空气源热泵烘干大枣系统的研究

韩 明，贾英新(.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 06300； .河北省机电一体化中试基地，河北 石家庄 05008)

空气源热泵烘干大枣系统的研究

韩 明1，贾英新2
(1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200； 2.河北省机电一体化中试基地，河北 石家庄 050081)

本文设计完成了空气源热泵烘干大枣系统，主要研究空气源热泵的设计及大枣干燥的控制方法。

空气源热泵;大枣;干燥系统

近年来，由于雾霾严重，天气恶劣，能源结构将发生变化[1]。新能源将代替燃煤等产生污染的能源[2]。空气源热泵技术越来越成熟，不产生废水、废气，能效比高，空气源热泵将是未来工业的主要能源[3]。热泵实质上是一种热量提升装置，热泵烘干机组利用逆卡诺原理，从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)。把空气源热泵干燥技术运用到大枣干燥中，提高了大枣的品质，节省了能源，减少污染，将有效的解决大枣干燥问题。

1 热泵干燥原理图

热泵烘干技术是利用(制冷剂)在蒸发器中减压蒸发，使蒸发器表面温度低于室内空气露点，这样当空气流经蒸发器时受到冷却而降低到露点以下，空气中多余的蒸汽就会在蒸发器表面冷凝而析出，冷凝水滴入接水盘后，由排水管流入盛水容器中。液态工作介质吸热气化后，经压缩机做功送入冷凝器，在高温高压下冷凝器放出大量的气化潜热。在蒸发器中冷却后的空气通过冷凝器时，吸热温度回升后，以干燥状态排出，与送入室内空气混合。从而降低了室内空气湿度，达到了干燥脱水的目的。热泵干燥原理如图1。

图1 热泵干燥原理图

2 热泵系统的设计

烘干方案的设计是一个系统“工程”。要综合考虑物料属性和产品特性的确定。由于大枣要求保证其色泽及其感官品质等特性，选用静态式烘干方式， 静态式适应所有物料，指的是物料摆放在烘干房内进行烘干，物料是静止的。

2.1 烘干系统的配置计算

根据烘烤经验，设计每次烘干大枣300kg，烘干时间为20h，脱水率40%,烘干房大小：2.5m*1.8m*2.0m。最高温度要求值：65℃；烤房环境初始温度25℃。

(1)烘干房物料加热烘干的热量衡算

脱水量为：M1=1×300×40%=120kg

烘干后的物料量为：M2=1×300-120=180kg

(2)把物料加热到65度所需要的热量Q1

Q1=CM2(t2-t1) =0.46×180×(65-25) =3312(kcal)=3.8kW·H

物料的比热容C=0.46kcal/kg·℃

烘干最高温度t2=65℃

烘干的起始温度t1=25℃

(3)烘干水分蒸发所消耗的热量Q2

Q2=C水M1(t2-t1)+h·M1=4.187×120×(65-25)+2394×65 =20097.6kJ+155610kJ=166496.2kJ =39831.6(kcal)=48.82kW·H

水的相变潜热取h=2394kJ/kg·℃

水的比热容C水=1.0kcal/kg·℃=4.187kJ/kg·℃

(4)排湿过程带走的热量Q3

Q3=40%Q总

(5)有效热量Q总

Q总=Q1+Q2+Q3=3.8+48.82+0.4 Q总

Q总=(Q1+Q2)÷0.6=(3.8+48.82) ÷0.6=88kW

5) 烘干时间为20h，每小时提供的功率为88÷20=4.4kW

2.2 热泵烘干机配置

(1)压缩机的匹配

根据有效热量Q总，选用美国谷轮ZW系列高温压缩机，即ZW61KAE-TFP-542，该压缩机制热温度可以高达65℃以上，输入功率3.7kW，热能效比2.5，制热能力9.2kW。采用环保型制冷剂R134a,R134a破坏臭氧层的潜能值ODP为零，无色无味，不燃，具有良好的热稳定和化学稳定性。

(2)冷凝器与蒸发器面积的计算

冷凝器面积：F0=1000QK/(K0ΔTM)

QK=C1Q0Q0=Q0’*95%*98%

F0为冷凝器的面积，Q0’为压缩机标称制冷量14.45kW，C1是负荷系数1.253， K0传热系数为33.182,ΔTM对数的平均温差11.677℃，QK冷凝器的热负荷。

冷凝器面积：

F0=1000*1.253*95%*98%*14.45/(33.182*11.677)=43.655m2

蒸发器面积：

F=1000*Q0/(KΔTM)=F0/C1=43.655 /1.253=34.840m2

冷凝器及蒸发器均采用0.115mm的亲水铝箔，片型为波纹片，翅片间距为2.0mm，分布均匀，无变形。长U管φ9.25mm、δ=0.35mm光管，短U管φ9.52mm、δ=0.60mm光管。

2.3 大枣干燥工艺

大枣的干制，是把鲜枣的水分降到25%左右，使可溶性固体物浓度升高达到微生物难以生存和利用的程度，并抑制酶的活性，以达到长期保存和利用的目的。大枣的干燥工艺根据高效空气源热泵循环与干燥介质循环耦合技术及当地农户的烘烤经验，采用平流式烘干方式。

最终的烘烤工艺如下：

(1)预热阶段：烘烤开始，关闭排湿口和进新风口，使烤房的温度迅速升温到45℃。

(2)恒定阶段：大枣在45℃～55℃大量排水，应保持此温度5～10h，具体时间根据装载量进行调整，若温度达不到时调小进风口，此阶段需要达到60～70%干。

(3)高温阶段：定色定型之后，提高温度到60℃,直到完全烘干，此时排湿口的相对湿度在15%左右。

(4)结束阶段：完全烘干后，可以关闭机组，把大枣闷半小时左右，之后便可以出烤房。

大枣干燥的要点可以概括为，在保证温度的情况下尽量排湿，这样得到的大枣褐变程度较轻，呈暗红色。在干燥过程中，烤房内部的温度要缓慢提升，并且最高温度不能超过65℃。

3 控制系统的设计

整个控制系统主要控制三部分干燥室、循环空气处理部分和热泵如图2所示。

控制系统通过采集干燥室内的温湿度传感器的数据，实时监测到物料表面温度及其空气中的湿度，再通过温湿度判断新风量及其循环空气情况，最终控制热泵系统中压缩机及其风机运行时间，已达到物料合理干燥的目的。具体控制逻辑如图3。

图2 空气源热泵干燥装置的控制框图

图3 空气源热泵干燥系统的控制逻辑

在空气源热泵控制系统中，温湿度是一种带反馈的闭环控制。根据温湿度传感器采集干燥箱的实际数据，与设定数据相比较，控制执行机构启停，将干燥箱内的温湿度控制在设定值范围内，达到空气源热泵干燥的控制精度。温度和相对湿度控制的惯量比较大，变化趋势是相反的。温度控制主要是比较当前的温度值和设定值，调整压缩机的运行时间，以此来调节热量交换的流量，使干燥箱内的温度稳定在设定值。湿度控制是建立在温度控制的基础上的，在目标温度下比较当前的相对湿度和设定湿度值，调整排湿风门和进风门的开度，把潮湿的空气排出，相对湿度较高的空气经过发热器时，温度降低，其所含的水分将冷凝成水析出经排水管排出机组外，把相对湿度控制在湿度设定值。

4 结论

本文把空气源热泵运用到大枣烘干过程中，以达到降低能源消耗和提高烘干后大枣品质效果。系统采用保温效果好的保温材料作为干燥室箱体，减少了烘干过程中无谓的能耗损失。全自动的温湿度过程控制，控制精度高，灵活方便。换热过程中不需要特殊技术的换热器。封闭循环的热风循环方式有利于降低运行能耗。排湿系统通过蒸发器的热回收增加了热泵的工作效率，提高热泵的能效比(COP值)水平，同时降低了能耗。

[1] 燕一松.雾霾已成能源结构调整的“催促鞭”[J].中国石油企业,2013,Z(1):36-37.

[2] 李振宇,黄格省.推动我国能源生产革命的途径分析[J].化工进展,2015,(10).

[3] 张昌. 热泵技术与应用.北京机械工业出版社,2008.

[4] 郑春明. 热泵在农副产品干燥中的应用[J].农机与食品机械, 1997,(2):26-28.

[5] 张绪坤, 胡文伟, 张进疆,等. 国内外热泵干燥的现状与展望[J].江西科学,2009,27(4):629-633.

[6] 潘永康, 王喜忠, 刘相东.现代干燥技术[M].化学工业出版社,2007.

Study on drying jujube system by air source heat pump

HAN Ming1，JIA Ying-xin2
(1.ShougangJingtangUnitedIron&SteelCo.Ltd，TangshanHebei063200,China；2.HebeiMechatronicsIntermediatePilootProdutionBase，ShijiazhuangHebei050081,China)

In this paper, an air source heat pump drying jujube system is designed. This paper mainly studies the design of air source heat pump and the control method of jujube drying.

Air source heat pump; Jujube; Dry system

2017-05-25

韩明,男,工程师,主要研究方向：变频器及自动控制.

1001-9383(2017)02-0042-05

TK172

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