利用太阳能集热器—热泵组合干燥设备进行杏干燥试验研究

2015-03-10刘小龙史建新沈卫强

新疆农机化 2015年1期

关键词：干燥设备集热器热泵

刘小龙，史建新，沈卫强，田　翔

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐　830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所）

利用太阳能集热器—热泵组合干燥设备进行杏干燥试验研究

刘小龙1，史建新1，沈卫强2，田翔2

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业科学院农业机械化研究所）

摘要：新疆是我国杏及优质杏干最大产区。长期以来杏制干仍然采用原始的摊晒方法进行干燥。干燥周期长，易受虫蚁、苍蝇、砂尘污染和雨水侵袭，影响产品质量或造成霉烂变质。我区太阳能资源丰富，本文介绍了一种太阳能集热器-热泵组合干燥设备干燥杏，它对于提高我区农业生产水平，节省能源和保护环境具有一定的意义。

关键词：干燥；杏；太阳能

新疆具有独天得厚的太阳能干燥条件，太阳能资源丰富，年日照时数为2500～3300 h，日照百分率达60%～80%，年辐射照度总量比我国同纬度地区高10%～15%，居全国第二位，南疆特色林果主栽区域为一类地区。这一得天独厚的气候资源为太阳能在农产品干燥中的利用提供了良好的基础条件。

太阳能干燥装置与采用常规能源（煤、石油、天然气等）的干燥装置（包括自然晾晒）相比具有以下优点:

（1）采用太阳能干燥农副产品可以节省能耗20%以上，甚至可达70%；

（2）卫生指标较高；

（3）太阳能干燥整体运行费用要大大低于常规能源运行费用；

（4）节约化石燃料的同时，又可以减少排污。

太阳能干燥存在的不足：

（1）太阳辐射分散性大，热值低，杏干燥能耗较高，需要大面积的集热器，设备投资较高；

（2）干燥速度慢。若单纯利用太阳能，干燥介质温度只能升至40～70℃，故只能用于低温干燥。

（4）太阳辐射受季节、天气、纬度、时间等因素影响，具有间歇性和不稳定性，为了保证有效地干燥杏鲜果，有时需要辅助热源。

为了满足昼夜连续运行的工业化干燥作业的需要，在储能问题还没很好解决之前，最好的办法还是采用与其他能源联合供热的干燥系统，即太阳能组合干燥。

1　太阳能集热器一热泵组合干燥系统

组合干燥技术是符合国际干燥技术的创新发展趋势的干燥方式。每一种干燥方法都有各自的优点和适用范围，而组合干燥正是取其优点而避其缺点，所以组合干燥是干燥技术未来的发展趋势之一。基于以上原因，结合我区区域特点，我所在前期科研成果的支撑下，研制出新型干燥装置：5HRT-8型全自动果蔬太阳能集热器一热泵组合干燥系统。

1.1主要结构与工作原理

5HRT-8型全自动果蔬热泵太阳能组合干燥设备（图1）由太阳能空气集热器、干燥房、高温空气源热泵、物料推车、热风循环系统、太阳能热风循环系统和温度控制系统组成。

1.1.1太阳能集热器设计

采用低温（100℃以下）平板非跟踪式集热器，导介质为空气；吸热板涂层为非选择性吸收涂层（黑漆）；用于透明盖板的材料为平板玻璃。本机保温层采用岩棉保，岩棉保温具有导热率小、不吸水的特点，其作用是减少热量散失，提高集热器的热效率。外壳是集热器中保护及固定吸热板、透明盖板和隔热层的部件，本机采用1.25 mm镀锌钢板作为外壳。

1.1.2控制系统

整个干燥过程均由单板机进行控制。干燥室内的循环风机与排湿装置、热泵热源干燥系统的所有电动阀门全部由计算机控制以确保控制的精确性。软件为开放式结构，可以在设计工作中对干燥工艺进行修改和完善以及对干燥全过程进行自动控制。经过实验研究证明，新型干燥房热效率高，可以满足烘干质量的要求，由计算机自动控制干燥室内的温湿度误差小，效果好，果品受热均匀。该设备干燥周期短，能耗小，对于不同果品干制，只要在干燥工艺参数上做一些相应的调整，通过控制系统就可以保证烘干的质量。

该装置可根据干燥工艺条件对空气的温度、湿度、风速和回风量进行自动调节，这种设计适用于对干燥工艺要求比较严格的工业化生产的干燥作业。

1.1.3热泵系统

高温空气源热泵由热泵主机（吸热器）和热泵辅机（散热器）组成，热泵主机安装在干燥房外，热泵辅机安装在干燥房内。太阳能空气集热器室采用内循环方式输送太阳能热风，干燥室采用强制热风循环方式，通过自动控制使太阳能干燥和热泵干燥有机结合，可满足各种工艺条件。

工作时，热泵主机里的液态工质吸收空气中的热量，经压缩机压缩变成高温气体后进入热泵辅机，在干燥室内散热后又经过节流阀变成低温液态工质循环往复工作，为干燥室提供干燥热能。太阳能空气集热器采用内循环方式，当太阳能空气集热器内的温度与干燥室的温度差达到设定值时，太阳能循环风机自动开启，太阳能空气集热器内的高温空气进入干燥室，当两者的温度差降到设定值时，太阳能循环风机自动关闭。

图1　5HRT-8型果蔬太阳能热泵组合干燥设备结构1.热泵主机2.热泵辅机箱3.太阳能空气集热器

2　组合干燥设备干燥杏实验研究

新疆是我国杏及优质杏干最大产区。杏原生资源十分丰富,有500多品种。2013年底，南疆三地州杏主产区面积约为7.9万hm2，杏产量约89万t，主栽品种有赛买提、黑叶杏、胡安娜、克孜朗、小白杏和明星杏等。

目前，杏后期大规模加工的主要方式是制浆和制干。新疆南疆杏果的成熟期主要分布在每年的6月中至7月底，大约有1.5个月的时间。在6月初至10月末的4个月时间内，南疆气候炎热干燥，十分有利于杏干、杏脯的生产和储藏。这是新疆鲜杏加工制干量占总产量比重（30%），大于内地（10%左右）的重要原因。新疆有自然晾晒杏干的传统，但成品时间长，易受天气变化影响，成品质量较差，只能作为二次加工的原料，商品价值不高。近年来也有地方采用烘干房（热源主要为矿物燃料：煤、天然气、石油等）来干燥杏，一次装载量为1～3 t，热效率较低（30%～40%），能源消耗大，环境污染严重。科研单位也曾用冷冻干燥和微波干燥针对杏做过少量实验，冷冻干燥效果好，但成本高（加工费30元／kg）；微波烘干效果好、时间短，但设备昂贵，批处理量小。

针对以上问题，我们采用太阳能集热器—热泵组合干燥设备对新疆杏进行了干燥试验。

2.1试验情况

试验采用直接晾晒和太阳能集热器—热泵组合干燥设备对比干燥的方式进行。

2.1.1试验具体环境条件

地点：新疆维吾尔自治区喀什地区叶城县核桃交易中心，开始时间：2012年8月23日，日间天气：晴，无持续风向≤3级，最高温度34℃。夜间天气：晴，无持续风向≤3级，最低温度20℃。试验开始时间为13：00。

2.1.2试验材料

叶城县赛买提杏栽培较为集中，已形成了一定的种植和产量规模。赛买提杏平均单果重37 g以上，可溶固形物含量18%以上，适宜鲜食和制干。所以，本研究将赛买提杏作为干燥物料，以利于今后设备推广和应用。

2.1.3太阳能集热器—热泵干燥分段与各段温湿度参数的确定

为了更好的保持物料干燥后的品质,根据杏的物理干燥工艺特性与项目组长期试验探索总结出的经验，此次设备干燥试验的干燥分4个周期即4段来进行,各分段具体温湿度参数见表1: