太陽能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)干燥豆渣的特性研究

孫偉， 李明,， 高萌， 李坤， 趙沖， 李金

(1.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

豆渣是大豆加工過程中產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物，我國是大豆種植的主要國家，年均濕豆渣產(chǎn)量高達2 000萬噸，目前大部分豆渣被用作動物飼料甚至直接扔掉，造成了環(huán)境的污染和資源的浪費[1-3].

豆渣干燥后可長期保存，且易與其他食品相結(jié)合.近年來對豆渣干燥的方法和干燥設(shè)備的研究很多，但主要方式為微波干燥、真空冷凍干燥、高壓電場干燥和旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥[4-11],對于采用太陽能與熱泵聯(lián)合的方式來進行豆渣干燥的研究卻鮮有報道.太陽能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)采用能源互補的方式，在充分利用太陽能的基礎(chǔ)上，有效節(jié)約干燥成本，同時結(jié)合熱泵可使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，因此本文構(gòu)建了太陽能與熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，同時為了更加有效的利用干燥物料后的熱量，增加了回熱管道，并以豆渣為例開展實驗研究，以期獲得豆渣的干燥特性.

2 實驗設(shè)備與方法

2.1 干燥系統(tǒng)和測試設(shè)備

回熱式太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)部件主要包括真空管集熱器、集熱器進口風機、集熱器風道、熱泵蒸發(fā)器、空氣換熱器、排濕風機、干燥箱、送風風機、熱泵冷凝器.干燥系統(tǒng)主要部件參數(shù)見表1，實驗測試儀器見表2.

2.2 實驗和方法

系統(tǒng)可以根據(jù)干燥箱內(nèi)溫度來改變運行模式.白天太陽輻照充足時，進入太陽能集熱器的空氣可以被加熱到60 ℃以上，滿足干燥的溫度需求，因此可只運行太陽能干燥系統(tǒng)；白天太陽輻照不足時，太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能使干燥箱內(nèi)的溫度達到設(shè)定值，太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行，熱泵進行熱量的補充；在夜晚無太陽輻照時，此時太陽能集熱系統(tǒng)不工作，熱泵系統(tǒng)單獨運行.

為了研究豆渣在太陽能與熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)下的特性，在昆明市(東經(jīng)102.43°，北緯25.02°)開展了兩次豆渣干燥實驗，干燥物料均為新鮮豆渣，并在實驗之前根據(jù)《食品中水分的測定GB/T 5009.3-2016》測定豆渣初始濕基含水率.

為了研究不同環(huán)境溫度對系統(tǒng)干燥物料的影響，進行了兩次豆渣干燥實驗，第一次實驗豆渣總重為66.45 kg，在上午7∶45開機運行,測得初始環(huán)境溫度為12 ℃；第二次實驗豆渣總重為116.4 kg，在下午14∶45開機運行，測得初始環(huán)境溫度為25 ℃.

圖1 回熱式太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理圖

表1 回熱式太陽能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的主要部件參數(shù)

表2 實驗測試儀器

實驗過程中，從總的豆渣中分出四份等重樣品均勻鋪入四個相同的物料托盤內(nèi)并稱重記錄，物料托盤長0.55 m寬0.48 m，將其放入干燥室內(nèi)1，2，3，4層大物料架上，由上至下分別記做樣品1、樣品2、樣品3和樣品4.并將剩下的所有豆渣全部均勻放入干燥箱內(nèi)大物料架上.干燥箱保溫層厚度為10 cm.啟動聯(lián)合干燥系統(tǒng)，進行干燥實驗.系統(tǒng)在白天太陽輻照充足時，進入太陽能集熱器的空氣可以被加熱到60 ℃以上，滿足干燥的溫度需求，因此可只運行太陽能干燥系統(tǒng)；當太陽輻照不足時，太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能使干燥箱內(nèi)的溫度達到設(shè)定值，太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行，熱泵進行熱量的補充；在夜晚無太陽輻照時，此時太陽能集熱系統(tǒng)不工作，熱泵系統(tǒng)單獨運行.

豆渣初始含水率為78 %，干燥過程中每間隔1 h對樣品稱重一次，直至樣品的干基含水率達到保存的標準時停止干燥實驗.

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥特性曲線

豆渣干基含水率變化曲線如圖2所示，兩次實驗分別用時16 h和17 h，最終含水率測定為7%，達到了長時間保存的標準.干燥后的豆渣呈乳白色，略微偏黃，無豆腥味及其他異味，品質(zhì)良好.對比兩次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),第一次實驗時，干燥箱內(nèi)的溫度升到45 ℃需要4 h，而第二次實驗時，干燥箱內(nèi)的溫度1 h就可以上升到45 ℃，此時豆渣的干基含水率下降速度最快.干燥箱內(nèi)樣品1位置處的物料質(zhì)量整體下降的較快，主要的原因是干燥箱上層的溫度最高，且在靠近樣品1的地方有一個回風的風機，氣流速度會大于其他地方,所以在第1層的干燥物料干基含水率下降最快.

圖2 豆渣干燥曲線

圖3為豆渣在干燥過程中干燥速率隨時間的變化曲線.從圖中可以明顯地看出，兩次干燥實驗的開始的干燥速率相差較大，主要的原因是：第一次實驗時，初始環(huán)境溫度低，蒸發(fā)器吸收的熱量少，因此干燥箱內(nèi)的溫度上升較慢.在10∶00之后，干燥速率有了明顯的提升，因為此時環(huán)境的溫度已經(jīng)達到了20 ℃，蒸發(fā)器吸收的熱量增加，有效地提高了豆渣的干燥速率.第二次實驗開始時，豆渣的干燥速率達到最大值0.35 kg/h，主要是下午環(huán)境溫度高，太陽輻照充足，箱內(nèi)溫度在1 h內(nèi)達到45 ℃以上，而且剛放進干燥箱的豆渣表面水分最多，因此豆渣的失水速率最快.在凌晨1∶45分時將三四層豆渣進行翻動后，豆渣的干燥速率明顯上升，這是因為翻動豆渣，可以使內(nèi)部水分含量較高的豆渣盡可能與熱空氣進行接觸，極大的提高了豆渣的干燥速率.

圖3 干燥速率隨干燥時間的變化圖

3.2 系統(tǒng)能耗及成本

利用測試數(shù)據(jù)可以得到的供熱系數(shù)關(guān)系圖，以第一次實驗為例，得到了在上午8∶00到下午17∶00的供熱系數(shù)關(guān)系圖(如圖4).從圖4可以看出，熱泵的供熱系數(shù)在上午10∶00之前呈上升趨勢，之后熱泵的供熱系數(shù)保持在2以上，主要的原因是早上環(huán)境溫度低，熱泵的蒸發(fā)器從環(huán)境中吸收的熱量有限.從集熱器供熱量占曲線比可知，集熱器供熱量占比呈現(xiàn)出先增加后降低的情況，最高時占比可達到38.69%，主要是受到太陽輻照度的影響，當太陽輻照度增強，集熱系統(tǒng)的供熱量增加，供熱占比也隨之增加.

圖4 供熱系數(shù)關(guān)系圖

以初始環(huán)境較高的第二次豆渣干燥實驗數(shù)據(jù)進行成本計算，本次實驗干燥豆渣116.4 kg，系統(tǒng)共運行17 h,耗電64.62 kWh，按照0.5元/kWh的電價計算，共計電費32.31元，對比目前干燥豆渣常用的旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥技術(shù)，其干燥相同質(zhì)量豆渣到含水率為10%以下的成本在58.2元左右，因此利用本系統(tǒng)進行豆渣干燥，可以減少44.48%的成本.

4 結(jié) 語

利用構(gòu)建的太陽能與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)對濕豆渣進行了兩次干燥實驗，結(jié)果表明:

(1)豆渣干燥過程中主要受到干燥箱內(nèi)的溫度和風速的影響，溫度高、風速大可以有效縮短物料的干燥時間；

(2)該裝置運行過程中，熱泵的供熱系數(shù)在2.5左右，太陽能集熱器最高可提供38.69%的熱量，有效地實現(xiàn)了能源的互補；

(3)在環(huán)境溫度高的下午開機運行，干燥箱內(nèi)溫度可以在1 h內(nèi)達到45 ℃，且可以獲得最大的干燥速率0.35 kg/h；在環(huán)溫低的上午開機實驗，達到設(shè)定溫度需要4 h，此時的干燥速率只有0.1 kg/h;

(4)太陽能熱泵聯(lián)合系統(tǒng)干燥相同質(zhì)量豆渣成本遠低于旋轉(zhuǎn)閃蒸方法，可以節(jié)約44.48%的成本.