熱泵型海帶烘干室海帶含水率研究

王芳　楊文佳　王鵬浩

摘 要：針對海帶烘干時間長、效果差的問題，依據(jù)有限體積法，使用三維軟件建立熱泵型海帶烘干室物理模型，采用數(shù)值模擬軟件，對海帶烘干室物料層中海帶含水率進行模擬計算。選取不同干燥溫度、風速、格柵間距進行單因素模擬研究，綜合各因素影響，對海帶含水率進行優(yōu)化分析，確定在烘干溫度為55℃、烘干氣流速度為9m/s 、保持烘干室內(nèi)格柵間距為0.16m的條件下，海帶烘干效果達到最優(yōu)。此研究結(jié)果為海帶干燥提供了一定的理論指導。

關鍵詞：熱泵烘干;海帶含水率;格柵;溫度;速度

DOI：10.15938/j.jhust.2020.06.015

中圖分類號： TU834.28

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）06-0107-05

Study on Moisture Content of Kelp in Heat Pump Drying Chamber

WANG Fang1，2， YANG Wen-jia1， WANG Peng-hao1

（1.School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080 ，China;

2.Rongcheng Campus，Harbin University of Science and Technology，Weihai 264200，China）

Abstract：Aiming at the problem of long drying time and poor effect of kelp， according to the finite volume method， three-dimensional software was used to establish the physical model of heat pump-type kelp drying chamber， and numerical simulation software was used to simulate the kelp moisture content in the material layer of kelp drying chamber. Different drying temperatures， wind speed， grid spacing and other factors were selected to conduct a single-factor simulation study， and the moisture content of kelp was optimized and analyzed based on the comprehensive influence of all factors. It was determined that the drying effect of kelp was optimal under the conditions of 55℃ drying temperature， 9m/s drying airflow velocity and 0.16m grid spacing in the drying room. The results provide theoretical guidance for kelp drying.

Keywords：heat pump drying; kelp moisture content; grid; temperature; speed

0 引 言

能源是經(jīng)濟建設和改善人們生活水平的重要物質(zhì)基礎，近年來，隨著科技的發(fā)展和社會的進步，人們越來越重視能源的高效利用，海產(chǎn)品的干燥是一項高耗能的操作工藝，節(jié)能減排是當今社會發(fā)展的主要趨勢，對傳統(tǒng)干燥工藝進行改進，減少干燥工藝中的能耗，提高干燥操作中的能源利用率就成為了至關重要的問題。

近年來，國際上許多學者都對熱泵干燥技術進行了深入研究，Mustafa等[1]研究了熱泵干燥系統(tǒng)對烘干小蝦和魚餅的效果，Yu Qiu等[2-3]建立了一種新型的熱回收和熱儲存太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)，有效回收熱量，提高太陽能的利用率。Hawlader和Fadhel等[4-5]設計將太陽能輔助熱源應用于熱泵烘干系統(tǒng)。Sandy等[6]分析了一種薄荷圓柱形葉片低溫新型干燥室中的干燥特性。Chiara等[7]將熱泵應用于烘焙饅頭中，利用數(shù)值模擬為實驗技術提供合適的替代方案。Amir等[8]將熱泵技術應用于烘干青香蕉，分析了不同干燥條件對整個青香蕉粉淀粉含量的影響。

目前，在國內(nèi)也有很多學者探討了熱泵烘干技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并將熱泵技術逐漸應用于食品領域。楊先亮等[9]運用FLUENT軟件對空載狀態(tài)下的塔內(nèi)干燥介質(zhì)在不同方向所呈現(xiàn)出的流場軌跡進行模擬。韓明等[10]主要研究空氣源熱泵的設計及大棗干燥的控制方法?；舳鈁11]通過分析菊花的物性參數(shù)，應用FLUENT軟件對烘干室內(nèi)部氣流組織進行模擬分析研究，提高烘干室內(nèi)氣流組織的均勻性。萬文雷等[12-14]分析了香菇在干燥過程中，其烘干房垂直高度方向上的氣流分布。廖玉璠等[15-16]將太陽能相變蓄熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)結(jié)合起來用于干燥玫瑰花，蔣思杰等[17-18]采用熱泵干燥技術，提高了香蕉干片、紅棗干等不同食品的質(zhì)量和干燥效率。張波等[19]針對無核厚皮葡萄烘干過程中出現(xiàn)的產(chǎn)量低、能耗高、時間長等問題進行優(yōu)化，并確認其干燥的最佳溫濕度。詹吉平等[20]根據(jù)谷物干燥特點，分析了密集烤房谷物干燥系統(tǒng)的傳熱規(guī)律，進行了能級評價和經(jīng)濟效益分析。王芳等[21]模擬計算房間模型中空氣流通變化，對室內(nèi)空氣氣流組織的變化進行了深刻研究。

本文建立熱泵型海帶烘干房的物理模型，確立數(shù)學模型，并用數(shù)值模擬的方法分析了不同烘干溫度以及速度下海帶物料層含水率的變化，依此確定了烘干房內(nèi)最佳設置參數(shù)，并在此基礎上于烘干室內(nèi)布置格柵，分析不同溫度、風速、格柵間距下海帶含水率的變化，利用熱泵技術使海帶烘干效果達到最佳，為熱泵烘干技術在海帶烘干房中的應用提供依據(jù)。

1 基本假設與邊界條件

1.1 基本假設

1）整個烘干房內(nèi)的壁面不考慮其熱量傳遞，均看作為絕熱壁面。

2）簡化烘干房，忽略回風道中蒸發(fā)器以及物料架的阻礙作用。

3）干燥過程中，海帶物料層產(chǎn)生的形狀變化和質(zhì)量變化均忽略不計。

1.2 邊界條件

1）將9個進風扇簡化為圓形進風口入口，邊界條件為速度進口（velocity-inlet），出口的邊界條件為自由出流（outflow）。根據(jù)相關數(shù)據(jù)，物料層中的海帶初始含水率設為94.7%。

2）為保證海帶質(zhì)量，烘干氣流溫度一般不高于60℃[22]，根據(jù)工廠經(jīng)驗值，本次模擬將入口氣流溫度范圍設置為45～55℃，烘干氣流速度大小范圍設置為6～12m/s。

2 物理模型和數(shù)學模型

2.1 物理模型

本課題以某熱泵型海帶烘干房為研究對象。烘干房內(nèi)的熱泵系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機及節(jié)流裝置等主要部件，熱泵系統(tǒng)圖如圖1。整個熱泵型烘干房的尺寸為6.68m×2.19m×2.53m（長×寬×高），物料室尺寸為5.48m×2.19m×2. 00m（長×寬×高），物料室上部回風道尺寸為5.48m×2.19m×0.53m（長×寬×高）。軸流風機均設置在進風口處，共9個。根據(jù)廠房要求，所設計搭建的烘干房可一次性放置8層尺寸為2.40m×1.69m（長×寬）的物料盤，每層之間相距0.2m。物料層距離進風口的水平距離為1.49m，底層托盤距離地面0.4m。此外烘干房內(nèi)還包括內(nèi)架、內(nèi)擋網(wǎng)、隔板等附件。

格柵均勻布置在垂直截面上，距進風口處0.7m，其尺寸為2.19m×0.08m（寬×高），分別設置3個不同的格柵間距（δ=0.12m、δ=0.16m、δ=0.20m），分析3種情況下海帶含水率的變化規(guī)律，以此確定不同格柵間距對海帶烘干效率的影響，熱泵烘干房物理模型如圖2 所示。

在實際模型網(wǎng)格劃分中考慮到烘干房結(jié)構(gòu)較為復雜，采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，該模型所劃分的數(shù)量為3983543個，在同樣邊界條件下進行了模擬計算，改變網(wǎng)格數(shù)量為262613個，模擬結(jié)果相同，證明網(wǎng)格具有無關性。最后經(jīng)檢驗所有網(wǎng)格質(zhì)量良好，可進行求解計算。

2.2 數(shù)學模型

在流動過程中任何流體都遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。本文雷諾數(shù)經(jīng)計算最終數(shù)值約為623151.83，其中計算當量直徑de為1.984m，選取55℃時空氣運動黏性系數(shù)19.1m2/s、最小速度6m/s。由于計算結(jié)果遠大于2300，流動狀態(tài)為湍流狀態(tài)，為滿足工況需求，必須另外添加湍流方程，故以標準的k-ε方程求解流場湍流問題，見公式（1）和（2）：

（ρk）t+div（ρμV-）=divμ+μtσkgradk-ρε+μtPG（1）

（ρε）t+div（ρεV-）=divμ+μtσεgradε-ρC2ε2k+μtCtεkPG+μtPG（2）

式中：k為湍流動能;ε為湍流耗散率;σk和σε為k和ε對應的湍流普朗特數(shù)，t為時間;v為坐標速動分量;μt為空氣湍流黏性系數(shù);ρ為體積質(zhì)量;PG為動能產(chǎn)生項，Cμ=0.09;σk=1.00;σt=1.30;C1=1.44;C2=1.92。

3 海帶含水率模擬結(jié)果分析

3.1 不同溫度海帶含水率變化

烘干過程中，為研究烘干房烘干氣流溫度對海帶含水率的影響，確定入口烘干氣流速度為9m/s，烘干時間為8h，分別設置烘干氣流溫度為45、50、55℃，匯總分析3個不同烘干氣流溫度條件下海帶含水率的數(shù)據(jù)變化，可得圖3不同溫度海帶含水率變化曲線圖。

如圖3可知，保持烘干氣流速度為9m/s，改變烘干氣流溫度時，海帶物料層的含水率變化曲線規(guī)律基本趨于一致。前2h內(nèi)海帶物料層含水率下降明顯，且不同溫度下含水率的變化情況相差較小。在2～5h之間，海帶物料層含水率下降趨勢緩于前2h，海帶含水量變化平緩，當烘干氣流溫度保持為45℃時，海帶物料層的含水率較溫度為50℃和55℃條件下的物料層含水率略高。時間在5h之后，海帶物料層含水率快速降低，物料層失水速率進一步加快，在不同烘干溫度下，海帶物料層含水率變化曲線規(guī)律差異較小，基本趨于一致，與前5h不同，在5h后烘干氣流溫度保持為55℃時，海帶物料層的含水率變化趨勢最明顯，低于同時刻下處于45℃和50℃時海帶物料層的含水率。當烘干完成時，只有烘干溫度保持在55℃時的海帶物料層含水率降低至20%以下，達到國家的相關規(guī)范要求。因此，文后的模擬分析將烘干房內(nèi)烘干氣流的溫度設置為55℃。

3.2 不同風速海帶含水率變化

研究分析了海帶含水率隨不同烘干氣流溫度變化規(guī)律，確定入口烘干氣流溫度為55℃，在此基礎上，研究分析海帶含水率隨烘干房內(nèi)不同烘干氣流速度下變化規(guī)律。設置烘干時間為8h，設置6、9、12m/s 3種不同的烘干氣流速度分別進行分析，在烘干過程中，匯總不同風速下的海帶含水率數(shù)據(jù)變化得到圖4。

如圖4可知，保持烘干氣流溫度為55℃，改變不同烘干氣流速度，海帶物料層的含水率變化曲線規(guī)律基本趨于一致。在前2h內(nèi)海帶物料層脫水效率明顯，含水率明顯快速下降，其中氣流速度保持在6m/s時，海帶物料層含水率高于同時刻下其他2種氣流速度的海帶含水率。在2～5h之間，海帶物料層含水率變化趨勢趨于平緩，失水速率相對較慢，烘干氣流速度為12m/s時海帶物料層的含水率最低，在5h之后，海帶物料層失水率進一步提升，且當烘干氣流速度為9m/s與12m/s時海帶物料層的含水率變化趨勢差異不明顯，基本一致。當烘干完成時，烘干風速保持為9m/s與12m/s的海帶物料層含水率降低至20%以下，烘干效果相似，但考慮風機運行費用以及整個烘干房的運行的經(jīng)濟與節(jié)能，文后的模擬分析將烘干氣流的速度設置為9m/s。

3.3 不同格柵間距海帶含水率變化

將格柵均勻布置在距進風口處0.7m的垂直截面，格柵具體尺寸為2.19m×0.08m（寬×高）。設置3個不同的格柵間距（δ=0.12m、δ=0.16m、δ=0.20m）以研究不同格柵間距下烘干房烘干效率的變化規(guī)律，確認其對海帶含水率的影響，匯總不同格柵間距下含水量數(shù)據(jù)變化，得到圖5不同情況下海帶含水率變化趨勢圖。

如圖5可知，前2h海帶脫水率變化明顯，海帶含水量由最初的94.7%降至56.35%，失水速率較高，2～5h時海帶物料層含水率變化趨勢趨于平緩，5h之后脫水速率加速提升，海帶物料層的整體含水量在7～8h降低至20%以內(nèi)，達到國內(nèi)海帶干燥標準。當格柵間距設置為0.12m時，海帶物料層的含水率變化趨勢先快后逐漸減緩，前3h內(nèi)，風機開始工作時，進風處干燥氣流速度較快，干燥氣流流經(jīng)海帶物料層時速度均勻，物料室上部有回風風道作用，當干燥室沒有設置格柵時，干燥氣流在物料層底部會快速出現(xiàn)氣流渦漩，使氣流速度顯著增加。但是在具有格柵的干燥室中，開始時只出現(xiàn)輕微的氣流渦旋，在3h之后氣流速度才會明顯增加，所以帶格柵的海帶物料層的整體含水量均高于標準工況中海帶物料層含水量。但相對于未設置格柵的海帶物料層，其的烘干時間縮短了近1h，在6～7h海帶含水量就降低至20%，另外格柵間距為0.16m和0.12m的情況下，海帶物料層的失水速率變化趨勢基本趨于一致，其中格柵間距為0.16m時海帶物料層的失水速率更高，其含水率下降速率較快，在5h左右時海帶物料層含水率降低至20%以下，相對于未設置格柵間距的標準工況，其烘干完成時間減少2h，烘干效率顯著;在前4h時，格柵間距為0.20m與同時刻下格柵間距為0.16m的失水率變化趨勢一致，但4h之后，格柵間距為0.20m時物料失水率明顯低于同時刻下格柵間距為0.16m時的情況，6h時海帶物料層的含水量達到20.67%，符合國家相關規(guī)范標準，相對于標準工況其烘干完成時間縮短了近1h。

4 結(jié) 語

建立熱泵型海帶烘干房數(shù)值模型，設置相應的邊界條件，運用數(shù)值模擬計算，得出了烘干房內(nèi)不同條件下海帶含水率變化情況。

1）經(jīng)過模擬分析不同條件下各層海帶含水率的變化，綜合考慮得出，烘干溫度為55℃、烘干氣流速度為9m/s時海帶物料層的烘干效果最佳。

2）熱泵型海帶烘干房中設置不同間距的格柵，建立數(shù)值模型，模擬分析烘干過程中海帶含水率的變化情況。在無格柵的情況下整個烘干過程持續(xù)8h左右;在格柵間距為0.12m與0.20m的情況下整個烘干過程持續(xù)6～7h左右;在格柵間距為0.16m的情況下海帶物料層的含水量在5h內(nèi)就減低到20%以內(nèi)，達到國家標準。所用烘干時效最短，烘干優(yōu)化效果最顯著。

綜上所述，在烘干溫度為55℃、烘干氣流速度為9m/s且保持烘干室內(nèi)格柵間距為0.16m的條件下，海帶烘干效果達到最優(yōu)。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期： 2019-05-05

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E2016040）.

作者簡介：

楊文佳（1996—），女，碩士研究生;

王鵬浩（1992—），男，碩士.

通信作者：

王 芳（1969—），女，博士，教授，E-mail：wf69yuan@163.com.