王教領，宋衛(wèi)東，金誠謙，丁天航，王明友，吳今姬，劉自暢

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杏鮑菇轉輪除濕熱泵干燥系統(tǒng)結構設計及工藝參數(shù)優(yōu)化

王教領，宋衛(wèi)東※，金誠謙，丁天航，王明友，吳今姬，劉自暢

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

為了實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品低濕節(jié)能干燥，分析了典型轉輪除濕干燥模式，基于能耗高、結構不合理等問題，開展轉輪熱泵聯(lián)合除濕干燥系統(tǒng)優(yōu)化設計與試驗研究，研制出轉輪除濕熱泵干燥機。為了檢驗并提高轉輪除濕熱泵干燥機的作業(yè)性能，該文以杏鮑菇為研究對象，以降低杏鮑菇色差、除濕能耗比，提高復水性為目標，運用Box-Benhnken 中心組合試驗設計理論，對再生溫度、干燥溫度、轉換點相對濕度影響其干燥品質(zhì)與能耗的因素開展響應面試驗。通過數(shù)據(jù)分析，建立了響應面模型，結合四維渲染圖分析了上述3個考察指標受3個試驗因素取值變化的影響機制，同時對各影響因素進行了綜合優(yōu)化與試驗驗證。結果表明，3個模型的2均大于0.98，試驗因素對干燥品質(zhì)及能耗有較大影響，當再生溫度87 ℃，干燥溫度50 ℃，轉換點相對濕度45%時，杏鮑菇復水比4.028，色差22.89，除濕能耗比（specific power consumption, SPC）2 633kJ/kg，與預測絕對值誤差均低于6個百分點。該研究為轉輪除濕熱泵干燥設備的設計及干燥工藝優(yōu)化提供參考。

干燥；農(nóng)產(chǎn)品；品質(zhì)控制；轉輪除濕；熱泵；杏鮑菇

0 引 言

農(nóng)產(chǎn)品干制是其貯藏的重要手段。常見干燥類型有輻射、傳導與對流干燥3種方式，其中對流干燥以其設備簡單、適用范圍大而獲得了廣泛的應用。對流干燥一般可調(diào)參數(shù)有風溫、風速與干燥介質(zhì)濕度，但溫度在每個干燥階段都有上限，超過上限會破壞農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)；風量調(diào)節(jié)也不宜太大，超過最佳風量不利于干燥介質(zhì)與物料之間進行充分的熱交換[1-2]。而干燥介質(zhì)的濕度在干燥大部分階段是不受限制的，低濕度可以提高干燥速率，實現(xiàn)低溫干燥，因此濕度是一個理想的調(diào)節(jié)參數(shù)[3-6]。

轉輪除濕是固體除濕中常用模式[7-8]，世界上最早的除濕機是瑞典科學家Mr.Carl Munters于1956年發(fā)明的蜂窩吸收式除濕機，國內(nèi)大概于上世紀七十年代開始研究轉輪除濕技術，主要用于空調(diào)除濕與工業(yè)除濕干燥[9]，鮮有用于農(nóng)產(chǎn)品干燥。近年來，隨著國家對三農(nóng)工作的重視以及國民對食品營養(yǎng)的追求，轉輪除濕在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面的研究也逐漸受到關注。研究表明相同條件下轉輪干燥比熱泵干燥速度快，比冷凍干燥能耗低、效率高，綜合來看是一種理想的除濕干燥技術[10-11]，同時轉輪除濕解決了溫濕度獨立控制的難題，是未來食品行業(yè)極具競爭力的干燥方式[12-13]。但當前空調(diào)除濕與工業(yè)除濕干燥的轉輪結構并不適合農(nóng)產(chǎn)品干燥，若直接套用將導致高能耗等問題；而熱泵除濕雖然深度除濕能力有限，但節(jié)能效果明顯[14-16]，因此，高濕環(huán)境下轉輪熱泵聯(lián)合除濕干燥可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，特別是針對熱敏性物料干燥具有較大應用前景。

本文針對當前轉輪除濕結構不合理、能耗大等問題，結合農(nóng)產(chǎn)品干燥要求設計了轉輪除濕熱泵干燥設備，并針對杏鮑菇開展了切片干燥試驗，以期為轉輪除濕干燥設備的設計及工藝優(yōu)化提供參考。

1 樣機設計與主要參數(shù)確定

1.1 工作原理與整機結構設計

典型的轉輪除濕一般由轉輪、表冷器及加熱器等組成。新風或回風先通過表冷器降溫除濕[17-18]后進入轉輪除濕，轉輪中裝填吸附劑，轉輪面分為除濕與再生區(qū)。在除濕過程中，轉輪在驅動裝置帶動下緩慢轉動，當轉輪在除濕區(qū)域吸附水分達到飽和狀態(tài)后，進入再生區(qū)域由高溫空氣進行脫附再生，這一過程循環(huán)進行，除濕干燥后的處理出風經(jīng)加熱或降溫后送入干燥箱，該系統(tǒng)具有如下不足：一方面始終在利用回風進行循環(huán)干燥，但干燥前期干燥箱內(nèi)濕度較大，當物料完成預熱后不宜再利用；另一方面，傳統(tǒng)的表冷器無法實現(xiàn)能量循環(huán)利用，增大了能耗。針對以上問題做如下改進：

設置三通閥轉換機構，解決新風與回風利用的合理轉換問題，實現(xiàn)節(jié)能干燥；蒸發(fā)器代替表冷器，同時設置冷凝器形成熱泵循環(huán)，實現(xiàn)能量的循環(huán)利用，并利用冷凝器放出的熱量加熱干燥進風或者用于轉輪再生；降溫設備的選擇在完成轉輪選型后依據(jù)溫升確定，根據(jù)計算本設計無需后表冷降溫，優(yōu)化后的結構如圖1所示。

1.冷凝器 2、3.加熱器 4.膨脹閥 5.轉換機構 6.蒸發(fā)器 7.除濕轉輪 8.壓縮機 9.干燥箱 10.出風板 A.再生進風 B.再生出風 C.處理進風 D.處理出風 E.干燥進風

設計的轉輪除濕熱泵干燥機整機結構如圖2所示，在工作時，要先將料盤放在托盤中，將托盤放在6層的物料車的層架上，再將物料車推入干燥箱，共可容納3個物料車，物料車與干燥箱壁緊密結合，主要是為了熱風能穿過物料，防止串風。干燥初期，由轉換機構切換將新風導入除濕主機，進風經(jīng)轉輪除濕系統(tǒng)除濕調(diào)溫后經(jīng)進風管道利用進風風道進入熱風層，之后穿過熱封板上出風孔進入干燥箱，逐步穿過物料，并由回風管道返回到除濕系統(tǒng)，或者排到大氣中。而當干燥進行到某個階段時回風濕度較低、溫度較高時，通過轉換機構將回風導入轉輪除濕系統(tǒng)，進行閉環(huán)除濕干燥。

1.除濕主機 2.控制器 3.轉換機構 4.回風管道 5.干燥箱 6.出風板 7.進風風道 8.熱風層 9.進風管道 10.出風孔 11.再生廢氣出口

1.2 干燥箱、料盤及物料車的設計

1.2.1 批次鋪料面積

以杏鮑菇干燥為例，批次干燥質(zhì)量為40 kg，物料初始含水率含水率為90%，干燥溫度40～80 ℃線性可調(diào)，3 h將物料干燥到貯藏要求。為了保證物料的干燥效果，采用薄層干燥，取單層鋪料。厚度=5 mm，試驗測得杏鮑菇密度為400 kg/m3，則批次攤放面積0計算如下

1.2.2 料盤、物料車及干燥箱尺寸的確定

物料車與托盤設計圖如圖3。設計托盤（圖3b）內(nèi)部尺寸620 mm×600 mm×20 mm，邊厚2 mm，共需20/（0.62×0.60）=53.8個托盤；設計3個物料車（圖3a），每個物料車上設計可放置18個托盤，則3個物料車可裝載18×3=54個托盤；根據(jù)托盤尺寸確定物料車的尺寸為：1 960 mm×650 mm×1 560 mm。同時在干燥時物料車與箱體間是緊密接觸的，這是為了使得熱風與物料的充分換熱，設計干燥箱尺寸為1 970 mm×1 960 mm× 2 000 mm。干燥熱風通過干燥箱底板上的均布的出風口穿過物料，出風口的總面積為1=1.25 m2。

因為熱風是通過穿流方式穿過物料的，因此風速一般小于1 m/s，本次取風速=0.6 m/s，則干燥風體積流量

取熱空氣密度=1.09 3 kg/m3，干燥風質(zhì)量流量

圖3 物料車與托盤

1.3 轉輪熱泵系統(tǒng)參數(shù)計算[19-21]

1.3.1 轉輪主機選擇

設計的轉輪除濕熱泵干燥系統(tǒng)單位除濕量= 40×0.9/3=12 kg/h，依據(jù)單位除濕量，主機選擇舜天公司的ST~15轉輪除濕機，該除濕轉輪額定除濕量10～20 kg/h，額定除濕風量2 200～4 550 m3/h，滿足生產(chǎn)設計要求。

處理空氣溫升計算：轉輪熱泵除濕過程如圖4所示，1點～2點為蒸發(fā)過程，干燥介質(zhì)被降溫除濕，2點～3點為等焓除濕過程，干燥介質(zhì)被升溫除濕，3點～4點為冷凝過過程，干燥介質(zhì)被等濕升溫，4點為進干燥箱，5點為出干燥箱，為等焓干燥。設1點新風經(jīng)蒸發(fā)器降溫到2點，此時2=15 ℃且為飽和氣體，根據(jù)焓濕圖知1=10.7 g/kg，通過轉輪反復試驗得出轉輪溫升D=23 ℃，轉輪除濕量為D=6.1 g/kg，則處理后的空氣溫度32+D=38 ℃，而一般干燥溫度在40 ℃以上，因此無需降溫處理。

注：φ為相對濕度，1為新風點，2為蒸發(fā)除濕終點，3為轉輪除濕終點，4為等濕加熱終點。

1.3.2 蒸發(fā)器計算

根據(jù)圖4所示，蒸發(fā)過程由1點～2點，設室溫新風平均溫度1=25 ℃，濕度1=55%，則新風焓值1=52.96 kJ/kg，設蒸發(fā)溫度為10 ℃，換熱溫差為5 ℃，2=t+5=15 ℃，t為蒸發(fā)溫度，當降溫飽和后相對濕度2=100%，此時2=42.07 kJ/kg，則蒸發(fā)器傳熱量

平均傳熱溫差

1.3.3 冷凝器計算

根據(jù)圖4所示，冷凝過程由3點到4點，是等濕加熱過程，其中3=38 ℃，3=4.6 g/kg，3=50.2 kJ/kg，設冷凝溫度t為55 ℃，取換熱溫差為5 ℃，4=t?5=50 ℃，且已知4=4.6 g/kg，則4=62.42 kJ/kg，則冷凝器傳熱量

平均傳熱溫差

1.3.4 壓縮機計算

圖5為R134a工質(zhì)理論循環(huán)示意圖，其中4～1為等溫蒸發(fā)過程，1～2為等熵壓縮過程，2～3為等溫冷凝過程，3～4為絕熱膨脹過程。由圖5結合蒸發(fā)溫度與冷凝溫度可以確定1點焓值1=405 kJ/kg，比體積1=0.05，2點2=225 kJ/kg，3點3=280 kJ/kg，4點4=3=280 kJ/kg，單位熱泵工質(zhì)焓值

熱泵工質(zhì)流量

壓縮機輸氣量

理論循環(huán)等熵壓縮時壓縮機的耗電量

注：e為蒸發(fā)溫度，c為冷凝溫度，1為蒸發(fā)終點焓值，2為壓縮終點焓值，3為冷凝終點焓值，4為節(jié)流終點焓值。

Note:eis evaporation temperature,cis condensation temperature,1is the enthalpy at the end of evaporation,2is the enthalpy at the end of compression,3is the enthalpy at the end of condensation,4is the enthalpy at the end of throttling.

圖5 基于R134a工質(zhì)的熱泵理論循環(huán)

Fig.5 Heat pump theoretical cycle based on working fluid of R134a

1.4 臨界除濕結構設計

干燥介質(zhì)與外界環(huán)境的連通程度，一般可以分為開式、半開式與封閉式，因為轉輪除濕的優(yōu)勢就是低露點，所以主要形式應該采用封閉式，而干燥初期回風溫度低、濕度大不宜利用。因此，合理的干燥過程應是干燥初期采用開式，當達回風達到某個臨界狀態(tài)時轉換為封閉式干燥，所以尋找這個臨界點是關鍵。

物料在干燥箱內(nèi)的干燥近似等焓干燥，轉輪除濕也是近似等焓過程，且除濕溫度越低轉輪除濕效率越高[22-23]。通常干燥溫度是預先設置好的，隨著除濕狀態(tài)的進行焓值逐漸降低，回風溫度逐漸上升。干燥時，某個循環(huán)中，物料干燥過程中是沿等焓線沿降溫方向移動，隨著干燥的進行，在不同的循環(huán)中，回風焓值是降低的，回風溫度不斷上升。同時隨著回風溫度的增大，如果全部利用回風的話，則蒸發(fā)溫度升高，由于單位制冷量與輸氣系數(shù)增大，相應制冷量也會升高。如圖6所示，干燥開始時，某時刻進入干燥箱的空氣處于狀態(tài)點1，在干燥箱內(nèi)空氣沿著1～2達到2時流出干燥箱，假如此時2點的溫度與環(huán)境溫度相同，離開干燥器后進入蒸發(fā)器冷凝除濕，到飽和線上的3點，之后沿飽和線到4點，進入轉輪后近似等焓除濕，到達5點，再等濕加熱到6點，下個過程是沿著6～2′，到3′點再降溫除濕到4′，除濕到5′點，再加熱到6′點，假如下一個循環(huán)中，既從6′～2″，之后從蒸發(fā)器出口時的狀態(tài)點和4″重合，既和新風從蒸發(fā)器出口的狀態(tài)點一致時，記為臨界點。在此點之前如果利用回風干燥則從蒸發(fā)器出口的空氣溫度高于4″，由于轉輪除濕效率與處理風溫成反比，所以回風除濕效率低，因此，在此點前應利用新風；當回風從蒸發(fā)器出口的狀態(tài)點越過臨界點后，其溫度比新風從蒸發(fā)器出口溫度4″點低，除濕量增大，所以越過臨界點后應使用回風。另一方面，冷凝除濕階段，如在2～3～4階段，制冷消耗的能量在冷凝器中又放出用于轉輪再生了，因此，可認為實現(xiàn)了能量的內(nèi)部循環(huán)利用。因此，到達臨界點后，利用回風除濕比利用室外新風節(jié)能。通過圖6可知，2′″為最適轉換點，其相對濕度處于%與%之間，其中值利用除濕回風焓值與室外溫度確定，值根據(jù)2″′含水率與初始除濕焓值確定。

注：1~6表示某一物料等焓干燥后干燥介質(zhì)再除濕加熱過程，“′”、“″”、“′″”分別代表不同除濕循環(huán)，b%為轉換點相對濕度下限，a%為轉換點相對濕度上限。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與儀器

試驗用杏鮑菇采自宜興新錦源菌業(yè)科技有限公司，含水率約在90%；美國OHAUS奧豪斯MB27快速水分測定儀；柯尼卡美能達色差計CR-10plus（上海嘉標測試儀器有限公司）；HH-4恒溫水浴鍋（常州智博瑞儀器制造有限公司）；BSA224S電子天平（廣州市深華生物技術有限公司）；切片機（自制）；電表。

2.2 成分測定

2.2.1 水分

水分的測定利用美國OHAUS奧豪斯MB27快速水分測定儀進行測量。

2.2.2 復水比

杏鮑菇復水性能用復水比表示，復水比為杏鮑菇在復水一定時間后的質(zhì)量與復水前質(zhì)量之比，計算公式如下

式中R為復水比；M為杏鮑菇復水瀝干后的質(zhì)量，kg；M為杏鮑菇復水前的質(zhì)量，kg。

試驗時，稱量一定質(zhì)量的干燥杏鮑菇樣品放入40 ℃恒溫的蒸餾水中，保溫30 min后取出瀝干20 min，并用吸水紙拭干表面水分后稱質(zhì)量。每組進行3次平行試驗，結果取平均值[24]。

2.2.3 色差值測定

采用柯尼卡美能達色差計CR-10plus測定。顏色通過（明暗度）、（紅綠度）、（黃藍度）表示。根據(jù)測得的新鮮杏鮑菇片和干燥后的杏鮑菇片顏色值計算色差值Δ[25-26]，具體按式（14）計算。

2.2.4 除濕能耗比(specific power consumption, SPC)

除濕能耗比表示每除去單位水分所消耗的能量。試驗中利用電表測量每次試驗所消耗的電量，結合試驗中除去水的質(zhì)量進行計算[27]。

其中為電耗，kW·h，為除去水的質(zhì)量，kg。

2.3 試驗設計

根據(jù)杏鮑菇性質(zhì)與相關文獻[28-30]，杏鮑菇干燥溫度一般不超過65 ℃，由于轉輪具有低濕低溫特性，本次試驗注重探究低溫下的干燥速率與能耗，選擇干燥溫度為50 ℃。轉輪再生溫度越高除濕能力越強，但相應的能耗也越大；另一方面轉輪除濕是近似等焓過程，再生溫度太高會導致處理出氣溫升較大，可能超過目標干燥溫度；同時低溫干燥是該設備的作業(yè)優(yōu)勢，因此為了研究不同再生溫度對除濕能力的影響，特別是低溫再生特性，依據(jù)物料與設備特性選擇再生溫度為80 ℃；干燥濕度的選擇根據(jù)1.4中對轉換機構的分析，測量初始回風焓值結合室外相對濕度，確定，點分別為40%與50%，取此次干燥濕度為45%。試驗樣機放置于工廠化生產(chǎn)食用菌栽培房內(nèi)，通過溫濕度控制系統(tǒng)確保干燥介質(zhì)的溫度與濕度保持穩(wěn)定。每隔30 min稱質(zhì)量一次，記錄并折算出含水率，結果如圖7所示，初始含水率為90%，150 min時含水率為15.6%，180 min時含水率降為8.53%，且色澤等品質(zhì)符合干燥要求。在單因素試驗基礎上，采用Box-Benhnken中心組合設計，以復水比1、色差2與除濕能耗比3作為響應值，對轉輪再生溫度1、干燥溫度2、轉換點的相對濕度3進行響應面試驗，設計因素水平回歸試驗，對3個主要參數(shù)組合優(yōu)化設計，進而獲取最優(yōu)干燥工藝。轉輪除濕熱泵干燥機置于由食用菌培養(yǎng)房提供的恒溫與恒濕環(huán)境中，每組干燥時間統(tǒng)一為3 h。試驗因素與水平如表1所示。采用Mintab v15.1軟件進行試驗設計、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析，利用Voxler4軟件進行繪圖，根據(jù)Box-Benhnken 試驗方案進行三因素三水平響應面分析試驗。

圖7 濕基含水率隨時間變化

表1 響應面試驗因素與水平

2.4 試驗結果分析

2.4.1 響應面模型及顯著性檢驗

對表2中的數(shù)據(jù)，運用Mintab15.1 數(shù)據(jù)分析軟件進行多元回歸擬合分析，結果見表3，利用voxler4繪制各考察因素與試驗因素之間關系如圖8所示。

表3為回歸模型方差分析，由表可知，復水比1、色差2、除濕能耗比3響應面模型的<0.001，表明3個回歸模型均高度顯著；1、2、3模型失擬項均不顯著（>0.05，），表明在試驗范圍內(nèi)，回歸模型與實際情況擬合度較好；1、2、3模型的決定系數(shù)2值依次為98.85%、99.07%、99.00%，均大于98%，表明各模型可以解釋98%以上響應值變化，僅有不到2%的總變異不能由模型來解釋，預測值和實際值之間具有高度相關性，試驗誤差較小。因此，可用該模型對杏鮑菇干燥各指標進行分析和預測。

表2 試驗方案與結果

圖8 再生溫度、干燥溫度和轉換點相對濕度與復水比、色差及除濕能耗比之間的四維渲染圖

表3 回歸模型方差分析

注：***表示<0.001（極顯著）。

Note: *** shows significance (<0.001).

由表3可知，模型1的1、2、22、12的5個回歸項影響極顯著（<0.01），12、32影響顯著（<0.05），其余回歸項影響不顯著（>0.05）；模型2的2、3的2個回歸項影響極顯著（<0.01），22、23的2個回歸項影響顯著（<0.05），其余回歸項影響不顯著（>0.05）；模型3的1、2、12、22、32、13、23的7個回歸項影響極顯著（<0.01），3影響顯著（<0.05），12不顯著（>0.05）。保留上述模型顯著項，剔除不顯著項，建立復水比1、色差2、除濕能耗比3對3個自變量（1、2、3）的二次多項式回歸模型，如方程（16）～（18）所示，對建立的3個回歸模型方程進行方差分析，對3個模型進行擬合，在保證模型高度顯著、失擬項不顯著基礎上，其回歸模型可以優(yōu)化為(16)~(18)，其中值為編碼值。

1=3.650 00?0.040 001?0.268 752+0.021 2512

?0.031 2522+0.023 7532?0.030 0012（16）

2=27.500 0+2.600 02?1.100 03?0.650 022

+0.500 023（17）

3=2 435.33+85.001+104.622+31.383+128.8312+

141.0822+167.5832?61.7513?106.5023（18）

2.4.2 因素響應分析

由表3的值知，再生溫度1，干燥溫度2，轉換點相對濕度3對復水比1的3個因素的重要影響性順序為2>1>3，1、2、3對1的影響效應如圖8a所示，總體影響趨勢為再生溫度越低、干燥溫度越低，復水比越高，反之越低。主要是因為再生溫度高，干燥濕度低，而低的干燥濕度在干燥后期可能會引起杏鮑菇的皺縮，影響復水性；高的干燥溫度會對杏鮑菇的細胞等結構產(chǎn)生破壞，影響復水性。

再生溫度1，干燥溫度2，轉換點相對濕度3對色差2的3個因素的重要影響性順序為2>3>1，1、2、3對2的影響效應如圖8b所示，總體影響趨勢為干燥溫度越低，轉換點相對濕度越小色差越小，反之越大。主要是因為低的干燥溫度可以抑制杏鮑菇加熱過程中美拉德反應的發(fā)生，從而降低褐變，減少了色差；轉換點相對濕度高色差小的原因可能是因為，轉換點相對濕度高意味著越早關閉轉換閥，更多的利用循環(huán)風，減小干燥箱中氧氣的濃度，同樣可以抑制美拉德等反應，減小了色差。

再生溫度1，干燥溫度2，轉換點相對濕度3對除濕能耗比3的3個因素的重要影響性順序為2>1>3，1、2、3對3的影響效應如圖8c所示，總體影響為再生溫度、干燥溫度和轉換點相對濕度對SPC的影響呈現(xiàn)先低后高的趨勢。再生溫度高則干燥濕度低，在干燥初期由于濕度低焓值低，物料升溫速度慢，不利于干燥，同樣在干燥后期物料處于降速干燥階段，低濕所產(chǎn)的干燥驅動力的優(yōu)勢不能充分發(fā)揮，也會導致能耗高；而低再生溫度則干燥濕度高，造成干燥過程中平均干燥速率降低進而導致能耗高。干燥溫度對能耗的影響機理與再生溫度對能耗的影響機理基本相似。而轉換點相對濕度對能耗的影響呈現(xiàn)單谷趨勢的原因，與1.4章節(jié)中對臨界除濕分析原因相似，在臨界點前利用新風，在臨界點后利用回風可以實現(xiàn)節(jié)能效果。

2.5 試驗優(yōu)化與驗證

為了達到理想的干燥效果，要求干燥后的杏鮑菇在保證水分含量的情況下復水比盡量高，色差和除濕能耗比盡量小。通過各因素影響效應分析可知：要獲得較高復水比的杏鮑菇，要求再生溫度與干燥溫度盡量低；要獲得較低色差的杏鮑菇，就要求干燥溫度盡量低，轉換點相對濕度盡量高；要獲得較低的除濕能耗比，就要求再生溫度、干燥溫度和轉換點相對濕度需要適中。因此，采用mintab響應優(yōu)化器對3個響應的目標、期望值、上下限和重要性進行設置，其中上、下限值通過表2獲得，望目值在望大響應中取上限值，在望小響應中取下限值，綜合物料的干燥品相與能耗，取3個響應的重要性與權重相同（表4），優(yōu)化后的結果如表5所示，當再生溫度為87.49 ℃，干燥溫度為50.05 ℃，轉換點相對濕度為45.45%時，復水比為3.89，合意性為0.954，色差為24.2，合意性為0.755，除濕能耗比為2 461 kJ/kg，合意性為0.895，復合合意性為0.868，符合預期干燥目標。為了驗證優(yōu)化結果的可行性，對優(yōu)化后的參數(shù)組合進行試驗驗證，試驗條件和試驗方法同上。設定再生溫度為87 ℃，干燥溫度為為50 ℃，轉換點相對濕度為45%時，試驗進行3次取平均值，最后得到干品杏鮑菇復水比4.028，色差22.89，SPC 2 633 kJ/kg，分別與預測值的絕對誤差為3.5、5.6及4.7個百分點，試驗結果與預測值很接近，驗證了該模型的可靠性。

表4 參數(shù)優(yōu)化設置

表5 全局解與預測的響應

3 討 論

本文在分析轉輪、熱泵除濕特點的基礎上，開展了轉輪除濕熱泵干燥系統(tǒng)結構優(yōu)化設計，研究了設備調(diào)節(jié)參數(shù)再生溫度、干燥溫度與轉換點相對濕度對切片杏鮑菇復水比、色差和除濕能耗比的影響，試驗結果達到了預期目標。但在除濕能耗的研究方面還有待進一步深入研究，一方面，在實際生產(chǎn)中非專業(yè)人員很難結合環(huán)境狀況與焓濕圖確定最佳轉換點相對濕度，另一方面，環(huán)境狀態(tài)是不斷變化的，如果不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)很難實現(xiàn)精準調(diào)控。因此，結合控制技術，通過實時獲取環(huán)境參數(shù)與回風在蒸發(fā)器的出口狀態(tài)，從而構建一套具有自動調(diào)節(jié)最佳轉換點相對濕度的系統(tǒng)，將是下一步的研究重點。

4 結 論

1）各個因素對復水性影響重要性順序為干燥溫度＞再生溫度＞轉換點相對濕度，對色差重要影響性順序為干燥溫度＞轉換點相對濕度＞再生溫度，對除濕能耗比重要影響性順序為干燥溫度＞再生溫度＞轉換點相對濕度。

2）再生溫度越低、干燥溫度越低，復水比越高，反之越低；干燥溫度越低，轉換點相對濕度越小色差越小，反之越大；再生溫度、干燥溫和轉換點相對濕度對除濕能耗比的影響呈現(xiàn)先低后高的趨勢。

3）通過多指標響應面綜合試驗研究表明，該轉輪除濕熱泵干燥機通過3 h將40 kg杏鮑菇干燥到貯藏要求，且質(zhì)量較好達到了樣機設計要求。綜合優(yōu)化試驗結果表明：再生溫度87 ℃，干燥溫度50 ℃，轉換點相對濕度45%時，杏鮑菇復水比4.028，色差22.89，SPC 2 633 kJ/kg，與預測絕對值誤差均低于6個百分點，符合預期干燥目標。

通過對新風與循環(huán)風的除濕干燥過程分析，明確了臨界除濕機理，獲得了最佳節(jié)能轉換點相對濕度，為進一步構建自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)奠定了理論基礎。

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Structural design and process parameter optimization of heat pump drying system of wheel dehumidification for

Wang Jiaoling, Song Weidong※, Jin Chengqian, Ding Tianhang, Wang Mingyou, Wu Jinji, Liu Zichang

(,210014,)

Common methods of drying have three ways: radiation, conduction and convection. Convective drying has been widely used due to its simple equipment and wide application range. The parameters that can be optimized are temperature, wind speed and humidity, but the temperature has an upper limit in each drying stage. Exceeding the upper limit will destroy the quality of agricultural products. It’s not conducive to sufficient heat exchange between wind and material if exceeding the optimum air volume. The humidity is unrestricted for most of the drying period. Low humidity can increase the drying rate and, so humidity is an ideal adjustment parameter. Wheel dehumidification is a common mode in solid dehumidification. However, the traditional wheel dehumidifier has problems such as high energy consumption and unreasonable structure, while heat pump has limited deep dehumidification capacity, but the energy saving effect. In view of the above problems, in this paper, we proposed a model of wheel dehumidifying and for the problems of high energy consumption and unsuitable for drying of agricultural products based on traditional structure of wheel dehumidifying, the optimization design of the dehumidifying structure and the dehumidification system was carried out. Firstly, a conversion mechanism was set up to solve the problem of reasonable conversion between fresh air and circulating air to realize energy-saving drying. Secondly, the surface cooler was replaced by an evaporator and a condenser was set up to recycle the energy. The heat released from the condenser was used to heat dry the inlet air or to regenerate the dehumidification wheel. In order to test and improve the performance of the wheel and heat pump combined dryer, in this paper, we took the sliced Pleurotus eryngii as the research object, and aimed to reduce the color difference of the Pleurotus eryngii, specific power consumption and improve the rehydration, using Box-Benhnken. In the central combined experimental design theory, we carried out three-factor and three-level response surface tests on three factors that affected the drying quality and energy consumption, such as regeneration temperature, dry temperature and conversion point relative humidity. Data analysis was carried out and the response surface mathematical model was established. The four-dimensional renderings was used to analyze the influence mechanism of the above three indicators on the changes of the three test factors. The results showed that the2was near to 1and the test factors had a great influence on the drying quality and energy consumption. The order of importance of each factor to rehydration was dry temperature > regeneration temperature > conversion point relative humidity, the order of importance to aberration was regeneration temperature > conversion point relative humidity > drying temperature, the important influence order on SPC was dry temperature > regeneration temperature > conversion point relative humidity. The lower regeneration temperature resulted in the lower drying temperature, the higher rehydration ratio, and the lower relative humidity of the converse. The lower drying temperature, the smaller the relative humidity of the conversion point, and the lower chromatic aberration, and vice versa. The regeneration temperature, the drying temperature and the conversion point relative humidity to SPC showed a trend of low first and then high. When the regeneration temperature was 87 ℃, the drying temperature is 50 ℃, and the relative humidity of the conversion point was 45%. The rehydration ratio of Pleurotus eryngii was 4.028, the color difference was 22.89, SPC was 2633 kJ/kg, and the error between the predicted and absolute value was less than 6 percentage point. This study explored the critical dehumidification mechanism based on enthalpy point and improved the wheel dehumidification structure, and formulated the optimum dehumidification drying process of Pleurotus eryngii. The results can provide the basis for the design of wheel dehumidification and HPD combined dryer and the optimization of drying process.

drying; agricultural products; quality control; wheel dehumidification; heat pump; pleurotus eryngii

王教領，宋衛(wèi)東，金誠謙，丁天航，王明友，吳今姬，劉自暢. 杏鮑菇轉輪除濕熱泵干燥系統(tǒng)結構設計及工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(4)：273－280. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.034 http://www.tcsae.org

Wang Jiaoling, Song Weidong, Jin Chengqian, Ding Tianhang, Wang Mingyou, Wu Jinji, Liu Zichang. Structural design and process parameter optimization of heat pump drying system of wheel dehumidification for[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 273－280. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.034 http://www.tcsae.org

2018-09-05

2019-01-28

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金（S201809）；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程特色農(nóng)產(chǎn)品干制與加工裝備團隊；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程協(xié)同創(chuàng)新任務(CAAS-XTCX2016005)

王教領，助理研究員，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品干燥加工技術與裝備研究。Email：kclwjl@126.com

宋衛(wèi)東，研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品干燥加工、食用菌機械化生產(chǎn)技術與裝備研究。Email：songwd@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.034

TS255.3; TS205.1

A

1002-6819(2019)-04-0273-08