太阳能热泵联合干燥农产品的实验研究

李　锐王瑞霞江燕涛（广东海洋大学工程学院，广东湛江5405）

太阳能热泵联合干燥农产品的实验研究

李锐1王瑞霞2江燕涛3
（广东海洋大学工程学院，广东湛江524025）

太阳能干燥是农产品干燥方法中比较节能的方法，但由于太阳能间断性和不稳定性，单一利用太阳能干燥将大大降低干燥效率，并且由于农产品物料的多样性和性质的复杂性，单一太阳能干燥很难满足干品的质量要求，常常采用的办法是和其他能源结合。本文从新能源开发利用与节能减排的角度出发，基于湛江地区农户对农产品干燥的需求现状，设计了一种太阳能与热泵联合干燥装置，利用该装置对白萝卜进行干燥实验，验证了该装置的干燥效果，结果表明该干燥装置的运行经济可靠，并具有良好的农产品干燥效果。

太阳能；热泵；干燥；含水率

1　引言

太阳能具有清洁无污染的可再生能源特点，并且是再生的，开发新能源将其应用于果蔬的干燥是切实可行的，但同时它是一种不稳定的间歇性能源，这使得太阳能需要结合其它能源应用于干燥［1］。太阳能辅助热泵干燥系统将单热源的热泵干燥与太阳能结合起来，该联合干燥技术既集二者优点，又克服了太阳能干燥受气候条件影响的弱点［2］。

2　实验方法

实验研究在搭建成型的一种太阳能热泵集热系统上进行，研究阶段共分6次实验，其中分别为2次太阳能实验，2次热泵实验，1次太阳能+热泵实验、1次热泵+太阳能实验，测试系统测试干燥过程中集热器和干燥室进出口空气的温度，并记录消耗电量，为太阳能集热系统性能分析研究提供数据。

2.1材料预处理

由于白萝卜含水率高，初始含水率一般在95%左右，比较适宜作为干燥实验的物料。实验研究所用材料为白萝卜。选取长势好、大小均匀、组织嫩脆、新鲜、无腐烂、长约30cm，直径约7cm的白萝卜，清洗干净、切除根梢，切成（1.2～1.6 cm）×30 cm的白萝卜条。

2.2实验研究方案

方案一:晴天太阳能辐射强度大，干燥箱进口温度达到约55℃时，单独开启太阳能干燥系统；方案二:阴天和晚上用热泵对物料进行干燥实验；方案三:用太阳能+热泵进行干燥实验。

每次实验萝卜条用量为15kg，均匀铺在物料架上，干燥至安全含水率8%。在实验过程中，抽取部分样品标上记号，每2小时取一次样本，测试样本重量，实验完成后记录整个干燥过程所消耗的能量。

由于白萝卜含水量高，比较难干燥，因此，实验设计共干燥24h左右。

2.3水率测定

采用常压烘干箱法，即热失重测量法。该操作方法简单，通过测量加热前后重量变化换算出水份含量。计算公式:

通常根据实际操作经验，估计干燥的时间约为24小时左右，并且隔2h，进行再次称重，重复几次直至样品质量变化不超过某一范围。

2.4物料含水率表示方法

物料含水率的表示方法有两种:湿基表示法和干基表示法。

湿基含水率，用w表示，即:

式中:

2.5含水率测定实验

实验方法是:选取长约30cm，直径约7cm的优质白萝卜，把萝卜清洗干净、切除根梢，切成8cm左右厚度的萝卜片，将处理好的物料均匀铺在物料架上。将7.35kg切片物料平铺，用热泵单独实验干燥14.5h后称重为495g，然后将干燥后的495g物料在太阳下晒3天后重量为424g，第3天称重重量与第2天称重对比，物料重量变化不超过2%时，即认定此重量为绝干重量，根据式2 -1计算出初始含水率（%）=94.3%，从而可以得出物料初始含水率94.3%，与资料查到白萝卜的初始含水率在95%左右很接近。

3　干燥系统综合性能指标

为了对热泵干燥装置的性能进行深入的研究，通常用热泵性能系数（COP，无量纲值）、单位时间除湿量（MER，kg/h）和单位能耗除湿量（SMER，kg/（kW·h））来综合评价一个热泵干燥系统［3］。

单位能耗除湿量SMER，单位为kg/（kW· h），表征热泵系统性能指标的物理量。是除湿设备主要的经济评价指标，即在消耗单位能耗的情况下，干燥设备的除湿量［7］。其定义式为:

式中:

Ms—消耗电能，kWh。

传统干燥器的理论SMER值为1.595kg/ （kWh）（100℃），而实际的SMER只有理论值的20%～80%［4］。

单位时间除湿量MER，单位为kg/h，表征热泵系统干燥速率的物理量。其定义式为:

式中:

M d—除湿量，kg；

H—除湿耗时，h

热泵系统性能系数COP，表征热泵效率的无量纲物理量，其定义式为:

式中:

Q—高温下热泵输出的有用热量；

W—压缩机消耗的电能。

热泵的COP值越高，说明热泵热效率、热工性能越好。但实际热泵运行并非理想热力循环状态，往往其性能系数只有理想热泵的40-50%［6］。COP值越大，热泵效率也越高。格力空气源热泵夏季制冷性能系数COP值在3.0左右，冬季不计算计化霜损失，制热系数COP值也在3.0左右。夏季节约电能效果明显，是常规电热水器的1/4。

4　结果与分析

4.1实验结果

共进行6次干燥实验，白萝卜在晴天太阳能实验和阴天或晚上的热泵实验各两次，两次白天太阳能+晚上热泵干燥实验。其中，实验1，3和4干燥后最终含水率均达到了8%（白萝卜干燥的安全含水率）以实验2，5和6含水率稍高。实验参数如表4-1。

表4-1　白萝卜干燥实验数据对比列表

对比实验后干品品质，可以得出太阳能干燥时不需要抽湿机工作，既可以达到干燥品质要求，又节约能源；而热泵干燥热湿空气循环空间只有干燥室内部，不用抽湿机工作会降低干燥速率，且物料在高温高湿情况下，容易腐烂变质，对干燥品质造成影响。

4.2实验1、2干燥室进出口温度变化分析

由图4-1，图4-2可以看出，实验1干燥箱进出口温差为5℃，干燥箱入口温度比环境温度高16.6℃；而实验2干燥箱进出口温差更大，为9.2℃，干燥箱入口温度比环境温度高12.5℃；

温度随时间实时变化原因分析:早上9点，太阳能辐射强度小，集热器吸收的的热量少，且干燥前期，物料表明的自由水蒸发快，需要的热量多，因此干燥箱入口的温度低，大约在50℃左右。随着太阳能辐射强度的增大，干燥系统的温度不断升高，在中午12时左右达到最高约65℃，然后又呈下降趋势，至下午5点时候温度和早上10点比较接近，图形类似向下开口的抛物线。最晚下午6点结束实验，为防止湿物料变质腐烂，晚上回收进冰箱冷藏，第二天继续太阳能干燥实验。

两次太阳能干燥实验，干燥箱入口处平均温度均达到50℃左右，比室外空气温度高出13℃左右，太阳能热风干燥与直接晒干相比可以较大的缩短干燥周期。

4.3实验1、2样品重量和湿基含水率随时间变化

对实验测得的样品重量进行处理，让最终含水率均为8%，可以得出样品含水率随时间变化的数值及曲线变化，如表4-2。

图4-1　实验1干燥室进出口温度变化曲线图

图4-2　实验2干燥室进出口温度变化曲线图

表4-2　实验1、2样品重量和湿基含水率随时间变化表

由图3-3，图3-4可以看出:⑴干燥样品重量随时间变化曲线与干燥样品含水率随时间变化曲线规律是一致的。⑵太阳能干燥实验在22个小时的干燥过程中，含水率变化曲线比较光滑几乎呈一条直线，随时间稳定下降。在22h，样品含水率在14%左右处出现了转折，开始进入降速干燥阶段。经过2个小时，干燥时间达到24h时，实验1样品含水率达到了8%，经过4个小时，干燥时间达到26h时，实验2样品含水率达到了8%。

由以上分析可以得出结论，白萝卜太阳能干燥实验，在22h之前属于恒速干燥阶段，在22h出现转折，之后进入降速干燥阶段，干燥时间在26小时左右可达到白萝卜干燥的安全含水率8%左右。

图4-3　实验1、2干燥样品重量随时间变化曲线图

图4-4　实验1、2干燥样品含水率随时间变化曲线图

图4-5　实验3进、出水温度随时间变化曲线图

图4-6　实验4进、出水温度随时间变化曲线图

图4-7　实验3干燥室进出口温度变化曲线图

4.4实验3进、出水温度随时间变化分析

由图4-5，图4-6可以看出进、出水温度温度随时间变化曲线靠的非常近，说明两者温差很小，干燥箱得到热量为热泵热水管供给热量。

4.5实验3、4干燥室进出口温度变化分析

从图4-7，图4-8，可以看出:在白天时候进出口温差很小，晚上稍大；干燥前期温差稍小，干燥后期温差稍大。由于热泵干燥空气循环空间极小，仅为干燥箱内部空间，所以干燥箱进出口温差并不能反映物料得到热量的大小。

4.6实验3、4样品含水率随时间变化分析

实验3热泵实验，干燥过程进行9.5h后进入晚上，由于样品重量是人工称重，测量数据缺失（9.5-21.5）h的数据，同理实验4，缺失（6-17.5）h的数据。根据图4-8实验1、2干燥样品湿基含水率随时间变化曲线得出的结论，干燥至含水率在14%时，均为等速干燥阶段，含水率在14%-8%为降速干燥阶段，对实验测得的数据进行处理和推测，让最终含水率均为8%，可以得出样品含水率随时间变化的数值及曲线变化，如图4 -9。

由图3-9得出，热泵干燥实验在17个小时的干燥过程中，含水率变化曲线比较光滑几乎呈一条直线，随时间稳定下降。在17h时，品含水率在14%左右处出现了转折，开始进入降速干燥阶段，与太阳能干燥时变化规律一致。经过4个小时，干燥时间达到21时，实验3，4样品含水率均达到了8%。

图4-8　实验4干燥室进出口温度变化曲线图

图4-9　实验3，4干燥样品含水率随时间变化曲图

图4-10　实验5干燥室进出口温度变化曲线图

图4-11　实验6干燥室进出口温度变化曲线图

图4-12　实验5干燥样品含水率随时间变化曲线图

可以得出结论，白萝卜热泵干燥实验，在前17h属于恒速干燥阶段，在17h出现转折，之后进入降速干燥阶段，干燥时间在21小时左右可达到白萝卜干燥的安全含水率8%以下。

4.7实验5，6干燥箱进出口随时间变化曲线图

从图4-10，4-11可以看出:太阳能干燥实验时，干燥箱进出口温差稍大，热泵干燥实验时温差很小；热泵干燥时，干燥箱供给热量比较均匀，由于干燥后期需要热量少，图4-10可以看出热泵干燥后期箱内温度逐渐升高，所以热泵干燥比较适合前期干燥。

无论太阳能实验，还是热泵实验干燥箱入口均比环境温度高13℃左右。由于热泵干燥空气循环空间极小，仅为干燥箱内部空间，所以干燥箱进出口温差并不能反映物料得到热量的大小。

4.8实验5，6干燥样品含水率随时间变化曲线

实验5，干燥过程进行8h后进入晚上，由于样品重量是人工称重，所以缺失（10-18.5）h的数据，同理实验6，缺失（2-11.5）h的数据。根据图4-3实验1、2干燥样品湿基含水率随时间变化曲线得出的结论，干燥至含水率在14%时，均为等速干燥阶段，含水率在14%-8%为降速干燥阶段，对实验测得的数据进行处理和推测，让最终含水率均为8%，得出图4-12的样品含水率随时间变化的曲线变化。

由图4-12得出，干燥实验的前期干燥过程中，含水率变化曲线比较光滑几乎呈一条直线，随时间稳定下降，干燥实验的后期干燥过程中，含水率下降比较缓慢，最后的2个小时，几乎是平行于时间轴，变化甚微。由于测量的数据有限，实验5预计在干燥时间为19h左右处，开始进入降速干燥阶段，预计干燥时间达到22h时，实验5样品含水率达到安全含水率8%；实验6预计在干燥时间为22h左右处，开始进入降速干燥阶段，干燥时间达到26h时，实验6样品含水率达到安全含水率8%。

对比实验5，6，可以得出实验后期干燥过程比较缓慢，实验6后期用太阳能干燥，降速阶段时间较长。可以得出结论，白萝卜太阳能与热泵联合干燥实验，在前21h属于恒速干燥阶段，在21h出现转折，之后进入降速干燥阶段，干燥时间在25小时左右可达到白萝卜干燥的安全含水率8%以下。

通过以上分析，对表3-1实验结果进行修正，均干燥至含水率8%时，实验结果见表4-3:

表4-3　白萝卜干燥实验数据对比列表

通过表4-3看出，单位时间平均除湿量最小的是实验1，2太阳能实验，最大的是热泵实验，太阳能+热泵介于两者之间。

5　小结

通过实验研究，由样品重量时间变化曲线的分析，物料干燥的规律，和达到安全含水率所需要的时间来看，得出太阳能干燥单位能耗比热泵干燥小，节能率达51%左右，明显减少了电能消耗；热泵实验的单位时间平均除湿量比太阳能干燥实验大，太阳能+热泵联合干燥实验则介于两者之间；而太阳能干燥实验的平均单位能耗除湿量比热泵干燥实验大，太阳能+热泵联合的单位能耗除湿量视太阳能和热泵干燥时间分配情况而定，由此推论太阳能干燥效果比热泵效果更优更节能。

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［3］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，2000，31（3）:109-111

［4］陈东，谢继红.热泵干燥装置［M］.北京:化工工业出版社，2006，12

［5］Mujumdar A S.Handbook of Industrial Drying［J］.Second Edition Revised and Expanded，1995，1241-1275

Experimental Study of Solar and Heat Pump Equipment Combined Drying of Agricultural Products

LIRui1；WANG Ruixia2；JIANG Yantao3
（Engineer College of Guangdong Ocean University，zhanjiang524025，Guangdong，china）

Solar drying ismethod of drying agricultural productsmore energy-efficientmethod，but due to solar discontinuity and instability，using a single solar drying will greatly reduce the drying efficiency，and due to the diversity of agricultural productmaterial and properties of complexity，the single solar drying is difficult tomeet the quality requirements，isoften used in combination with other energy.This paper from the new energy developmentby starting with the perspective of energy-saving emission reduction，Zhanjiang area farmers to meet needs of drying agricultural products，design a kind of solar energy and heatpump combined drying device based on，drying experimentswere conducted using the device ofwhite radish，verify the the device the drying effect，the results show that the drying device as the economy running reliable，and has good agricultural products drying effect.

Solar；Heat pump；Dry；Themoisture content

TK51

B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.014

ISSN1005-9180（2016）02-070-07

2015-12-29

李锐（1972-），男，实验师，研究方向:制冷与空调技术。Email:gdourui@126.com。

江燕涛，Email:jiang238@163.com