苹果片热泵干燥的实验研究

段全成 张绍红 李学瑞 田小亮 王德昌

摘要： 为了降低苹果片干燥加工能耗，本文提出新的苹果片热泵干燥系统优化方案。通过对热泵干燥系统和热风干燥系统的干燥空气温度、湿度、空气流速等相关参数的测量，以能源效率和除湿能耗比为指标，将两种干燥系统中干燥苹果片的热力学性能进行对比分析。分析结果表明，当空气流速为25 m/s，干燥温度分别为50 ℃和55 ℃时，计算出热泵干燥系统的有效水分扩散系数为86×10-9～15×10-8 m2/s，单位除湿能耗比为123 kg/kW·h，热风干燥系统的有效水分扩散系数为97×10-10～30×10-9 m2/s，单位除湿能耗比为024 kg/kW·h。说明热泵干燥系统比热风的干燥系统干燥时间缩减了30%，且热泵干燥系统的干燥速率和水分扩散率高于热风干燥系统。该研究为苹果片热泵干燥加工提供了理论依据。

关键词： 热泵干燥； 热风干燥； 对比实验； 干燥速率； 有效水分扩散系数； 单位除湿能耗比

中图分类号： TK01； TK173文献标识码： A

收稿日期： 20170306； 修回日期： 20171013

作者简介： 段全成（1993），男，山东威海人，硕士研究生，主要从事热泵干燥系统新技术和新能源利用技术研究。

通讯作者： 王德昌，男，教授，主要研究方向为浓度差蓄能装置及系统理论与实验、冰箱换热器性能测试系统及热泵干燥技术与应用研究。Email： wdechang@163.com苹果中含有人体所需要的Ga、K、Mg、Na、P等多种矿物质[1]元素。传统的苹果片烘干工艺主要是利用热空气干燥系统或自然对流，热空气干燥系统通过燃烧石油、煤等化石燃料或电能加热空气来对苹果片进行热风干燥，利用传统干燥系统不仅浪费大量能源，影响苹果片品质，而且对环境产生污染[2]。而新型的热泵干燥系统可在确保干燥产品质量的情况下，很好地控制干燥运行条件，如干燥温度、相对湿度、干燥空气速度和干燥时间周期等[3]。熱泵干燥系统的蒸发器是用来除去干燥介质中的水分，冷凝器用来提高干燥介质的温度，压缩机可提高热泵系统制冷剂的焓值，并提高过热蒸汽的压力[4]。作为新型节能干燥系统——热泵干燥系统已被国内外许多专家学者进行广泛研究。M.Fatouh等人[5]利用热泵干燥系统，研究了草本植物在干燥温度为55 ℃时的各热力学参数对干燥物品质的影响，发现草本植物干燥物品质与表面负荷、干燥空气流速和干燥空气温度有密切关系，系统的性能系数（coefficient of performance，COP）约为191；当干燥温度为50 ℃，干燥时间为200 min时，K.Chapchaimoh等人[6]利用热泵干燥系统对姜片热力学特性进行详细研究，并采用空气和氮气两种气体作为干燥介质，得到热泵系统的COP在28～37之间；Z .Oktay[7]设计一款滚筒式热泵干燥系统，研究了在不同空气循环率和空气旁通率的条件下湿羊毛的干燥特性，得出利用新的热泵干燥系统能够更好地调控运行条件，系统的COP在2～35之间；M.Mohanraj等人[8]利用热泵干燥系统，在40 ℃，空气流速为15 m/s的条件下对椰子肉的温度进行干燥，得到系统的平均COP为35；S.Aral等人[9]研究了在干燥温度分别为50，60，70 ℃时，干燥空气流速为05，09，13 m/s时的热泵干燥特性，实验结果得出Midilli干燥模型最适合描述对流干燥山楂果的干燥特性，且得出水分扩散率为234×10-10～209×10-9 m2/s；E.Kavak等人[10]在对南瓜干燥过程的热力学第一、第二定律分析后，得出在干燥货架和干燥室内损随着能量利用率的提高而提高，大部分的损失来自于干燥室的第一层货架，且在实验运行环境下，干燥过程的损在0～1165 kJ/s之间。以上这些对热泵干燥性能的研究多以性能系数COP为标准，但COP不能作为全面评价热泵干燥系统优劣的标准。基于此，本文主要研究热泵和热风干燥温度、湿度和干燥时间对苹果片干燥过程的影响，利用实验数据计算了两种干燥系统单位除湿能耗量的大小，并分析不同干燥条件下的有效水分扩散率变化情况，以期能准确预测苹果片干燥过程水分变化规律和干燥速率。该研究为苹果片热泵干燥加工提供了理论指导。

1实验系统及方法

1.1实验系统

该实验系统主要由热泵系统、干燥室系统和控制系统三部分组成。制冷工质采用R134 a，空气在蒸发器内除湿后，进入内置冷凝器进行加热，再进入干燥室干燥苹果片；干燥室系统包括风机、干燥室、加热器等设备，在干燥室内安装温度传感器，风速仪设备测量干燥室内温度风速，并将信号传递给控制室；控制系统采用PLC控制，可自动调节热泵干燥系统内的温湿度。

实验仪器：温湿度仪（APESYS），温度测量范围在-40～100 ℃之间，精度为±02 ℃，相对湿度测量范围在0%～100%之间，精度为±18%；温度传感器（贺利士M222PT100）的测温范围为-70～500 ℃，探头长度为10 mm±1 mm，电子天平（FA2004N）最大负载为200 g，精度为01 mg；热线风速仪（KANOMAX）测量风速范围为000～500 m/s，精度为±2%；鼓风干燥箱（GZX9030 MBE）控温范围为5～250 ℃，波动度为±1 ℃，均匀度为±1 ℃。

1.2实验方法

使用常压干燥法测定产品中水的质量分数。在一定温度和压力下，将样品在烤箱中加热干燥，除去水分，干燥前后样品的质量差为样品中水的质量。新型热泵干燥系统原理图如图1所示。

图1新型热泵干燥系统原理图将称量瓶在烤箱中预热5 min，将干燥样品和称量瓶干燥2～4 h，冷却30 min，干燥样品与称量瓶质量并记录数据。继续干燥1 h，冷却30 min，反复上述操作至恒重，称量两次前后相差小于2 mg。

干基条件下水的质量分数[11]为

MC=m1-m2m2-m3×100%（1）

式中，m1为干燥样品和称量瓶质量；m2为称量样品和称量瓶质量；m3为称量瓶的恒重。

首先将苹果切成厚度为3 mm，长度为50～70 mm，宽度为30～40 mm的薄片，利用电子天平称重，记录数据之后暂时储存在保鲜袋中待用，防止水分流失造成实验数据错误。将热泵干燥系统和热风干燥系统开启，并设定到实验温度，开启30 min之后，待参数稳定，放入已提前准备好的实验样品、温湿度仪和风速仪，以检测干燥系统温湿度和风速的变化。每隔30 min记录干燥产物的质量，连续计数，直到干燥物的质量在30 min之内相差2 mg以内，结束干燥过程，此时产品为干燥最终产品。将干燥后产品继续放入120 ℃烤箱中加热90 min，测得最终干燥物质的质量，实验结束。进行数据处理分析，研究产品中水的质量分数、干燥速率和含水率等参数随时间变化规律，同时计算干燥系统的COP及除湿能耗比，并进行分析比较。

1.3干燥参数的计算

在热泵干燥系统中，最终干燥物水分的质量分数为001%。热泵干燥系统和热风干燥系统的温度分别设为50 ℃和55 ℃，干燥过程中的含水率[12]为

MR=m-mem0-me（2）

式中，m为任意时刻水的质量；m0为苹果片样品初始状态水的质量；me为平衡水的质量。实验中，由于me相对m和m0较小，可以忽略不计。因此，式（2）可简化为[13]

MR=mm0（3）

根据菲克第二定律，得到水分有效扩散率为[14]

MR=8π2exp-π2Det4L2（4）

lnMR=ln8π2-π2Det4L2（5）

式中，De表示有效水分扩散系数，m2/s；L表示苹果片厚度的一半。

干燥过程的干燥速率为[15]

DR=-dmddt=-mi+1-miti+1-ti（6）

式中，md為干基含水量，kg；md+1表示ti+1时刻的干基含水量，kg；mi表示ti时刻的干基含水量，kg；t表示干燥时间，h。

1.4系统性能指标计算

整个热泵干燥系统空气循环假设为稳流状态，空气循环遵循质量守恒定律和能量守恒定律。利用热力学第一定律，通过研究干燥室的守恒公式得到干燥空气在干燥室中的状态变化。计算空气的加热量和除湿量等相关参数，最终将空气的循环过程看成稳流状态，计算质量和能量守恒方程[16]。

空气循环质量守恒方程为

∑m·i=∑m·o（7）

空气能量传递平衡方程为

Qcd-∑Wi=∑m·iahoa-hia+V2o-V2i2（8）

式中，hoa和hia分别表示空气的出口焓值和进口焓值，kJ/kg。

内置冷凝器传递热量[17]为

Qcd=m·iaCp，air（Tia-Tci）（9）

其中

m·ia=ρiaV·i（10）

式中，m·ia代表空气的质量流量，kg/h；Cp，air代表空气的比热，kJ/kg·K；V·代表空气的体积流量，m3/h；ρair代表空气的密度，kg/m3；Tia和Tci分别代表空气进入干燥室温度和空气进入冷凝器入口温度，K。

热泵系统的COP[18]为

COPhp=QcdWh（11）

式中，Qcd代表冷凝器放出的热量，kW；Wh代表压缩机的功率，kW。

热泵干燥系统除湿能耗比[19]为

SMER=m·dWh+Wcf+Waf（12）

式中，m·d为干燥速率，kg/h；Wcf为送风机功率，kW；Waf为排风机功率，kW。

热风干燥机的除湿能耗比[20]为

SMER=m·dWe+Wf（13）

式中，m·d为每小时系统除去水分的质量，kg/h；We为电加热的功率，kW；Wf为鼓风干燥箱风机的功率，kW。

2实验结果分析

热泵和热风干燥系统的温度随时间变化曲线如图2和图3所示，热泵和热风干燥系统的初始温度分别设定为50 ℃和55 ℃，由图2和图3可以看出，初始时刻，不同系统的温度都明显低于设定值，这主要是因为干燥物在干燥初期水分含量大，水分蒸发所需要的潜热较大，使空气温度一直低于设定温度，而且干燥货架远离送风口，使温度低于设定温度2～3 ℃。对比图2和图3可知，热泵干燥系统的温度波动较小，而热风干燥系统的温度波动范围较大。这说明热泵机组有很好的稳定性，对设定温度控制的精度比热风干燥系统的高，而热风干燥系统需要利用电加热间歇供热来维持温度稳定，因此温度波动大。

热泵和热风干燥系统相对湿度随时间变化的曲线如图4和图5所示。由图4和图5可以看出，不同干燥系统的相对湿度随着干燥时间的加长而降低。这主要是因为水分在干燥初期从干燥产物中蒸发之后增加了干燥室内的湿度，随着干燥过程进行，系统不断对空气进行除湿，且干燥物中的水分含量逐渐减少，水分蒸发量减少，干燥室内的湿度最终降到最低，干燥过程也逐渐完成。

在不同温度下，热风干燥系统含水率随时间变化曲线如图6所示，热风干燥系统含水率随时间变化曲线如图7所示，随着干燥时间的增加，干燥物质的含水量逐渐趋向平衡，最终达到稳定状态。由图6和图7可以看出，热泵干燥系统比热风干燥系统更快达到含水率的稳定状态，热泵系统完成这一过程需要150 min，而热风干燥系统完成这一过程需要250 min以上。这主要因为在热泵系统中有效水分扩散率较大，水分析出速率高，热泵系统最先达到稳定状态。在相同系统比较下可以发现，温度越高，系统的含水率越快达到稳定状态。通过比较得出，在相同温度条件下，利用热泵干燥系统比热风干燥系统干燥时间能够提高40%左右。

由圖6还可以看出，热泵干燥系统干燥产物最终的含水率在01以下；而由图7还可以看出，热风干燥系统在规定时间内含水率能够达到015～02之间。这主要是因为热泵干燥系统的空气在循环过程中除湿效果明显，干燥室内的循环空气一直处于非饱和状态，可以迅速带走干燥物挥发的水分，使热泵系统干燥物的含水率比热风干燥系统下降的快。由于系统在运行过程中耗功和散热量维持稳定数值，根据式（12）和式（13）可以得出，热泵和热风干燥系统的单位除湿能耗比分别为123 kg/kW·h和024 kg/kW·h。

在不同温度下，热泵和热风系统干燥速率随时间变化曲线如图8和图9所示，两种系统均在初始时刻干燥速率达到最大值。主要因为在初始状态点，苹果的水分含量最大，在干燥相同的时间段内干燥速率处于最大值。55 ℃热泵干燥系统初始干燥速率为19 kg/h，50 ℃热泵干燥系统初始干燥速率达079 kg/h。相同干燥系统温度越高，干燥速率越快。对比图8和图9可知，热风干燥系统的干燥速率仅为04 kg/h。前90 min热泵干燥系统的干燥速率明显比热风干燥系统快，在200 min左右达到稳定值。

不同干燥系统在不同时间段水分扩散率如表1所示，由表1可以看出，不同的干燥系统在初始阶段的水分扩散率较低，这主要是因为水分从干燥物内部迁移到表面需要一定时间，当水分扩散到表面后，水分扩散率的得到迅速提升，并维持稳定，当表面水分蒸发后，水分扩散率会再次降低，这时干燥物中的水分含量明显减少，干燥物得到干燥；从表1中可以看出，热泵干燥系统在相同温度下，水分扩散率的最大值明显大于鼓风干燥系统，提高了热泵干燥系统的干燥速率，干燥时间缩短。相同的系统在不同温度下，水分扩散率也有明显不同，一般情况下，温度越高，系统的水分扩散率越大，水分扩散率与温度成正比关系。

3结束语

本文主要对苹果片热泵干燥系统进行研究。通过对比实验分析，两种干燥系统对苹果片的干燥特性和能源消耗的影响。在热泵干燥系统和热风干燥系统干燥空气流速和干燥空气温度相同时，热泵干燥系统能够达到更低的空气相对湿度，这更有利于吸收干燥物质的水分，提高干燥速率。实验结果表明，热泵干燥系统干燥的苹果片最终的水分含量比热风干燥系统的要低，热泵干燥系统的干燥时间比热风干燥系统减少30%左右，且热泵干燥系统平均有效水分扩散系数比热风干燥系统高。在能源消耗方面，热泵干燥系统的除湿能耗比也明显高于热风干燥系统，热泵干燥系统更适用于苹果片的干燥工艺。

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