（工程热物理专业论文）种子热泵干燥机理分析及干燥参数的控制.pdf

摘要 种子热泵干燥机理分析 及干燥参数的控制 摘要 本文对种子的结构特点和生理特点进行了理论分析，论述了热泵干燥应用于 种子干燥中的优越性，并在此理论基础上，利用热泵干燥试验装置对白菜种子、 茄子种子、豆角种子、黄瓜种子进行了干燥实验，根据实验数据，着重对种子热 泵干燥的传质过程和干燥过程中的参数控制进行了研究。 本文在热泵干燥过程中对种子的传质微分方程的计算采用了有限元法，用较 少的结点数对复杂的种子形状有效地进行了离散分析，并且把传质过程的动态模 拟结果与实验结果进行了对比分析，研究表明，理论计算与实验数据基本保持一 致。) 本文为了保证种子的生命活力，使干燥温度不超过种子所能承受的最高极限 温度，同时为了获得较快的干燥速度，对干燥参数的调节控制进行了研究。在分 析中综合考虑了热泵系统的热力循环特性和干燥空气的循环特性，并且通过控制 辅助冷凝器的放热量，对干燥室内的干燥温度和干燥相对湿度进行了模拟计算， 得出了干燥参数的控制曲线j 本文还对如何选择调节阀介绍了方法。 关键词：热泵干燥种子干燥有限元分析干燥参数控制 a b s t r a c t a n a l y s i so f h e a t p u m pd r y i n g m e c h a n i s mf o rs e e d s a n dt h ec o n t r o lo f d r y i n g p a r a m e t e r a b s t r a c t b a s e do nl o t so f e x p e r i m e n t so nh e a tp u m pd r y i n gd e v i c ea n df o rs e v e r a lk i n d so f s e e d s ，t h es u p e r i o r i t yo fh e a tp u m pd r y i n gf o rs e e d s , w h i c ha r eu s e df o rs o w i n g ，i s e x p l a i n e dw h e nc o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so fd r y i n gm e t h o d s i no r d e rt op r o v i d e n e c e s s a r yd a t aa n dt h e o r yi n s t r u c t i o n s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea n a l y s i so fm a s s t r a n s f e rm e c h a n i s mf o rs e e d 3w h e nd r i e db yh e a tp u m p ，a n d p r o p o s e sa n d c a l c u l a t e st h e w a y t oc o n t r o lt h ed r y i n g t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y i nc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ea n d m a s st r a n s f e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i si su s e d ，i no r d e rt ob ea p p l i c a b l et od i f f e r e n ts h a p eo f d i f f e r e n ts e e d st h e d y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t so f m a s s - t r a n s f e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o i n c i d ew e l lw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i no r d e rt ok e e pt h ed r y i n gt e m p e r a t u r eu n d e rt h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r et h a tw i l lc a u s e d a m a g et o t h es e e d v i t a l i t y , a n d t oc a t e rt od i f f e r e n ts e e d sw i t hd i f f e r e n t d r y i n g s u r r o u n d i n gt h ec o n t r o lo fd r y i n gp a r a m e t e ri si m p o r t a n t t h i st h e s i s p r o p o s e st h e p u i p o s e b ea t t a i n t e d b yc o n t r o l t h e q u a n t i t y o fh e a t d i s c h a r g e db yt h ea u x i l i a r y c o n d e n s e r ( a c ) t h es i m u l a t i o ni sc o n d u c t e db ys u p p o s i n gt h ed r y i n gt e m p e r a t u r ei s p r o p o r t i o n a lf e e d b a c kt ot h er e g u l a t i o nv a l v e t h er e s u l t so fi n f l u e n c eo fr e g u l a t i n g v a l v et ot h ed r y i n g t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi se x p l a i n e dt h r o u g hd i a g r a m s k e y w o r d s ：h e a tp u m p d r y i n g ，s e e dd r y i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，d r y i n gc o n t r o l 绪论 绪论 一、课题研究的背景 在目前，世界各国面临着环境保护和可持续发展的重大课题。近几十年来， 由于人类活动不断加剧，如人口爆炸性增加，化石燃料消耗剧增，森林面积的大 量减少，人为地合成自然界不存在的物质等等，这些因素均使得当前生态系统和 环境面临严重问题；大气严重污染、水资源空前短缺、可耕地不断减少、大批物 种濒临灭绝。温室效应及臭氧层破坏。这些问题的根源就在于人类在违反自然规 律的情况下，过度地向环境索取资源和能源造成的。 因此，为了实现保护环境和可持续发展的目的，人类只有合理地遵守和顺应 自然规律，保护生态平衡与生物的多样性，才能持续地取得人类赖以生存和繁衍 的资源和能源，从而长盛不衰地发展生产和提高生活水平f 1 2 j 。 本文探讨的种子热泵干燥机理，就是为了使种子在长期保存后仍保持生命活 力。与此有关的工程热物理学( 热力学、传热传质学) 研究涉及了环境节能与生 命科学的问题。本课题是国家自然科学基金资助项目的部分内容。 随着我国社会的发展，农业的基础地位越来越突出。农业科技化是现代农 业的强大动力和支撑，是农业技术创新的基础。种子工程是近年来国家在农 业中实验的最大的科技工程之一。党的十四届五中全会通过的中共中央关 予制定国民经济和社会发展“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标的建议中提出： 要“突出抓好种子工程，加快良种培育、引进和推广”，把实施“种子工程” 作为保证粮棉油等基本农产品稳定增长，推动农业再上新台阶的重要措施。 我国政府对这一政策进行了一系列的贯彻和落实m 。 在“种子工程”的具体实施中，种子加工机械的开发还不很成熟。这使得在 我国的广大农村地区对种子的干燥依旧采用靠自然晾晒的方法来作种子保存前的 干燥处理。这种方法容易导致干燥后种子活力的降低，同时还可能使种子达不到 干燥的要求。因此，为了改变这一现状，研制先进的种子干燥工艺，开发新型种 子干燥机械已成为当务之急。 三、热泵干燥的发展 干燥是从湿物料中除去水份的操作过程。热泵干燥是一种有效的干燥方法， 通常用于物料的低温干燥。热泵干燥既可冷却除湿，又有加热功能，用于干燥过 程中的优点很多嘲。 热泵干燥最早应用于地下室除湿( 1 9 4 3 年) 。5 0 年代国外进行了热泵干燥谷 物的研究。7 0 年代，低温干燥用热泵得到了较大的发展，热泵首先大规模地用于 木材烘干。8 0 9 0 年代，热泵干燥在各行各业得到长足的发展。陶瓷、制药、纺 织、食品、造纸等行业均进行了热泵干燥的研究“。热泵干燥技术也正向高温 化，大型化的方向发展。 绪论 四、种子热泵干燥课题的提出 种子热泵干燥的课题就是在种子干燥机械研究的背景和热泵干燥发展的基础 上提出的。种子干燥是一个复杂的传热传质过程，它不仅与物料的内外部条件有 关，还涉及到生命活力的问题。另外，种子形状各异，种类繁多。这些因素使得 开发的种子干燥机械需要具备如下二个特点： 1 在干燥过程中能够保证种子的生命活力。 2 种子干燥机械适用性广泛，可调性强，操作方便。 而热泵干燥作为一种优越的低温干燥方式，可以实现低温，低湿的干燥环境， 这正好适用于种子的干燥需要，保证干燥后的种子活力。此外，随着对热泵干燥 系统调节方式的研究的不断深入，热泵干燥将越来越具有灵活性和可调性。本文 种子热泵干燥课题的提出与研究，希望有助于进一步促进我国种子加工技术的发 展，并开拓有效利用能源，促进热泵技术的发展。 2 第一章种子干燥和热泵干燥的特点 第一章种子千燥和热泵干燥的特点 本章介绍种子的结构特点对种子干燥的影响，提出水分扩散的阻力来自于水 与种予组织之间的结合力。种子结构中角质层、种脐和气孔也是影响干燥速率的 因素。本章还进行了热泵干燥与其它热源干燥方式的种子因素分析，说明种子热 泵干燥是一种理想的干燥方式。 l - 1 种子干燥的阻力与干燥速率 一、种子的结构组成 种子一般由种皮、胚和胚乳三部分组成。在种子的外面常常包有坚硬的果皮。 虽然种子的基本结构类似，但在形态上却是多种多样的。以种皮的结构为例，花 生、桃、杏等种子外面有坚硬 的果皮，因而种皮结构简单、 薄如纸状。小麦、玉米、水稻、 莴苣的种子，果皮与种皮紧密 结合。有些豆科植物与棉花的 种子有坚硬的种皮。种皮的表 皮下有栅栏状的厚壁组织细胞 层，表皮上有厚的角质膜。图 翔餮： 图1 - 1 1 菜豆种子图1 - 1 2 小麦麦粒 】。1 1 和图1 卜2 分别为菜豆和小麦种子 1 1 - 1 3 】。 二、种子内水份的扩散阻力 从微观看，种子水分扩散的阻力是由水和种子之 间的结合力形成的。这与水分子的偶极性质有关。 1 、水分子的偶极性质 水分子形状是一个等腰三角形，h - o - h 的键角为 1 0 5 度。氮原子的电子由于氧原子核的强吸引力而偏向 于氧，结果使氢原子核( 质子) 周围带有一个静正电 荷。图1 - 1 - 3 为水分孑的结构。水分子可与其他分予的 负电性原子形成氢键，例如其它水分子的氧或者羧基 中的- o h 基团中的氧都可与水分子的氢成键。在蛋白 质中，氢键不仅可在氨基和羧基上形成，而且可在任 何带负电性的原子上形成。 2 、自由水和结合水 0 q d 5 一 i h 图1 - 1 - 3 水分子 的偶极性质 水分子中氢氯键键角为1 0 5 度键 长为0 0 9 9 1 口哂 在生物体内水分以自由水和结合水两种形式存在。结合水就是借偶极吸引力 与蛋白质疏松结合的水分。这一水分也可能更为紧密地以氢键形式与蛋白质结 合。水分子与蛋白质分子之间的相互吸引在亚显微结构上则表现为原生质胶体的 亲水性，表现为水分子被胶粒吸附而不易自由流动。在生物学上，一般认为以氢 键形式或以更强的化学键与蛋白质结合的水分是原生质的一部分。 第一章种子干燥和热泵干燥的特点 如果在生物体内的水分不与原生质结合，而是作为生物活动所进行的生物化 学反应的溶剂，则这些水分称为自由水。生物细胞内所有反应都要在水溶液中进 行，自由水即是在这一意义上的供生物代谢的水，如果生物体丧失其自由水，那 么生命活动的化学反应就会暂时或永久性地停止。对种子而言，这种情况就是种 子干燥后的休眠。种子休眠可使种子长久地储存。种子干燥后脱水休眠有利于贮 藏就是基于这一原理的。 自由水和结合水的区分是不严格的。这是因为靠偶极吸引力与蛋白质分子的 结合是不稳定的，这些水分子很容易游离蛋白质而成为自由水，同时自由水也可 以被蛋白质吸附而成为结合水。同样，虽然靠氢键结合的水分子较靠偶极吸引力 吸引的水分子稳定，但氢键强度只有共价键的大约十分之一，幅度较小的温度变 化就可使氢键断开。所以自由水和结合水之间著没有严格的界限，相对含量会随 环境而变n 】。 3 、水分与种子组织的结合力 种子的干燥阻力来自于水分 和种子组织之间的结合力。水分 和种子组织之间的结合力是随种 子的含水量的变化而变化的。图 1 1 - 4 说明了种子含水量的三个 阶段。在第l 阶段，种子的含水 量很大，这一阶段的种子含有较 多的自由水，甚至是种皮表面粘 附的水分。这些水分干燥阻力较 小，渗出时不存在与生物组织 之间结合力的阻碍。当种子内 图l - 1 4 种子含水率示意图 的水份进一步减少时，种子内的水分就进入平衡曲线的第2 阶段，水分子被松驰 地吸附。一般来说干燥应除去这一阶段的上半部分水分，因为这部分水分与贮藏 中种子的劣变有关。当干燥进入第3 阶段后，种子的水分都被细胞大分子牢固地 结合。这时种子的干基含水率一般在4 - - 5 以下，这些水分实际上是种子化学结 构的部分，其中包括以化学键与组织中的大分子相结合的水。这部分水干燥阻 力很大，由于这是保持种子活性的基本水分，这一部分结合水是不能除去的。 三、种子结构与生理对水分扩教的影响 从种子的生理结构上分析，种子的种皮对水分的扩散有十分重要的影响。种 皮对水分扩散的调节表现在以下几个方面咿训： 1 、角质层 在种子种皮的栅栏细胞壁外常常沉积一层角质层或蜡质，这角质层只有极 小的透水性，只能依靠其中的亲水性果胶质和微细的缝隙进行透水。( 图1 1 5 ) 4 第一章种子干燥和热泵干燥的特点 2 、种脐 豆科植物种脐处有小缝，在湿度高的环境中种脐细胞吸湿膨大而使小缝关闭； 在干燥时，细胞收缩使小缝张开，种子内部水分可以散出，种子含水量仍会逐渐 减少。( 图1 1 6 ) 图1 - 1 5 豆科植物旧香草犀j图1 - 1 - 6 豆科植物f 高株羽扁豆】 种皮横切面种脐中央横切面 图1 - 1 7 无规则型植物气孔 3 、种皮上的气孔 气孔是植物表皮上的开口，围绕气孔的是两个特殊的保卫细胞，它们共同组 成气孔器( 图1 1 7 ) 。植物种子上也存在气孔。但这种现象并不普遍，一般种子 上有气孔的植物产于热带与亚热带。康勒( 1 9 7 6 ) 在研究2 2 3 个科的双子叶植物 时，发现2 9 个科的植物种子上有气孔。种子上的气孔也是由两个保卫细胞组成， 基本功能同叶片上的气孔，是种子与外界进行气体交换和水分蒸发的门户。不过 种子上的气孔始终处于开放状态。 1 2 种子热泵干燥的优点分析 一、种子活力和种子劣变 根据p e r r y ( 1 9 7 2 ) 的定义，种子活：力( s e e dv i g o r ) 是一种为基因所决定而为环境 因素所改变的生理特性，它决定着种子在土壤中产生幼苗的能力，以及适应环境 因子范围的水平。种子劣变( d e t e r i o r a t i o n ) 是种子活力下降的不可逆变化，即发芽 力( v i a b i l i t y ) 、幼苗生长势及植株发育性能的下降。在种子干燥中，干燥的方式不 当会引起种子的劣变和种子活力的下降，发芽率和发芽势的下降是这因素的一 种表现形式【2 ”。 种子的劣变与种子的含水率有极大的关系。当种子含水率过高时，会使需要 贮藏的种子发芽而死亡；过高的含水率同时也会促使种子发生霉变和病变。根据 h a r r i n g t o n 提出的准则，种子含水率每降低1 ，种子寿命延长一倍。但是种子的 含水率并非越低越好。当种子含水率低于4 5 时，种子劣变过程反而加速，这 与脂质自动氧化引起的损害有关。在种子的细胞中，不饱和脂质降解产生的自由 基能团会与其它脂质、蛋白质、及核酸反应，各自产生破坏细胞膜结构，使酶系 统钝化，引起染色体的畸形和突变的影响。因而，在干燥过程中，需要注意确定 种子物料恰当的平衡含水率。 第一章种子干燥和热泵干燥的特点 二、种子含水率在实际干燥操作中的控制 由于干燥后种子的含水率在很大程度上决定种子在贮藏中劣变的程度，因此 需要在实际操作中加以控制来得到需要的含水 率，这种控制可以利用种子的平衡含水率与干燥 环境的关系或控制干燥时间来达到。 l 、用温度与相对湿度控制平衡含水率 种子在一定的环境状态下水份的蒸发能达到 平衡，此时种子的含水率与干燥环境的关系可以 用s m i t h 方程表示： x 。= a b i n ( 1 一( p ) ( 1 - 2 - 1 ) n e l l i s t 引入温度项修正s m i t h 方程( 1 q ： x 。= a b i n ( 1 一甲) 一c l n t ( 1 - 2 2 ) 其中：平衡含水率 卜干燥介质温度 q o 干燥介质相对湿度 a b ，o 一与种子有关的常数 可见，只要用实验确定了某一种子的常数a 、b 、c ， 在实验中即可通过控制干燥末期的温度和相对湿度来 达到所要求的平衡含水率。 2 、用干燥时间来控制种子的含水率 用控制干燥时间的方法来控制种子含水率的原理 是显而易见的。种子干燥过程中遵循一定的干燥曲 线。通过实验研究得到在某一干燥条件下特定种子的 干燥曲线后，就得到了任一时刻对应的种子含水率。 图1 2 2 为白菜种子的干燥曲线。 h 口 i 2 蚌：1 1 0 * ， 札e 7 6 j i 相对湿度母 图1 2 - 1 种子含水率与相对湿度 的关系( 白菜) 埒 * 加 一+ e m 晰 弋一 1 、 卜一 0 柏1 1 4 t 干燥时间( r a i n ) 图1 2 2 含水率与时间的关系 ( 干燥温度3 1 c ，湿度1 7 4 ) 三、保证种子活力条件下对种子含水率的控制 由s m i t h 方程可知，种子能达到的最小含水率是由干燥环境的相对湿度来决 定的。对于不能进行除湿的干燥设备来说，相对湿度的减小只能通过升温这一方 法来达到。提高温度在降低相对湿度的同时还可以增加蒸发水份的能量供应，并 提高水分子的扩散速率，但这一方法是有限制的，因为过高的温度会使蛋白质变 性，从而使种子的活力下降。表1 - 2 1 是各类种子干燥允许的最高温度，从表中 可以看出，农作物的种子的干燥温度不宜超过4 5 1 2 1 j 。 6 第一章种子干燥和热泵干燥的特点 农作物厚度受热允许最高温度( ) 品种( c m )饲料粮食种子商品粮食 玉米 5 0 88 2 04 3 45 4 5 小麦 5 0 88 2 o4 3 46 0 0 大麦 5 0 88 2 o4 0 54 0 5 燕麦 9 1 48 2 o4 3 46 0 0 稻谷 4 5 74 3 44 3 4 大豆 5 0 84 3 44 9 0 花生 1 5 2 43 2 o3 2 0 高粱 5 0 88 2 o4 3 46 0 o 通过加热环境空气来作为于燥介质的干燥方式受环境的影响是比较大的。图 1 - 2 - 3 ，图l _ 2 - 4 和图1 - 2 - 5 表明了这种干燥方式在不同的环境状态下，干燥相对 湿度与干燥温度的关系。从图中可以看出，当环境的温度和湿度都比较高时( 这 种情况常见于夏天的湿热天气) ，若用环境空气加热后作为干燥介质，则为了达 图1 2 - 3 环境温度为3 5 ( 2 图1 2 4 环境温度为2 5 ( 2 图1 - 2 5 环境温度为1 5 c 到种子干燥的要求，干燥温度就弱 会超过种子能忍受的极限温度。 以白菜种子为例，为达到6 的含 水率，由图1 - 2 - l 可知，干燥环 艏 境相对湿度q 为1 7 左右。从图，、。 z l 一2 3 ，图l 一2 - 4 和图l - 2 5 中的虚 嚣盥 线与曲线的交点可以看出，在环鋈。 境的相对湿度较高，或者环境温h - 度较高时，对应于干燥相对湿度 为1 7 的干燥温度就超过了白菜 巧 种子能忍受的温度，就会造成种 舶 子活力的下降也就是说，在高 温和高湿的天气，用环境空气加 热后作为干燥介质的种子干燥机 械不适合用于需要保持活力的种 子的干燥。 i-lil i 喇l m 阳翩帽m q p i _ 1 l l 4 侣1 7 伯羽蕾墨习制铝 相对湿度 圈晰种子燕象干量豹量度 与相对度实验工况 如果热泵采用闭路式空气循环进行干燥，就可以克服这一缺点。在闭路式热 泵干燥中，干燥介质的温度和干燥湿度与外界环境无关，干燥空气通过降温除湿， 升温降低相对湿度，绝热加湿的过程，干燥温度和相对湿度可以在一定范围内变 化。从图1 - 2 6 的热泵干燥实验点可以看出，热泵干燥是能够在干燥温度不是很 高的情况下，达到需要的干燥相对湿度的。热泵干燥的流程将在下一章中叙述。 各种种子干燥需要不同的温度和相对湿度。热泵干燥可对温度和湿度进行一 定范围的调节，从而可以应用于不同种子的干燥，热泵干燥的调节控制将在第四 章中叙述。 8 第二章热泵干燥实验台的研制 第二章热泵干燥实验台的研制 本章分析了不同的热泵干燥系统的组合方式，成功地研制出具有自己特色的 物料干燥特性实验研究装置，这为干燥动力学理论分析对比提供了基础，并简要 地介绍了实验台的设计基础、构成及参数测量方法。 2 1 热泵干燥方式的选用 按热泵干燥循环介质( 空气) 循环情况的不同有开路式和闭路式二种。“a 图2 - 1 1 开路式乏气完全捧空 热泵千爆装置流程圈 图二1 2 开路式部分乏气循环 热泵干燥装置流程图 开路式热泵干燥装置的流程简图如图2 - l - l 和图2 - l 2 所示。图2 - l - 1 为乏气 完全排空式热泵干燥装置流程圈。干燥介质离开干燥室进入热泵的蒸发器与热泵 工质换热后直接捧空，外界环境空气在冷凝器内被加热后进入干燥室。开路式热 泵干燥系统的特点就是用热泵来回收乏气的余热，以便加热环境空气，但在应用 中受环境影响较大。 图2 - 1 2 为开路式部分乏气循环热泵干燥装置的流程简图。干燥室排出乏气的 一部分进入热泵蒸发器后排空，另一部分与新鲜空气一起进入热泵冷凝器被加热 后进入干燥器内循环使用。乏气的循环位置一般在热泵的冷凝器入口，这样就利 用了这部分乏气的余热，提高了热泵的c o p 值。但由于干燥乏气中的含湿量较 大，在回收乏气余热的同时，也增加了干燥介质中的含湿量，影响干燥效果。 闭路式热泵干燥装置的流程简图如图2 - 1 3 所示，干燥介质在干燥器内全部循 环使用。目前这种流程在低温干燥中用得较多，如种子等生物材料以及木材的干 燥大多采用这种流程。其特点就是不受外界环境的干扰，应用范围较广，尤其在 高温高湿地区优势明显。本文以闭路式热泵干燥装置为研究对象，下文所提的热 泵干燥系统均指闭路式热泵系统。 闭路式热泵干燥系统有内外两个工作循环，即制冷剂在热泵系统内的循环和 干燥介质( 空气) 的干燥循环。闭路式热泵干燥与普通的蒸气干燥相比最大的优 9 第= 章热泵干燥实验台的研制 点在于干燥介质是闭式循环，靠制冷除湿，其热量可以回收，热损失小，节能效 果显著。图2 - 1 3 ( a ) 和图2 - 1 3 ( b ) 这两种流程的主要差别是图2 - 1 - 3 ( b ) 的流程中， 部分乏气没有经过热泵蒸发器中进彳亍降温除湿，而是直接进入热泵冷凝器内，这 与开路式部分乏气循环的流程相似。 图2 1 3 闭路式热泵干燥装置漉程圈 当热泵干燥系统进彳亍连续干燥运行时，能量以压缩机功率的形式源源不断地 输入系统，这会使系统温度持续升高。而实际运行干燥过程应控制干燥温度，因 此压缩功要以热的形式排入环境。这样，热泵干燥系统必须向外界环境放热。 r u i t e r 2 3 1 分析比较了几种热泵干燥装置，并用r 2 2 作为制冷工质进行了实验研 究，其结果表明与开路的电加热系统相比可节能4 0 。r a i t e r 在蒸发器( 冷却器) 出e l 布置了外接换热器( e x t e r n a lh e a te x c h a n g e r ( e h x ) ) ，将循环空气与外界环境 换热。而g o p a l n a r a y a n a n 和r a d e r m a c h e r ( 1 9 9 5 ) v j s ! 的研究认为e h x 的理想位置应 加在蒸发器的入1 ：3 前，即干燥室的出口后。他们认为这种结构能将干燥室出口温 度仍较高的潮湿空气中的显热和部分潜热排入环境，而使制冷剂的蒸发潜热完全 用于冷凝湿空气中的水蒸汽，提高除湿效率。g o l d b e r g 2 ”在他的专利中应用了这 种方法。l a n c i a u x t 2 7 1 在他的专利中建议用控制空气和制冷剂的流量来控制千燥温 度。l e w i s 2 】提出了用辅助冷凝器( a u x i l i a r yc o n d e n s e r ( a c ) ) 与外界环境换热来 控制干燥温度，m c f a d d e n l 2 9 】对这种结构的干燥机进行了实验研究，结果与开式系 统相比可节能3 5 。外接换热器和辅助冷凝器是两种典型的热泵干燥装置，流程 见图2 1 - 4 和图2 - l - 5 。 图2 1 4 为采用了外接换热器( 船) 的热泵干燥装置流程简图。干燥装置 在蒸发器的入口前布置了e h x 后，就能将潮湿空气中的显热和部分潜热排入环 境，而使制冷剂的蒸发潜热完全用于冷凝湿空气中的水蒸汽，降低蒸发器负荷， 提高除湿效率。由于e h x 的换热系数较低，一般采用高效换热器( 如热管等) 。 美国m a r y l a n d 大学r a d e r m a c h e r 对此结构的热泵干燥系统的优势进行很多分析， 但我们认为这种结构的弊病也是相当明显的。因为它受环境温度影响较大，当环 境温度较高时，干燥后的出口风温与环境温度相差不大，可能无法将压缩机的输 入功率以热的形式全部放出，尤其对种子等要求干燥温度较低的生命材料，这种 弊病更加明显。 1 0 第二章热泵干燥实验台的研制 图2 1 5 的热泵干燥装置采用了辅助冷凝器( a c ) 。在这一热泵系统中，冷凝 器分成了两部分，其中辅助冷凝器( a c ) 向外界环境放热。此结构的优势在于控 制干燥温度灵活方便，尤其适合种子等有生命特性的物料，而且辅助冷凝器的换 压机 图2 - l - 4 采用外接换热器 的热泵千燥装置 压缩机 图2 - 1 - 5 采用辅助冷凝器 的热泵干燥装置 热系数较高，不需要特殊技术的换热器。另外，若用辅助冷凝器加热外界空气对 物料进行预干，可回收这部分温度较高的冷凝热，节约能源，提高系统效率。辅 助冷凝器形式的热泵干燥系统可以认为是开路式热泵干燥装置和闭路式热泵干燥 装置的结合。因此，对种子等干燥温度较低的生命物料的干燥，我们认为采用辅 助冷凝器才是热泵干燥系统的理想形式，本文 将以此为基础进行理论和实验研究。 图2 1 _ 6 的热泵千燥装置是圈2 - 1 5 热泵 干燥装置的改进。在干燥介质回热循环中， 从蒸发器出来的冷空气预冷了蒸发器前的高 湓高湿空气，这样就降低蒸发器负荷，达到 提高除湿效率的目的，并且回热方式不受环 境影响，还可回收这部分热量剜冷凝器发挥 作用。这种回热器同样需要采用高效换熟器， 但从节能角度考虑，仍然可以作为本文所采用 的辅助冷凝器热泵干燥系统的改进方向。 图2 - 1 6 干燥介质采用回热循环 的热泵干燥装置 2 - 2 实验台的构成及测点布置 实验台由热泵系统和空气循环系统两部分组成，如图2 - 2 1 。热泵系统是典型 的单级压缩式热泵循环，并有回热器以提高循环效率，另外，还采用辅助冷凝器 通过外部循环水释放多余的热量。 图2 2 - l 实验系统图及测点布置 图中t 表示溢度计，由表示酬童计，v 表示风速计，p 表示压力表 主要设备选型如下： 1 压缩机型号为日本三电s d - - 5 0 7 五缸斜盘式压缩机，理论排量为1 0 8 c m 3 转，设计转速为l s , o o r o r a 。 2 电动机型号为y 9 0 s - - 4 ，采用“y ”形接法，三相异步，可加变频调速。 参数如下：同步转速：1 5 0 0 r p m ：额定功率；1 5 k w ；额定电流：2 7 a 3 冷凝器和蒸发器均为空冷式，辅助冷凝器为水冷式，水侧采用套管。冷凝 器和蒸发器结构均为叉排套片管式，管子外径为1 0 r a m ，壁厚0 4 m m ，中 心距2 5 r a m ，套片厚度0 2 m m 。冷凝器尺寸为4 3 0 m m x 3 2 5 m m x 4 3 m m ， 共2 6 根管子。蒸发器尺寸为4 1 0 r a m x 3 0 0 m m x 4 3 m m ，共2 4 根管子。 4 风机额定功率为3 5 0 w ，鼓风量为8 m 3 m i n 制冷系统管道、干燥室、通风管道均用海绵或聚苯乙烯进行保温。图2 - 2 - 2 为热泵干燥实验装置的实物图片。 第二章熟泵干燥实验台的研制 图珏2 热泵干燥实验装置图 测量仪表如下： 压力测量采用0 4 级精密压力表；温度测量均采用精密水银温度计，精度为 0l 。辅助冷凝器冷却水流量测量采用称重法。风道内风速测量采用热线风速仪， 相对误差小于5 。 另用齐齐哈尔科达敏感仪器厂生产的r s y - 2 0 型温湿度仪，对风道上各测点 进行溢、湿度校核。其测湿范围：0 - - 1 0 0 r h ，测湿精度：小于5 r h ；测温范 围：1 0 8 0 c ，测温精度：小于o 5 。种子重量测量采用r c l 6 3 1 精密电子秤， 分辨率为0 1 克。 第三章种子内部水分扩散过程的分析 第三章种子内部水分扩散过程的分析 驺1 种子干燥内部水分扩敖分析综述 一、水分扩散分析的目的 物料的干燥过程一般分为恒速干燥段和降速干燥段【l 。在种子干燥中，除非 种子表面非常湿润，一般种子的干燥过程均处于物料内部迁移控制阶段，即降速 干燥阶段1 1 5 1 6 ) 。在这一阶段中，干燥的速率取决于物料内部向表面扩散的速率， 即取决于种子本身的干燥参数、结构、形状与尺寸。因此在干燥时，需要根据种 子内水份的扩散速率采用恰当的空气相对湿度、空气流速和干燥速度。干燥过速 会造成种子活力的下降【1 7 ”】，例如，水稻种子在干燥过速时会使表面的组织产生 破裂；甘蓝种子的种皮外细胞会皱缩使得干燥阻力增加。 分析种子的水分扩散过程，目的在于揭示种子在于燥过程中外部条件的影 响，从而有助于种子干燥的传热传质的研究，并且为种子干燥的实验研究提供理 论依据。这对种子干燥时间的控制，干燥温度和湿度的选择，热泵干燥系统的进 一步改进，以及保证种子的生命活力均有很大的指导意义。 二、本文的研究方法 在干燥研究中广泛采用的是建立数学模型并进行计算机模拟的方法。对于薄 层物料的干燥，本文采用有限元法进行分析。与有限差分法相比较，有限元法的 准确性和稳定性都比较好，而且由于其单元的灵活性，特别适合于复杂区域和边 界条件的离散，使它更适应于数值求解非线性以及具有不规则几何形状和边界的 热湿传递问题。另外，在相f 司计算工作量的条件下，有限元法能给出比有限差分 法更高的计算精度。 静- 2 水分扩散的微分方程 一、旋转椭球体形状的种子干燥的水分扩散方程 伞形科蔬菜种子可视为旋转椭球体形状f 1 ”，如：芹菜、小茴香、胡萝h 和芜 莩等种子。部分豆科蔬菜种子形状接近椭球状，包括菜豆、蚕豆、豌豆和毛豆等。 根据这类种子的特点，可将种子作为三维椭球体变物性非稳态扩散过程处理，将 种子分为种皮和子叶( 包括种胚) 二层( 如图3 - 2 1 ) ，并假设如下： 1 、各层之间有不同变化规律的质扩散系数，各层分界面上无含湿量的跳跃。 2 、由于在较低温度下干燥，且温度变化不大，认为颗粒内不存在温度梯度。 3 、种子无收缩，体积不发生变化。 根据种子的轴对称形状，由斐克定律得出完整的扩散方程如下： 第三章种子内部水分扩散过程的分析 等+ 尝o r + 吾盟o r 孤2 。 2 rj 等+ 警o r + 号丝o r1a x 。 2 厂j 初始条件( t = 0 时) ：m = m ：= m 。 边界条件( 。 o 时) ：一d l 警i ：口。( m s 一m ) 甜zb 1 d 塑1 1 彳hi s 2 。姒 如百l 。： m 】。：= 鸩1 。： ( 3 2 一1 ) 其中：m ，o = 1 ，2 ) 从外到内各层含水率，d ，( ，= 1 ，2 ) 各层的质扩散 系数，s ，( f = 1 ，2 ) 各层的椭球面( 如图3 2 1 ) ，等l 。“= 1 ，2 ) 含水率m l 沿s ，面外法向的变化率，t 时间，口。对流传质系数，m 。s l 表面上 种子含水率，m 。种子达到平衡状态时的含水率，m 。干燥前种子的平均 含水率。 上式即为轴对称旋转椭球体形状种子的湿扩散方程。 图3 - 2 1 白菜种子的结构模型 三、扁平状种子的水分扩散方程 扁平状种子有茄科蔬菜种子，包括茄子、番茄和辣椒等。葫芦科蔬菜种子也 为扁平，包括黄瓜、南瓜、西葫芦、冬瓜、西瓜、丝瓜和苦瓜等等】。 b 巩 = = 等等 第三章种子内部水分扩散过程的分析 这类种子如果也成轴对称分布( 圆形截面) ，则可建立同样的求解方程，只是 方程的求解区域为矩形，使得s 。，s ：的边界方程描述不同。 x 图3 - 2 2 茄子种子的结构模型 3 3 非隐态湿度场的微分方程的有限元法离散 一、泛函的变分和有限元分析的方法 泛函的变分计算可用微分方程的求解来代替，反之，微分方程的求解也可用 泛函的变分计算来代替。在用变分计算来代替微分方程求解时，采用试探函数的 方法来得到方程的近似解( 里兹法) 1 3 1 , 3 2 。在有限元的计算中，就是将计算区域 f 分成很多小块( 有限单元) ，然后对每- - 4 块作变分计算，最后总体合成，求得 近似解。在计算机迅速发展的今天，我们可以将有限单元划分得很小，使得用最 为简单的试探函数( 如线性插值函数) 就可以得到足够的精度。设想将种子的 轴对称子午面划分成有限个三角形单元( 如图3 - 4 1 和图3 4 2 ) ，如果对其中任 一个单元作变分计算，则湿度场微分方程对应的泛函在形式上可表示为： j = ，( v ，m ，m ：，m ，) d r d r ( 3 3 1 ) 式中表示三角形单元的面积，j 。表示定义在三角形单元中的泛函。 如果区域f 中有e 个单元和n 个节点，l 个己知湿度，以及n l 个待求湿度。 则变分问题即为求 瓦a = 。 k = 1 , 2 , 3 - n - l ( 3 - 3 - 2 ) 由j = ，代入上式得： 后= 1 , 2 ，3 ，, 一l ( 3 - 3 3 ) 求解上式的线性方程组即可得到有限元分析的结果。 1 6 笪弘 。d分酉 第三章种子内部水分扩散过程的分析 二、加权余量法和轴对称湿度场的变分基本方程 加权余量法是泛函求极值的变分计算方法的发展，对轴对称湿度场的变分方 程的推导用加权余量法更为方便。下文中的符号与图3 - 4 - l 和方程( 3 2 - 1 ) 的符 号说明相对应。将非稳态轴对称湿度场中微分方程( 3 - 2 - 1 ) 表示为 ，m c 肛d p 等”等+ 挚一，警= 。盘口一历 d r 在加权余量法中取试探函数为 m ( x , g ，f ) = 詹( x ，f ，m 1 ，m s ，m ) 其中m ，m ：，m 。为待定系数。在f 域内求解的方程组为 ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) f f ，噼o ，v ) k 鼢= o l = l ，2 ，3 ，疗( 3 _ 3 - 6 ) f 其中为加权函数，它的选取可采用子域定位法，点定位法，o a l e r k i n 法及最小 二乘法，本文采用精度最高的c - a l e r l d n 法，即取 ，= 1 , 2 ，行 将试探函数( 3 - 3 5 ) 式代入( 3 3 - 4 ) 式后，则得到用试探函数表示的湿度场微分 方程，再用该方程和用g a l e r i d n 法得到的加权函数代入( 3 3 6 ) 式得： 可降( 肌，期+ 昙( 眺r 警肛一g ， w ，警+ 。( 警警+ 警警肛= 。 ，= l ，2 ，月 经过格林公式改写后得： 盖= g 册( 鲁警+ 誓期州r 警卜一! 帅，挚= 。 ，= 1 ，2 疗 由此可以得到对应于( 3 3 3 ) 的线性方程组为： 霉：喜筹：巧 d ( 警警+ 等警) 州r 警卜一l 帅，r 挚：。 ，= j ，埘 ( 3 3 - 1 0 ) 以上式中，s 表示f 域的环周，i m 表示划分单元的不封闭边界( 图3 4 1 ) 。 “为了方便襄达，下文中用- 订表示府 1 7 ) 哆 舳 第三章种子内部水分扩散过程的分析 3 - 4 轴对称不稳定湿度场的单元分析 鼻， 轴对称非稳态湿度场的单元分析即求( 3 - 3 一l o ) 式中妄的值。 ( 黝i 一、单元划分和湿度场的离散 本文采用三角形单元进行离散，如图3 1 和图32 所示。在单元中的湿度m 离散在三角形的三个结点上： 时= ，( m 。m j ，m 。) ( 3 4 - 1 ) 图3 4 - 1 三角形单元的划分图3 - 4 2 三角形单元湿度的离散 筹= 巧m 等警+ 等警) + ，警卜= 。 肌帆n 1 虬惺 m = f ，虬】 鸠 。j 式中：j2 云1 ( q + 饥x + q 7 ) 2 玄( a j + b j x + c ，7 ) m2 云1 ( 口m + 6 + 。m ) 1 8 ，= j ，j , m( 3 1 4 2 ) ( 3 4 _ 4 a ) ( 3 - 4 4 b ) ( 3 - 4 - 4 c ) 苎三兰苎三塑塑查坌芏墼塾墨塑坌堑 q = x ，。一x ，_ ，玩= 0 一_ ， c ，= x 。- - x i ( 3 - 4 - 5 a ) d j = x 。一x ，o ，b j = 一，f ， c ，= x 。一x m ( 3 - 4 _ 5 b ) a 。= x ，0 一。j r f ，b ，= r f 一0 ， c ，2x j 一】c 在( 3 4 3 ) 中对m ，求导，由( 3 - 3 - 7 ) 得： i ，= 丽8 3 4 = 川 u = f ，j ，m ) ( 3 - 4 5 c ) ( 3 4 6 ) 将( 3 - 4 3 ) 和( 3 - 4 - 6 ) 代入( 3 - 4 - 2 ) ，并利用面积坐标积分得出： f i l a w f i l a w a ， 鲋。 乏乏删+l爱nitk _ f m ， + l 4 后七吲 j 【 ，。j 【。 刊坩州 n 4 n # n 嘲 式中；k 。= o p ? + c dk j = o ( 6 ；+ c ；) k 。= o ( 6 ：+ c ：)k “= 露i = o ，( 6 f 6 ，- i - c f c j ) k 抑= k _ = m ( 6 b ，+ c c 。) k “= k = o ( b i b 。+ c f c 一) 帆= 3 r , + 。+ ) ，= 会“+ 。+ 3 。) = 龛“+ 3 r j + 。) 心= 虬= 会b + 珥+ ) 删= 心= 会b + 。+ 2 _ ) 。= d ( ，i + r j + r ) 1 2 a 靠= = 会g + 2 。+ 2 _ ) 2 第三类边界单元的计算 在式( 3 3 1 0 ) 中，第三类分界单元多了线积分项，在对流传质中： 一d 期嘞似一m 】。 砌i s 1 9 ( 3 - 4 8 ) ( 3 4 - 7 ) 丝缸丝巍百 m 憎 啪 将上式代入线积分项得 一l 。肌，挚= l m w r t z d ( m 一训凼 ( 3 - 4 胡 通过与内部节点类似的计算可得与式( 3 4 7 ) 一样的结果，只是在系数中有差别 如下： k = 中( 6 c ；) + 7 g - s i ( 。+ 等) k = 叭配+ c ：) 十孕( ，m 十) = = 邮卢m + c j c m ) + 罟心 3 - s 有限元单元的总体合成 由前文叙述可知合成的基本公式为 盟：0 鲁a m 。 总体合成后得到如下的形式： + l 。，i ：，l 。 2 。，心，2 n n ，n n ，n 。 ( 3 。3 3 ) = 0 ( 3 = 5 1 ) 简写为【纠州) + 【“譬 = 0 ( 3 5 -