面向藥材貯藏的熱泵干燥系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

汪澤林，張良*，徐笑鋒，吳清清

新材料、新技術(shù)在熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用專(zhuān)題

面向藥材貯藏的熱泵干燥系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

汪澤林1，張良1*，徐笑鋒2，吳清清2

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海海立電器有限公司，上海 201206）

針對(duì)藥材貯藏前傳統(tǒng)干燥處理方法效率低，藥材易變質(zhì)，處理能耗高，不利于藥材高品質(zhì)貯藏等問(wèn)題，優(yōu)化藥材干燥處理方法至關(guān)重要。采用真空低溫干燥技術(shù)，設(shè)計(jì)一套以真空干燥箱為傳質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行低溫干燥的熱泵干燥處理系統(tǒng)。系統(tǒng)包含基于熱泵壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的真空低溫干燥系統(tǒng)、真空泵、變頻風(fēng)機(jī)等設(shè)備，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行干燥性能實(shí)驗(yàn)研究，分析獲得熱泵冷凝溫度、空氣入口風(fēng)速以及空氣入口溫度對(duì)該系統(tǒng)干燥性能的影響。在環(huán)境真空壓力?40～0 kPa實(shí)驗(yàn)條件下，熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)的干燥量、干燥效率、傳質(zhì)系數(shù)及傳熱系數(shù)最大值分別為3.96 kg/h、44.19%、3.75 g/(m2·s)、3.25 W/(m2·℃)，析濕過(guò)程傳質(zhì)系數(shù)及傳熱系數(shù)最大值分別為44.51 g/(m2·s)及36.03 W/(m2·℃)，熱泵系統(tǒng)最大能效為6.08。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得 到熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)干燥效率模型，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差在±21%以?xún)?nèi)，平均偏差為9.18%，預(yù)測(cè)效果較好。相較于常壓下熱泵低溫干燥技術(shù)，基于真空低溫干燥技術(shù)的熱泵干燥系統(tǒng)能夠有效提高藥材干燥效率，降低藥材干燥處理過(guò)程中的能源消耗，為藥材高品質(zhì)貯藏提供保障。

熱泵；藥材貯藏；低溫蒸發(fā)；藥材干燥；真空環(huán)境；傳熱傳質(zhì)

“十四五”以來(lái)，我國(guó)醫(yī)藥制造業(yè)產(chǎn)值持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)藥材的需求量也在日益增大。藥材貯藏前干燥處理能夠有效抑制腐敗微生物的生長(zhǎng)，最大程度地保存藥材的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是作為藥材長(zhǎng)期優(yōu)質(zhì)貯藏的基本標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)干、陰干等傳統(tǒng)的干燥方法存在干燥效率低、干燥周期長(zhǎng)、容易發(fā)霉變質(zhì)等問(wèn)題，以礦物能源為驅(qū)動(dòng)的熱風(fēng)干燥方法干燥效率高，但會(huì)降低藥材品質(zhì)，不利于藥材長(zhǎng)期貯藏，且能源消耗大，造成環(huán)境污染[1-2]。隨著藥材干燥處理量的增加，干燥處理行業(yè)能耗逐漸增加，直接影響我國(guó)碳排放量[3-4]。因此在藥材干燥處理過(guò)程中，提高干燥效率、保證藥材高品質(zhì)貯藏，降低能耗節(jié)約能源勢(shì)在必行[5]。

為研究出高效低能耗的藥材干燥處理方式，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者基于熱泵系統(tǒng)采用低溫干燥法對(duì)藥材進(jìn)行干燥處理，熱泵低溫干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于熱能消耗低，對(duì)低品位能源適應(yīng)性強(qiáng)，采用低溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，以空氣為干燥劑即可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥材的有效干燥[6-7]。熱泵低溫干燥系統(tǒng)利用水分在空氣中溶解度較高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水分與藥材的分離，從而達(dá)到藥材干燥的目的，并通過(guò)冷凝器將水蒸氣冷凝回收再利用，實(shí)現(xiàn)冷量與熱量的雙重利用，從而大大降低能耗[8-9]。同時(shí)，采用溫度濕度可控的熱泵干燥技術(shù)干燥藥材的顏色、成分等品質(zhì)均優(yōu)于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥技術(shù)，有利于藥材安全、高質(zhì)量的長(zhǎng)期貯藏[10]。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱泵低溫干燥技術(shù)進(jìn)行研究。Liu等[11]研究了封閉式熱泵干燥系統(tǒng)熱濕失衡的問(wèn)題，探究了空氣流量對(duì)干燥過(guò)程的影響。王天皓等[12]實(shí)驗(yàn)研究了多級(jí)熱泵串聯(lián)對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的提升。Gan等[13]研究了干燥溫度和干燥連續(xù)性對(duì)干燥速率的影響。張忠進(jìn)等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了干燥箱內(nèi)空氣相對(duì)濕度對(duì)水分蒸發(fā)速率的影響。Yildirim等[15]采用數(shù)值方法研究了空氣吸濕過(guò)程的空氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Mistry等[16]采用理論方法對(duì)比研究了空氣吸濕過(guò)程的空氣入口相對(duì)濕度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Zubair等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了空氣吸濕過(guò)程的液氣比以及不同加熱類(lèi)型對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Zhang等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣液間傳質(zhì)過(guò)程，并擬合出總體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果可知，基于低溫干燥技術(shù)的熱泵系統(tǒng)能夠適用于藥材干燥領(lǐng)域。同時(shí)，干燥空氣參數(shù)、熱泵系統(tǒng)參數(shù)等均對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)應(yīng)用于藥材干燥過(guò)程中熱質(zhì)傳遞效率產(chǎn)生較大影響。研究這些影響因素是探索提升干燥效率以及系統(tǒng)整體性能的重要方式，但現(xiàn)有的研究結(jié)論多針對(duì)常壓下干燥過(guò)程，不同環(huán)境壓力下多種影響因素對(duì)熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于藥材干燥過(guò)程的影響有待完善。

本文考慮到環(huán)境真空壓力對(duì)藥材干燥處理過(guò)程的影響，在低溫干燥的基礎(chǔ)上，采用熱泵真空低溫干燥技術(shù)對(duì)藥材進(jìn)行干燥處理。選取熱泵冷凝溫度、熱泵系統(tǒng)能效、熱泵蒸發(fā)溫度、空氣入口風(fēng)速、空氣入口溫度及環(huán)境真空壓力作為研究對(duì)象，對(duì)熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)的內(nèi)傳熱傳質(zhì)性能進(jìn)行研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得出通用性強(qiáng)的干燥效率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。旨在降低藥材干燥處理過(guò)程中的能源消耗，提高干燥效率，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用的同時(shí)最大程度地保持藥材貯藏品質(zhì)。

1 熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)理論分析

1.1 熱質(zhì)傳遞耦合理論分析

環(huán)境壓力的降低在改變干燥過(guò)程熱質(zhì)耦合傳遞驅(qū)動(dòng)勢(shì)的同時(shí)，也改變了干燥過(guò)程的熱質(zhì)傳遞耦合關(guān)系，對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能有重要影響。

對(duì)于低溫干燥過(guò)程，空氣與藥材表面液膜間的對(duì)流換熱關(guān)系又可表述為：

空氣與液膜間的對(duì)流傳質(zhì)關(guān)系又可表述為：

將式（1）、式（2）中導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及分子擴(kuò)散率和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)積分后可表述為式（3）、式（4）形式。

環(huán)境壓力的變化對(duì)邊界層流動(dòng)狀態(tài)以及水蒸氣擴(kuò)散速率有直接影響，但同時(shí)由于水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散速率對(duì)氣液間傳質(zhì)系數(shù)影響超過(guò)邊界層增加的影響，因此環(huán)境壓力的降低削弱了藥材干燥過(guò)程氣液間顯熱傳熱能力的同時(shí)并未削弱氣液間的傳質(zhì)能力，相反，環(huán)境壓力的降低促進(jìn)了氣液間傳質(zhì)能力的提升，強(qiáng)化氣液間熱質(zhì)耦合傳遞過(guò)程。

1.2 熱泵系統(tǒng)理論分析

環(huán)境壓力的降低在強(qiáng)化了干燥過(guò)程熱質(zhì)傳遞耦合的同時(shí)，對(duì)熱泵系統(tǒng)效能也發(fā)生影響。對(duì)于低溫干燥過(guò)程，熱泵系統(tǒng)能效（）可通過(guò)式（7）表示。

藥材干燥量相同時(shí)，環(huán)境壓力的下降強(qiáng)化了氣液間熱質(zhì)傳遞耦合過(guò)程，導(dǎo)致藥材加熱過(guò)程所需熱量以及空氣析濕過(guò)程所需制冷量均呈減小趨勢(shì)。因此，當(dāng)藥材干燥量不變時(shí)，熱泵系統(tǒng)能效隨環(huán)境壓力的減小而增加。

2 熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)性能研究

熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

熱泵系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、水冷冷凝器、風(fēng)冷冷凝器、熱力膨脹閥、清水回收箱等組成。熱泵系統(tǒng)既為干燥系統(tǒng)提供熱量加熱藥材，并通過(guò)變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度，又為該系統(tǒng)提供冷量，將循環(huán)空氣中的水蒸氣冷凝析出，得到達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的冷凝水。

干燥系統(tǒng)由水箱、過(guò)濾器、水循環(huán)泵、水冷冷凝器、藥材干燥箱等組成。藥材干燥箱作為藥材干燥的核心部件，為氣液間熱質(zhì)交換過(guò)程提供了場(chǎng)所，同時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)藥材干燥箱中所需熱量，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制水循環(huán)中循環(huán)水質(zhì)量流量。水箱中的冷凝水在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入水冷冷凝器，進(jìn)行熱交換加熱后流經(jīng)藥材干燥箱內(nèi)加熱盤(pán)管，加熱藥材，藥材內(nèi)高溫水分與低溫干燥空氣直接接觸。以藥材表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差為驅(qū)動(dòng)勢(shì)能驅(qū)使藥材中水分遷移至空氣，吸濕后的濕空氣流經(jīng)清水回收箱時(shí)，與熱泵干燥箱進(jìn)行熱交換，空氣中的水分被冷凝析出，析濕后的干空氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下重新流入藥材干燥箱，如此反復(fù)多次，實(shí)現(xiàn)藥材低溫干燥。

循環(huán)空氣系統(tǒng)由變頻風(fēng)機(jī)、真空泵、穩(wěn)壓罐、電加熱等組成，系統(tǒng)通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)空氣入口流速，通過(guò)電加熱控制空氣入口溫度，并通過(guò)真空泵調(diào)節(jié)環(huán)境真空壓力，將吸濕后高溫、高濕空氣經(jīng)冷凝后變?yōu)榈蜏馗稍锟諝夤┫到y(tǒng)循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備配置如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

Tab.1 Main equipment parameters of the experimental system

3 實(shí)驗(yàn)材料與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本文選取秦艽作為實(shí)驗(yàn)材料，將秦艽根莖切斜厚片，根莖平均厚度為（2±0.2）cm，經(jīng)鹵素水分測(cè)定儀（測(cè)量精度為0.1 mg）測(cè)量，新鮮秦艽根莖初始含水率為（80±1）%，裝載量為（100±0.1）kg。為探究藥材干燥過(guò)程中不同影響因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在多種運(yùn)行工況下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.2 Experimental parameters

將實(shí)驗(yàn)藥材置于藥材干燥箱中，在不同工況下進(jìn)行24 h干燥實(shí)驗(yàn)。對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)將按照不同真空壓力進(jìn)行，先進(jìn)行真空壓力為0 kPa（即常壓）下的所有實(shí)驗(yàn)，后面依次類(lèi)推。測(cè)量干燥前后藥材含濕量、干燥箱進(jìn)出口空氣溫度、流速、含濕量等關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)性能可以通過(guò)干燥量、干燥效率、干燥及析濕過(guò)程傳質(zhì)系數(shù)、傳熱系數(shù)進(jìn)行評(píng)定。

藥材干燥量：

干燥效率：

傳質(zhì)系數(shù)：

傳熱系數(shù)：

在本文研究中的測(cè)量結(jié)果需要相應(yīng)的指標(biāo)來(lái)確定測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷各輸入量的影響，因此其不確定度為A類(lèi)[19-20]。對(duì)空氣側(cè)質(zhì)量流量a，氣液間傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)a,h、a,h，干燥量?a,h，干燥效率進(jìn)行不確定度分析。

空氣側(cè)質(zhì)量流量：

傳熱系數(shù)：

傳質(zhì)系數(shù)：

干燥量：

干燥效率：

在真空壓力為0 kPa環(huán)境下，熱泵冷凝溫度為55 ℃，空氣入口溫度為16.0 ℃，體積流量為275 m3/h的工況下，進(jìn)行多組熱泵系統(tǒng)藥材干燥性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式（11）～（17）進(jìn)行誤差分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)不確定度

Tab.3 Uncertainty of experimental measurement parameters

4 結(jié)果分析

4.1 真空壓力與熱泵冷凝溫度

圖2所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時(shí)，真空環(huán)境下熱泵冷凝溫度變化對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖2a、c可知，干燥過(guò)程中，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率在低冷凝溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在高冷凝溫度范圍內(nèi)增加趨勢(shì)逐漸變緩。隨著冷凝溫度的增加，干燥量逐漸增加，干燥效率逐漸減小，且干燥效率減小幅度隨著真空壓力的減小而增大。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時(shí)，最大干燥量由2.97 kg/h增至3.31 kg/h，最大干燥效率由17.6%增至34.11%。隨著冷凝溫度的增加，由真空壓力減小引起的干燥量增加幅度由93.27%減小至11.45%。

由圖2b、d可知，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)在低冷凝溫度內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在高冷凝溫度范圍呈現(xiàn)先增加后減小或逐漸減小的趨勢(shì)，傳熱系數(shù)均呈減小趨勢(shì)。隨著冷凝溫度的增加，傳質(zhì)系數(shù)在高真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在低真空壓力范圍呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，傳熱系數(shù)均呈增加趨勢(shì)。

圖2的現(xiàn)象是由于相同冷凝溫度下，藥材表面水蒸氣分壓力不變，但隨著環(huán)境真空壓力的減小，液膜表面等效含濕量以及傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)幅度增加，空氣密度減小，導(dǎo)致傳質(zhì)速率的增加，空氣傳熱效率下降。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時(shí)，最大傳熱系數(shù)由2.14 W/(m2·℃)降至1.65 W/(m2·℃)。同時(shí)由式（11）可知，隨著傳質(zhì)速率的增加，藥材干燥量呈增大趨勢(shì)，導(dǎo)致由于換熱溫差的增大對(duì)空氣側(cè)傳熱的強(qiáng)化效果減小，間接降低了空氣側(cè)換熱效率。

圖2 真空環(huán)境下熱泵冷凝溫度對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

4.2 真空壓力與熱泵蒸發(fā)溫度

圖3所示為空氣體積流量為275 m3/h時(shí)，真空環(huán)境下熱泵蒸發(fā)溫度變化對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

圖3 真空環(huán)境下熱泵蒸發(fā)溫度對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

由圖3可知，空氣去濕過(guò)程中，傳熱系數(shù)隨著真空壓力的減小而下降，隨著蒸發(fā)溫度增加而增大。傳質(zhì)系數(shù)隨真空壓力的減小以及蒸發(fā)溫度的增加而增大。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40kPa時(shí)，傳熱系數(shù)降低了約23.35%，傳質(zhì)系數(shù)增大了約22.92%。這是由于蒸發(fā)溫度變化對(duì)參與傳熱的氣體分子活躍程度有影響，濕空氣中水蒸氣分子擴(kuò)散率隨著蒸發(fā)溫度的增加而增加，隨著真空壓力的減小，分子擴(kuò)散率進(jìn)一步增大，分子碰撞減小對(duì)傳熱弱化更加明顯，傳熱系數(shù)逐漸減小，傳質(zhì)系數(shù)增大趨勢(shì)更加明顯。

4.3 真空壓力與空氣入口流速

圖4為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃、空氣入口溫度為16.0 ℃時(shí)，真空環(huán)境下空氣入口流速變化對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖4a、c可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，干燥量增加趨勢(shì)逐漸變緩，干燥效率先逐漸增加后基本保持不變。隨著空氣入口流速的增加，干燥量和干燥效率呈相反的趨勢(shì)，干燥量逐漸增大，而干燥效率逐漸減小。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時(shí)，最大干燥量由2.65 kg/h增至3.47 kg/h，最大干燥效率由24.48%增加至39.03%，且當(dāng)真空壓力分別從0 kPa減小至?15 kPa以及從?15 kPa減小至?40 kPa時(shí)，干燥量和干燥效率的平均增加幅度分別為19.79%、17.30%以及5.96%、7.48%。

由圖4b、d可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，傳熱系數(shù)呈減小的趨勢(shì)。隨著空氣入口流速的增加，傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)空氣入口流速由0.8 m/s增至1.6 m/s時(shí)，最大傳質(zhì)系數(shù)由2.65 g/(m2·s)增至3.68 g/(m2·s)，最大傳熱系數(shù)由2.13 W/(m2·℃)增至2.77 W/(m2·℃)。

圖4 真空環(huán)境下空氣入口風(fēng)速對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

圖4的現(xiàn)象是由于在同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣容納水蒸氣能力、水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散速率以及氣液間傳質(zhì)勢(shì)差協(xié)同增加導(dǎo)致了空氣側(cè)傳質(zhì)速率的增加。同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣密度變得稀薄后，氣體分子間距離變大，氣體分子間相互碰撞概率降低。由于相互碰撞傳遞的熱量減少，空氣側(cè)顯熱換熱效率降低。

4.4 真空壓力與空氣入口溫度

圖5所示為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃，空氣入口體積流量為275 m3/h時(shí)，真空環(huán)境下空氣入口溫度變化對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖5a、c可知，干燥過(guò)程中，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率增加趨勢(shì)逐漸平緩，且增加幅度隨著空氣入口溫度的增大而增加。隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率均呈現(xiàn)先逐漸增加后基本不變的趨勢(shì)，且隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率隨真空壓力增加幅度逐漸增加。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時(shí)，最大干燥量由2.36 kg/h增至3.96 kg/h，最大干燥效率由28.88%增加至44.19%。

由圖5b、d可知，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)在低空氣入口溫度范圍內(nèi)逐漸減小，在高空氣入口溫度范圍內(nèi)先增加后減小。傳熱系數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì)。隨著空氣入口溫度的增加，傳質(zhì)系數(shù)在高真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)，在低真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。傳熱系數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖5的現(xiàn)象是由于在空氣入口溫度較低時(shí)，相同空氣含濕量下，空氣入口相對(duì)濕度更高，空氣中水蒸氣分壓力更高，導(dǎo)致空氣吸濕水分能力有限，真空壓力的減小對(duì)氣液間傳質(zhì)勢(shì)差的強(qiáng)化效果得不到體現(xiàn)。但隨著空氣入口溫度的升高，相同空氣含濕量下，空氣相對(duì)濕度降低，空氣中水蒸氣分壓力下降，空氣吸濕能力增強(qiáng)。同時(shí)，隨著真空壓力的降低，會(huì)導(dǎo)致空氣分子量的減少，從而削弱空氣吸濕能力，且影響效果隨真空壓力的降低而增大，因此當(dāng)真空壓力降低到一定值時(shí)，繼續(xù)降低真空壓力傳質(zhì)系數(shù)又會(huì)出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

4.5 真空壓力與熱泵系統(tǒng)能效

圖6所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時(shí)，真空壓力變化對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖6可知，干燥過(guò)程中，相同藥材干燥量下，隨著真空壓力的減小，熱泵系統(tǒng)能效呈減增大趨勢(shì)。隨著干燥量的增加，熱泵系統(tǒng)能效逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時(shí)，熱泵系統(tǒng)最大能效由5.66增至6.08。當(dāng)干燥量從1.25 kg/h增加至2.5 kg/h時(shí)，熱泵系統(tǒng)最大能效下降了14.14%。分析原因可知，圖11的現(xiàn)象是由于相同干燥量下，隨著真空壓力的減小，氣液間傳質(zhì)勢(shì)得到增強(qiáng)，干燥藥材所需熱量及空氣去濕所需冷量減小，因此熱泵系統(tǒng)能效增加。相同真空壓力下，隨著干燥量增加，熱泵系統(tǒng)需通過(guò)提高冷凝溫度以提高藥材中水分與干燥空氣間傳質(zhì)勢(shì)。同時(shí)，干燥箱出口空氣溫度及含濕量隨之增大，需通過(guò)減小蒸發(fā)溫度提高濕空氣與換熱器間的換熱溫差，提高氣液間傳質(zhì)勢(shì)，因此熱泵系統(tǒng)能效下降。

圖5 真空環(huán)境下空氣入口溫度對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

圖6 真空壓力對(duì)熱泵系統(tǒng)能效的影響

4.6 熱泵真空低溫干燥效率模型

式中：0為修正系數(shù)，指數(shù)1～8分別為各影響因素的影響因子。因常壓工況是真空工況下的一個(gè)特殊工況，因此在對(duì)干燥效率進(jìn)行擬合時(shí)，將常壓工況數(shù)據(jù)并入真空工況。將通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多元線(xiàn)性回歸分析，即可得到干燥效率模型中各影響因子數(shù)值大小。

通過(guò)真空環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式（18）進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，參數(shù)0～8的值為分別為?8.000、0.275、?0.138、2.160、?1.259、0.054、?0.559、?0.173、?1.056，干燥效率模型具體形式如式（23）所示。

干燥效率的實(shí)驗(yàn)值與回歸計(jì)算值兩者之間的平均絕對(duì)值偏差值（Average Absolutedeviation，d）為：

圖7為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差情況。經(jīng)計(jì)算干燥效率的平均絕對(duì)偏差為9.18%，最大絕對(duì)偏差為20.08%，在±15%偏差范圍內(nèi)涵蓋了95.27%的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在±20%偏差范圍內(nèi)涵蓋了98.90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)面向藥材貯藏的熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究主要獲得以下結(jié)論：

1）在真空環(huán)境下，通過(guò)熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)對(duì)藥材進(jìn)行干燥處理，能夠顯著提高藥材干燥量、干燥效率以及熱泵系統(tǒng)能效。

2）循環(huán)空氣的流速及溫度的增加，有利于提高藥材干燥過(guò)程的干燥量，通過(guò)增大空氣流速保持不同真空壓力下空氣流動(dòng)雷諾數(shù)一致可以彌補(bǔ)因真空環(huán)境壓力降低導(dǎo)致的干燥過(guò)程傳熱系數(shù)減小的問(wèn)題，并增大干燥過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)。

3）本文所建立的藥材干燥效率模型預(yù)測(cè)精度較高，平均絕對(duì)偏差為9.18%，在±15%偏差范圍內(nèi)涵蓋了95.27%的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在±20%偏差范圍內(nèi)涵蓋了98.90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

研究結(jié)果表明，熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)針對(duì)藥材貯藏前的干燥處理效果較好，在低能耗工況下能夠有效提高藥材干燥處理效率。保證了藥材品質(zhì)，減少了環(huán)境污染，有利于藥材的高品質(zhì)貯藏，并為面向藥材貯藏的熱泵干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

[1] KOMONSING N, KHUWIJITJARU P, NAGLE M, et al. Effect of Drying Temperature Together with Light on Drying Characteristics and Bioactive Compounds in Turmeric Slice[J]. Journal of Food Engineering, 2021, 317(6): 110695.

[2] HOPPE T, VAN BUEREN E. Guest Editorial: Governing the Challenges of Climate Change and Energy Transition in Cities[J]. Energy, Sustainability and Society, 2015, 5(1): 19.

[3] 張鵬, 吳小華, 張振濤, 等. 熱泵干燥技術(shù)及其在農(nóng)特產(chǎn)品中的應(yīng)用展望[J]. 制冷與空調(diào), 2019, 19(7): 65-71.

ZHANG P, WU X H, ZHANG Z T, et al. Heat Pump Drying Technology and Its Application Prospects in Agricultural Special Products[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2019, 19(7): 65-71.

[4] 趙宗彬, 朱斌祥, 李金榮, 等. 空氣源熱泵干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J]. 流體機(jī)械, 2015, 43(6): 76-81.

ZHAO Z B, ZHU B X, LI J R, et al. Research Status and Prospect of Air Source Heat Pump Drying Technology[J]. Fluid Machinery, 2015, 43(6): 76-81.

[5] 羅超. 我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和政策措施[D]. 大連: 東北財(cái)經(jīng)大學(xué), 2013.

LUO C. The Strategy of China's Low-Carbon Economic Development[D]. Dalian: Dongbei Dongbei University of Finance and Economics, 2013.

[6] COMAKLI K, SIMSEK F, COMAKLI O, et al. Determination of Optimum Working Conditions R22 and R404A Refrigerant Mixtures in Heat-Pumps Using Taguchi Method[J]. Applied Energy, 2009, 86(11): 2451-2458.

[7] 喻穎睿, 魏娟, 李偉釗, 等. 制藥行業(yè)干燥過(guò)程廢氣零排放熱泵系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2023, 44(1): 43-49.

YU Y R, WEI J, LI W Z, et al. Experiment on Performance of Zero-emission Heat Pump System for Drying Process in Pharmaceutical Industry[J]. Journal of Refrigeration, 2023, 44(1): 43-49.

[8] THIRUMALAI VENKATARAMAN R, SRITHAR K. An Investigation into a Laboratory Scale Bubble Column Humidification Dehumidification Desalination System Powered by Biomass Energy[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 139: 232-244.

[9] 張潤(rùn)霞, 王贊社, 孟祥兆, 等. 溶液除濕中基于水蒸氣壓差的傳質(zhì)系數(shù)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(12): 4774-4779.

ZHANG R X, WANG Z S, MENG X Z, et al. Mass Transfer Coefficient for Liquid Dehumidification Based on Vapor Pressure Difference[J]. CIESC Journal, 2015, 66(12): 4774-4779.

[10] THAM T C, NG M X, GAN S H, et al. Impacts of Different Drying Strategies on Dryingcharacteristics, the Retention of Bio-Active Ingre Dient and Colour Changes of Dried RosellE[J]. Chinesejournal of Chemical Engineering, 2018, 26(2): 303-316.

[11] LIU S C, LI X Q, SONG M J, et al. Experimental Investigation on Drying Performance of an Existed Enclosed Fixed Frequency Air Source Heat Pump Drying System[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 130: 735-744.

[12] 王天皓, 張振濤, 楊俊玲, 等. 多級(jí)熱泵串聯(lián)干燥系統(tǒng)性能模擬[J]. 制冷技術(shù), 2020, 40(4): 15-21.

WANG T H, ZHANG Z T, YANG J L, et al. Performance Simulation on Multi-Stage Series Heat Pump Drying System[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2020, 40(4): 15-21.

[13] GAN S, ONG S P, CHIN N, et al. A Comparative Quality Study and Energy Saving on Intermittent Heat Pump Drying of Malaysian Edible Birds Nest[J]. Drying Technology, 2016, 35(1): 4-14

[14] 張忠進(jìn), 玄哲浩, 王國(guó)華. 熱泵干燥裝置的性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2006, 37(8): 140-143.

ZHANG Z J, XUAN Z H, WANG G H. Experimental Study on Performances of Heat Pump Dryer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(8): 140-143.

[15] YILDIRIM C, SOLMAZ I. A Parametric Study on a Humidification-Dehumidification (HDH) Desalination Unit Powered by Solar Air and Water Heaters[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 86: 568-575.

[16] MISTRY K, MITSOS A, LIENHARD J. Optimal Operating Conditions and Configurations for Humidification-Dehumidification Desalination Cycles[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(5): 779-789.

[17] ZUBAIR S, ANTAR M, ELMUTASIM S, et al. Performance Evaluation of Humidification-Dehumidification (HDH) Desalination Systems with and without Heat Recovery Options: An Experimental and Theoretical Investigation[J]. Desalination, 2018, 436: 161-175.

[18] ZHANG J W, LIU J H, ZHANG L, et al. Air-Side Heat Transfercharacteristics under Wet Conditions at Lower Ambient Pressure of Fin-And-Tube Heatexchanger[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 142: 118439.

[19] KIRKUP L, FRENKEL R B. An Introduction to Uncertainty in Measurement Using the GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)[M]. Cambridge, UK; New York: Cambridge University Press, 2006

[20] LIRA I. Evaluation the Measurement Uncertainty Fundamental and PracticalGuidance[J]. Metrologia, 2003, 40(4): 207.

Experimental Research on Heat Pump Drying System for Medicinal Herbs Storage

WANG Zelin1, ZHANG Liang1*, XU Xiaofeng2, WU Qingqing2

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Haili Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Aiming to solve the problems of low efficiency, easy deterioration, high energy consumption and unfavorable conditions for high-quality storage in the drying process of medicinal herbs, it is crucial to optimize the drying method. By vacuum low-temperature evaporation drying technology, a heat pump drying system was designed with a vacuum drying chamber as the mass transfer system to conduct low-temperature drying. The system was composed of equipment such as a vacuum low-temperature drying system driven by a heat pump compressor, a vacuum pump and a variable-frequency fan. The performance of the system was studied through experiments, and the effects of heat pump condensation temperature, air inlet velocity, and air inlet temperature on the drying performance of the system were analyzed. Under experimental conditions with environmental vacuum ranging from ?40 to 0 kPa, the maximum values of drying capacity, drying efficiency, mass transfer coefficient, and heat transfer coefficient for the heat pump vacuum low-temperature drying system were 3.96 kg/h, 44.19%, 3.75 g/(m2·s), and 3.25 W/(m2·℃) respectively. The maximum values of mass transfer coefficient and heat transfer coefficient in the dehumidification process were 44.51 g/(m2·s) and 36.03 W/(m2·℃) respectively. The maximum coefficient of performance (COP) for the heat pump system was 6.08. Regression analysis was conducted on the experimental data to obtain the correlation equation for the drying efficiency in the heat pump vacuum low-temperature drying system. The maximum deviation between the calculated values and experimental values was within ±21%, and the average deviation was 9.18%, indicating a good predictive performance. Compared with the heat pump low-temperature drying technology at normal pressure, the heat pump drying system based on vacuum low-temperature drying technology effectively improves the efficiency of herb drying and reduces energy consumption in the herb drying process, ensuring the high-quality storage of medicinal herbs.

heat pump; medicinal herbs storage; low-temperature evaporation; medicinal herbs drying; vacuum environment; heat and mass transfer

TB486；TK173

A

1001-3563(2024)01-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.001

2023-10-09

上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（13DZ2260900）