热泵干燥技术在农副产品加工中的应用与分析

热泵干燥可易采 用 较 先 进 的 控 制 元 件 与 装 置 ，通
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2010 年 1 月
农机化研究
第1 期
过调节蒸发器的蒸发温度、冷凝器的冷凝温度和空气 的循环量，实现干燥质量的适时控制，自动化程度高。 2. 6 干燥平和，易保证质量
热泵供热手段 比 较 温 和 。 在 干 燥 过 程 中 ，可 根 据 物料的特性 与 要 求，调 节 循 环 空 气 的 温 度、湿 度 及 循 环流量，使得表面水分的蒸发速度与内部向表面迁移 速度基本相 同，接 近 自 然 干 燥，从 而 保 证 了 被 干 燥 物 料的品质好、色泽好和产品等级高。 2. 7 内环境卫生、外环境环保
热泵干燥系统的形式较多，按照干燥介质（ 空气） 的循环情况分类，可分为开路式、半开路式和闭路式 3 种类型［2］。
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开路式结构如图 2 所示，采用相对湿度较低的环 境空气直接经冷凝器加热用于物料的干燥，因此这种 类型适合北方干旱地区使用。闭路式结构如图 1 所 示。为了调节 干 燥 室 温 度，在 除 湿 加 热 系 统 中 增 加 一 个辅助冷凝器，通过调节辅助冷凝器向环境的散热量， 达到控制干燥室温度的目的，图 3 是带有辅助冷凝器 的热泵干燥系统示意图。这种循环干燥方式不受环境 温度影响，故适合南方地区使用。半开路式结构如图 4 所示，它是将部分废气（ 即从干燥室排出的高湿空气） 与环境空气相混合，然后送入除湿加热系统进行处理。 这种干燥系统主要利用部分废气的余热，达到提高热 泵的 COP 值的目的。
热泵干燥的工作原理示意图，如图 1 所示。其工 作过程如下： 在除湿加热系统中，采用制冷剂作为循 环工质。压缩机从蒸发器中吸取低压低温的制冷剂 蒸汽，将其压缩成为高压高温的蒸汽，送入冷凝器，在 冷凝器中被冷凝成液体，液体制冷剂经节流阀节流降 压，进入蒸发 器，在 蒸 发 器 中 液 体 制 冷 剂 吸 热 变 为 蒸
况 ，指 出 了 目 前 热 泵 应 用 中 存 在 的 主 要 问 题 。同 时 ，指 出 热 泵 干 燥 技 术 具 有 良 好 的 除 湿 效 果 和 节 能 效 益 ，为 了 使
得 热 泵 干 燥 技 术 在 农 副 产 品 的 加 工 中 广 泛 应 用 ，需 要 加 强 对 干 燥 工 艺 、热 泵 和 其 它 干 燥 方 法 联 合 应 用 的 研 究 以
热泵可采用环保制冷剂不会对大气臭氧层造成 破坏。热泵干燥装置中干燥介质在其中封闭循环，没 有物料粉尘、挥发性物质及异味随干燥废气向环境排 放而带来的污染； 干燥室排气中的余热直接被热泵回 收用来加热干燥介质，没有机组对环境的热污染。
3 热泵干燥技术的应用
3. 1 谷物干燥 我国是世界上最 大 的 粮 食 生 产 国 和 消 费 国 ，年 总
热泵的效率可用热泵性能系数 COP 来表示，其定
义为消耗单位能量所获得的热量，即
COP
=
Q P
式中 Q—热泵输出的热量（ kW） ；
P—热泵系统所消耗的功率（ kW） 。
实际中，也 可 用 除 湿 率 表 示 热 泵 的 性 能。 定 义 除
湿率 SMER 为消耗单位能量所除去湿 物 料 中 的 水 分 量［3］，即
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热泵干燥技术在农副产品加工中的应用与分析
吕金虎，赵春芳，李金成
（ 仲恺农业工程学院 机电工程学院，广州 510225）
摘 要： 介 绍 了 热 泵 干 燥 的 技 术 原 理 与 分 类 ，叙 述 了 我 国 有 关 热 泵 干 燥 技 术 在 农 副 产 品 干 燥 加 工 中 的 应 用 状
国内用热泵干燥机分别对玉 米、大 豆、稻 谷 种 子 进行干燥试验研究，结果表明： 热泵干燥技术是一种 很适合各种子干燥加工的技术，它不仅能够保持种子 的品质，与日晒相比还可使种子发芽率得到一定的提 高。采用热泵干燥技术干燥谷物较常规气流干燥法 平均节能 30% ［9］。陈明等［10］采用热泵干燥机对稻谷 进行了干燥 试 验，试 验 表 明，对 于 南 方 夏 收 的 高 水 分 稻谷用热泵干燥时，干燥温度控制在 35℃ 以下。采用 热泵干燥稻谷所需的干燥时间短，对稻谷的发芽率影 响小，对稻 谷 的 腰 爆 率 影 响 也 较 其 它 的 谷 物 干 燥 机 低。流化床具 有 气 固 接 触 面 积 大、传 热 传 质 速 率 高、 特别适合于散粒状物料干燥的特点，据此马晓梅等设 计开发了热泵流化床谷物干燥设备实验系统［11］。 3. 2 蔬菜脱水
热泵干燥的温度调节范围在 － 20 ～ 100℃ （ 加辅 助加热装置） ，相对湿度调节范围在 15% ～ 80% ［5］。 较宽的温度调节范围使热泵能够对多种物料进行干 燥加工。 2. 3 封闭循环，易采用 用 于 敏 感 性 物 料 （ 包 括 食 品） 的 干 燥。当物料（ 如香味化合物和脂肪酸） 对空气中的氧 气敏感（ 易氧化或燃烧爆炸） 时，可采用惰性介质如 氦气、氮气、二氧化碳代替空气作为干燥介质，实现无 氧干燥［6］。 2. 4 可回收物料中易挥发的成分
汽，再由压缩机吸入压缩，如此周而往复地进行循环。 在除湿加热系统中形成两个热源： 低温热源和高温热 源。低温热源为蒸发器，高温热源为冷凝器。
1 热泵干燥设备的分类
热泵按 其 工 作 原 理 可 分 为 半 导 体 热 泵、化 学 热 泵、吸收式热 泵 和 蒸 汽 压 缩 式 热 泵 等，在 农 副 产 品 加 工中最普遍使用的是蒸汽压缩式热泵。蒸汽压缩式热 泵系统主要由除湿加热系统和送风干燥系统所组成。 除湿加热系 统 由 压 缩 机、蒸 发 器、冷 凝 器 和 节 流 阀 组 成； 送风干燥系统由干燥室和风机等组成。
某些物料含有易挥发性成分（ 如香味及其它易挥 发成分） ，利用热泵干燥时，在干燥室内，易挥发性成 分和水分一同气化进入空气。含易挥发性成分的空 气经过蒸发 器 被 冷 却 时，易 挥 发 性 成 分 被 液 化，随 凝 结水一同排 出，收 集 含 易 挥 发 性 成 分 的 凝 结 水，并 用 适当方法将有用易挥发性成分分离出即可［6］。 2. 5 自动化程度高
收稿日期： 2009 － 03 － 03 作者简介： 吕金 虎 （ 1963 － ） ，男，陕 西 黄 陵 人，副 教 授，硕 士，（ E －
mai） lvjinhu@ 163. com。
1. 冷凝器 2. 节流阀 3. 蒸发器 4. 压缩机 5. 风机 6. 干燥室 图 1 闭路式热泵干燥系统
Fig. 1 Closed type heat pump drying system
及开发高温热泵和专用热泵产品。
关键词： 农副产品； 热泵干燥； 加工
中图分类号： S226. 6； TK173
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2010） 01 － 0212 － 06
0 引言
农副产品是人们 生 活 的 必 需 品 ，又 是 食 品 等 工 业 的基本原料。农副产品具有需求量大、品种多和生产 的季节性强等特点，其销售与加工直接影响到农业生 产的经济效益和人民的生活水平。由于许多农副产 品富含水 分、糖、蛋 白 质 和 维 生 素 等 营 养 物 质，在 贮 藏、运输、销 售 和 加 工 前 都 须 进 行 干 燥 处 理。 热 泵 干 燥技术是 20 世纪 70 年代末发展起来的一项高新技 术，因其具有独特的干燥原理、高效节能、除湿快且能 够良好地 保 持 物 料 的 品 质 而 受 到 重 视［1］。 随 着 我 国 人民生活水平的提高和科学技术的快速发展，热泵干 燥技术也逐渐应用到农副产品的干燥领域。
1. 压缩机 2. 冷凝器 3. 节流阀 4. 蒸发器 5. 风机 6. 干燥室 图 4 半开路式热泵干燥系统
Fig. 4 Semi － open type heat pump drying system
2. 1 高效节能 在能源紧张的今 天 ，高 效 节 能 装 置 是 社 会 倡 导 的
主流。由于热泵干燥装置中加热空气的热量主要来 自回收干燥室排出的低温湿空气中所含的显热和潜 热，需要输入 的 能 量 只 有 热 泵 压 缩 机 的 耗 功，因 而 热 泵具有消耗少量功即可制取大量热量的优势，将 1 份 电能转化为 3 ～ 4 份热能。与常规的干燥设备相比， 热泵干燥效率高，节能效果明显，其节能一般达 30% 以上［4］。 2. 2 干燥条件可调节范围宽
规的以煤，油 为 加 热 源 的 干 燥 机 组 的 能 耗［8］。 目 前， 在英国、德国等发达国家热泵干燥技术已在谷物干燥 加工生产实际中得到广泛应用。美国采用热泵谷物 干燥机同电热式谷物干燥机进行了对比试验，结果表 明，热泵谷物干燥机的除水率为 1. 8kg / kW · h，而电 热式谷物干燥机的除水率约为 1. 1 kg / kW·h，热泵式 比电热式节能约 40% ［5］。
控制谷物种子发 霉 、出 芽 的 两 个 主 要 因 素 是 谷 物 种子的含水率 和 温 度 。 一 般 认 为 ，在 常 温 条 件 下 ，用 作商品粮的谷物的安全水分应在 14% 左右。达到该 要求的谷物既便于碾米，又可长期存放 1 年以上； 用 作种子的安全水分必须达到 13% 以下，若低于 11% 的含水率，则 可 以 贮 存 两 年 左 右。 由 此 可 见，如 何 将 刚收割下来的谷物种子的含水率（ 大约 20% 左右） 及 时降至安全水分以下就是谷物种子干燥处理所需要 解决的课题。目前，国内常用的直接加热和间接加热 的粮食烘干 机 中，采 用 的 燃 料 与 干 燥 方 法 不 同，其 对 稻谷脱水所消耗的能量也不同。以单位除水量所消 耗的能量作比较，其值如下： 以煤作燃料，能耗一般为 6 270 ～ 8 360kJ / kgH2 O； 用燃油作热源，能耗为 3 350 ～ 5 850 kJ / kgH2 O； 远红外辐射干燥效率比较高，对高 含水量的稻谷每脱 1kg，能耗多数在 2 930 ～ 4 180 kJ / kgH2 O 范围之内； 而热泵式谷物种子干燥装置的能耗 经多次测试为 1 700 ～ 2 500 kJ / kgH2 O，明显地低于常