新型闭环除湿热泵烘干机系统设计

康玉宽　刘丽娟　陆景　李众立

摘 要：针对秦巴山区苍溪县山珍资源优势和农户实际烘干需求，设计了一种新型閉环除湿热泵烘干机。本文阐述了除湿热泵烘干机的结构及运行原理，然后对木耳进行不同模式下的烘干试验。结果表明：低温除湿模式去水能力较好，木耳的干燥品质较好，而且换热效率高达85.7%。

关键词：热泵烘干机;闭式高温干燥;低温除湿干燥;恒温干燥

中图分类号：TS203 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）11-0026-04

Design of a New-Type Closed Cycle Desiccation Heat Pump Dryer System

KANG Yukuan LIU Lijuan LU Jing LI Zhongli

（City College， Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621000）

Abstract： A new type of closed-loop dehumidification heat pump dryer was designed according to the resource advantages of Cangxi County in Qinba mountain area and to meat the actual drying needs of farmers. This paper described the structure and operation principle of the heat pump dryer， and then carried out the drying test of auricularia auricula under different modes. The results show that the low-temperature dehumidification mode has better water removal ability and better drying quality of Auricularia auricula， meanwhile ，the heat transfer efficiency is reach up to 85.7%.

Keywords： heat pump dryer;closed high temperature drying;low temperature dehumidification and drying;constant temperature drying

随着热泵烘干技术[1-2]的推广，烘干机成本降低，经济效益提高，能耗降低。热泵烘干技术可实现能量的循环利用，能效比高达5.8。同时，热泵烘干室温度可以始终控制在50 ℃左右，温和、细致地烘干物料，能达到自然晾晒的效果，并且能够保持物料的色、香、味和营养成分，因此，能满足各类烘干材料的需求，并根据温度及相对湿度的变化调整烘干工艺进行个性化、自动化烘干设计，实现高效率、低成本、高产量的新型闭环除湿热泵烘干技术[3]是农业生产设施的最佳选择。

1 新型闭环除湿热泵烘干机设计及工作模式

1.1 新型热泵烘干机组成（样机参数）

研究者设计的新型闭环除湿热泵烘干机，“闭环除湿”是指将待干燥的产品放在密闭的保温箱内，通过闭式循环风将水蒸气冷凝后排出机柜，达到除湿干燥的目的。试验样机的主要部件（图1所示）有压缩机（型号为2V42W225AZ，属于往复式压缩机，制冷量7.355 kW，输入功率2.26 kW，压缩机制热温度可达60 ℃以上，制冷剂为R22）、气液分离器、电子膨胀阀（DPF-1.8C）、内/外冷凝器（外冷凝器面积16.18 m2，内冷凝器面积12.91 m2）、辅助换热器（面积10 m2）、干燥过滤器、风机、四通阀（STF-0408）、阀门等和相关管路。其中，内/外冷凝器及辅助换热器的翅片为波纹片，翅片间距为1.8 mm，厚度为0.115 mm，R22作为热泵制冷剂。

1.2 工作模式

新型闭环除湿热泵烘干机的原理如图2所示。与传统热泵干燥装置不同的是，新型闭环除湿热泵烘干机将一个外换热器安置在压缩机和内换热器之间，并配置冷凝风机;通过调节四通阀，切换使用辅助换热器，实现系统的控温功能，同时可以回收外换热器加热时产生的热量。

为了满足秦巴山区气候特点和不同山珍的烘干需求，新型闭环除湿热泵烘干机控温除湿[4]部分共设计了3种模式：闭式高温干燥、低温除湿干燥和恒温干燥。

1.2.1 闭式高温干燥模式。闭式高温干燥模式，四通阀开启，工质阀2接通，工质阀1断开，辅助换热器功能转换为冷凝换热，外换热器功能转换为蒸发换热。经外冷凝器加热后的空气经风机送入干燥室，加热物料，变为高温高湿的空气，经干燥室排出，与辅助换热器进行热交换，湿空气被加热，再与内冷凝器进行热交换，变为高温空气，再由风机送入干燥室，如此循环工作。此模式中，外冷凝器为蒸发器，有利于与空气交换更多的热量，提高空气的加热效率。

1.2.2 低温除湿干燥模式。低温除湿干燥模式，首先四通阀不上电，处在自复位状态，然后开启外冷凝器风机。工质阀2断开，工质阀1闭合。经外冷凝器处理后的空气在干燥室内流通，流通过程伴随空气状态和空气温度变化，具体过程如下：空气吸收物料表面的水分后，湿空气经过蒸发器，蒸发作用下导致表面温度下降。低温空气开始凝结成水珠，从排水管流出。室内空气经过内换热器加热后，再由风机送入干燥室，完成一次低温除湿干燥循环。

1.2.3 恒温干燥模式。在持续高温过程中，当烘房室内空气温度值达到设定值，可调节四通阀，将外换热器切换功能，由原来的蒸发换热功能转换为冷凝换热，将内冷凝器和辅助换热器的其中一个，由冷凝换热转换为蒸发换热，达到能量平衡，实现恒温干燥过程。循环空气进入干燥室后，吸收物料表面的水分，与物料进行热交换，变为高湿空气，经风机排出，流经外冷凝器，蒸发作用下，空气中的水蒸气凝结出水珠，变为低温干燥空气，再经内冷凝器放热后，变为高温空气，经风机送入干燥室加热物料。此时，冷凝风机打开，系统处于半开放状态，与外界进行热交换，达到恒温过程。

1.3 控制方案

控制方案控制流程如图3所示[5]。

该控制方案实现了新型闭环除湿热泵烘干机的闭式高温干燥过程控制、低温除湿干燥过程控制、恒温干燥过程控制。系统在上位机的控制下，首先进行系统初始化，模式选择，数据采集、数据处理，执行完成后，系统控制风机运转，上位机显示风机状态，若正常，执行下一步压缩机工作，如不正常输出执行，上位机显示原因。上位机指示压缩机状态监测，若正常，系统执行下一步运行时间段[t1]设置，如不正常则输出执行，上位机显示原因。执行程序在整个运行时间段内完成预设温、湿度控制、PID控制。执行完成后，程序进行温度范围监测，若系统达到预设温度范围，系统执行输出，若未达到系统预设温度范围，系统执行报警，上位机显示，最后结束控制。

2 烘干试验研究

2.1 试验条件

本研究只针对苍溪县秋季常见的黑木耳进行试验。根据烘干经验，设计每次烘干黑木耳5 kg，烘干时间为8 h，脱水率为40%，脱水量为2 kg，烘房环境初始温度为25 ℃，最高温度为55 ℃。

2.1.1 烘干试验物料。挑选形状和大小相近、无破碎的黑木耳[6]。用清水清洗黑木耳，将黑木耳中的沙粒、灰尘等物质清理出来，并放置在日光下晾晒大约1 h，晒掉黑木耳表面的水分。用水分测定仪测得初始含水率约为80%。

2.1.2 试验方案设计。分别对闭式高温干燥、低温除湿干燥[4]、恒温干燥3种模式进行验证，每种模式以空气相对湿度（Relative Humidity，RH）40%、50%、60%和80%为变量，进行4组试验（每组试验选用5 kg黑木耳进行干燥），每组试验重复3次，试验数据取平均值。温度设置具体方案如下：①闭式高温干燥模式，烘干机烘干温度设置25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃四个阶段，每个温度间隔2 h;②低温除湿干燥模式，烘干机烘干温度设置55 ℃、45 ℃、35 ℃和25 ℃四个阶段，每个温度间隔2 h;③恒温干燥模式，烘干机烘干温度设置25 ℃四个阶段相同温度。

2.2 试验结果及分析

启动烘干机，分别按照3种方案依次设定参数，得到闭式高温干燥、低温除湿干燥、恒温干燥模式的干燥特性如图4至图6所示。

由3种模式的干燥曲线图可知，随着干燥时间的延长，黑木耳的含水率逐渐下降。相对湿度在50%、60%时，干燥初期（小于4 h），低温除湿干燥模式和闭式高温干燥模式干基含水率相比恒温干燥要低，即干燥速度快，效果好。5h后，各模式下的干燥速率无明显差别。此外，湿度为40%的干燥曲线相接近，湿度80%的干燥明显较慢。

从上述试验结果可知，初期干燥如果快速提高温度，可以防止木耳表面产生硬化现象。温度升高可以快速去除黑木耳中的游离水。变温干燥，可增加水分子的活性，继而加强向表面的散发速度;但恒温干燥在中后期效果较差。

变温干燥模式（低温除湿干燥模式和闭式高温干燥模式）整个干燥过程脱水速率下降较为平缓，黑木耳内层的水分逐渐向外层迁移，水分扩散的均匀性要优于恒温干燥，不会因干燥前期脱水速率过大而后期过小造成黑木耳叶收缩开裂。

对比试验烘干产品外形可知，恒温干燥模式的干燥速率低，黑木耳存在收缩不充分、叶片不平整或破碎、表面色泽灰暗或无光泽等外形较差的问题。闭式高温干燥模式的干黑木耳有一部分存在烤焦现象，低温除湿干燥模式的干燥产品外观形态和产品质量良好。

3 低温除湿干燥模式下烘干机换热效率研究

试验表明，利用低温除湿模式干燥产品，不论干燥速率还是产品外形，都较其他模式效果好，故仅对低温除湿模式烘干机的换热效率进行研究。结合低温除湿模式的工作原理图（见图2），对外冷凝器换热效率进行试验分析。换热器换热效率定义为该换热器的实际传热热流量[Φ]与理论上最大的传热热流量[Φmax]之比，即

[η=ΦΦmax=W2（t''2-t'2）Wmin（t'1-t'2）]                    （1）

当[（Cm）2=W2=Wmin]时，有

[η=t''2-t'2t'1-t'2]                              （2）

式中：[η]為换热器的瞬时换热效率;[Φ]为换热器的传热流量，K/W;[Φmax]为理论上最大可能的传热热流量，K/W;[W2]为流体2[换热器第二热源（水源）]的热容量，W/K;[Wmin]为最小热容量，W/K;[t'1]为热流体的初始温度，℃;[t'2]为冷流体的初始温度，℃;[t''2]为冷流体加热后的温度，℃。

冷流体理论上可加热到[t''2=t'1]，即冷流体所能达到的最大程度地加热。因此，温差（[t'1-t'2]）即为冷流体的最大温差。在低温除湿干燥模式下进行木耳干燥，不同工况下，对冷流体的加热程度和两流体的进口温差作了数值分析，如表1所示。

在有效温差范围内，可以计算出该热泵烘干机换热器的最大换热效率为85.7%。

4 结语

本文针对秦巴山区的特点，开发了适宜山珍深加工的新型热泵烘干机设备。对热泵烘干机结构、原理、运行模式进行设计，实现了烘干机的闭式高温干燥、低温除湿干燥、恒温干燥3种模式，满足了秦巴山区多样的山珍烘干需求。根据试验数据得出，低温除湿干燥模式去水能力较好，木耳的干燥品质较好，而且换热效率高达85.7%。该设备得到了苍溪县政府的大力支持和有效推广，具有良好的市场前景。

参考文献：

[1]王荣根，吴志华，胡秋生，等.热泵烘干技术在食用菌等农产品生产工艺中的应用与实践[C]//浙江省电力学会.浙江省电力学会2017年度优秀论文集.北京：中国电力出版社，2017：314-322.

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