水产品可控温热泵干燥机的设计

方案设计，包括系统设计、主要结构设计、系统部件选型原则，并进行实验验证。

关键词热泵干燥；水产品；开发设计

中图分类号S226.6文献标识码A文章编号0517-6611（2016）04-332-03

Design of Temperaturecontrolled Heat Pump Dryer for Aquatic Product

LI Meirong， QIU Baochun， SHENG Kan et al（College of Shipping and Port Architecture Engineering， Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 3160222）

AbstractIn order to solve the problems existed in the aquatic products under the condition of natural sun drying， a new type of temperaturecontrolled heat pump dryer was designed for aquatic product， according to its features and drying requirements. Then， working principles of heat pump dryer were introduced， as well as the schematic design （system design， main structure design， selection principles of system components）. Finally， verification test was carried out.

Key wordsHeat pump drying； Aquatic product； Development design

舟山群岛新区是我国最大的水产品生产基地和水产品集散地。生鲜水产品含水率高，且含丰富的脂肪和蛋白质，极易腐败，需要采用有效手段进行加工处理[1]。由于水产品干燥处理后，运输过程不需要冷链，可节约成本。因此，水产品干燥是一种常见的生鲜水产品加工处理方法。传统干燥方法分为日光干燥和热风干燥，日光干燥依赖于天气条件，并且难以保证卫生；热风干燥耗能较大，热敏性成分易被破坏[2]。钱炳俊等提出了热泵干燥水产品，模拟自然风干燥，物料表面水分的蒸发速度与水分从内部向表面迁移的速度比较接近[3]。但是，干燥温度无法有效控制，影响了干燥后的水产品品质。笔者针对现有水产品热泵干燥的缺点，设计了一种水产品可控温热泵干燥机，并对水产品可控热泵干燥技术进行系统设计、内部结构设计、系统部件进行选型，定制样机进行实验验证。结果表明，该新型可控温热泵干燥机适用面广，产品品质好，有重要的推广应用价值。

1工作原理

热泵干燥原理：热泵干燥是将低温低湿空气强制循环于食品间，使被干燥物体的含水量逐渐减少最终达到干燥效果的工艺，热泵干燥系统如图1所示，主要包括空气循环和热泵循环。

空气循环：满足生产要求的干空气进入干燥室，低温干空气在强制循环中不断吸收食品表面水分；带走被干燥物体的水分，成为湿空气后出来，然后经过蒸发器进行冷却除湿；达到饱和状态的空气经过蒸发器被降温析出水分，析出的水分由集水器排出库体；低温干空气再经过冷凝器，被加热成高温干空气；最后与饱和状态空气混合生成低温干空气，再进入干燥室内吸收被干燥物体的水分成为湿空气，如此反复循环。

热泵循环：制冷剂在蒸发器中吸收来自干燥过程循环风的热量，由液体蒸发为蒸汽，经压缩机压缩后送到冷凝器中，在高压下制冷剂冷凝液化，放出高温的冷凝热去加热来自蒸发器降温去湿后的低温干空气，把它加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使用，液化后的制冷剂经膨胀阀再次回到蒸发器内[4-5]。

2方案设计

2.1系统设计由于压缩机的输入功，冷凝器的散热量必将大于蒸发器的吸热量，蒸发器与冷凝器都处于封闭的空气循环系统中，若空气与外界无热量交换，则封闭的循环空气的热量会不断增加，内部温度会逐渐上升[6]。在热泵干燥装置刚开始运行时，由于系统尚未达到稳定的状态点，这部分额外的热量可以将空气加热到设定的运行状态点。但是，一旦空气达到稳定状态点后，倘若持续加热，则封闭的空气的温度就会越来越高，造成冷凝器端传热温差减小，导致冷凝压力不断增高，热泵系统的热泵系数下降，最终出现停机[7-8]。因此，为保持机组的恒温运行，就需要将这部分热量排到系统之外，将空气循环参数控制在一定范围内。所以，在冷凝器与压缩机之间增加一个换热器；而要使得机体内达到恒温，外置换热器即可视为一个外冷凝器。打开外冷凝器，高温制冷剂与外界空气交换热量使制冷剂温度降低，即向外界散热，带走压缩机的输入功，实现恒温过程。可控溫热泵干燥系统如图2所示。

注：1.膨胀阀；2.冷凝器；3.换热器；4.压缩机；5.蒸发器；6.干燥室；a.干空气流向；b.湿空气流向；c.带走的热量；d.热泵干燥组。

Note：1.Expansion valve；Condenser；3.Heat exchanger；4.Compressor；5.Evaporator；6.Drying room；a.Dry air flow；b.Wet air flow；c.Exhaust heat；d.Heat pump drying group.

2.3系统部件选型原则

2.3.1压缩机的选型。相对于活塞式而言，涡旋式、螺杆式更能适应可控温热泵干燥机的工况。其理由是：①该机组通常在冬季需要除去其换热器的冰冻，系统突然地逆向工况开启，会使润滑油进入压缩机中，造成压缩机的破坏。而由于活塞式结构的复杂将造成应力破坏，其余2类压缩机完全能应付以上情况。②由于可控温热泵干燥机需要的运行方式多样，各个状态差异较大，非常考验压缩机的结构设计。涡旋式、螺杆式的部件简单，能够很好地适应干燥机的工作环境，而活塞式适用于一般空调的条件。③可控温干燥机需要的压力大，涡旋式、螺杆式比活塞式在相同的条件下更能提高对于体积的利用率，使干燥机运行效率提高，减少过程运行期间的能耗，从而创造更高的经济价值，而活塞式则不能。④传动件的复杂程度与压缩机的磨擦耗损成正比，而活塞式压缩机传动件整体多，故对于系统而言会降低其效率。

在綜合以上内容的同时经过与其他机器的比对，查阅有关压缩机样本，选择德国比泽尔压缩机有限公司生产的HSK534330（Y）84型压缩机。

2.3.2冷凝器的选型。相对于开窗式而言，波纹式翅片是适合可控温热泵干燥机的翅片型号。其理由是：①随着雾霾天气的加剧，开窗式在北方室外易于粘上粉尘，导致换热系数直线下降，且拆装困难，清洗不便。②波纹式冷凝器能满足冷热两用干燥机的设计要求，不易被粉尘覆盖，能够增大换热面积，从而保证其换热系数能够一直维持在高水平，但其作为换热器时，霜冻严重。③在该系统中由于空间有限，比较适合的管线布置方式为V型盘管、W型管线。因为高度较高的V型系列使得整个系统的运行效率降低，且根据模拟气流组织形式，浪费了空间资源，尺寸矮小的W型盘管能够有效避免上述问题。

综上所述，W型盘管作为冷凝器能克服换热效率、空间大小、空气阻力等问题。W型设计参数经过计算能满足作为换热器时的各种运行工况下的技术指标。

2.3.3热力膨胀阀的选型。该系统中选用热力膨胀阀为节流机构。其理由是：①可控温热泵干燥机在冷工况运行时，单膨胀阀的制热系数随着系统的变化而变化，难以维持在一定的范围内。而在制热状态下，由于只有一个膨胀阀显得太过庞大，使得系统与室外空气的交换热减少，未能达到要求。②在不同的系统运转下，运用双膨胀阀使得膨胀阀的选择具有针对性，冷、热运行状态能够分别满足[9]。

2.3.4蒸发器的选型。分析该干燥机的设计要求，选择板式、干式壳管式2种器具。其理由是：①板式具有较大的空间体积，能够使制冷剂分布在各个方向，且冷热均匀，能有效提高系统的运行效率，节约能源，做到持续发展。②干式壳管式所需占有的空间面积较大，故适用于大中型的机组，其体积的庞大导致润滑油的回转十分艰难，与板式相比较，交换热量较少。

比较上述，选择板式器具：型号I 6，I 16B40.4/4006，在实际情况下交换热量的面积为4 m2，蒸发器间内路口的长度为7 mm，设备能够交换能量的面积为5 m2，质量123 kg。

3实验验证

根据方案设计定制样机如图5所示，采购样品进行实例验证。

在市场上购买同种水产品（小黄鱼）处理后分成相同的A、B 2等份；将其中的一份样品A放入新型干燥机，在温度为35 ℃，湿度为20%的条件下干燥3 h；另一份样品B放入普通干燥机，在相同条件下干燥3 h。经观察，A、B 2组样品的品相都比较完好，A样品色泽则更饱满，没有明显斑点出现。经过水分测定仪测量，A组样品湿度为61.31%，B组样品湿度为71.25%。实验表明，新型可控温热泵干燥机更适用于水产品干燥，且干燥质量佳，经济性高。

4结论

与现有的水产品热泵干燥装置相比，该可控温热泵干燥机巧妙设置2个冷凝器，一个为内冷凝器，一个作为外冷凝器，外冷凝器放置在压缩机与内冷凝器之间。外冷凝器的设置是为了保持机组的恒温运行，它将机组内部增加的热量排到系统之外，将空气循环参数有效控制在一定范围内，从而达到恒温效果。

安徽农业科学2016年该研究设计的热泵干燥机，具有干燥温度可控、结构紧凑、热效率高等优点，特别适用于水产品干燥，可以根据不同水产品及不同加工要求灵活控制，适用范围广，干燥品质高，应用前景广阔。

参考文献

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[2] 张国琛，毛志怀.水产品干燥技术的研究进展[J].农业工程学报，2004，20（4）：297-300.

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