熱泵與膜蒸餾集成型果汁低溫濃縮裝置

秦彥沛，謝繼紅，雷文芳，陳東

天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（天津 300222）

果汁濃縮是果汁加工過程中的重要環(huán)節(jié)之一[1]。果汁濃縮是將水果榨成原汁后，通過某種濃縮技術(shù)，分離出原汁中的部分水分，制成具有與原汁色澤、風(fēng)味和營養(yǎng)成分等特性相近的制品[2-3]。果汁濃縮具有降低包裝、運(yùn)輸和貯藏成本，延長貯藏時(shí)間，方便市場銷售等優(yōu)點(diǎn)。果汁中含有許多熱敏成分，低溫濃縮可以有效保留果汁中的熱敏成分，獲得高品質(zhì)的濃縮產(chǎn)品[4-6]。

目前，果汁低溫濃縮的主要措施包括冷凍濃縮、真空蒸發(fā)濃縮和膜蒸餾濃縮。李銀星[7]以套管式界面漸進(jìn)冷凍濃縮過程為代表，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并搭建了套管式冷凍濃縮試驗(yàn)裝置，冷凍濃縮對果汁中風(fēng)味成分保留較好，但裝置用于處理中高濃度果汁具有一定難度。秦貫豐等[8]采用一臺多級智能化的冷凍濃縮儀，對蘋果汁的冷凍濃縮和真空蒸發(fā)濃縮進(jìn)行了對比試驗(yàn)和分析，結(jié)果顯示對于營養(yǎng)及風(fēng)味保存而言，冷凍濃縮遠(yuǎn)優(yōu)于真空蒸發(fā)濃縮，但真空蒸發(fā)濃縮的蒸發(fā)強(qiáng)度較大。王煥[9]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部熱量回收型多效膜蒸餾裝置，并對蘋果汁、梨汁等果汁進(jìn)行了濃縮試驗(yàn)，結(jié)果表明膜蒸餾濃縮能夠處理中高濃度果汁，且裝置具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，但操作溫度達(dá)到75～90 ℃，該溫度下果汁中的營養(yǎng)成分受到較大影響[10-11]。

在膜蒸餾濃縮過程中，果汁中的水分在熱側(cè)膜表面汽化時(shí)需要吸收熱能，水蒸氣穿過膜孔后在膜的另一側(cè)被冷卻時(shí)需要冷能，所以膜蒸餾濃縮對熱能和冷能的需求量較大[12-13]；熱泵能夠通過消耗少量電能制取多倍的熱能和冷能，熱泵與膜蒸餾集成型裝置能夠在常壓下實(shí)現(xiàn)果汁的低溫濃縮，且其對料液適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低，具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢。雖然果汁低溫濃縮裝置的試驗(yàn)研究較為廣泛，但對熱泵膜蒸餾裝置的果汁濃縮試驗(yàn)研究相對較少，基于小型熱泵膜蒸餾裝置對澄清蘋果汁進(jìn)行低溫濃縮試驗(yàn)，以期為裝置的進(jìn)一步研究提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

熱泵與膜蒸餾集成時(shí)可有多種型式，其中性能較優(yōu)的型式有熱泵多效型膜蒸餾裝置、內(nèi)部能量回收型熱泵膜蒸餾裝置和熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置。熱泵多效型膜蒸餾裝置和內(nèi)部能量回收型熱泵膜蒸餾裝置適于處理耐溫較高的料液，熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置適于處理果汁等耐溫較低的熱敏料液。熱泵膜蒸餾直接耦合型裝置的結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

由圖1可知，熱泵膜蒸餾裝置包含3個(gè)循環(huán)單元：由加熱器、壓縮機(jī)、冷卻器和節(jié)流閥等構(gòu)成了熱泵工質(zhì)循環(huán)單元；由冷卻器、冷卻液泵、輔冷器和膜蒸餾組件等構(gòu)成了冷卻液循環(huán)單元；由加熱器、果汁泵、果汁罐和膜蒸餾組件等構(gòu)成了果汁循環(huán)單元。其中，膜蒸餾組件由殼體外繞管、殼體和殼體內(nèi)的中空纖維疏水膜管等構(gòu)成，殼體內(nèi)壁與中空纖維疏水膜管之間為空氣。膜蒸餾組件的截面如圖2所示。

圖1 熱泵膜蒸餾裝置結(jié)構(gòu)流程圖

圖2 膜蒸餾組件截面圖

熱泵膜蒸餾裝置工作時(shí)，熱泵工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入冷卻器汽化吸熱而產(chǎn)生冷能，氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱墓べ|(zhì)，進(jìn)入加熱器液化而產(chǎn)生熱能，再回到節(jié)流閥；果汁在果汁泵的作用下，被加熱器中的熱泵工質(zhì)加熱后進(jìn)入膜蒸餾組件的中空纖維疏水膜管內(nèi)，果汁中的水分在膜表面汽化形成水蒸氣后穿過膜孔再穿過空氣間隙，到達(dá)殼體內(nèi)壁后被冷卻為冷凝水并被排出膜蒸餾組件，被濃縮后的果汁回到果汁罐；冷卻液在冷卻液泵的作用下，進(jìn)入纏繞在膜蒸餾組件殼體外的繞管內(nèi)，吸收穿膜蒸氣在膜蒸餾組件殼體內(nèi)部冷卻放出的熱能，經(jīng)輔冷器和冷卻器降溫到設(shè)定溫度后，回到冷卻液罐。熱泵膜蒸餾裝置在3個(gè)循環(huán)單元的協(xié)調(diào)工作下，實(shí)現(xiàn)果汁濃縮。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料與部件

膜蒸餾組件中，中空纖維疏水膜管材料采用聚丙烯（PP），殼體材料采用聚氯乙烯（PVC），繞管材料采用聚乙烯（PE），具體參數(shù)如表1所示。

表1 膜蒸餾組件具體參數(shù)

熱泵單元采用蒸汽壓縮式熱泵，熱泵單元組成部件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)如表2所示。

表2 熱泵單元組成部件的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

輔冷器采用翅片管式換熱器，可通過調(diào)節(jié)所配置風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整輔冷器的散熱量；果汁泵和冷卻液泵采用全塑料型、無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型泵，微型泵具有體積小、果汁適應(yīng)性好、散熱損失小等特點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)料液與測量儀表

試驗(yàn)所用料液為澄清蘋果汁，糖度為11 °Brix，冷卻液采用純凈水。試驗(yàn)需要測量的參數(shù)和儀表如表3所示。

2.3 操作流程

將試驗(yàn)所用測量儀表進(jìn)行歸零校準(zhǔn)與標(biāo)定。檢查膜蒸餾組件是否存在破損、親水化等問題，確保沒有問題后將膜蒸餾組件清洗干凈備用。將蘋果汁加到果汁罐，將純凈水加入冷卻液罐，開啟果汁泵和冷卻液泵后調(diào)節(jié)蘋果汁和冷卻液的流量到設(shè)定值，啟動(dòng)熱泵壓縮機(jī)運(yùn)行熱泵，蘋果汁溫度逐漸上升，當(dāng)蘋果汁進(jìn)膜蒸餾組件溫度上升至設(shè)定值附近時(shí)，啟動(dòng)輔冷器，使蘋果汁進(jìn)膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在設(shè)定值；待裝置其他工況參數(shù)也不再隨時(shí)間變化時(shí)，裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段；在裝置穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，記錄測點(diǎn)溫度、蘋果汁和冷卻液流量、熱泵壓縮機(jī)功率等參數(shù)，測量蘋果汁濃縮過程中排出的冷凝水質(zhì)量、糖度和電導(dǎo)率等。

3 結(jié)果與分析

3.1 啟動(dòng)階段關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律

熱泵膜蒸餾裝置啟動(dòng)階段，裝置各測溫點(diǎn)的溫度變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，蘋果汁進(jìn)膜蒸餾組件（測溫點(diǎn)1）溫度、蘋果汁出膜蒸餾組件（測溫點(diǎn)2）溫度、蘋果汁進(jìn)熱泵加熱器（測溫點(diǎn)5）溫度、蘋果汁出熱泵加熱器（測溫點(diǎn)6）溫度均隨時(shí)間的增加而升高，冷卻液進(jìn)膜蒸餾組件（測溫點(diǎn)3）溫度、冷卻液出膜蒸餾組件（測溫點(diǎn)4）溫度、冷卻液進(jìn)熱泵冷卻器（測溫點(diǎn)7）溫度、冷卻液出熱泵冷卻器（測溫點(diǎn)8）溫度均隨時(shí)間的增加而降低，裝置運(yùn)行到25 min后，蘋果汁和冷卻液的溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。熱泵膜蒸餾裝置運(yùn)行初期，熱泵對蘋果汁的加熱量大于膜蒸餾組件對蘋果汁的吸熱量，因此蘋果汁溫度逐漸升高；隨著裝置的運(yùn)行，熱泵的加熱量逐漸減小，而膜蒸餾組件的吸熱量逐漸增加，當(dāng)熱泵的加熱量和膜蒸餾組件的吸熱量相近時(shí)（約25 min后），蘋果汁溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。造成冷卻液溫度降低的原因是熱泵膜蒸餾裝置運(yùn)行初期，熱泵對冷卻液的吸熱量大于膜蒸餾組件對冷卻液的放熱量；隨著裝置的運(yùn)行，熱泵的吸熱量逐漸減小，而膜蒸餾組件的放熱量逐漸增加，當(dāng)熱泵的吸熱量和膜蒸餾組件的放熱量相近時(shí)（約25 min后），冷卻液溫度變化減緩，逐漸趨于穩(wěn)定。

表3 試驗(yàn)參數(shù)和儀表

圖3 膜蒸餾組件進(jìn)出口溫度變化規(guī)律

圖4 熱泵進(jìn)出口溫度變化規(guī)律

3.2 穩(wěn)定運(yùn)行階段參數(shù)與性能指標(biāo)

熱泵膜蒸餾裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，蘋果汁進(jìn)熱泵加熱器溫度穩(wěn)定在42.6 ℃、蘋果汁出熱泵加熱器溫度和蘋果汁進(jìn)膜蒸餾組件溫度均穩(wěn)定在47.7 ℃、蘋果汁出膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在43.7 ℃、冷卻液進(jìn)熱泵冷卻器溫度穩(wěn)定在26.7 ℃、冷卻液出熱泵冷卻器溫度穩(wěn)定在23.1 ℃、冷卻液進(jìn)膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在23.0℃、冷卻液出膜蒸餾組件溫度穩(wěn)定在26.2 ℃；熱泵壓縮機(jī)功率為53.8 W；蘋果汁流量為8.7 g·s-1、冷卻液流量為10.7 g·s-1。

在以上運(yùn)行參數(shù)下，對熱泵膜蒸餾裝置的主要性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。

熱泵制熱量的計(jì)算公式為

式中：Qh為熱泵制熱量，W；mf為膜蒸餾組件中蘋果汁的質(zhì)量流量，g·s-1；cf為蘋果汁比熱容，kJ·（kg·K）-1；Tfi為蘋果汁出熱泵加熱器溫度，K；Tpo為蘋果汁進(jìn)熱泵加熱器溫度，K。

膜蒸餾過程中的有效熱能占膜蒸餾過程消耗總熱能的比率稱為膜蒸餾組件的熱效率，其計(jì)算公式為

式中：η為膜蒸餾組件熱效率，無因次；Qeff為膜蒸餾過程中的有效熱負(fù)荷，W；Q總為膜蒸餾過程消耗總熱量，W。

熱泵制熱系數(shù)反映了熱泵單位功耗所能放出的熱量，其計(jì)算公式為

式中：COPhp為熱泵制熱系數(shù)，無因次；Qh為熱泵制熱量，W；Pcom為熱泵壓縮機(jī)功率，W。

節(jié)能倍率為蘋果汁中水分汽化消耗的能量與熱泵壓縮機(jī)消耗能量之比（約相當(dāng)于多效蒸發(fā)的效數(shù)），可反映熱泵膜蒸餾裝置總體的能量效率。其計(jì)算公式為

式中：ESR（Energy saving ratio）為裝置的節(jié)能倍率，無因次；m為排出冷凝水的速率，g·s-1；r為冷凝水的汽化潛熱，kJ·kg-1；Pcom為熱泵壓縮機(jī)功率，W。

經(jīng)計(jì)算與測量，熱泵膜蒸餾裝置的主要性能指標(biāo)如表4所示。

表4 性能指標(biāo)

由裝置穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)可見，從蘋果汁中分離出的冷凝水糖度和電導(dǎo)率較低，表明裝置可以在常壓下實(shí)現(xiàn)對蘋果汁的低溫濃縮，且具有較高的分離效率；裝置的節(jié)能倍率為1.61，約相當(dāng)于兩效真空蒸發(fā)裝置，且由于裝置的規(guī)模較小，熱損失等因素對裝置性能影響較大，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值存在偏差，裝置的能耗指標(biāo)還有較大的提升空間。

當(dāng)熱泵膜蒸餾裝置的熱損失很小且可以忽略不計(jì)時(shí)，裝置節(jié)能倍率的理論值近似為膜蒸餾組件的熱效率與熱泵制熱系數(shù)的乘積，即

對于中小型熱泵膜蒸餾裝置，上述工況下熱泵的理論制熱系數(shù)可達(dá)4.0以上，膜蒸餾組件的理論熱效率可達(dá)0.75以上，裝置節(jié)能倍率的理論值可達(dá)3.0以上。

4 結(jié)論

熱泵與膜蒸餾集成型裝置能夠用于常壓下果汁的低溫濃縮，且具有能耗低、便于處理中高濃度果汁等優(yōu)勢；裝置啟動(dòng)后，果汁溫度會(huì)自動(dòng)上升，到達(dá)設(shè)定溫度附近時(shí)，啟動(dòng)輔冷器，即可將果汁溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，裝置可進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；基于小型試驗(yàn)裝置對進(jìn)入膜蒸餾組件為47.7 ℃、糖度為11 °Brix的澄清蘋果汁的濃縮試驗(yàn)表明，裝置節(jié)能倍率為1.61；當(dāng)裝置規(guī)模擴(kuò)大，對環(huán)境的熱損失可忽略不計(jì)時(shí)，其節(jié)能倍率的理論值可達(dá)3.0以上，具有較好的應(yīng)用前景。研究結(jié)果為熱泵與膜蒸餾集成型裝置在果汁低溫濃縮方面的應(yīng)用提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。