轉(zhuǎn)輪除濕干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王教領(lǐng) 金誠謙 宋衛(wèi)東 丁天航 王明友 吳今姬

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

0 引言

干燥是農(nóng)產(chǎn)品貯藏與后續(xù)加工的重要手段。目前，我國農(nóng)產(chǎn)品干燥產(chǎn)業(yè)存在能耗、品質(zhì)與效率等方面的問題，如熱敏性果蔬、高質(zhì)堅(jiān)果類農(nóng)產(chǎn)品還缺乏有效的干燥技術(shù)設(shè)備[1-3]。常見的傳熱方式有對流干燥、輻射干燥和傳導(dǎo)干燥。對流干燥應(yīng)用條件低、范圍廣，但存在風(fēng)溫、風(fēng)量調(diào)幅受限等問題[4-8]。因此，可采用強(qiáng)化傳質(zhì)模式，利用低濕驅(qū)動(dòng)低溫干燥。

圖1 轉(zhuǎn)輪除濕熱泵干燥系統(tǒng)除濕工藝Fig.1 Dehumidification process about heat pump drying system of wheel dehumidification1.蒸發(fā)器 2.膨脹閥 3.廢熱冷凝器 4.控制器 5.壓力表 6.干燥冷凝器 7.輔助加熱器 8.再生冷凝器 9.中低溫干燥切換閥 10.再生風(fēng)機(jī) 11.壓力傳感器 12.壓縮機(jī) 13.處理進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī) 14.溫濕度傳感器 15.新回風(fēng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 16.過濾器

常見的除濕方式有冷凝和吸附等方式，有代表性的除濕方法包括熱泵除濕和轉(zhuǎn)輪除濕。熱泵除濕節(jié)能性好，但深度除濕能力有限，而轉(zhuǎn)輪除濕后，雖露點(diǎn)較低但除濕量不大。因此，采用聯(lián)合除濕可以較好地發(fā)揮兩種除濕方法的優(yōu)勢[9-11]。典型的轉(zhuǎn)輪除濕一般由轉(zhuǎn)輪、加熱器和轉(zhuǎn)輪電機(jī)等組成，轉(zhuǎn)輪中裝填吸附劑，轉(zhuǎn)輪面分為除濕區(qū)與再生區(qū)。在除濕過程中，轉(zhuǎn)輪在驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，處理進(jìn)風(fēng)進(jìn)入除濕區(qū)除濕，當(dāng)轉(zhuǎn)輪在除濕區(qū)域吸附水分達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入再生區(qū)域，由高溫空氣進(jìn)行脫附再生，這一過程循環(huán)進(jìn)行[12-13]。

轉(zhuǎn)輪除濕早期主要用于空調(diào)和工業(yè)領(lǐng)域的除濕干燥[14-16]，一些學(xué)者將其應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域。如文獻(xiàn)[17-19]將轉(zhuǎn)輪除濕用于種子干燥，文獻(xiàn)[20-21]將轉(zhuǎn)輪除濕用于糧食、食品貯藏，文獻(xiàn)[22]將轉(zhuǎn)輪除濕用于椰子干燥，并與熱風(fēng)干燥進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)干燥速率明顯提高、但能耗較大。轉(zhuǎn)輪除濕的節(jié)能問題一直是研究的重點(diǎn)。將轉(zhuǎn)輪與熱泵結(jié)合，采用蒸發(fā)器降低轉(zhuǎn)輪進(jìn)氣溫度，利用冷凝器降低干燥空氣溫度，可減小杏鮑菇干燥的能耗[23]，兩級轉(zhuǎn)輪除濕也可有效降低除濕能耗[24-25]。轉(zhuǎn)輪再生耗能是導(dǎo)致其能耗高的主要因素，因此，節(jié)能再生成為研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有再生節(jié)能研究主要聚焦于再生熱源，如利用廢熱、太陽能等，這需要額外增設(shè)再生設(shè)備[26-27]。

本文基于上述問題，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪熱泵聯(lián)合除濕干燥系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建分級冷凝再生系統(tǒng)，進(jìn)一步降低干燥能耗，并以鮮香菇進(jìn)行干燥試驗(yàn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪熱泵聯(lián)合除濕與熱泵干燥速率、能耗等指標(biāo)對比分析，以期為轉(zhuǎn)輪除濕干燥設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 樣機(jī)設(shè)計(jì)與主要參數(shù)確定

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

本樣機(jī)除濕工藝如圖1所示，設(shè)備主要由熱泵系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪、干燥箱、輔助部件及其控制系統(tǒng)組成。熱泵系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥等組成，其中冷凝器由干燥冷凝器、再生冷凝器和廢熱冷凝器組成。轉(zhuǎn)輪分為除濕區(qū)與再生區(qū)，面積比例為3∶1，由膠帶驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無級變速。干燥箱內(nèi)有干燥架，采取底部穿流式穿過物料箱。同時(shí)還有壓力表、管道、新回風(fēng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、中低溫干燥切換閥和風(fēng)機(jī)等輔助部件以及溫濕度傳感器等測試元器件等。

干燥冷凝器與廢熱冷凝器是一組并列冷凝器，通過選擇其中一個(gè)，組成熱泵循環(huán)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中低溫的切換，滿足不同干燥溫度要求。低溫干燥路線為蒸發(fā)器—壓縮機(jī)—再生冷凝器—廢熱冷凝器—膨脹閥—蒸發(fā)器，其中廢熱冷凝器中的熱量排放到室內(nèi)，該系統(tǒng)可用于40℃以下的低溫干燥。中溫干燥路線為蒸發(fā)器—壓縮機(jī)—再生冷凝器—干燥冷凝器—膨脹閥—蒸發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)45～50℃的中溫干燥，如果需要更高的干燥溫度可以利用輔助加熱器。再生冷凝器利用壓縮機(jī)排出的高溫氣體制冷劑，對再生進(jìn)氣進(jìn)行加熱，對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行輔助再生。

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪除濕裝備整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作過程中分為干燥空氣流動(dòng)與制冷劑循環(huán)兩個(gè)過程。制冷劑循環(huán)過程有中、低溫兩個(gè)過程，在上文已經(jīng)作了分析。干燥空氣的流動(dòng)分為干燥與再生過程。

圖2 轉(zhuǎn)輪除濕熱泵干燥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic on drying machine of heat pump of desiccant wheel dehumidification1.冷凝風(fēng)機(jī) 2.廢熱冷凝器 3.再生輔助加熱箱 4.蒸發(fā)器 5.再生冷凝器 6.再生出口 7.轉(zhuǎn)輪 8.再生進(jìn)口 9.干燥冷凝器 10.干燥進(jìn)風(fēng)口 11.管道 12.儲液器 13.壓縮機(jī)

結(jié)合圖1，干燥初期由新回風(fēng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將室內(nèi)空氣導(dǎo)入蒸發(fā)器，經(jīng)降溫除濕后的空氣，由處理進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)導(dǎo)入轉(zhuǎn)輪箱，轉(zhuǎn)輪箱內(nèi)裝有轉(zhuǎn)輪，對處理進(jìn)風(fēng)進(jìn)一步除濕，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后的處理出風(fēng)，進(jìn)入干燥冷凝器，經(jīng)調(diào)溫后送入干燥箱，之后穿過帶有多孔的底板，由下向上逐步穿過物料，排到大氣中。而當(dāng)干燥進(jìn)行到某個(gè)階段，回風(fēng)濕度較低、溫度較高時(shí)，通過新回風(fēng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將回風(fēng)導(dǎo)入蒸發(fā)器，進(jìn)行閉環(huán)除濕干燥。

再生過程中，空氣經(jīng)再生冷凝器預(yù)熱到70℃左右，進(jìn)入再生輔助加熱箱，加熱后經(jīng)再生進(jìn)口對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行再生，再生后的潮濕空氣經(jīng)再生出口排出，排出的再生廢氣還可以在外界溫度較低時(shí)，對再生進(jìn)風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

1.2.1物料干燥設(shè)計(jì)條件

以香菇干燥為例，批次干燥質(zhì)量為50 kg，物料初始含水率為86%，干燥溫度30～80℃線性可調(diào)，6 h將物料干燥到貯藏要求。則每小時(shí)需要輸入的熱量為

式中m——物料質(zhì)量，kg

w——濕基含水率，%

h0——水的汽化潛熱，取2 380 kJ/kg

T——干燥時(shí)間，h

λ——物料吸熱率，取60%

因?yàn)闊犸L(fēng)是通過穿流方式穿過物料的，因此風(fēng)速一般小于1 m/s，本次取風(fēng)速u=0.5 m/s，出風(fēng)口總面積為S1=0.6 m2，則干燥風(fēng)體積流量為

Va=3 600uS1=1 080 m3/h

取熱空氣密度ρ=1.112 kg/m3，干燥風(fēng)質(zhì)量流量為

Vam=ρuS1=1 200 kg/h

1.2.2除濕過程設(shè)計(jì)條件

(1)蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)參數(shù)

蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)取室內(nèi)空氣，生產(chǎn)地全年平均相對濕度80%，平均溫度23℃，因此，在室內(nèi)取蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)參數(shù)為溫度23℃、相對濕度80%。

(2)轉(zhuǎn)輪除濕參數(shù)

取轉(zhuǎn)輪除濕后露點(diǎn)為-15℃，升溫至30℃，則含水量1.01 g/kg，焓值32.9 kJ/kg。

(3)干燥進(jìn)出風(fēng)設(shè)計(jì)

設(shè)進(jìn)入干燥箱的風(fēng)溫度為50℃，由于是等濕加熱，則焓值為53.2 kJ/kg，按照等焓除濕過程，設(shè)出風(fēng)溫度為35℃，則含水量為7 g/kg。

(4)熱泵除濕參數(shù)

熱泵除濕后干燥介質(zhì)的溫濕度，取溫度15℃，露點(diǎn)5℃[28]。

1.2.3熱量與除濕負(fù)荷計(jì)算

制冷量Qe為

Qe=Vam(ha-hh)=10.1 kW

式中ha——進(jìn)風(fēng)焓值，kJ/kg

hh——熱泵除濕后焓值,kJ/kg

轉(zhuǎn)輪除濕量及效率為

Dw=Vam(dw-dh)=5.3 kg/h

式中dw——轉(zhuǎn)輪除濕后含水量，g/kg

dh——熱泵除濕后含水量，g/kg

hw——轉(zhuǎn)輪除濕后焓值，kJ/kg

物料除濕總量為

Dtot=Vam(dow-diw)=7.2 kg/h

式中dow——干燥箱出風(fēng)含水量，g/kg

diw——干燥箱進(jìn)風(fēng)含水量，g/kg

干燥冷凝熱量為

Qa=Vam(hiw-hd)=6.8 kW

式中hiw——干燥箱進(jìn)風(fēng)焓值，kJ/kg

hd——轉(zhuǎn)輪除濕后焓值，kJ/kg

再生冷凝量為

Qb=cVram(Tro-Tri)=5.6 kW

式中c——空氣定壓比熱容，取1.005 kJ/(kg·K)

Tri——再生進(jìn)風(fēng)溫度，取20℃

Vram——再生風(fēng)質(zhì)量流量，kg/h

Tro——再生冷凝出風(fēng)溫度，取70℃

同時(shí)轉(zhuǎn)輪再生需要加入的部分電輔熱量為

Qd1=cVram(Tr-Tro)=5 kW

式中Tr——再生溫度，取115℃

則壓縮機(jī)理論消耗功率為

Wcth=Qa+Qb-Qe=2.3 kW

以熱泵蒸發(fā)溫度10℃、冷凝溫度55℃設(shè)計(jì)，取壓縮機(jī)等熵效率ηi為0.65，則壓縮機(jī)所需實(shí)際功率

式中Wc——壓縮機(jī)實(shí)際功率，kW

制熱循環(huán)實(shí)際制熱系數(shù)為

壓縮機(jī)所需實(shí)際功率為3.5 kW，取5P型壓縮機(jī)，實(shí)際制熱系數(shù)為3.9，總制熱量為13.6 kW。

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪除濕整機(jī)物料除濕總量Dtot=7.2 kg/h，風(fēng)量為1 080 m3/h，轉(zhuǎn)輪除濕量Dw=5.3 kg/h，選擇400/200型硅膠轉(zhuǎn)輪，額定風(fēng)量1 100 m3/h，除濕量5.5 kg/h，滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求。

2 分級冷凝再生原理與試驗(yàn)

2.1 分級冷凝再生原理

因轉(zhuǎn)輪再生溫度一般需要80～120℃，而室溫一般為25℃左右，耗能較大。本研究針對上述問題，采用壓縮機(jī)高溫排氣，預(yù)熱再生進(jìn)氣，進(jìn)行分級冷凝再生。實(shí)際熱泵循環(huán)過程存在略微壓降，導(dǎo)致系統(tǒng)分析較復(fù)雜，但影響并不顯著。所以本文忽略壓降變化，繪制分級冷凝制熱循環(huán)過程如圖3(圖中p表示壓力，h表示焓值)所示，a～b為壓縮過程，b～c′為壓縮機(jī)排氣冷凝過程，c′～d為在冷凝器內(nèi)冷凝過程，其中c′點(diǎn)為再生冷凝的終點(diǎn)，設(shè)其進(jìn)入兩相區(qū)[28]。

圖3 分級冷凝制熱循環(huán)過程 Fig.3 Heating cycle of fractional condensation

影響分級冷凝再生效果的主要因素有蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)入再生冷凝器的再生進(jìn)風(fēng)溫度及再生風(fēng)量等，其中蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度直接影響蒸發(fā)溫度與制冷劑循環(huán)量，需要通過試驗(yàn)探究。

2.2 分級冷凝再生試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)儀器

所用儀器包括：SNT型溫濕度無線測定儀(分辨率：相對濕度±0.1%，溫度±0.1℃)、Testo425型風(fēng)速儀(分辨率：0.01 m/s)、Testo645型手持式溫濕度測定儀(分辨率：相對濕度±0.1%，溫度±0.1℃)、空調(diào)扇(單冷：最低18℃)。

2.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)與純電加熱再生能耗對比試驗(yàn)

本設(shè)備分別獨(dú)立控制壓縮機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、再生輔助加熱、干燥輔助加熱等部件，因此可實(shí)現(xiàn)純電加熱與分級冷凝再生加熱兩種模式的切換。在純電加熱模式中只打開再生輔助加熱開關(guān)，而在分級冷凝再生模式中分別打開壓縮機(jī)系統(tǒng)與再生輔助加熱開關(guān)。兩種模式中均設(shè)置再生溫度為115℃，而在分級冷凝再生模式中，還需要分別通過再生冷凝器與干燥冷凝器前后焓差及通過的空氣質(zhì)量流量，測算再生與干燥冷凝器中的熱量比。兩種模式分別在輔助再生加熱器與壓縮機(jī)中接入電表來測量電耗，且兩種模式均利用電表測量再生風(fēng)機(jī)的耗電量。

(2)分級冷凝再生優(yōu)化工藝試驗(yàn)

再生冷凝器會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)：一方面，其溫度、熱量與制冷劑流量及壓縮機(jī)排氣溫度相關(guān)；另一方面，也與進(jìn)入再生冷凝器的再生進(jìn)風(fēng)的溫度及風(fēng)量相關(guān)。因此，本次試驗(yàn)通過改變蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度來改變制冷劑流量與壓縮機(jī)排氣溫度。通過測量再生冷凝器前后焓差測試單位冷凝熱量。同時(shí)利用風(fēng)速儀測量風(fēng)速，并結(jié)合管道截面積、空氣密度計(jì)算空氣質(zhì)量流量，進(jìn)而計(jì)算出總的冷凝熱量。蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)與冷凝進(jìn)風(fēng)的溫度改變分別通過裝在蒸發(fā)器和再生冷凝器前端的輔助加熱裝置來實(shí)現(xiàn)，降溫通過空調(diào)扇制冷模式完成。

再生風(fēng)量由風(fēng)閥開度控制，風(fēng)閥開度在0～100%之間，在實(shí)際應(yīng)用中為了有效利用空氣能風(fēng)閥開度應(yīng)大于50%，同時(shí)為了適當(dāng)留一定裕度取開度50%、70%與90%共3個(gè)水平；再生進(jìn)風(fēng)溫度采用室溫(20℃)，當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)采用再生廢氣預(yù)熱，可將冷凝進(jìn)風(fēng)提升到20℃，而在夏季較高溫度時(shí)，室溫比室外溫度一般低3～5℃，根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件可選再生進(jìn)風(fēng)溫度上限為35℃；由于干燥進(jìn)風(fēng)在新風(fēng)與回風(fēng)間切換，當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁丶s為23℃，同時(shí)在中低溫干燥過程中干燥箱回風(fēng)溫度一般不高于50℃，因此蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度上下限分別取20℃與50℃。

2.2.3測試指標(biāo)

(1)純電加熱再生耗電量Qd

在達(dá)到穩(wěn)定溫度后，測試5 min輔助再生加熱器與再生電機(jī)的耗電量，并折算成每小時(shí)電耗。

(2)分級冷凝再生耗電量Qreg

分別讀取壓縮機(jī)與輔助再生加熱器及再生電機(jī)5 min耗電量，折算成每小時(shí)電耗，計(jì)算公式為

(1)

式中Qb——分級冷凝再生耗電量，kW

(3)再生加熱溫度

再生加熱溫度指用于再生的空氣經(jīng)再生冷凝器加熱后獲得的溫度，該溫度由溫度傳感器測得，并在觸摸屏上顯示。

(4)冷凝熱量

冷凝熱量分為再生冷凝熱量與干燥冷凝熱量，利用裝在兩個(gè)冷凝器進(jìn)出風(fēng)口的溫濕度傳感器測量，則計(jì)算公式為

Vcam=ρSv

(2)

Q1=Vram(hf2-hf1)T1

(3)

Q2=Vam(hd2-hd1)T2

(4)

式中v——進(jìn)出風(fēng)口空氣流速，m/s

S——對應(yīng)風(fēng)口面積，m2

hf1、hf2——再生前、后熱焓值，kJ/kg

hd1、hd2——干燥前、后熱焓值，kJ/kg

T1——再生冷凝加熱時(shí)間，h

T2——干燥冷凝加熱時(shí)間，h

Vcam——冷凝進(jìn)風(fēng)質(zhì)量流量，kg/h

Q1——再生冷凝熱量，kJ

Q2——干燥冷凝熱量，kJ

試驗(yàn)因素與編碼如表1所示。采用Mintab 15.1軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，并繪制等值線圖，根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)方案進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與編碼Tab.1 Factors and levels of response surface test

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1能耗對比試驗(yàn)

以表1中的零水平，即蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度35.0℃，再生進(jìn)風(fēng)溫度27.5℃，風(fēng)閥開度70%，分別測試純電加熱再生與分級冷凝再生能耗，每次測試兩組取平均數(shù)。

兩種模式的能耗如圖4所示，均勻性較好，設(shè)備較穩(wěn)定。純電加熱再生耗能平均值為9.88 kW·h，而分級冷凝再生耗能平均值為6.96 kW·h，比純電加熱再生平均耗能降低29.6%。因此，采用分級冷凝再生模式可顯著降低再生能耗。

圖4 純電加熱再生與分級冷凝再生耗電量Fig.4 Power consumption of pure electric heating regeneration and fractional condensation regeneration

2.3.2分級冷凝再生優(yōu)化工藝試驗(yàn)

對表2(表中X1、X2、X3分別為蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、再生進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)閥開度的編碼值)中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mintab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，結(jié)果見表3，并繪制各考察因素與試驗(yàn)因素之間關(guān)系如圖5～7所示。

由表3可知，再生加熱溫度Y1、再生冷凝熱量Y2、干燥冷凝熱量Y3響應(yīng)面模型的P<0.001，表明3個(gè)回歸模型均高度顯著；Y1、Y2、Y3模型失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.1)，表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，回歸模型與實(shí)際情況擬合度較好；Y1、Y2、Y3模型的RSq依次為99.44%、99.50%、99.11%，表明各模型可以解釋99%以上響應(yīng)值變化，僅有不到1%的總變異不能由模型來解釋，預(yù)測值和實(shí)際值之間具有高度相關(guān)性，試驗(yàn)誤差較小。因此，可用該模型對分級冷凝各指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment design and response values

(5)

(6)

(7)

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Variance analysis of response surface model

圖5 再生加熱溫度與蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、再生進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)閥開度的等值線圖Fig.5 Contour plots between heating temperature and inlet air temperature, condensing air temperature and damper opening

圖6 再生冷凝熱量與蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、再生進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)閥開度的等值線圖Fig.6 Contour plots between Q1 and inlet air temperature, condensing air temperature and damper opening

圖7 干燥冷凝熱量與蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、再生進(jìn)風(fēng)溫度及風(fēng)閥開度的等值線圖Fig.7 Contour plots between Q2 and inlet air temperature, condensing air temperature and damper opening

由表3的t值知，蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度X1、再生進(jìn)風(fēng)溫度X2、風(fēng)閥開度X3對再生加熱溫度Y1的影響由大到小依次為X2、X1、X3。X1、X2、X3對Y1的影響效應(yīng)如圖5所示，表明再生加熱溫度隨再生進(jìn)風(fēng)溫度增大而增大，隨蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度呈先增后減的趨勢。換熱器傳熱的平均溫差法表示為

Φ=kAΔtm

(8)

Φ=qm1cp1(t′1-t″1)

(9)

Φ=qm2cp2(t″2-t′2)

(10)

式中Φ——換熱器傳熱量，W

qm1、qm2——熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s

cp1、cp2——熱、冷流體的比定壓熱容，J/(kg·K)

t′1、t″1——熱流體進(jìn)出換熱器溫度，℃

t′2、t″2——冷流體進(jìn)出換熱器溫度，℃

k——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

A——熱換面積，m2

Δtm——平均溫差，℃

當(dāng)再生進(jìn)風(fēng)溫度升高時(shí)，相同體積空氣的質(zhì)量變小，而定壓比熱容幾乎不變，由式(10)知，升溫所需的熱量減??；蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高，壓縮比減小，排氣溫度減小，同時(shí)制冷劑流量也會(huì)增大，但蒸發(fā)溫度隨著蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度升高上升到一定溫度后將不再升高，此時(shí)蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度再升高反而會(huì)降低制熱效率。同時(shí)排氣溫度減小程度較制冷劑增大程度小，所以總體趨勢表現(xiàn)為先增后減；再生加熱溫度隨著風(fēng)閥開度的增大而減小，因?yàn)轱L(fēng)閥開度越大單位時(shí)間流過的空氣質(zhì)量流量越大，所以當(dāng)壓縮機(jī)高溫排氣供給的熱量一定時(shí)，由式(8)可知，再生加熱溫度的升溫越小。

蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度X1、再生進(jìn)風(fēng)溫度X2、風(fēng)閥開度X3對再生冷凝熱量Y2的影響由大到小依次為X3、X2、X1。X1、X2、X3對Y2的影響效應(yīng)如圖6所示，再生冷凝熱量隨再生進(jìn)風(fēng)溫度增大而減小，是因?yàn)樵偕M(jìn)風(fēng)溫度越高，與排氣溫度差就越小，所傳遞的熱量就越少，所以再生冷凝熱量就越小；而與風(fēng)閥開度成正比的原因是，風(fēng)閥開度越大則單位時(shí)間流過的空氣質(zhì)量流量就越大，就可以吸收更多的排氣熱量；再生冷凝熱量與蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，主要是因?yàn)檎舭l(fā)進(jìn)風(fēng)溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高，在冷凝溫度不變的情況下，壓縮比會(huì)減小，從而排氣溫度降低，但同時(shí)制冷劑流量也會(huì)增大，而排氣溫度比制冷量變化程度小，因此再生冷凝量會(huì)增加，但蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度升高到一定溫度后制熱效率反而會(huì)降低。

蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度X1、再生進(jìn)風(fēng)溫度X2、風(fēng)閥開度X3對干燥冷凝熱量Y3的影響由大到小依次為X3、X2、X1。X1、X2、X3對Y2的影響效應(yīng)如圖7所示，干燥冷凝熱量隨再生進(jìn)風(fēng)溫度變化的整體趨勢為：再生進(jìn)風(fēng)溫度越大、干燥冷凝熱量越大，因?yàn)樵偕M(jìn)風(fēng)溫度越大，再生冷凝熱量越小，則在其他因素不變的情況下，干燥冷凝熱量就會(huì)越大。干燥冷凝熱量隨著風(fēng)閥開度變化的整體趨勢為：隨著風(fēng)閥開度的變大而減小，這是因?yàn)樵偕淠裏崃侩S著風(fēng)閥開度的增大而增大，而在其他因素不變的情況下，冷凝熱總量是固定的，從而導(dǎo)致了干燥冷凝熱量出現(xiàn)了與再生冷凝熱量相反的趨勢。干燥冷凝熱量隨著蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度的升高先增大后減小，其原因與再生冷凝熱量隨蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度變化原因相同。

2.4 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了優(yōu)化冷凝參數(shù)，獲得盡可能大的再生加熱溫度和后級冷凝熱量，同時(shí)再生冷凝熱量增大的主要原因是再生加熱溫度的升高，但冷凝溫度低也是部分因素，因此，本文運(yùn)用Mintab響應(yīng)優(yōu)化器模塊建立3個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化求解，并賦予再生加熱溫度、再生冷凝熱量、干燥冷凝熱量的權(quán)重比為4∶4∶2，目標(biāo)函數(shù)與變量區(qū)間如下所示：

目標(biāo)函數(shù)

響應(yīng)優(yōu)化區(qū)間

優(yōu)化后得到的各因素最優(yōu)參數(shù)為:蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度34.2℃，再生進(jìn)風(fēng)溫度34.1℃，風(fēng)閥開度82.3%。此時(shí)再生加熱溫度為68.4℃，再生冷凝熱量為11 550 kJ，干燥冷凝熱量為22 770 kJ，并采用此優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行冷凝試驗(yàn)3次，取平均值后得到再生加熱溫度為67.1℃，再生冷凝熱量為11 030 kJ，干燥冷凝熱量為21 449 kJ，與預(yù)測誤差均小于6%，可靠度高。

利用溫濕度在線測定儀獲得了蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度與再生加熱溫度之間的關(guān)系，分析曲線(圖8)表明在10:01，蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度在36℃時(shí)，再生加熱溫度達(dá)到了最大值，符合試驗(yàn)分析。

圖8 再生加熱溫度隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化Fig.8 Change of heating temperature with inlet air temperature

3 香菇轉(zhuǎn)輪除濕干燥試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測轉(zhuǎn)輪除濕干燥設(shè)備的作業(yè)性能，以香菇為試驗(yàn)對象，探究轉(zhuǎn)輪除濕干燥設(shè)備的干燥能耗、干燥物料品質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)與熱泵干燥的對比。

3.2 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)用轉(zhuǎn)輪除濕干燥設(shè)備為自制設(shè)備；自制熱泵干燥機(jī)；香菇采自農(nóng)貿(mào)市場，含水率86%左右；美國OHAUS奧豪斯MB27型快速水分測定儀；柯尼卡美能達(dá)CR-10plus型色差計(jì)；HH-4型恒溫水浴鍋(精度：±1℃)；BSA224S型電子天平(精度：0.1 mg)；電表。

3.3 成分測定

(1)水分

該濕基含水率通過快速水分測定儀進(jìn)行測量。

(2)干基含水率

干基含水率與濕基含水率之間的換算關(guān)系為

(11)

式中Mt——t時(shí)刻干基含水率

(3)水分比

干燥過程中香菇水分比計(jì)算公式為

(12)

式中Me——干燥平衡時(shí)試樣干基含水率，%

M0——試樣初始干基含水率，%

因Me相對于Mt和M0很小，可以忽略不計(jì)，則式(12)可以簡化為

(13)

(4)干燥速率

香菇干燥過程中的干燥速率計(jì)算公式為

(14)

式中Dr——試樣干燥速率，g/(g·min)

Δt——干燥間隔時(shí)間，min

(5)色差

色差計(jì)的L值(色差)表示物料色澤的明暗度，L=0表示黑色，L=100表示白色，L值越大，顏色越白，褐變程度越低。本試驗(yàn)主要檢測香菇菌蓋的色差變化，試驗(yàn)對每個(gè)處理組均抽取5個(gè)樣品測試，每個(gè)產(chǎn)品取不同部位測試3處，每個(gè)處理組檢測15次，最后取其平均值作為這個(gè)處理組的色差。

(6)復(fù)水比

香菇復(fù)水性能用復(fù)水比表示，復(fù)水比為香菇在復(fù)水一定時(shí)間后的質(zhì)量與復(fù)水前質(zhì)量之比，計(jì)算公式為

(15)

式中Mf——香菇復(fù)水瀝干后的質(zhì)量，kg

Mg——香菇復(fù)水前的質(zhì)量，kg

試驗(yàn)時(shí)，稱取一定質(zhì)量的干燥香菇樣品放入40℃恒溫的蒸餾水中，保溫30 min后取出瀝干，并用吸水紙拭干表面水分后稱質(zhì)量。每組進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值[29]。

(7)單位能耗除濕量

單位能耗除濕量表示單位能耗除去的含水量。試驗(yàn)中利用電表測量每次試驗(yàn)所消耗的電量，結(jié)合試驗(yàn)中除去水的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算[30]，公式為

(16)

式中Q——耗電量，kW·h

m′——除去水的質(zhì)量，kg

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在轉(zhuǎn)輪分級冷凝再生試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展香菇除濕干燥試驗(yàn)。分級冷凝再生優(yōu)化工藝是蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度34.2℃、再生進(jìn)風(fēng)溫度34.1℃、風(fēng)閥開度82.3%，表明在室溫情況下盡量提高蒸發(fā)溫度與再生進(jìn)風(fēng)溫度，但在實(shí)際生產(chǎn)中，一般氣候條件下，無需對蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度與冷凝再生溫度進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)測量室內(nèi)溫度約為22℃，所以本試驗(yàn)再生進(jìn)風(fēng)采用室內(nèi)空氣，蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)利用室內(nèi)空氣或回風(fēng)。根據(jù)香菇性質(zhì)與文獻(xiàn)[31-32]，香菇干燥溫度通常在60℃左右，一般大于50℃，因此選擇干燥溫度為55℃。轉(zhuǎn)輪再生溫度一般在80～120℃之間，越高除濕能力越強(qiáng)，但相應(yīng)的能耗也越大；另一方面轉(zhuǎn)輪除濕是近似等焓過程，再生溫度過高會(huì)導(dǎo)致再生出氣溫升過大，可能超過干燥設(shè)定溫度，依據(jù)物料與設(shè)備特性選擇再生溫度為100℃；新回風(fēng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)根據(jù)文獻(xiàn)[27，33]確定，手動(dòng)切換。每隔30 min測量一次含水率。

3.5 結(jié)果與分析

鮮香菇干燥的水分比與干燥速率如圖9、10所示。圖10表明，整個(gè)干燥過程具有加速與降速過程，無明顯恒速干燥階段，轉(zhuǎn)輪干燥平均速度超過熱泵干燥2倍以上，特別是干燥后期提速更明顯，其原因是后期物料中水分為結(jié)合水，傳輸阻力增大，而轉(zhuǎn)輪干燥由于濕度低，提升了干燥驅(qū)動(dòng)力，所以速率較快。

圖9 水分比與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.9 Curves of MR and drying time

圖10 干燥速率與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between drying rate and drying time

試驗(yàn)重復(fù)3次，色差如圖11所示，轉(zhuǎn)輪除濕干燥L(fēng)平均值大于熱泵干燥，雖然兩種干燥溫度相同，但熱泵干燥時(shí)間較長，可能會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng)，造成顏色變暗；轉(zhuǎn)輪干燥平均復(fù)水比5.7，熱泵干燥平均復(fù)水比5.5(圖12)，說明轉(zhuǎn)輪干燥濕度低，在干燥過程中可能會(huì)有一定的皺縮，但相比較于熱泵干燥的較長時(shí)間對香菇空隙的影響較小。轉(zhuǎn)輪除濕干燥平均單位能耗除濕量為1.6 kg/(kW·h)，而熱泵干燥平均單位能耗除濕量為1.7 kg/(kW·h)(圖13)，轉(zhuǎn)輪除濕平均干燥能耗比熱泵干燥高5.9%，可能是轉(zhuǎn)輪再生廢氣中帶走一部分熱量。綜合其干燥速率、能耗與品質(zhì)，該技術(shù)方法具有較大應(yīng)用前景，為農(nóng)產(chǎn)品干燥，特別是熱敏性果蔬干燥提供技術(shù)設(shè)備參考。

圖11 轉(zhuǎn)輪除濕干燥與熱泵干燥色差Fig.11 Color difference of desiccant wheel dehumidification and heat pump drying

圖12 轉(zhuǎn)輪除濕干燥與熱泵干燥復(fù)水性Fig.12 Rehydration of desiccant wheel dehumidification and heat pump drying

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了中低溫兩套干燥系統(tǒng)，建立了分級

圖13 轉(zhuǎn)輪除濕干燥與熱泵干燥單位能耗除濕量Fig.13 SMER of desiccant wheel dehumidification and heat pump drying

冷凝干燥模式，明確了制熱循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行了分級冷凝試驗(yàn)，探明了蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度、再生進(jìn)風(fēng)溫度和風(fēng)閥開度對再生加熱溫度、再生冷凝熱量和干燥冷凝熱量的影響，分級冷凝再生比純電加熱再生能耗降低29.6%。

(2)通過多指標(biāo)響應(yīng)面綜合試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)為：蒸發(fā)進(jìn)風(fēng)溫度34.2℃，再生進(jìn)風(fēng)溫度34.1℃，風(fēng)閥開度82.3%，此時(shí)再生加熱溫度為68.4℃，再生冷凝熱量為11 550 kJ，干燥冷凝熱量為22 770 kJ。采用此優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行了3次冷凝試驗(yàn)，得到再生加熱溫度均值為67.1℃，再生冷凝熱量均值為11 030 kJ，干燥冷凝熱量均值為21 449 kJ，與預(yù)測誤差均小于6%，達(dá)到了預(yù)期干燥目標(biāo)。

(3)香菇轉(zhuǎn)輪除濕干燥試驗(yàn)表明，在相同干燥溫度下，采用轉(zhuǎn)輪除溫干燥比熱泵干燥后的香菇品相好，平均干燥速率提升2倍以上，能耗高5.9%，綜合性能較好。