误差为1.44%。
应用优化工艺参数设置了三个平行888实验, 铺料密度为1.0 kg/m2。桑叶热泵干燥平行888实验果如下:干燥耗时均为2.25 h, 对三次平行888实验的干燥速率求平均值, 得到干燥速率为0.5 523, 与回归方程预测值的相对误差为2.38%, 进一步证明响应面设计分析所得的回归方程具有较高的预测可信度。
2.5 产品品质指标检测
选取响应面实验中干燥速率较大实验组所得桑叶产品进行了蛋白质、黄酮及复水性的检测, 并与新鲜桑叶对应指标含量进行了对照, 实验检测数据, 见表7。
由表7品质指标参数可知, 温度和热烫时间对蛋白质和黄酮含量都有一定的程度影响, 热烫时间越长桑叶营养成分损失越多, 干燥温度越高和干燥速率越大蛋白质含量稍有减少, 干燥过程对黄酮含量几乎无影响。热泵干燥所得桑叶干的复水比为3.14~3.33, 将实验所用大片桑叶水分含量按76%计算, 桑叶经15 min复水达到了69.35%~73.54%的新鲜程度, 而30 min复水后, 桑叶干复水比为3.84~4.02, 即通过复水后达到了84.80%~88.78%的新鲜程度, 最优工艺蛋白质和黄酮含量为鲜桑叶的77.58%和69.74%。
注:100g为桑叶干物料。
3 结论
应用GHRH型闭式热泵干燥实验装置, 设计单因素实验和响应面实验对桑叶进行干燥, 得到结论如下:
单因素实验得到了大桑叶的较佳铺料密度为1.0 kg/m2, 此种铺料密度下桑叶的干燥均匀性较好;高温能较快提高干燥速率, 适当的热烫预处理具有护色和提高干燥速率作用, 控制风速能够提高单位热能除水量, 以达到节能的效果。
响应面实验方差分析得到温度是影响干燥速率的显著因素, 风速是次显著因素, 并通过选择比较得到了桑叶热泵干燥速率的最佳数学模型, 模型预测响应值与响应优化器得到最优参数误差较小, 最后选择干燥速率较优的产品进行品质检测, 得到热烫时间对桑叶营养成分的损失有较大影响, 而热泵干燥过程对桑叶品质影响很小。
此外, 后续实验可进一步研究桑叶热泵干燥能耗与风速、温度、相对湿度等的关系, 有利于投资实践生产应用。
参考文献
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热泵干燥 篇6
近年来,在稳定粮食生产的前提下,围绕农业增效、农民增收和农产品竞争力增强的目标,大力发展“两优一高”农业,推进了我国特色蔬菜园区及中草药、畜禽、优质林果、水产养殖等基地的建设。无公害蔬菜、中药材、食用菌等新兴优势产业迅速崛起,农业产业化呈现出全面、协调、可持续发展的良好态势。由于农产品采收后得不到及时加工处理,造成产品损失严重,严重影响了农产品的产量和质量。
开发节能高效环保农产品加工设备,提高农产品精深加工的比率和水平,是当前农产品加工的主要研究方向。热泵干燥是一项较新的干燥技术,近年来在各个领域逐步得到应用。利用热泵对谷物进行的干燥实验表明: 从谷物中除去1 kg水, 平均能耗为2063kJ,较常规气流干燥法节能约30%。热泵干燥具有热效率高、节能、干燥温度低、卫生安全、环境友好等特点, 特别适合于谷物、种子及食品原料等热敏性物料的干燥[1]。
农产品加工有保鲜和干制等多种方法,保鲜需要制冷技术创造低温环境,同时产生大量低温废热,而干燥处理,需要大量的热能,将两者有机地结合可以起到一举两得的效果。热泵低温干燥与冷藏保鲜联合装置采用热泵技术可以同时提供低温环境和干燥环境。
1 装置的原理
热泵干燥的原理如图1所示。装置由干燥箱、冷藏库和热泵3大系统组成。
装置中的热泵系统可以组成两套循环:一是吸收来自冷藏库的热量,加上压缩机消耗的电能后送到干燥箱去加热低温空气,低温空气获取热量被加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质使用。自干燥过程排放的湿空气经热泵的蒸发器降温去湿,湿空气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉, 从而达到除湿干燥的目的,然后经过热泵的冷凝器加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使用。循环中根据空气质量可以补充部分新鲜空气[2] 。
2 装置的开发
2.1 设计原则
热泵低温干燥与冷藏保鲜联合装置的设计应遵循下面的原则:
1)根据现代设计理念, 采用模块化结构, 各模块相互独立,按需要进行组装;
2)制冷介质( 氟利昂) 回路可以进行制冷、制热和除湿循环,满足各种工作条件要求,主要参数(空气的温度、速度和湿度)可在一定的范围内进行调节;
3)干燥介质(空气) 回路可以进行开路式、半开路式和闭路式循环,应能实现各种循环的相互切换;
4)风道内的换热器(蒸发器、冷凝器),通过阀门组组合,实现各种循环的相互切换;
5)装置中压缩机的转速、空气循环风机的转速采用变频器进行调节。
2.2 系统的组织
根据上述的设计原则, 设计了一套热泵低温干燥与冷藏保鲜机组, 其主要由热泵(制冷)系统、干燥介质(空气) 回路和控制系统组成。
2.2.1 热泵(制冷)系统
热泵(制冷)系统由压缩机冷凝器,油分离器,贮液器,辅助冷凝器,低压桶,转换阀门,蒸发器,冷凝器等组成[3]。热泵系统示意图,如图2所示。
1.压缩机冷凝器 2.贮液器 3.辅助冷凝器 4.低压桶 5.转换阀门 6.蒸发器、冷凝器
2.2.2 干燥介质(空气) 回路
干燥过程不仅涉及到热泵除湿单元的效率, 干燥介质(空气)在干燥室内的传热传质效率的提高同样能够提高整个干燥系统的效能。在干燥系统中采用强制对流干燥器, 因而传热传质效率高。
干燥管路中空气回风口处的调节阀门可以调节干燥室内空气的回流量,实现开路式、半开路式和闭路式循环。出风口处的调节阀门可以调节干燥室内空气的流速。干燥室内的风速可在0.5～3m/s 范围内任意调节,能满足不同的干燥工艺要求。干燥介质(空气)系统示意图,如图3所示。
制冷管路中的调节阀门可以调节供给蒸发器冷凝器的制冷剂状态及流量,实现升温除湿、降温除湿、调温除湿、制冷和制热循环。
3 装置的热力计算
3.1 热泵干燥空气循环系统的分析
干燥介质的循环过程, 各截面的状态如图3 所示。A段为干燥室的进风状态;B段为经过热泵蒸发器除湿降温后的空气状态;C段为混合空气状态;D段是空气在热泵冷凝器的加热过程, 在该过程中空气的含湿量保持不变, 故为等含湿量的加热过程;E段为干燥室的出风状态。E段—A段过程是空气在干燥室内吸收被干燥物料的湿分,则该过程可视为等焓加湿过程[4]。
为了保证热泵干燥系统能正常、稳定运行, 防止热泵运行过程中蒸发器产生结霜而降低蒸发器的传热效果, 通常取C段的空气设计温度为15℃,空气经蒸发器冷却处理后到机械露点状态ϕc,选取ϕc=90%,则dc=10g/kg ,hc=40.75 kJ/kg。
选取平均循环空气量V=10 000m3/h,平均除水量100kg/h。A段的空气设计温度为35℃,则ϕa=60%,da =22g/kg,ha =91.96 kJ/kg。
3.2 热泵制冷循环的热力计算
3.2.1 制冷量
制冷量为Q0=m(ha-hc)= 118kW;选取裕度17%,则制冷量Q0= 138kW。
3.2.2 热泵制冷循环的热力计算
1) 冷凝机组。
压缩机采用Copeland公司的10HP涡旋式压缩机,采用冷凝温度40℃,蒸发温度8℃设计,制冷量为34.6kW。本机的热泵单元采用4台压缩机对循环空气进行冷却、除湿及加热。
2)两器设计。
蒸发器采用平片,冷凝器采用双面冲缝片,片距6mm,迎面风速为1.5m/s,迎风面面积为1.85m2,经计算选取蒸发器传热面积为70m2。冷凝器传热面积为150m2。
3.2.3 干燥室
烘干房采用两个,交替使用。烘干房为双面彩钢聚氨酯保温板结构,前面为0.9m×1.9m的门,后面为蒸发器、冷凝器和风机房。烘干房长7m、宽3.4m、高2.2m,中间为通道,两侧各放8档铁架,每档可放4个竹箅子果盘,每个铁架8层,一个烘干房可放512个,每个竹箅子果盘可盛果品4kg,1次可烘干鲜果2 048kg,按制干率50%～60%计算,1次性可以制干果1 020～1 220kg。
4 结束语
该装置运用热泵的工作原理将冷藏保鲜与热泵干燥有机结合,设计成模块组合结构。在国内,这项技术是该装置的创新点,使用1年多来,运行效果良好。该装置具有能耗低、适用范围广、生产稳定等特点,适于农副产品冷藏加工厂采纳。
利用该装置对苹果进行了干燥试验。试验表明, 将苹果片的含水率从90%左右干燥到20%以下, 只需要10h, 比一般烘干方法时间要短, 适合于果蔬类物料的干燥。
为保证实现快速干燥,物料必须要求循环空气有一定的流量, 主循环风机的动力消耗较大。因此, 对于该装置如何选取的辅助设备动力值得关注。
参考文献
[1]陈坤杰,李娟玲,张瑞合.热泵干燥技术的应用现状与展望[J].农业机械学报,2000,3(3):109-111.
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[4]电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册(第二版)[K].北京:中国建筑工业出版社,2000:443-460.
CO2热泵干燥的运行工况分析 篇7
关键词：CO2,热泵,干燥,蒸发温度,排气压力
引言
由于臭氧层破坏和温室效应的不利影响,用自然工质替代合成工质越来越受到国内外制冷界的重视[1]。在几种常用的自然工质中,除水和空气以外,CO2是与环境最为友善的制冷工质之一。CO2使用安全、无毒;物理化学稳定性好;单位容积制冷量大,有利于减少装置体积;在超临界条件下,流动传热性能好;此外,CO2容易获取,价格低廉,不需要回收。因此,CO2作为CFCs与HCFCs类物质的长期替代物具有非常光明的前景[2,3,4]。
目前,关于CO2作为制冷工质的研究主要集中于汽车空调和热泵热水器方面,关于热泵干燥方面的较少。德国 Essen大学的E.L.Schmidt和K.Klocker等分析和讨论了CO2在热泵干燥方面应用的可行性,并与 R134a热泵干燥进行理论分析比较,同时对其应用于洗衣房干燥衣物进行了节能方面的比较,得到了很好的应用效果[5]。Honma等在2008年对CO2热泵用于容量为4.5kg的干衣机进行了实验研究,Valero等对CO2热泵干燥机的原型进行测试,测试结果表明使用CO2的热泵干燥机比使用R134a热泵干燥机能量消耗降低7%[6]。西安交通大学和天津大学热能研究所对CO2热泵干燥进行了一些相关的理论研究(见参考文献[7,8])得到了一些有益的结论。
本文从热力学角度出发,利用EES(Engineering Equation Solver)软件对CO2压缩热泵循环冷却进行模拟分析,研究在标准工况下蒸发温度和压缩机的排气压力对CO2热泵干燥系统性能和工作状况的影响。
1 CO2热泵干燥循环的理论分析
由于CO2的临界温度只有31.1℃,低于典型的夏季工况温度(35℃),宜采用跨临界循环方式,即其冷却放热过程一般工作在临界温度以上。在超临界压力下,CO2的温度和压力彼此相互独立,具有比热容大、导热系数高、动力粘度小的特点。上述特点对于CO2的流动和换热均十分有利,有利于减少管道和换热器的尺寸,减少压缩机的工作容积,使整个系统的结构更加紧凑[9]。
1.1 CO2热泵干燥系统简介
热泵干燥系统的形式有开路式、半开式和闭路式三种,工程应用最多的为封闭式热泵干燥系统[9]。CO2热泵干燥系统由热泵循环和空气循环两个循环组成,如图1所示。其中热泵循环由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器等组成;空气循环由风机、干燥室、辅助冷却器等组成。在热泵循环中,气体经压缩机压缩后在气体冷却器中冷凝放热,经膨胀阀节流变成液态,温度降低,然后在蒸发器吸热蒸发,进入气液分离器分离后气体被吸入压缩机完成制冷循环。在空气循环中,进入蒸发器的高湿热空气被冷凝去湿,变成低湿空气进入气体冷却器被加热成干热空气,由风机吹入干燥室,带走被干燥物料的水分后成为湿热空气进入蒸发器,完成空气循环。
图2所示为CO2跨临界循环的T-S图。从图中可以看出系统工质在冷凝过程中温度有较大的滑移,能够与空气的升温过程有很好的温度匹配,也有利于满足热泵干燥中的梯级放热的要求。
图3所示为干燥过程中湿空气循环的t-d图。其中5-6为干空气在气体冷却器中等湿加热过程,6-7为干空气在干燥室里等含吸湿过程,7-8-5为热湿空气在辅助冷却器和蒸发器中的冷凝除湿过程。
1.2 CO2热泵干燥系统的评价指标
热泵干燥系统的评价指标通常为COP和SMER。COP为热泵的性能系数,SMER为单位除湿率,是用于整个干燥系统的能量利用率的评价指标。两者的不同之处在于,COP反映了热泵系统的性能,SMER反映了整个干燥系统的能量利用情况(包括压缩机和风机消耗的电能)。两者用公式表示如下:
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对于本文中的热泵干燥系统,有:
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式中:hi—工质的焓值,kJ/kg。
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式中:ηe——电能的转换效率;di—含湿量,kg/kg;hi—工质的焓值,kJ/kg;ma—空气的质量流量,kg/s;mc—制冷剂的质量流量,kg/s;PF—风机的功率,kW;PC—压缩机的功率,kW。
由气体冷却器的能量守恒得:
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2 CO2热泵干燥系统的状态参数的确定
2.1 系统的模型假设
为了分析方便,在以下条件下进行循环分析:1)系统循环处于稳态;2)压缩机的指示效率为0.8;3)蒸发器出口过热度为5℃;4)系统各管路压力总损失忽略不计。
2.2 CO2热泵循环参数的确定
假定蒸发器温度为11℃,气体冷却器出口温度为26℃,环境温度为20℃,气体冷却器压力为9.9MPa,压缩机入口过热度为5℃,风机与压缩机功率之比PF/PC=0.2,电能转化效率为0.9。
2.3 空气循环参数的确定
对于热泵干燥系统,由于可在蒸发器中除湿,故可采用低温低湿的空气进行干燥,特别适合于种子等不宜用高温干燥的情况,提高种子的活性。通常农作物的干燥温度不宜超过55℃,考虑其平衡含水率,干燥环境的相对湿度取为11%,以该条件为基本参数,并假设干燥室出口空气湿度为 55%[9],空气的各点热力参数如表1所示。
基于以上初始假设条件,本文对CO2热泵干燥系统进行了数值仿真计算,其中CO2的热物性参数通过调用EES软件获得。
3 CO2热泵干燥系统的仿真计算及结果分析
3.1 蒸发温度对CO2热泵干燥系统的影响
在标准工况下,当其他参数不变时,CO2热泵干燥系统中在压缩机排气压力分别为8.5MPa、8.8MPa、9.1MPa和9.4MPa四种不同情况下蒸发温度对热泵干燥系统的性能和压缩机排气温度的影响如图4～图6所示。
由图中可以看出,在压缩机不同的排气压力下,随着蒸发温度的上升,系统的COP和SMER均逐渐增加,并且曲线的斜率逐渐增大;压缩机排气压力越大,曲线的斜率变化的越小;在同一蒸发温度下,压缩机排气压力越大,系统的COP和SMER越低。提高蒸发温度,压缩机的排气温度将会降低,而且变化规律基本呈线性;压缩机排气压力越高,排气温度越高。出现上述情况是由于在压缩机排气压力不变的情况下,随着蒸发温度的上升,蒸发压力不断上升,从而使压缩机的压比不断减小引起的。
由于热泵干燥系统中加热湿空气的热量是从气体冷却器中获得的,进入干燥室的空气温度与压缩机的排气温度有直接的关系。而且CO2热泵干燥系统不可能同时达到较高的系统性能和较高的压缩机的排气温度。因此为了使CO2热泵干燥系统能够正常的工作,必须保证压缩机的排气温度不能过低。这就要求该系统有一个最高的蒸发温度,当蒸发温度超过该最高蒸发温度时,压缩机排气温度将低于系统运行的正常排气温度,使得热泵干燥系统中空气循环中的空气温度较低,延长干燥时间。
3.2 压缩机排气压力对CO2热泵干燥系统的影响
图7～图9所示为在标准工况下,当其他参数不变时,CO2热泵干燥系统在蒸发温度分别为5℃、8℃、11℃和14℃时压缩机排气压力对热泵干燥系统的性能和压缩机排气温度的影响。
从图中可以看出,随着压缩机排气压力的上升,系统的COP和SMER均下降且曲线的斜率不断变小,而且在不同蒸发温度下,曲线的斜率也不一样,蒸发温度越高,曲线的变化率越大。提高压缩机的排气压力,压缩机的排气温度也会逐渐上升,而且变化规律基本呈线性;在相同排气压力下,蒸发温度越高,压缩机的排气温度越低。这是因为,在蒸发温度不变的情况下,蒸发压力保持不变,而压缩机排气压力不断上升,使得压缩机的压比不断上升引起的一系列变化。
目前CO2热泵干燥系统多用于低温干燥,空气循环过程中并不需要提供温度很高的空气。
4 结论
1)在CO2热泵干燥系统中,随着蒸发温度的上升,系统的COP和SMER不断上升,但其压缩机的排气温度不断下降。因此,蒸发温度存在一个上限。在实际运行中,为了保证热泵干燥系统正常工作,蒸发温度应低于该上限值,使得压缩机排气温度不低于系统运行的正常排气温度。
2)提高压缩机的排气温度,CO2热泵干燥系统的COP和SMER不断下降,压缩机的排气温度不断上升。因此在该干燥系统中,为了保证系统具有较好的工作性能,应当在满足干燥过程正常运行所需要的压缩机排气温度前提下,尽量降低压缩机的排气压力。
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