海带太阳能辅热耦合干燥系统的设计与试验

朱 烨， 江 涛， 洪 扬， 陈 超， 邹海生， 邢精珠

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业部渔业装备与工程技术重点实验室，上海，200092)

海带是一种低碱性食物，富含人体所需的碘、钙、磷等多种元素，是抑制老年肥胖，消除动脉硬化、防止甲状腺肿大等疾病最理想的疗效食品之一[1]。中国海带养殖面积很广，沿海各地都有养殖，福建、江苏、山东等地的海带加工厂也很多。采收的新鲜海带通常含水率约为90%，需要经过粗加工进行脱水干燥处理，以便储藏、再加工和消费。而干燥处理，是海带加工中的重要技术过程。天然晾晒是传统的海带干燥方式，受到场地以及天气的影响，存在卫生状况差、晾晒周期长、劳动力大等问题，导致海带品质低。使用锅炉燃煤的方式烘干海带，易造成污染环境，而且能源利用率低。使用天然气为能源的方式烘干海带，能源和设备维护成本较高，安全性不可靠[2]。

热泵干燥目前在各个领域的研究应用较多，相对于燃煤、燃气、燃油设备，其节能40%～60%，且烘干产品质量好[3-5]。1943年，德国首次采用热泵技术用于地下室除湿，之后迅速得到应用[6]，如用热泵干燥机对种子、果蔬进行干燥试验，结果表明热泵干燥是一种节能、有效的干燥方法[7-10]。张建峰等[11]利用可编程控制器(PLC)与热泵干燥结合，对干燥温湿度、风速等进行设定和自动控制，提高了干燥产品品质。张宇凯[12]采用比例-积分-微分控制(PID)与模糊控制结合的方法，增强控制的精确适应性。另有一些研究表明，采用太阳能耦合热泵式干燥，能够节约能耗、提高能源利用率[13-17]。张璧光等[18-19]做了太阳能热泵联合干燥的试验研究，验证其可行性。但现有针对海带干燥方面的研究较少。

本研究设计了海带太阳能辅热耦合干燥系统，通过对阳光棚结构设计、温湿度调节，进行试验分析，为海带干燥技术提供新方法。

1 耦合干燥系统

中国有较丰富的太阳能资源，约有2/3的国土年辐射时间超过2 200 h，年辐射总量超过5 000 MJ/m2[20]。热泵干燥具有节能环保、污染环境少等优势，将太阳能与热泵系统耦合，能够降低干燥过程的电能消耗。耦合干燥系统主要由阳光棚、热泵系统和太阳能储热系统3大部分组成(图1)。其工作原理是：阳光棚内空气经太阳光照，温度升高；太阳能储热系统给水箱储热，可为阳光棚提供热量；热泵系统对阳光棚内空气加热与除湿；这3种形式的加热模式可进行耦合，被处理后的热空气经阳光棚内鼓风机送入干燥室，对物料进行干燥处理；排出的热量可通过排湿热能回收器回收至蒸发器侧。该系统具有以下特征：根据当地气候特征设计太阳能集热器和热泵功率，提高集热器的集热与蓄热能力及热泵的供热能力；提供3种供热模式，可根据物料干燥情况改变不同耦合模式；干燥室内装有侧排风机，外部装有余热回收器，温度较高而湿度较大的空气可通过侧排或余热回收器回收。

图1 耦合干燥系统示意图

2 阳光棚结构设计

阳光棚由排风系统、温控系统、风道、悬挂机构等组成(图2)。

图2 阳光棚结构图

2.1 风道

根据海带的特性，可调节拆卸风板，形成两种风道模式：一种是从上进风，一种是从侧面进风。这两种模式分别适用于海带悬挂和海带平铺。若从上进风，需将第一风室内用拆卸挡板1封住，则风从第二风室经鼓风机直接进入干燥室内；若从侧面进风，则需将干燥室内上部用可拆卸挡板2封住，则风从第二风室经鼓风机、干燥室上部进入第一风室内，然后通过侧面散流挡风板将风均匀引入干燥室内。试验过程中，选用悬挂模式，对整根海带进行烘干。

2.2 悬挂机构

悬挂机构是采用直径4 mm钢丝绳为海带的挂架，钢丝绳穿过固定在干燥室上部干燥室风板下部的挂钩上，来回绕用锁扣紧固，共绕16排。在钢丝绳上固定改造后的海带夹，一排4个海带夹。

3 试验装置设计

3.1 设计参数的选择

阳光棚(长×宽×高)4 m×2 m×2 m，烘房(长×宽×高)3 m×2 m×1.6 m。放置海带64根，总质量60 kg，一根海带大小为(长×宽)1.6 m×0.2 m，初始含水率约90%，烘干后含水量15%以下。试验所在地为山东省荣成市寻山集团。7—8月份，白天平均气温25 ℃，大气压强0.1 MPa，空气相对湿度80%，日均照量15.135 MJ/(m2·d)。

3.2 干燥所需排湿量

海带排湿量由式(1)可得：

(1)

式中：W—海带排湿量(kg)；m—海带初始质量(kg)；V1—海带初始含水率(%)；V2—干海带含水率(%)。代入已知参数，可得W=52.94 kg。

3.3 干燥过程需热量计算

为了节省能耗，白天采用光照加集热水箱形式供热，下午16：00开启热泵进行烘干。

1)外墙逃逸能量[21]

Q外损=A×Δt×h

(2)

式中：A—外墙面积，m2；Δt温差，℃；h—表面传热系数，W/(m2·K)，传热系数为0.7 W/(m2·K)；Q外损—外墙逃逸能量，J。计算可得Q外损=1 288.89W=4.64×106J

2)地面损失热量

Q地损=A×Δt×h

(3)

式中：A—地面面积，m2；Δt温差，℃；h—表面传热系数，W/(m2·K)，铝板地面加保温材料，传热系数为2.5 W/(m2·K)；Q地损—地面损失热量，J。计算可得Q地损=1 150 W=4.14×106J

3)排风损失热量

m空气=ρY

(4)

m排风含湿量/进风含湿量=m饱和含水量×Ψ

(5)

m排风含水量/进风水量=m排风含水量×m空气

(6)

Q排风/进风=Cm排风水量/进风水量Δt

(7)

式中：Y—热交换排风风量(m3/h)，为2 800 m3/h；ρ—空气密度(kg/m3)，为1.29 kg/m3；C—水比热容[J/(kg·K)]，为1.003 J/(kg·K)；m饱和含水量—排气温度25 ℃，Ψ湿度80%的饱和含水量 (g/kg)，饱和含水量为20.36 g/kg；排气温度30 ℃;Ψ湿度60%的饱和含水量(g/kg)，饱和含水量为27.28 g/kg；进气温度22℃，Ψ湿度60%的饱和含水量(g/kg)，饱和含水量为14.9 g/kg；Q排风/进风—排风/进风损失热量，J。计算可得:Q排风= 2.92×106J，Q进风= 5.2×106J，Q总热损耗=16.9×106J。

4)水蒸发吸热量

Q吸1=C海水m1Δt

(8)

Q吸2=r×m2

(9)

式中：Q吸1—海带吸收能量(J)；C海水—海水比热容[J/(kg·K)]，海水比热容为3 890[J/(kg·C)]；m1—海带质量(kg)，含水率65%海带质量为17.15 kg；Δt—温差(℃)；Q吸2—水气化吸收能量；r—53.9℃水气化潜热，汽化潜热为2 372.3 kJ/kg；m2—水蒸发的质量(kg)，水蒸发质量为10.1 kg。

热泵开启，海带含水率从65%(17.15 kg)降到15%(7.05 kg)，Q吸1= 2.0×106J ，Q吸2=2.4×107J，Q总吸=Q吸1+Q吸2=26×106J。

3.4 太阳能集热板面积大小计算

太阳能集热器的主要作用，就是把太阳光中的热能收集起来，通过连通管路传递给水箱，加热水箱中的冷水，起到储热作用。本文选择全玻璃真空管集热器[22]。每根太阳能真空管的集热面积为0.152 m2，设水箱内水的质量为1 000 kg。

(10)

式中：Ac—系统集热器采光面积[23]，m2；Qw—日均用水量kg；tend—储水箱内水的终止温度，50 ℃；Cw—水的定压比热容4.187 kJ/(kg·℃)；ti—水的初始温度30 ℃；JT—集热器受热面上年均日辐照量15 135 kJ/m2；f—太阳能保证率，0.7；ηcd—集热器集热效率，0.6；ηL—管路及储水箱热损失率，0.15。

计算面积Ac=7.6 m2，n=50根管子，即需要1组真空管(50根)，规格为直径58 mm×1 800 mm。

3.5 热泵选型

根据热泵厂家提供3P空气能热泵性能参数，制热量Q=10 kW，抽湿量CS=8 L/h，余热回收装置可排湿2 L/h；再根据计算的热损耗量，故选择江苏欧麦朗设备安装工程有限公司0ML-3P型热泵。

4 耦合干燥系统试验

在山东荣成地区多云、晴天两种天气环境条件下进行试验。

经测试、整理，得出海带干燥时外部环境温度、湿度、光照度随时间变化，同时测得阳光棚内部的温度、湿度变化过程。表1为模式1(纯热泵干燥模式)，表2为模式2(集热板模式+热泵干燥模式)，表3为模式3(通风+热泵+集热板模式)，表4为耗电量、海带含水率等对比。按照模式1、2、3烘干完测得，海带根部(最后部位)含水率分别为10.34%、8.33%和9.24%。

表1 纯热泵干燥模式

表2 集热板模式+热泵干燥模式

表3 通风+热泵+集热板干燥模式

从以上3种模式可以看出，阳光棚内相对含水率下降速度不同，当含水率达到60%左右时，模式3所需时间最短，当在13:00左右时就已经达到要求，比其他两种模式快了1 h左右；模式2和模式3，因同是晴天条件，太阳辐射量基本相同，运用集热板模式+热泵干燥方式，但模式3通风条件好，干燥时间要比模式2短，耗电量小，说明通风对海带干燥有一定影响；同时，模式3环境温度高，湿度低，导致其效率比模式2高，干燥速率与环境温度、湿度有关系。3种模式中，共同点就是当相对湿度达到稳定值，需适当提高阳光棚温度，使得海带内部结合水迁移到表层，则可蒸发出水分，其相对湿度就会降低；当继续升温，其相对湿度不会改变，这是因为水分由海带内迁移到表层的速度变慢，落后于蒸发速度，海带内结合水基本达到干燥性能指标，然而温度过高会造成海带干透或内部结构变质，所以需适当调节温度，既能节省能耗，又能提高干燥品质。3种模式条件下，外部环境温度、湿度对干燥效率有很大影响，模式1环境条件较恶劣，温湿度高，较难进行干燥，而模式3环境条件最好，比其他两种模式要好。

从表4可以看出，在鲜海带量最少的条件下，纯热泵干燥耗电量最高；而采用通风+热泵+集热板模式，耗电量最少。根据当地企业技术人员工作经验可知，干海带含水率在15%左右，利于保存、不易变质。综上可知，通风+热泵+集热板海带干燥模式最为经济、高效。

表4 3种模式对比

5 结论

采用通风+热泵+集热板干燥模式建立海带太阳能辅热耦合干燥系统。在环境温度27.5 ℃时，阳光棚最高温度可达50 ℃；环境温度低，开启热泵对阳光棚加热，可保证物料加热温度，具有节能环保的优点。该系统不仅能够保证干海带品质，同时还能干燥其他水产品。利用通风+热泵+集热板干燥海带，温度在40 ℃，该阳光棚10 h可干燥海带60.32 kg，热泵烘干时间只有5 h。多云或阴天，可进行热泵烘干，而且比日晒的海带品质好。利用太阳能辅热耦合干燥系统对海带干燥是可行的，但阳光棚的热损耗1.7×107J，与吸收热量2.6×107J相差不多，存留的热量少，后期可以增加阳光棚保温性，减少热能损耗。

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