设为首页 联系我们 友情链接 网站导航 知识窗
中央空调 家用空调 空调末端 特种空调 运输空调 冷冻冷藏 热泵热水机 水/地源热泵 蒸发冷却空调 压缩机 热交换器 配件及原料 智能控制 空气净化
您所在位置:首页  > 技术

热泵干燥技术及其在农特产品中的应用展望

发表日期:2019/9/18 10:39:29 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

作为农业大国,我国每年都有大量的农特产品面临保存、运输、加工等问题。解决此类问题的办法,通常是采用干燥技术,经干燥后的产品方便保存、便于运输、易于加工,同时还可以开发新型食品工艺。常见的农特产品干燥技术有:热风干燥、微波干燥、真空冷冻干燥、红外干燥、渗透干燥、热泵干燥等,其中热泵干燥技术的能耗最小、污染小且最接近于自然干燥,干燥质量高。

根据干燥作业的连续性可将热泵干燥系统分为连续性热泵干燥系统和间歇性热泵干燥系统;根据干燥温度的高低,热泵干燥系统分为低温干燥系统(≤40 ℃)、中温干燥系统(50 ℃~70 ℃)、高温热泵干燥系统(≥70 ℃);根据干燥介质的循环方式,热泵干燥系统又可分为开式热泵干燥系统(图1(c))、闭式干燥系统(图1(a))和半开式热泵干燥系统(图1(b))。目前最常用的干燥系统为间歇式闭式热泵干燥系统。


闭式热泵干燥系统由热泵循环系统和干燥循环系统两部分组成。液态的热泵工质在蒸发器中吸收干燥介质中的废热变成低温低压的气态介质后进入压缩机,经压缩机绝热压缩后变成高温高压的气态热泵工质在冷凝器中冷凝成高温高压液体并放出大量高质量的热能给干燥介质后进入到干燥循环系统中,高温高压的液态热泵工质经由节流阀节流降压后变成低温低压的气态热泵工质进入到蒸发器中,完成一个循环并如此往复。

通常用制热系数(COP)和单位能耗除湿量(SMER)表征一个热泵干燥系统的性能:



1  热泵干燥技术的特点

1.1  热泵干燥技术的优点

1.1.1  高效节能

热效率高,节能效果显著是热泵干燥技术推广的初衷,也是热泵干燥技术区别于其他干燥技术的一大特征。通常来说,通过热泵技术的应用,消耗一份电能可以得到3~4份该电热当量的热能,也就是比直接电加热节能70%~80%,有些空气源热泵的COP可以达到4以上,而干燥用的热泵COP值可以更高。与传统燃煤热风干燥模式相比,采用热泵干燥后,木材干燥过程大约可以节约40%~70%的能耗,干燥布匹过程可节约50%的能耗。结合近些年来热泵干燥技术的研究和实践结果,热泵的节能幅度普遍可以达到30%以上,投资、运营、维护等综合成本的降幅为10%~20%。

1.1.2  干燥介质状态可调范围大

通过调控热泵蒸发器的蒸发温度和冷凝器的冷凝温度可以间接控制干燥介质的供风温度和相对湿度。目前热泵干燥装置可以做到在-20 ℃~100 ℃范围内调节(加辅热装置或使用新工质),湿度在15%~80%范围内可控。

1.1.3  干燥产品质量高

热泵干燥系统中,气体的流动比较均匀,水分在物料表面的蒸发速率与水分从物料内部向表面迁移的速率基本一致,因此,热泵干燥十分接近自然干燥。相对与其他干燥技术而言,热泵干燥技术的温湿度等特征参数可精准控制,干燥过程更为温和,因此所得产品质量比较高。

如用热泵干燥技术干燥的木材变形、开裂、内裂等问题出现的较少。用传统干燥方法对生姜干燥后,有效成分生姜素率的保持率只有20%,改用热泵干燥后则可提高到26%。同时,干燥过程中没有与外界环境直接接触,避免了细菌、病毒等微生物侵染。

1.1.4  环境友好

热泵干燥技术对环境友好体现在以下两个方面:一方面是热泵干燥过程只需要向系统中输入少量的能量即可,相比较于其他的干燥方式,CO2的排放量大幅减少;另一方面,整个干燥过程在相对封闭的条件下进行,通常过程中仅有冷凝水的排放,不会出现令大气环境负荷过重的情况。由于热泵干燥技术与燃煤干燥相比,节能30%~70%,碳排放可降低30%~70%,SxOy和NOx的排放降低70%~90%左右,PM2.5和PM10等颗粒污染物的减排比例更是可以高达99.9%。在国家燃煤替代的大环境下,热泵干燥环境友好的优势体现的更加明显。

1.1.5  自动化程度高

在热泵干燥作业过程中,干燥室内干燥介质的温度、湿度、流量等参数均可得到精准的控制;由于不再使用煤炭、柴火、锯末等需要技术工人主观判断干预的加热方式,安装了各种类型的传感器和控制装置的热泵干燥装置自动化程度大幅度提高。热泵干燥的工艺基准精准温和,非常适合热敏性物料的干燥。

1.2  热泵干燥技术的缺点

1.2.1  干燥时间长

热泵干燥受工作原理的限制,干燥温度一般在45 ℃~60 ℃。尽管近年来高温干燥热泵温度也可以达到100 ℃,但与燃煤比,干燥温度仍然较低。低的干燥温度会延长物料升温时间,同时降低传热传质系数,必然会导致干燥速率下降,从而延长了干燥时间。在干燥的中后期,物料内部剩余的水分主要是结合水,水分子的活化能低,除去这部分水比较困难,需要更高的干燥温度,这也导致干燥后期较低温度的热泵干燥比燃煤干燥要消耗更多的时间。

1.2.2  单台热泵干燥规模小

闭式系统的热泵干燥机中配备的压缩机功率都比较小。每一次干燥循环的进料量仅限于干燥箱容积大小,同时由于闭式结构本身的系统结构,通常都是采用间歇式的干燥方式,因此,干燥规模不大,难以实现连续作业和大批量生产。如木材干燥,用蒸汽干燥,最大干燥房可达300m2以上,而热泵干燥最大为100m2。不过该问题可通过多机组和大型机解决,中国科学院理化技术研究所在东北高寒地区采用环路热管技术设计了一个热管多级串联热泵玉米干燥系统,每小时玉米潮粮处理量达3 148 kg,比燃煤容量增加10%~15%。

1.2.3  干燥温度上限提高困难

干燥系统的COP值与蒸发温度和冷凝温度有关,是冷凝温度和冷凝蒸发温差之比的函数。按照干燥工艺或基准的要求,维持冷凝温度不变,提高蒸发温度可以提高热泵干燥效率,但蒸发温度的提高受热泵干燥系统形式、环境温度、排湿温度及排湿相对湿度等因素的组合限制,对开式或半开式热泵干燥系统不能高于环境温度,对闭式热泵干燥系统则受排湿温度、露点温度的限制。在蒸发温度不变情况下,提高冷凝温度,会降低热泵干燥系统效率。如果蒸发温度升高、冷凝温度也升高,系统的效率有可能提高、也有可能降低或不变,这取决于冷凝温度提高的速度和温差升高或减少的幅度。但冷凝温度的提高受到热泵工质物性、压缩机及润滑系统等诸多因素的限制,不能过高。

1.2.4  热泵工质对热泵干燥系统和环境的影响

热泵循环中采用的热泵工质常采用的是各种类型的制冷剂。在热泵系统的工作过程中,系统管道的压力是时刻在变化,一旦在高压区管路出现泄漏,制冷剂将对整个热泵干燥系统和周围环境产生影响。同时,缺少制冷剂会导致绕组温度比正常工作时偏高、压缩机回气压力降低回油困难、排气温度升高,影响压缩机的寿命。

1.2.5  系统维护费用高

相比较传统的热风干燥系统而言,热泵干燥系统的设备较多,且为了保证热泵干燥装置的优良工况,需要对热泵干燥系统的机械装置进行定期的维护和检修,如果发生制冷剂的泄漏,还要对管路系统进行及时的更换。但由于热泵系统寿命长,考虑到全寿命期的运行、维保等综合费用不一定高。

1.2.6  细菌等喜阴湿环境微生物感染

实际上,除霉菌、酵母、等少部分耐热细菌外,大部分的微生物都会在60 ℃~80 ℃的温度下死亡。虽然目前的热泵干燥技术属于中低温区,但是尚未见到有关热泵干燥后的产品微生物含量高于传统干燥方式的报道。然而如果热泵干燥系统存在设计不合理的问题,可能就会带来微生物污染问题。例如,假设热泵干燥系统排湿不畅或除湿能力不足,整个系统内就会处于高湿环境,有利于微生物的大量繁殖。

2  热泵干燥技术的研究现状及应用展望

2.1  国外研究现状

热泵的基础热力学理论起源于1824年法国工程师卡诺提出的卡诺循环。1852年,英国教授汤姆逊首先提出一种热泵设想,那时称为“热量倍增器”。20世纪40~60年代热泵技术进入了快速发展期,各种热泵装置应用于学校、医院、办公室等场所。

将热泵技术应用于干燥行业是从上个世纪才发展起来的。1943年,德国Sulze公司在给地下室设计除湿系统时,首次采用热泵技术;1950年,美国取得热泵干燥技术的专利权;随后,热泵干燥技术在世界范围内传播开来。20世纪70年代,法国就安装了近千台热泵干燥装置用于干燥木材,到80年代更是有3 000家木材加工厂采用热泵干燥装置。日本自20世纪60年代开始研究热泵干燥技术,目前已有12%的干燥设备采用热泵干燥技术。

近些年来,国际社会的研究人员对热泵干燥技术的研究又有了新的进展。Akhilesh Singh对低GWP制冷剂Re90、R600a、R32、R152a、R1234yf做R134a替代制冷剂进行了模拟分析,建立起间歇式热泵干燥模型,从能效和两个方面探究,结果表明:R32的SMER比R134a平均SMER高8%、相同输入功率下,R152a效率提升28.76%且能效最小时间最短,总体上看,R32和R152a能产生更好的性能,尤其是R152a更适用于热泵干燥系统。

Seyfi Sevik对不同气候下的各种农产品干燥系统进行试验分析,采用新型双通太阳能空气收集器(DPSAC)和热泵(HP)单元提供热能需求,同时提供光伏(PV)系统的电能要求。结果表明,HP装置,DPSAC,PV装置和PID控制系统可与其他装置配合使用,同时获得具有良好物理性能的干燥产品,其中,DPSAC的平均热效率在16%至79%之间,能源利用率(EUR)在0.19和0.48之间获得。

J.F.Wang对比分析了空气回热器和热泵在食品工业中废热回收的效率,结果表明,空气回热器只能回收废热热量的20%,而热泵的废热回收效率可达40%,能耗降低约20%,虽然热泵系统的投资成本较高,但从能量回收的经济性上看,热泵干燥系统更有优势。

与以往不同的是,近些年来对干燥产品的品质有了更多的关注。Mei Xiang Ng等人研究了太阳能干燥和热泵辅助太阳能干燥对鳄嘴花叶片中黄酮类成分的保留度、总颜色变化和水分活度的影响。数据分析显示,在热泵辅助太阳能干燥的干燥过程中,可提取物质和类黄酮物质的产出率百分比显着提高。同时在干燥模型层面,根据试验数据拟合的薄层模型显示Hii和Law模型适用于太阳能干燥,而对数模型能够很好地适应热泵辅助太阳能干燥。

2.2  国内研究现状

我国热泵干燥技术的研究起步相对较晚,但目前已经处于世界领先地位。1985年,上海能源所已经开始研制我国首台热泵木材干燥机,1992年,开始研制热泵粮食种子干燥机。1989—1993年,北京林业大学和北京冷冻机厂联合开发了RCG系列双热源木材除湿干燥机产品并获国家专利且成功市场化,社会经济效益良好。

近些年,国内各单位在热泵干燥的机理、自动化以及系统优化方面等方面均有所建树。

在热泵干燥机理方面,石维善和李保国进行热泵干燥菠萝蜜的的试验研究,通过单因素试验,分析了干燥温度和风速对菠萝蜜品质及营养成分的影响。结果表明,热泵干燥技术所得产品的色泽好、营养成分流失小,在保持生物物料干燥品质方面表现突出。

在热泵干燥系统的自动控制方面,丁振杰等通过MATLAB模糊PID控制系统仿真,证明了模糊PID控制系统吸纳了模糊控制与PID控制的优点,在温度系统中的抗干扰性和鲁棒性较强。仍要注意的是,虽然当前学者对于热泵干燥的自动控制方面已经认识到了其重要性,但目前国内相关的研究工作仍然十分稀少,尚未达成完整的体系。

在系统优化方面,周鹏飞等为了提高干燥系统的可靠性,在木材干燥系统中,提出了低温热泵与干燥热泵耦合模型,在对该模型的热量、干燥介质的湿扩散等参数进行㶲损学分析,通过降低主机室温度和强化干燥室的保温能有效减少系统的损失。陈嘉澍等针对闭式干燥系统存在的缺陷,提出了一机双温型封闭式热泵干燥装置,该系统可以在高温和常温两个温度环境切换,可以满足不同物料对于不同温度的需求,最大发挥热泵干燥装置的效率。

目前,热泵干燥技术在国内还没能做到大面积的普及,为了在低温低湿环境下推广应用热泵干燥系统,苑亚等设计研发了一种新型热泵干燥系统。对新型热泵干燥系统和闭路热泵干燥系统做了对比分析,并对骏枣做了新型热泵干燥试验验证。针对东北高寒地区,李伟钊等开发了一种热管联合多级串联热泵玉米干燥系统,该系统能够实现对多段塔式燃煤玉米干燥中废气的余热回收和废气中杂质的清洁处理,从而达到节能减排的效果。对比多段塔式玉米热泵干燥和玉米燃煤干燥的经济性,结果表明:得到 1 kg 干玉米的干燥成本降低了0.011元。单位玉米的热泵干燥成本比燃煤干燥成本降低 22.4%。

2.3  热泵干燥技术的发展展望

2.3.1  研发与热泵干燥机匹配的压缩机

一般的中小型热泵干燥系统采用的是靠吸气冷却的封闭式压缩机,相比较而言,涡旋式压缩机结构简单,可靠性也比较高,能够在低环境温度和高压缩比条件下,提供较大的加热能力。对于大型热泵干燥系统可以选用螺杆式压缩机,尤其是对于数百吨的大型粮食热泵干燥系统,选用匹配功率的螺杆式压缩机可以大幅降低压缩机数量,降低控制复杂程度系统难度,提高系统可靠性。对于可用于高温干燥的CO2跨临界高温热泵系统,由于压力太高,目前主要以活塞式的压缩机为主。

2.3.2  研发匹配干燥系统的新型热泵工质

热泵系统运行工况远比舒适性空调热泵的运行工况恶劣,理想中的热泵工质应该有较高的冷凝温度同时有较低的冷凝压力、更高的相变潜热、较高的单位制热量、工作时物理化学性质稳定。当前热泵工质分为两种:一种是天然工质(CO2、NH3及碳氢化合物等),另一种是人造工质(HCFC、HFC、HFE及其混合物)。天然工质中,NH3的性能较好、热效率高、节能效果突出,但NH3具有毒性;CO2在超临界条件下放热时会产生温度滑移,利用该性质可以使热水加热到更高温度,且COP值较常规热泵高,节能效果明显。混合工质方面,以R22/R142b组成的非工沸混合物为例,采用混合工质的热泵系统COP可达6、供水温度高于85℃;清华大学开发的“HTR01”和“HTR02”的混合工质,已经与相关企业合作进行了产业化,最大供水温度可达95 ℃。

2.3.3  开发热泵干燥的多功能应用

由于干燥农特产品只利用了冷凝器释放的热量,蒸发器的冷量一般就浪费掉了,若对系统进行结构调整,可在同一系统中完成干燥、储藏等加工过程。广东省现代农业装备研究所研制的“一机二用”稻谷热泵干燥机可以同时实现对稻谷的干燥和贮藏保鲜的双重作用,同时,该设备既可同时使用,又可单独工作,在干燥作业时,提高了工作效益,在非干燥作业时,还能起到制冷作用,提高了干燥设备的使用率。

2.3.4  将相变材料应用于热泵干燥系统

从干燥产品的品质保证需求出发,对物料进行多样化干燥工艺需求,选取合适的相变材料用于适当的干燥工艺阶段,除了能保持一定的温湿度,又能节约能源。对此,王剑锋在干燥中后期,干燥介质温度50 ℃、物料平均质量分数35%时,放置相变材料,干燥能耗可节约36.5%。

2.3.5  采用联合干燥技术

虽然热泵干燥的节能效果优良、经济指标好,但目前热泵干燥中介质的出风温度一般在40 ℃~80 ℃,对于一些具有特殊温度要求的物料或造成干燥效率低下,不能达到干燥过程中的最佳工艺参数。针对这个问题,我们可以采用联合干燥技术,在不同的工艺阶段,采用不同的干燥方法,通过工艺优化和能量匹配优化,与热泵干燥系统联合起来,实现优势互补,提高系统整体干燥效率。

2.3.6  热泵干燥的自动控制

对于一些热敏性物料来说,以温湿度为基础得成算法不能实现完全的自动控制,未来的发展应倾向于基于产品品质、干燥精确度和控制费用的含水率,应力等参数的多参数优化控制。实现热泵干燥的自动控制,能够保证干燥后的产品水分均匀、干燥品质提升、提高干燥装置的工作效率、降低能耗、减轻工作人员的负担。当前主要采用的控制方法有PID控制、专家系统、模糊控制、神经网络等。

2.3.7  采用气调干燥介质

热泵干燥的品质保质是热泵干燥的目标,在物料干燥过程中,按照我们的需求,保证物料定向变色或抑制变色。一方面,如果在干燥过程中加入一定比例的氮气、二氧化碳等惰性气体,可以降低氧的浓度,减少氧化引起的酶促褐变,抑制无核白、小白杏、中药等物料干燥过程的变色,提高物料干燥品质。另一方面,如果干燥过程中加入氧气等活性气体,提高氧的浓度,可以调整物料干燥过程的生化反应速度,促进美拉德反应或酶促褐变的进行。比如,可以调控烟叶的变黄期,也可以更好地加工氧化炭化发黑为特征的乌枣。

3  热泵干燥技术在农特产品中的应用

3.1  经济作物

烟叶烘烤是烟叶生产过程中重要的环节之一,烘烤结果的优劣直接决定着烟叶的最终质量。吕君对半开式热泵烤烟系统展开理论实际和优化研究,提出了热泵干燥系统最大SMER的理论分析方法,并对一种半开式热泵烤烟系统进行了改进,改进后的系统SMER提高到煤烟烤干系统的3.875倍,烘烤得到1 kg干烟热泵系统比燃煤系统的烘烤成本低0.78元。赵升云等安装了一个热泵干燥系统用于武夷岩茶干燥,相比较热风干燥而言能节省30%~50%,当摊叶厚度3.5 cm,第一次干燥时间20 min,第二次干燥时间20 min时,肉桂毛茶品质最好。

3.2  大宗型农作物

谷物籽粒的含水率和温湿度决定了谷物的发霉率和出芽率,作为粮食生产大国和消费大国,我国粮食收获后,在各工序的生产过程中的损失高达18%,远比联合国粮农组织规定的5%标准高,而我国仅有全国总产量的1%采用机械烘干,远低于发达国家95%的水平。目前,国内已经开展了有关玉米、大豆等谷物的热泵干燥系统的研究。李伟钊针对东北高寒地区玉米烘干系统进行研究,提出一种热管联合多级串联热泵玉米干燥系统,与燃煤干燥相比较,湿玉米的处理量以及单位时间干燥的玉米量均有显著提高,整个系统节能效果明显,干燥成本比燃煤干燥成本降低22.4%。

3.3  中药材

中药材的干燥和其他物料不尽相同,除了要考虑节能等因素,还要注意不能破坏其中的有效成分。新鲜枸杞的湿基含水量高达83%,必须经过干燥后保存,传统的干燥方法耗能大,且多糖等营养成分流失严重,胡灯运设计了一种太阳能-空气源热泵联合干燥系统,既能提高干燥温度,又能提高干燥枸杞的品质,同时,将太阳能利用起来,减少了对煤、电等能源的消耗。

3.4  果蔬菌类等食品干燥

果蔬的干燥加工一般属于食品加工技术与工艺。果蔬中富含大量的维生素、蛋白质等营养物质,常食用对人体健康有益,但是果蔬类的农产品保质时间很短,因此,对果蔬类的产品进行干燥极具价值。聂林林对香菇进行除湿干燥处理,通过与热风干燥和微波、真空干燥的试验对比,结果表明,热泵干燥后的香菇产品收缩率低、复水率性能好、干香菇的感官品质最好且能耗最低。

3.5  木材干燥

作为最近引进我国干燥产业的领域之一,经热泵干燥后的木材开裂、变形等问题减少,但因热泵干燥的干燥温度低所以干燥时间较长。张振涛设计了一种带中间换热器的两级压缩高温热泵干燥系统,证明了在高温工况下,两级压缩热泵的节能特性并提出了露点温差理论,相比较单级压缩热泵干燥木材而言平均能量回收率提高了8.08%。

4  结束语

干燥涉及国民经济的各个领域,但却是个高能耗工业操作单元,约占国民经济总能耗的12%,农特产品干燥能耗又占总干燥能耗的12%。热泵干燥技术的环境友好、节能效果显著,符合我国当前“节能减排”政策的大背景,值得在农特产品干燥领域大力推广。目前,热泵干燥技术已经在干燥原理、系统优化、自动控制等方面有所建树。未来,热泵干燥技术的集中控制将会是主要发展方向之一,除此以外,开发高温热泵干燥系统、提高热泵干燥系统整体的能源利用率也是热泵干燥技术发展的另一个重要方向。需要注意的是,随着人民物质文化水平的提高,干燥产品的品质也必须重视起来,因此,干燥技术要做到既快的完成干燥过程又尽可能少的破坏物料本身的结构。


本文选自《制冷与空调》2019年7月刊,作者:张鹏  吴小华  张振涛  越云凯  杨俊玲;未经许可,不得转载





发表评论: 共有 访客发表了评论

验证码: 看不清楚?

    精彩内容推荐

    • 多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会在合肥顺利召开

      中国制冷空调工业协会联合全国冷冻空调设备标准化技术委员会、合肥通用机电产品检测院有限公司于2019年9月9日至10日在合肥召开了多联式空调(热泵)机组铭牌标注研讨会。来自行业的27家多联机生产企业的技术和质量负责人出席了会议。中国制冷空调工业协会理事长、全国冷冻空调…

    • 间接蒸发冷却:向全新阶段迈进

      据统计,全球数据中心的耗电量约占地球总用电量的2-3%。正是由于这种巨大的能耗,高效的解决方案应用迫在眉睫。而自然冷却(Free Cooling)和蒸发冷却(Evaporative cooling)技术就是最具潜力的冷却解决方案之一(特别是在近期项目中);根据ASHRAE TC 9.1数据处理环境热指南…

    • 三菱电机将在日本推出R32热泵冷水机组

      近日获悉,三菱电机表示将于2020年初在日本推出一款风冷式热泵冷水机组,该机组采用较低的GWP制冷剂R32。据悉,R32热泵冷水机组DT-RIII采用其VRF产品中使用的高效铝扁管换热器技术,三菱电机相关人员表示,新型冷水机组可在室外温度高达52℃时实现冷却。与三菱目前的DT-RII R4…

    排行榜

    一周 | 一月

    精彩专题更多

    • 中国制冷能效项目

    • 制冷空调行业部分上市公司2019年半年报一览

    • 第十三届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年年报盘点

    • 臭氧气候技术路演及工业圆桌会议

    • 保护臭氧层与温室气体减排

    • 改革开放40年制冷空调企业展示

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年三季度报集锦

    • 制冷空调行业部分上市公司2018年中报集锦

    • 2018年中国技能大赛——全国机械行业职业技能竞赛制冷工(制冷与空调)赛项

    • 第十二届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 20号令变身94号令,关于质疑投诉的要点

    • 详解《中华人民共和国标准化法》

    • 制冷空调行业部分上市公司2017年三季报集锦

    • 全国各地政府采购评审专家劳务报酬标准汇总

    • 第十一届中国制冷空调行业大学生科技竞赛

    • 2017“2+26”城市“煤改清洁能源”补贴政策一览

    • 您需要知道的几个要点

    • 2017北京“煤改清洁能源”招标陆续启动

    • 关注热泵采暖

    • 中央空调政府采购二三事儿

    • 冷冻冷藏

    • 汽车空调

    Top