基于多熱泵系統組合的冷熱均衡干燥機設計與試驗

曾小輝，吳耀森，李浩權，龔 麗，龍成樹

（1.廣東弘科農業機械研究開發有限公司，廣東 廣州 510555；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.農業農村部華南現代農業智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國是農業大國，據統計2020 年我國主要農產品生產總量約66 949.2 萬t，水產品6 549.2 萬t[1]，但我國農產品加工量和加工水平與世界發達國家相比還存在較大差距，發達國家農產品加工程度達到80%以上，而我國只有45%，其中二次以上深加工只有20%[2]。干燥是農產品加工的重要方式，且是能源消耗的大工序[3]，據統計，大多數發達國家干燥能耗達到工業能耗的7%～15%[4-5]。大批量農產品烘干按熱源分主要有煤、天然氣、油、柴、生物質等[6]，近年來國家大力倡導綠色、協調發展，水源或者空氣源熱泵干燥頗受人們關注。

事實上，除熱泵干燥以外，上述燃燒式熱源烘干主要采用排濕的方式，即將大量高溫高濕空氣排至環境，這不僅造成了能源的浪費，而且也造成對環境的熱污染。熱泵干燥的主要熱能來源于水（或者空氣）中，熱能廉價，較傳統干燥可節約30%或更多[7]。熱泵干燥的優勢不僅在于節能，而且有效地將冷、熱進行了循環利用，其冷端為蒸發器主要起除濕作用，熱端為冷凝器主要起升溫作用，因此，熱泵干燥機應用于某些農產品物料中幾乎能實現全封閉干燥[8-9]。然而，大量農產品干燥過程所需冷熱量與熱泵干燥機制取的冷熱量并不能完全匹配。例如一些農產品熱泵干燥前期水分大量蒸發，而冷量不足以滿足除濕，此時只能采用排濕風機排出濕熱；而干燥后期由于物料水分減少，又會有大量冷量剩余。

因此，無論采用天然氣、礦石燃料燃燒等排濕烘干或熱泵干燥，都較難滿足農產品烘干過程中冷、熱的均衡需求。針對現有技術存在的問題，本文基于冷熱量均衡控制方法，開展多熱泵系統聯合的制冷熱系統設計，研發冷熱量通風換熱關鍵部件，形成冷熱均衡的熱泵干燥機；選取臘腸為對象，開展干燥工藝試驗研究，以更好地滿足農產品烘干過程中的冷熱量均衡需求。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

本文圍繞農產品干燥過程冷熱量均衡供給的目標，設計了多熱泵系統聯合的冷熱均衡干燥機，主要包括圖1 所示的7 大部分：其中雙效機組由若干熱泵冷熱水子系統組成，各子系統制取冷熱時相互獨立，以水為載冷、熱介質置換出能量，故雙效熱泵機組主要用于制取冷、熱水，1 份電能可制取3 份冷量和4 份熱量；三效熱泵機組，具備雙效熱泵機組的功能，同時在雙效熱泵機組的基礎上增加了散熱系統，用于單獨補充均衡系統所需的冷量。雙效機組和三效機組制取的冷熱水供給烘房組，烘房即用于農產品批次干燥的干燥室。1 個多熱泵系統組合的冷熱均衡干燥機可配置至少2 個以上的干燥烘房，此種一拖多的設備應用模式特別適用于大中型肉制品加工企業，可實現冷熱量的合理分配，同時減少了設備先期總投入成本。

圖1 多熱泵系統組合的冷熱均衡干燥機系統圖

1.2 烘房的工作原理

多熱泵系統組合的冷熱均衡干燥機主要分為安裝屋面（或者生產車間以外）的多熱泵組合制冷熱水系統和生產車間內多個單元干燥烘房，二者之間通過冷熱水路連通。由圖2 中生產車間農產品干燥烘房即為其中1 個單元。物料干燥前先啟動制冷熱水系統，儲備一定量的冷水和熱水（例如：設定熱水溫度為63 ℃，冷水溫度為15 ℃）；待烘干物料進入干燥烘房，用戶只需一鍵啟動烘干工藝，冷熱水在水泵的驅動作用下分別進入干燥烘房的加熱器和除濕器內，干燥箱內空氣介質在風機驅動下穿過加熱器和除濕器被升溫和除濕，而后經過物料區與濕物料進行熱質交換。此外，當干燥烘房內濕度大于設定值時將往烘房外排濕，最終達到干燥物料的目的。

圖2 冷熱均衡供應的干燥烘房結構示意圖

在大中型農產品加工企業相同產能需求的前提下，購置多熱泵組合的均衡干燥機（一拖多）與多臺單機烘干設備比較的優勢：①相較于單臺單機烘干設備其供冷熱量更充足，保障烘干產品的品質；②由于物料烘干過程冷熱量需求不均衡，合理安排進入干燥烘房的時間可實現錯峰干燥，充分利用好冷量和熱量，故一拖多的干燥機總裝機容量小于多臺單機的總功率，總投入成本減少，干燥能耗降低。因此，研制設備對大中型企業有節本、增效和保質的作用，且可減少尾氣排放，對環保亦有重要意義。

2 冷熱均衡熱泵系統設計

2.1 熱泵系統設計

熱泵系統主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和制冷配件等組成。本文以批次烘焙3 000 kg 原料廣式臘腸為設計基準，加工周期約為42 h，出成率約為50%，烘烤溫度為45～58 ℃（廣東某肉食加工廠提供數據）。因此，針對單個干燥烘房小時平均去水量為35.72 kg/h，而廣式臘腸烘干前期12 h 去水量約為整個干燥過程去水量的65%，故前12 h 平均去水量約為81.25 kg/h,為確保廣式臘味的烘干品質取最大去水量為平均去水量的1.5 倍，則干燥烘房的小時最大去水能力為121.88 kg/h。去水能耗則根據某廣式臘味烘焙廠家提供數據，熱泵干燥廣式臘腸的去濕能耗為4.0 MJ/（kg 水）。結合上述數據進行熱泵系統主要部件選型設計如下。

2.1.1 壓縮機選擇

由烘烤溫度及物料去濕能耗需求可知，壓縮機制熱功率不小于135.42 kW，選擇丹佛斯SZ148 型渦旋壓縮機，通過查閱壓縮機工況文獻可知，蒸發溫度為5 ℃，冷凝溫度為70 ℃時，其制熱功率為40.1 kW,制冷功率為25.09 kW，故選擇4 臺SZ148 型壓縮機。

2.1.2 蒸發器和冷凝器的選擇

由于采用水為換熱、載冷介質，故兩器的結構形式為干式殼管式，殼管換熱系數k取1.2 kW/（m2.℃），進出口水溫5 ℃。干式殼管換熱器面積計算如公式（1）所示。

式中：

Q——制熱量（或者制冷量），kW；

A——換熱面積，m2；

Δtm——對數傳熱溫差，℃。

式中：

t1——換熱介質進入溫度，℃；

t2——換熱介質換熱后出來溫度，℃；

t——蒸發溫度（或者冷凝溫度），℃。

結合以上工況參數、制熱功率和制冷功率和公式（1）和（2）計算，得到單個系統的蒸發器和冷凝器面積分別約為2.9、4.7 m2。

綜上，壓縮機、蒸發器和冷凝器型式、規格型號等技術參數確定后，膨脹閥、干燥過濾器、電磁閥、四通閥等可依照制冷功率、管徑等選擇對應型號。因此，雙效熱泵主機與三效熱泵主機主要通過聯結以上制冷元器件形成制冷系統，其中三效熱泵主機為雙冷凝器系統，其中1 個冷凝器外接散熱冷卻塔，以實現單獨制冷。

2.2 冷熱均衡控制系統設計

由圖3 可知，冷熱均衡控制系統主要包括冷熱水制取控制系統和干燥烘房冷熱水供應系統2大部分。冷熱水制取控制主要包括控制熱泵雙效機組、三效機組、散熱系統、散冷系統、制冷水泵、制熱水泵等零部件，該系統根據用戶設定熱水溫度、冷水溫度驅動系統進行冷熱水的制取，其中率先啟動冷熱水雙效機組、運行一定時間后再啟動三效機組中冷熱同時制取模式，當熱水達到設定值而冷水高于設定溫度則啟動三效系統單獨制冷水模式。

圖3 冷熱均衡控制系統控制流程圖

冷熱水供應系統主要包括供冷熱水水泵、電磁閥、加熱換熱裝置、除濕換冷裝置、風機、烘房庫體、風道、排濕等。當烘房干燥工藝設定完成后，一鍵啟動烘干模式，烘房內溫濕度探頭實時采集數據，控制系統通過比對干燥工藝各階段設定溫、濕度值與實時溫、濕度值，當達到預設指令條件，則啟動熱水泵、冷水泵按需向干燥烘房內輸送熱量和冷量。

制冷熱水系統與供冷熱水系統之間主要依據水箱冷熱水溫度而聯動，若干燥過程熱量需求增多，隨著水箱熱水溫度的降低至設定值-偏差值，制冷熱水系統將自動啟動雙效機組進行熱量補給，同樣冷水溫度升高超過設定值+偏差值也會有相應降溫動作。

2.3 均衡系統內烘干設備運行應用

實際上，1 個制冷熱水系統可以供應多個供冷熱水系統，這樣不僅可以減少水箱的數量、節省場地，甚至可以一定程度減少平均每個供冷水系統的匹數，達到高效利用冷熱量的目的。采用熱泵系統制取冷熱水，制熱系數為3～4[10]，因此選擇雙效機組 ：三效機組=3 ：1。均衡系統內烘干設備運行前，系統默認檢測冷熱水箱水溫，當冷（或熱）水溫度低于（或高于）設定溫度時供冷熱水系統將不會啟動運行，如圖3 所示，制冷熱水系統自動檢測冷/熱水箱水位直至均達到水箱容積2/3以上，制冷熱水系統檢測水溫與設定值T0的偏差等級關系而判斷開機雙效主機和三效主機的臺數，具體動作邏輯詳見圖4，以圖4中區域（1）為例，當熱水溫度低于設定溫度+下偏差3，且冷水溫度高于設定溫度時，則開啟3臺雙效機組制取冷、熱水和1臺三效機組單獨制取冷水，其它區域邏輯控制以此類推；中間“保持原狀態區”即保持系統原有啟動設備數量直至跨越上偏差1或者設定熱水溫度值。

圖4 均衡系統動作邏輯圖

綜上所述，雙效機組 ：三效機組=3 ：1 的多熱泵組合的冷熱均衡干燥機，即整體由3 臺4 個SZ148熱泵雙效系統和1 臺4 個SZ148 熱泵三效系統組合而成，系統運行過程中冷水溫度最低可達8 ℃（蒸發溫度為4 ℃），熱水最高溫度為65 ℃（冷凝溫度為70 ℃），該設備可實現為4 個3 000 kg/批干燥烘房供熱，壓縮機的總匹數為192 匹（1 匹=0.75 kW）。采購相同產能的（廣東省現代農業裝備研究所自主研發）GHRH170 型熱泵干燥機單機設備，該機處理量為1 500 kg/批，裝機容量24 匹/臺+12 kW 輔助電加熱，需要8 臺，按壓縮機最佳工況計算1 kW 等效于4 kW 發熱絲，則采用單機設備共需要192+24 匹，比研制設備增加12.5%的裝機功率，事實上電熱絲產熱最大取其功率的90%，即單機設備為滿足干燥熱量需求還需更大裝機容量。

3 研制烘干設備應用試驗

3.1 試驗設計

試驗地點：廣州某臘味肉食制品廠，位于廣州市黃埔區香荔路。

烘干設備：由廣東省現代農業裝備研究所研制，安裝于肉食制品廠生產車間5 樓。

試驗物料：廣式臘腸中“三七腸”即肥肉 ：瘦肉=3 ：7[11]，配料滾揉冷庫儲藏12 h，采用德國漢特曼灌腸設備扭結灌注成130 mm，直徑22 mm，物料批次進入量為26 車，33 桿/車，分上、中、下3 層，每車原料臘腸重量180～190 kg。

烘干工藝：烘干溫度范圍45～58 ℃，相對濕度為20%～70%，采用逐步升溫降濕干燥模式，烘干周期為42～46 h，出成率為53%～58%。

3.2 數據曲線及分析

圖5 數據點為每小時設定溫度、相對濕度值與均衡系統內烘干設備實際運行溫度、相對濕度值。上方溫度曲線可知，廣式臘味烘干采用是逐步升溫的干燥方式，每小時實際運行溫度的平均值與設定溫度值的最大偏差：除烘干過程中3 個停機排濕降溫緩蘇階段外，最大偏差出現在升溫烘干前期第6 h，設定溫度為52 ℃，實測平均溫度為50.57 ℃，控制相對最大偏差為-2.75%，其他時間段溫度控制相對偏差為-2.05%～1.65%，其中第7、第14、第21 h為停機降溫緩蘇區，設定溫度為35 ℃，設定相對濕度依次為60%、50%和40%，緩蘇時間為1 h，其目的分別為廣式臘腸的縮身定型、色澤調節和風味調節，因為短時間升溫干燥有利于脂質的氧化降解[12]，形成風味物質，此外緩蘇干燥有利于提升產品整體的干燥均勻性、外觀色澤及形成表面均勻紋路。

圖5 廣式臘味烘干均衡系統內烘干設備運行曲線

每小時設定相對濕度與實測小時平均相對濕度值的最大偏差：除3 個降溫緩蘇階段和最后降溫出庫階段，最大偏差值出現在前期升溫階段的第8 h，設定相對濕度為45%，實測相對濕度值為48.92%，其它時段控制偏差范圍為-2.08%～1.85%。相對濕度反映干燥介質的吸濕能力，實測相對濕度偏高說明此時的干燥能力略小于需求，由相對濕度曲線可知干燥前期設定相對濕度與實測值出現交錯，而干燥后期實測回風濕度基本位于設定值以下，原因在于廣式臘腸干燥采用逐步升溫降濕干燥方式，前期臘腸水分多，溫度升高臘腸吸熱蒸發水分增加，而干燥溫度升高和相對濕度降低均會提升設備整體除濕能力，因而精準匹配控制蒸發水分略小于除濕能力即可以獲得優質產品，所以前期會出現設定濕度與回風濕度交錯；后期由于臘腸水分逐漸減少，因而實測相對濕度會略低于設定濕度。

圖6 為3 個樣品的失水率曲線，每個位置樣品分為上、中、下3桿，均勻分布于干燥烘房前中后3個位置。由圖中3個樣品的失水率曲線可知，整個干燥過程中烘房3個位置的廣式臘腸失水率相差不大，說明設備的整體干燥均勻性較好；前24小時廣式臘腸烘干去水量：樣品1、樣品2、樣品3分別占原料臘腸的36.8%、38.4%和36.9%，占廣式臘腸烘干總去水量（出成率56%）的83.86%、87.27%，83.64%；均衡系統內烘干設備運行44 h，3個位置樣品均達到烘干要求，整個干燥烘房的終點干燥不均勻度為1%，可見廣式臘腸的烘干去水主要集中在第1天，采用均衡系統烘干廣式臘腸能夠較好保障干燥品質。

圖6 廣式臘味烘干失水率曲線

3.3 研制設備加工產品品質檢測

研制設備干燥加工的臘腸產品經過溫度18～22 ℃暫存間冷卻3～4 h 后，進行分支剪切和定量稱重包裝，隨機從該批次產品中，抽取5 包檢測樣品，每包500 g，按照GB/T 23493—2009 中式香腸抽檢加工臘腸產品，檢測數據見表1。

表1 廣式臘腸生產檢測數據表

表1 中數據可知，研制設備干燥加工的廣式臘腸產品感官性狀、水分等符合國家食品標準的各項指標要求。其中產品水分含量、亞硝酸鹽、過氧化值均遠低于國標，原因在于廣東省為高溫高濕氣候環境，較低水分有利于延長保質期。

4 小結及展望

本文從烘干設備生產實踐應用中存在的問題著手，分析了存在問題的原因，設計了多熱泵組合的冷熱均衡干燥機，并進行了批次物料試驗，結論如下。

1）設計了多熱泵系統組合冷熱均衡干燥機，建立了干燥機的整體系統結構，并對內部主要零部件的功能及實現冷熱均衡的原理進行了具體介紹。

2）以廣式臘腸為例，對熱泵系統內壓縮機、冷凝器和蒸發器機型進行了選型計算，確定了雙效熱泵系統、三效熱泵系統中主要零部件的關鍵技術參數；設計了雙效熱泵系統 ：三效熱泵系統=3 ：1 的冷熱均衡干燥機，該機型實現了1 個冷熱均衡系統給4臺3 000 kg/批干燥烘房供應冷熱量，比相同產能的單機臘味干燥設備節省了裝機總功率。

3）與廣州某肉食制品廠合作，建立了一拖多的多熱泵系統組合冷熱均衡干燥機，并進行了多批生產性應用試驗，得到干燥機運行的溫度、相對濕度控制精準度較好，干燥不均勻度小，抽檢的廣式臘腸產品的干燥品質均達到特級臘腸標準。

4）開發的多熱泵組合的冷熱均衡干燥機，溫度控制范圍為10～63 ℃，濕度控制范圍為10～95 %RH，因此該設備既適用于中高溫的果蔬與肉制品干燥，也適用于略低于常溫水產魚制品等熱敏性物料的烘干。