李美容 仇寶春 沈侃 周云 張柔佳 韓志 謝超

摘要為解決水產(chǎn)品在自然日曬干燥中存在的諸多問(wèn)題，根據(jù)其特性和干燥的特殊要求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了新型可控溫水產(chǎn)品熱泵干燥機(jī)。介紹了熱泵干燥機(jī)的工作原理，該可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)的方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)部件選型原則，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞熱泵干燥；水產(chǎn)品；開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)S226.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-332-03

Design of Temperaturecontrolled Heat Pump Dryer for Aquatic Product

LI Meirong， QIU Baochun， SHENG Kan et al（College of Shipping and Port Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 3160222）

AbstractIn order to solve the problems existed in the aquatic products under the condition of natural sun drying， a new type of temperaturecontrolled heat pump dryer was designed for aquatic product， according to its features and drying requirements. Then， working principles of heat pump dryer were introduced， as well as the schematic design （system design， main structure design， selection principles of system components）. Finally， verification test was carried out.

Key wordsHeat pump drying； Aquatic product； Development design

舟山群島新區(qū)是我國(guó)最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)基地和水產(chǎn)品集散地。生鮮水產(chǎn)品含水率高，且含豐富的脂肪和蛋白質(zhì)，極易腐敗，需要采用有效手段進(jìn)行加工處理[1]。由于水產(chǎn)品干燥處理后，運(yùn)輸過(guò)程不需要冷鏈，可節(jié)約成本。因此，水產(chǎn)品干燥是一種常見(jiàn)的生鮮水產(chǎn)品加工處理方法。傳統(tǒng)干燥方法分為日光干燥和熱風(fēng)干燥，日光干燥依賴(lài)于天氣條件，并且難以保證衛(wèi)生；熱風(fēng)干燥耗能較大，熱敏性成分易被破壞[2]。錢(qián)炳俊等提出了熱泵干燥水產(chǎn)品，模擬自然風(fēng)干燥，物料表面水分的蒸發(fā)速度與水分從內(nèi)部向表面遷移的速度比較接近[3]。但是，干燥溫度無(wú)法有效控制，影響了干燥后的水產(chǎn)品品質(zhì)。筆者針對(duì)現(xiàn)有水產(chǎn)品熱泵干燥的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)品可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)，并對(duì)水產(chǎn)品可控?zé)岜酶稍锛夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)部件進(jìn)行選型，定制樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該新型可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)適用面廣，產(chǎn)品品質(zhì)好，有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1工作原理

熱泵干燥原理：熱泵干燥是將低溫低濕空氣強(qiáng)制循環(huán)于食品間，使被干燥物體的含水量逐漸減少最終達(dá)到干燥效果的工藝，熱泵干燥系統(tǒng)如圖1所示，主要包括空氣循環(huán)和熱泵循環(huán)。

空氣循環(huán)：滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的干空氣進(jìn)入干燥室，低溫干空氣在強(qiáng)制循環(huán)中不斷吸收食品表面水分；帶走被干燥物體的水分，成為濕空氣后出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻除濕；達(dá)到飽和狀態(tài)的空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器被降溫析出水分，析出的水分由集水器排出庫(kù)體；低溫干空氣再經(jīng)過(guò)冷凝器，被加熱成高溫干空氣；最后與飽和狀態(tài)空氣混合生成低溫干空氣，再進(jìn)入干燥室內(nèi)吸收被干燥物體的水分成為濕空氣，如此反復(fù)循環(huán)。

熱泵循環(huán)：制冷劑在蒸發(fā)器中吸收來(lái)自干燥過(guò)程循環(huán)風(fēng)的熱量，由液體蒸發(fā)為蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后送到冷凝器中，在高壓下制冷劑冷凝液化，放出高溫的冷凝熱去加熱來(lái)自蒸發(fā)器降溫去濕后的低溫干空氣，把它加熱到要求的溫度后進(jìn)入干燥室內(nèi)作為干燥介質(zhì)循環(huán)使用，液化后的制冷劑經(jīng)膨脹閥再次回到蒸發(fā)器內(nèi)[4-5]。

2方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于壓縮機(jī)的輸入功，冷凝器的散熱量必將大于蒸發(fā)器的吸熱量，蒸發(fā)器與冷凝器都處于封閉的空氣循環(huán)系統(tǒng)中，若空氣與外界無(wú)熱量交換，則封閉的循環(huán)空氣的熱量會(huì)不斷增加，內(nèi)部溫度會(huì)逐漸上升[6]。在熱泵干燥裝置剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)尚未達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)，這部分額外的熱量可以將空氣加熱到設(shè)定的運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)。但是，一旦空氣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)后，倘若持續(xù)加熱，則封閉的空氣的溫度就會(huì)越來(lái)越高，造成冷凝器端傳熱溫差減小，導(dǎo)致冷凝壓力不斷增高，熱泵系統(tǒng)的熱泵系數(shù)下降，最終出現(xiàn)停機(jī)[7-8]。因此，為保持機(jī)組的恒溫運(yùn)行，就需要將這部分熱量排到系統(tǒng)之外，將空氣循環(huán)參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)。所以，在冷凝器與壓縮機(jī)之間增加一個(gè)換熱器；而要使得機(jī)體內(nèi)達(dá)到恒溫，外置換熱器即可視為一個(gè)外冷凝器。打開(kāi)外冷凝器，高溫制冷劑與外界空氣交換熱量使制冷劑溫度降低，即向外界散熱，帶走壓縮機(jī)的輸入功，實(shí)現(xiàn)恒溫過(guò)程。可控溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)如圖2所示。

注：1.膨脹閥；2.冷凝器；3.換熱器；4.壓縮機(jī)；5.蒸發(fā)器；6.干燥室；a.干空氣流向；b.濕空氣流向；c.帶走的熱量；d.熱泵干燥組。

Note：1.Expansion valve；Condenser；3.Heat exchanger；4.Compressor；5.Evaporator；6.Drying room；a.Dry air flow；b.Wet air flow；c.Exhaust heat；d.Heat pump drying group.

2.3系統(tǒng)部件選型原則

2.3.1壓縮機(jī)的選型。相對(duì)于活塞式而言，渦旋式、螺桿式更能適應(yīng)可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)的工況。其理由是：①該機(jī)組通常在冬季需要除去其換熱器的冰凍，系統(tǒng)突然地逆向工況開(kāi)啟，會(huì)使?jié)櫥瓦M(jìn)入壓縮機(jī)中，造成壓縮機(jī)的破壞。而由于活塞式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜將造成應(yīng)力破壞，其余2類(lèi)壓縮機(jī)完全能應(yīng)付以上情況。②由于可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)需要的運(yùn)行方式多樣，各個(gè)狀態(tài)差異較大，非常考驗(yàn)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。渦旋式、螺桿式的部件簡(jiǎn)單，能夠很好地適應(yīng)干燥機(jī)的工作環(huán)境，而活塞式適用于一般空調(diào)的條件。③可控溫干燥機(jī)需要的壓力大，渦旋式、螺桿式比活塞式在相同的條件下更能提高對(duì)于體積的利用率，使干燥機(jī)運(yùn)行效率提高，減少過(guò)程運(yùn)行期間的能耗，從而創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而活塞式則不能。④傳動(dòng)件的復(fù)雜程度與壓縮機(jī)的磨擦耗損成正比，而活塞式壓縮機(jī)傳動(dòng)件整體多，故對(duì)于系統(tǒng)而言會(huì)降低其效率。

在綜合以上內(nèi)容的同時(shí)經(jīng)過(guò)與其他機(jī)器的比對(duì)，查閱有關(guān)壓縮機(jī)樣本，選擇德國(guó)比澤爾壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的HSK534330（Y）84型壓縮機(jī)。

2.3.2冷凝器的選型。相對(duì)于開(kāi)窗式而言，波紋式翅片是適合可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)的翅片型號(hào)。其理由是：①隨著霧霾天氣的加劇，開(kāi)窗式在北方室外易于粘上粉塵，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)直線下降，且拆裝困難，清洗不便。②波紋式冷凝器能滿(mǎn)足冷熱兩用干燥機(jī)的設(shè)計(jì)要求，不易被粉塵覆蓋，能夠增大換熱面積，從而保證其換熱系數(shù)能夠一直維持在高水平，但其作為換熱器時(shí)，霜凍嚴(yán)重。③在該系統(tǒng)中由于空間有限，比較適合的管線布置方式為V型盤(pán)管、W型管線。因?yàn)楦叨容^高的V型系列使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，且根據(jù)模擬氣流組織形式，浪費(fèi)了空間資源，尺寸矮小的W型盤(pán)管能夠有效避免上述問(wèn)題。

綜上所述，W型盤(pán)管作為冷凝器能克服換熱效率、空間大小、空氣阻力等問(wèn)題。W型設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算能滿(mǎn)足作為換熱器時(shí)的各種運(yùn)行工況下的技術(shù)指標(biāo)。

2.3.3熱力膨脹閥的選型。該系統(tǒng)中選用熱力膨脹閥為節(jié)流機(jī)構(gòu)。其理由是：①可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)在冷工況運(yùn)行時(shí)，單膨脹閥的制熱系數(shù)隨著系統(tǒng)的變化而變化，難以維持在一定的范圍內(nèi)。而在制熱狀態(tài)下，由于只有一個(gè)膨脹閥顯得太過(guò)龐大，使得系統(tǒng)與室外空氣的交換熱減少，未能達(dá)到要求。②在不同的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)下，運(yùn)用雙膨脹閥使得膨脹閥的選擇具有針對(duì)性，冷、熱運(yùn)行狀態(tài)能夠分別滿(mǎn)足[9]。

2.3.4蒸發(fā)器的選型。分析該干燥機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇板式、干式殼管式2種器具。其理由是：①板式具有較大的空間體積，能夠使制冷劑分布在各個(gè)方向，且冷熱均勻，能有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)約能源，做到持續(xù)發(fā)展。②干式殼管式所需占有的空間面積較大，故適用于大中型的機(jī)組，其體積的龐大導(dǎo)致潤(rùn)滑油的回轉(zhuǎn)十分艱難，與板式相比較，交換熱量較少。

比較上述，選擇板式器具：型號(hào)I 6，I 16B40.4/4006，在實(shí)際情況下交換熱量的面積為4 m2，蒸發(fā)器間內(nèi)路口的長(zhǎng)度為7 mm，設(shè)備能夠交換能量的面積為5 m2，質(zhì)量123 kg。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案設(shè)計(jì)定制樣機(jī)如圖5所示，采購(gòu)樣品進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)同種水產(chǎn)品（小黃魚(yú)）處理后分成相同的A、B 2等份；將其中的一份樣品A放入新型干燥機(jī)，在溫度為35 ℃，濕度為20%的條件下干燥3 h；另一份樣品B放入普通干燥機(jī)，在相同條件下干燥3 h。經(jīng)觀察，A、B 2組樣品的品相都比較完好，A樣品色澤則更飽滿(mǎn)，沒(méi)有明顯斑點(diǎn)出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)水分測(cè)定儀測(cè)量，A組樣品濕度為61.31%，B組樣品濕度為71.25%。實(shí)驗(yàn)表明，新型可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)更適用于水產(chǎn)品干燥，且干燥質(zhì)量佳，經(jīng)濟(jì)性高。

4結(jié)論

與現(xiàn)有的水產(chǎn)品熱泵干燥裝置相比，該可控溫?zé)岜酶稍餀C(jī)巧妙設(shè)置2個(gè)冷凝器，一個(gè)為內(nèi)冷凝器，一個(gè)作為外冷凝器，外冷凝器放置在壓縮機(jī)與內(nèi)冷凝器之間。外冷凝器的設(shè)置是為了保持機(jī)組的恒溫運(yùn)行，它將機(jī)組內(nèi)部增加的熱量排到系統(tǒng)之外，將空氣循環(huán)參數(shù)有效控制在一定范圍內(nèi)，從而達(dá)到恒溫效果。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2016年該研究設(shè)計(jì)的熱泵干燥機(jī)，具有干燥溫度可控、結(jié)構(gòu)緊湊、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于水產(chǎn)品干燥，可以根據(jù)不同水產(chǎn)品及不同加工要求靈活控制，適用范圍廣，干燥品質(zhì)高，應(yīng)用前景廣闊。

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