（农产品加工及贮藏工程专业论文）热泵干燥装置的设计以及罗非鱼干燥工艺特性的研究.pdf

热泵干燥装置的设计以及罗非鱼干燥工艺特性的研究 摘要 本课题设计了与水产品干燥性能相匹配的热泵干燥装置，并以广东省湛江市所产 的罗非鱼做为原料，研究了热泵干燥过程的干燥特性，对热泵干燥工艺参数进行优化 研究，并对罗非鱼片干燥后的复水率以及感官品质进行了综合评价，并完成了以下工 作： 1 完成了热泵干燥装置的设计及性能分析，设计是在定工况条件下对热泵干燥装 置负荷进行计算以及进行了相应设备的选型或设计，并对装置的性能进行了理论分 析。此装置是多功能变工况的热泵干燥装置，装置能实现开式、半开式和封闭式三种 运行模式，干燥过程中能根据干燥物品的特点和要求变换不同的运行模式，装置可以 在干燥过程中转换干燥工艺( 干冷互换) 以及调节工况。 2 搭建了多功能热泵干燥装置，并以罗非鱼为实验原料对水产品在热泵干燥装置 中的干燥过程和特性进行了试验研究，并得出了以下结论： 1 ) 通过研究罗非鱼片在变温干燥模式和恒温干燥模式下的干燥变化过程，得出 在设定条件下，在相同的时间内变温干燥模式比恒温干燥模式可获得更低的含水率， 风速越高，干燥时间越短，其品质越好；同时经过不同时间段的复水试验，表明在复 水温度为4 0 时，复水5 0 m i n 的效果最佳。 2 ) 通过单因素试验以及二次回归正交试验，建立了罗非鱼热泵干燥时间以及能 耗的二次多元回归模型，并得出了热泵干燥工艺优化参数：干燥温度t = 3 6 c ，干燥 风速v = 2 5 4 m s ，鱼片厚度h = o 5 6 c m ，优化的干燥时间为l o h ；同时得出了影响干燥 过程的主次因素依次为：厚度 温度 风速。 3 利用多功能热泵干燥装置进行低温干燥工艺的试验研究，通过将低温冷冻与热 泵干燥工艺相结合，研究其对罗非鱼片干燥效果的影响。结果表明：在实验参数范围 内，冷冻温度为- 3 5 ，冷冻时间为4 h 时，产品的残余含水量最低，并且产品复水率 最高，产品品质最佳。 关键词：热泵干燥技术，罗非鱼片，热泵干燥装置，工艺参数，低温冷冻 s t u d yo nt h eh e a tp u m pd r y i n gd e v i c ed e s i g n a n dt h et i l a p i ao ft e c h n o l o g i c a lp r o p e r t y a b s t r a c t t h er e s e a r c hw a sd e s i g n e dah e a td r y i n gp u m pw i t l lt h ed r y i n gp r o p e r t ya q u a t i c p r o d u c t t h e t i l a p i ao fz h a n j i a n gc i t y 勰t h er a wm a t e r i a l ，t h ep r o p e r t i e so fh e a tp u m p d r y i n gw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e c o n s t i t u t i o nr a t ea n ds e n s o r yq u a l i t yw e r e c o m p r e h e n s i v ea s s e s s e d t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e rw a st oo p t i m i z et h e 刀t a p , af i l l e td r y i n g t e c h n o l o g yp r o c e s sb yh e a tp u m p t h em a i nw o r k i n gw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rah e a tp u m pd r y i n gr e d i e n t se q u i p m e n t w a sc o m p l e t e d u n d e rt h ef i x e dc o n d i t i o n s ，t h eh e a tp u m pe q u i p m e n ta n df a c i l i t yw e r e d e s i g n e da n dc a l c u l a t e d t h i ss u b j e c td e v e l o p e dt h ee q u i p m e n tt h a tw a sm u l t i f u n c t i o n v a r i a b l ec o n d i t i o n sh e a tp u m pd r y e r t h eh e a tp u m pd r y e rw h i c hc a nb ec a r r i e do u ta so p o l l b c l o s e da n ds e m i - d r ym e d i u mc y c l e t h ed e v i c ec a l lc h a n g et h ed r y i n gp r o c e s sa n d r e g u l a t i o no f p u m po p e r a t i o n 2 t h ed e s i g nf o rad r yh e a tp u m pe q u i p m e n t t h ea l 叩i 口a st h er e s e a r c ho b j e c t , t h e p a r a m e t e r so ft h eh e a tp u m pd r y i n gw e r es t u d i e d ，a n dt h er e l e v a n tc o n c l u s i o n sw e r eg a i n e d i nt h i sp a p e r t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) u n d e rt h ed r y i n gm o d e lo fv a r i a b l et e m p e r a t u r ea n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，t h e 乃l a p i af i l l e t sd r y i n gc h a n g e so fp r o c e s sw a ss t u d i e d w em a d es o m ec o n c l u s i o n st h a t0 1 1 t h es a m et i m et h ep r o d u c th a dm o r el o w e rm o i s t u r ec o n t e n to nt h ed r y i n gm o d e lo f v a r i a b l et e m p e r a t u r e t h eh i g h e rt h ew i n ds p e e dw a sa p p l i e d t h es h o r t e rt h ed r y i n gt i m e w o u l db e p a s s e db yt h ed i f f e r e n tt i m es e g m e n to fe x p e r i m e n t ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e r e h y d r a t i o nt i m eo f p r o d u c tw a s5 0 m i nw h e nt h er e h y d r a t i o nt e m p e r a t u r ew a s4 0 2 ) b yu s i n gs i n g l ef a c t o r ee x p e r i m e n ta n dq u a d r a t i cr e g r e s s i o no r t h o g o n a lt e s t ，t h e m o d l e so ft h ed r y i n gt i m ea n de n e r g yc o n s u m p t i o nw e r eb u i l t t h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o nw a st h a td r y i n gt e m p e r a t u r e3 6 1 2 ，w i n ds p e e d2 5 4 m s ，t h i c k n e s s0 5 6 c m ，d r y i n g t i m e10 h a tt h es a m et i m e , t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ed r y i n g p r o c e s sw e r et h i c k n e s s ，t e m p e r a t u r ea n dw i n ds p e e d 3 ) l o wt e m p e r a t u r ef r e e z i n gc o m b i n e dw i t hh e a tp u m pd r y i n ga p p l i c a t i o nt oh e a t p u m pd r y i n gr e s e a r c h w eg o t ac o n c l u s i o nt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no f f r e e z i n gt e m p e r a t u r e 一35 ca n df r e e z i n gt i m e4 h ，t h ew a t e rc o n t e n tw a sm o r el o w e r ，t h er e c o n s t i t u t i o nr a t ew a s t i m o r eh i g h e r k e yw o r d ：h e a tp u m pd r y i n ga n dt e c h n o l o g y , t i l a p i af i l l e t ，h e a tp u m pe q u i p m e n t , p a r a m e t e r s ，l o wt e m p e r a t u r ef r e e z i n g i i i 符号说明 质量流量，k 舻 压缩机的输气量，m 3 h 理想循环制热系数 基管的尺寸，m m 翅片厚度，m l t l 基管外表面积，m z 基管翅片面积，m 2 基管内壁表面积，m 2 温度， 平均传热温差， 空气的平均温度， 空气的运动粘度，m 2 s 热导率，w ( m k ) 最窄面风速，m s 风速，m s 制冷剂流速，m s 迎风面积，n 1 2 雷诺数 普朗特数 空气侧的对流换热系数，w ( m 2 k ) 冷凝放热系数，w ( m 2 k ) 热效率 传热系数，w ( m 2 k ) 长度，m 空气循环量，k s 管的排数，排 宽度，m 高度，m 管外污垢热阻，m 2 k j w 管内污垢热阻，m 2 k w 传热负荷，k w 彬眇畔d万露可冗丁协彻纥力矽阶砂贴n旷斫矽后yb日肌矽如 翅化比 空气的密度，k g m 3 工质比容，m 3 k g 析湿系数 管的截面积，m m 2 干度 标况制冷量，k w 膨胀阀标注工况下的冷凝压力，k p a 膨胀阀标注工况下的蒸发压力，k p a 工质在管内流速，m s 工质平均密度，k m 3 空气定压比热容，k j ( k g ) 水蒸气定压比热容，l d ( k g ) 吸收的水分量，g ( 水蒸气) 瓜g ( 干空气) 出口含湿度，g ( 水蒸气) k g ( t - 空气) 热损失，k j 压力，k p a 饱和湿空气的水蒸气分压，k p a 费用，元 电价，元 除湿能耗比 干基湿含量， 湿基湿含量， 物体的重量，k g 干燥速率，k g ( s m 2 ) 电能耗量，k w h p矿s x鲫胁砌u p印跏鲥以船p m弛鲫y矿舭m肌 广东海洋大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名芳訾乡产乡月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权广东海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 月8日 参月莎日 1 绪论 1 1立题背景与意义 我国水域辽阔，鱼类资源十分丰富，其中罗非鱼的产量居世界第一，这为我国罗 非鱼的综合加工提供了良好、廉价、源源不断的生产原料。而广东省湛江市又是罗非 鱼生产基地之一，因此利用湛江市罗非鱼丰富的资源，生产加工出具有高品质、高附 加值、高营养的产品，这样不仅可以丰富罗非鱼的加工品种，而且为罗非鱼的生产提 供合适的途径，促进罗非鱼养殖业的良性发展，也可以带动罗非鱼加工产业的发展。 这不但对罗非鱼加工综合利用有重要的意义，而且也为广东省海洋经济的发展做出一 定的贡献。 水产品味美营养丰富，但其组织脆弱，含水分较多，在一般情况下容易引起酶和 微生物的作用，造成肉体腐败变质；同时也出于时域、区域的限制对其消费造成限制， 所以必须对水产品进行适当的加工贮藏再进行流通和消费。 罗非鱼的加工方式有很多种，最有代表性的是冷冻加工和干燥加工。干燥加工是 一种高能耗的加工方式，传统的烟道烘干和蒸汽烘干方法所需能耗大，且干制品的品 质受温度影响很大，还存在着产品色泽和复水性差等缺点。 随着人们生活水平的提高，对水产干制品的色、香、味、食品卫生、质量和原有 营养价值的保持提出了更高的要求。因此，世界各国对水产干制品的加工研究都很重 视，各种干燥技术发展迅速。热泵干燥技术由于具有能耗少、效率高、低温干燥产品 品质好等优点，在水产品干燥加工中具有广阔的应用和发展前景。 目前，国内对热泵干燥技术应用于食品方面的研究较少，特别是在干燥水产品方 面还处于初级阶段，并且罗非鱼的热泵干燥加工更是少见报道。因此利用热泵干燥技 术生产高品质的干制罗非鱼食品以及将之实现现代化批量生产，必将提高其在国内外 市场的竞争力和市场占有力，研究成果的产业化也将推动湛江市海洋经济的发展并具 有极其重大的现实意义。 1 1 1 罗非鱼简介： 罗非鱼( 力t a p i a ) ，俗称非洲鲫鱼，隶属于鲈形目、鲈形亚目、丽鱼科c i c h l i d a e ， 该属原产于非洲。罗非鱼是一群中小型鱼类，它的外形、个体大小有点类似鲫鱼，鳍 条多荆似鳜鱼。广盐性鱼类，海淡水中皆可生存，并且耐低氧，一般栖息于水的下层， 但随水温变化或鱼体大小改变栖息水层。因此它具有繁殖快、生长迅速、产量高、杂 食性、病害少等优点。罗非鱼的肉味鲜美，肉质细嫩，含有多种不饱和脂肪酸和丰富 的蛋白质，所以被视为传统白肉鱼种的替代品种，正同渐受到欧美市场的青睐。 1 12罗非鱼产量及加工概况： 我国的罗非鱼产量己多年居世界第一，已经成为我国自产水产品出口的三大品种 之一。2 0 0 3 年，我国罗非鱼年产量近8 0 万吨，占世界总产量的5 8 以上。截止到2 0 0 3 年我国罗非鱼出口量己达到6 万吨，出口值达3 亿多美元。占我国水产品出口总量的 3 ，出口总额的5 5 。它是我国最具国际竞争实力的品种，也是最具产业化发展条 件的品种。近年来，中国的罗非鱼产量每年咀3 0 的幅度增长，而海南省的罗非鱼产 量已经超过了淡水养殖产量的半数，占淡水养殖产量的5 9 。在广东省，2 0 0 1 年罗 非鱼的养产量3 1 万吨，分别占我国和全球罗非鱼总产量养产量的4 5 和2 0 。广东 省又以湛江市和茂名市为罗非鱼产业化发展最快的地区。到2 0 0 6 年广东省罗非鱼产 量超过5 3 万吨，占全国1 1 6 万吨总产量的一半【。 罗非鱼是广东省唯一列入农业部区域规划的出口优势农产品。目前罗非鱼的 加工主要集中在冷冻全鱼、冻鱼片方面，产量仅占罗非鱼总产量的6 2 。而对于鲜 活鱼片、传统方法( 腌制、千制、熏制以及罐头加工) 加工鱼片、以及下脚料深加工 等方面却研究较少。对于前者来说，不仅生产加工水平较低，处于加工生产链的低端， 而且产品附加值低。而对后者来说，其生产要求具有一定的加工技术水平，且产品的 附加值高，同时可以满足不同地域、国家和不同消费群体的需求。在保持传统工艺特 点的同时，结合现代食品工程化和质量安全技术。实现传统产品生产工艺和质量控制 的标准化。据挪威、闩本和冰岛等渔业发达国家的经验表明，传统水产品加工方式的 现代化改造对水产业的发展具有重要的意义睁”。 12热泵干燥技术的简介 121 热泵干燥装置技术的工作原理及其发展历程 热泵干燥技术1 9 5 0 年在美国获得专利权，之后以明显的节能优势在工业领域获 蚕 得了迅速的应用。 热泵干燥装置的干燥原理见图1 所示，它是利用制冷系统中蒸发器来使空气降温 除湿，同时利用冷凝器放出的热量来加热空气，把低温干空气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，从而使循环空气不断吸收被干物质的水分而使物 质干燥的。 膨胀阂 图1 1 热泵干燥机工作原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo f t h eh e a tp u m pd r y e r 1 2 2 热泵干燥与常规海产品干燥方法的对比 目前，在我国水产品的传统干燥方法主要为日光干燥和烘道热风干燥。其中日光 干燥完全依赖自然环境条件，不能根据各类鱼品的特性人为控制干燥条件，因此生产 的连续性差、不可预测性大，并且卫生条件差，生产效率低，所以产品的品质和附加 值低。根据r w a l l l 8 - 9 】的研究报告指出，在印度西南部，每年有5 0 的干燥时间会 受到苍蝇的严重袭扰，由此造成的产量减少达1 0 ，同样在马拉维和盂加拉由于苍蝇 的严重袭扰，产量损失分别达2 5 和3 0 。为了避免昆虫和螨虫的侵害，有些渔民 甚至在鱼品中加入d d t 等杀虫剂，导致鱼品严重污染，对人的身体健康和环境造成 严重伤害【i o 】。1 9 8 2 年f d a 1 1 】报告指出4 2 由亚洲进口的日光干燥虾含有大量的昆虫 以及昆虫碎片、螨虫、啮齿动物的毛发、鸟类的羽毛等。 而烘道热风干燥是用加热后的空气做媒介，将物料进行加热促进水的蒸发，同时 将物料表面水分去除的干燥方法。由于干燥温度较高，干燥时间长，与氧长时间接触， 会引起产品品质的变化进而破坏水产品的组织结构使其品质降低( 维生素和芳香物质 损失、表面硬化开裂、过度收缩、低复水性和明显的颜色改变等) ，还会导致细菌的 大量滋型1 2 1 。 热泵干燥可以较好的保持干燥产品的质量，可以很大限度的保留产品的营养成分 和芳香成分，降低色泽物降解发生率以及减少热敏性维生素的损失，可提高保持挥发 性芳香物质的能力，从而保证了产品的质量。这是因为热泵除湿的干燥温度比较低， 在干燥过程中，可以根据干燥物品的特性要求采用封闭式的结构，任何挥发性成分都 保留在干燥箱内不会逸出，从而逐步地建立起某种成分的分压，阻止了该种成分进一 步从物料向外挥发，所以挥发性物质的损失比较少，颜色变化i x 4 。 1 2 3 热泵干燥的优点【1 3 2 4 】 ( 1 ) 节约能源：热泵技术的热效率高，1 份电能通过热泵装置可转换为3 4 份 热能。充分利用水蒸汽蒸发潜热，干燥过程没有因排气造成的能量损失，热能损耗只 有系统的热漏，这是其它干燥技术无法相比的。 ( 2 ) 干燥条件可调节范围宽：热泵干燥的温度调节范围在o - 1 0 0 c c o h 辅助加热 装置) ，相对湿度调节范围在1 5 0 o , - 8 0 ，较宽的调节范围使热泵能适合于多种物料的 干燥加工。 ( 3 ) 干燥产品品质好：由于热泵干燥是一种温和的干燥方式( 接近自然干燥) ， 物体表面水分的蒸发速度与内部向表面迁移速度比较接近，最大限度的保持了被干燥 物品的品质和色泽。 ( 4 ) 干燥参数易于控制：热泵干燥过程中，循环空气的温度、湿度及循环流量 能精确和有效地控制，因此热泵干燥适合于热敏性物料的干燥，干燥成品的质量比一 般对流干燥高。同时，由于热泵干燥装置使用的是电能，便于控制，且无污染。 ( 5 ) 热泵干燥温度低，工作环境卫生：热泵干燥生产工艺可比传统干燥工艺降 低温度3 8 5 2 ，热泵干燥工艺的加热温度范围约为o - - , 1 0 0 c ，特别适用于热敏性物 料的干燥，用于超细粉末干燥时，可避免由于高温造成的物料板结。同时，热泵在封 闭的状态下工作，干燥过程中除了冷凝水，没有任何废气、废液排放，有利于环境保 护同时也不易受环境因素的影响。 ( 6 ) 易于采用惰性干燥介质：当物料中含有对氧气敏感的成分( 如物料中含有 易氧化成分，或物料具有可燃性或可爆炸性等) 或需改进干燥过程的传热传至质速率 时，可采用惰性介质代替空气作为干燥介质，实现无氧干燥。由于热泵干燥装置的干 燥介质可在干燥系统中封闭循环，所以采用惰性介质极为方便。 ( 7 ) 生产效率高，运行费用低：热泵干燥机与其它低温干燥设备( 如真空干燥) 相比，具有设备投资费用少、功率消耗低的优点。 ( 8 ) 结构形式多样：热泵干燥装置可根据物料的特性设计成各种各样的结构形 式，也可与各种导热性干燥器组合形成热泵式导热干燥装置，还可与真空、太阳能、 微波、红外等干燥技术相结合形成各种组合式干燥装置。 ( 9 ) 易于实现干燥装置的多功能化：热泵干燥装置中的热泵同时具有制冷与制 热功能，可方便地开发以干燥为主的多功能装置，使干燥任务较少时设备也可得多充 分利用。既可以利用其制冷功能进行物料的低温加工，又可以利用制热功能为一些场 所供热。这一特点使热泵干燥装置在城郊区域及农副产品加工中具有突出的优势。 ( 1 0 ) 市场广阔：热泵干燥装置适用的物料广泛，如木材、谷物、种子、水产品、 菌类、饲料、生物活性物质、饮用品、水果类等。 4 1 3热泵干燥技术的研究与应用 热泵干燥技术的应用领域非常广泛，目前世界各国科技人员主要在以下几个领 域进行了深入的实验研究及应用。 1 3 1木材 木材的干燥加工，是较早成功应用热泵干燥技术的领域，虽然用热泵干燥技术 干燥木材所需时间较常规气流干燥法延长许多，但显著的节能效果和较高的木材利用 率，使热泵干燥法成为木材干燥加工的主要手段之一。我国2 0 世纪8 0 年代首先在木 材加工中引入热泵干燥技术，目前热泵干燥法已被全国许多地区的木材加工企业广泛 使用，木材热泵干燥设备的生产已完全立足于国内。 1 3 2种子 热泵干燥技术的低温特性很适合种子的干燥。r o s s isj 2 5 1 和o r l a n d ic 等【2 6 1 ，分 别对玉米、大豆、稻谷种子进行了干燥实验研究，结果表明：热泵干燥技术很适合各 种种子的干燥加工，它不仅能保持种子的品质，且和日晒加工相比，还可使种子发芽 率提高5 。 1 9 9 2 年，上海市能源研究所研制了热泵式粮食种子干燥装置，结果表明：( 1 ) 能耗经多次测试为1 7 0 0 2 5 0 0 k j k g h 2 0 ，明显低于常规干燥的能耗；( 2 ) 发芽率有一定 的提高f 2 7 1 。 2 0 0 4 年，马一太等【2 8 1 对白菜种子的热泵干燥进行了研究，结果表明：在干燥温 度4 5 左右，干燥前后白菜种子的发芽率变化不大，产品种子质量好，说明热泵干 燥是一种较好的种子干燥机械。 1 3 3 谷物 1 9 8 6 年，g i o c om 【2 9 1 的实验结果表明：热泵干燥技术应用于谷物干燥较常规气 流干燥法平均节能约3 0 ，最多可节能5 0 。 1 9 8 8 年，俄罗斯科学家【3 0 1 用热泵干燥技术对谷物进行的干燥实验表明：从谷物 中移除l k g 水，能耗为1 6 2 4 k j 。 1 9 8 9 年，g y a n u t i s a 【3 l 】也利用热泵干燥技术对谷物进行了干燥实验，结果表明： 从谷物中移除l k g 水，平均能耗为2 0 6 3 1 0 。以上的试验均表明热泵干燥低于常规气 流干燥法的平均能耗。 近几年，广东省农业机械研究所【3 2 也对热泵干燥稻谷进行了一些研究，结果表明： 热泵干燥时间较短，并对稻谷的发芽率影响小，对稻谷的爆腰率影响也较其它的稻谷 干燥机低。 1 3 4 果蔬 1 9 9 8 年，李远志等【3 3 】利用热泵干燥技术对大白菜进行了脱水蔬菜的研究，其结 果表明：产品质量好，且维生素等营养成分流失量较低，比热风、同晒干燥效果好。 2 0 0 2 年，陆蒸等【3 4 】对毛竹笋进行了热泵干燥的研究，结果表明干燥后的产品感 官质量好。 2 0 0 6 年，张绪坤等【3 5 】进行了胡萝卜丁的热泵流化组合干燥试验，结果表明：将 胡萝卜的含水率从9 0 左右烘干到1 0 以下，只需要9 h ，比箱式热泵干燥的干燥时 间要短，适合于高水分果蔬类物料的干燥。 2 0 0 8 年，李嫒嫒【3 6 】对油豆角进行了热泵干燥工艺的研究，其结果表明：油豆角 在3 2 下，产品干燥质量好。 1 3 5水产品 早期，广东省农机研究所对一系列的鱼类进行了热泵干燥的研究，结果表明：用 热泵干燥法干燥的鱼类产品，颜色鲜亮如活，味道鲜美【3 7 】。 1 9 9 2 年，陈依水【3 8 】利用热泵干燥技术对水产品进行了研究，结果表明：水产品 在2 叽3 2 封闭式系统内进行干燥，水产干品符合食品卫生要求。又由于干燥温度较 低，干燥过程中不会发生蛋白质的变性或脂肪渗透现象。成品干鱼片透明，富有光泽， 口感也好，保持了水产品的色、香、味。 陈忠忍等【3 9 】利用热泵干燥技术对海产品进行干燥，结果表明：每k w h 电耗可脱 水1 4 9 k g ，较普通电热干燥节能近5 0 。 1 9 9 8 年，李浙【删的研究表明：使用热泵在2 0 2 5 温度下干燥的鱼片制品与洞 道式蒸汽烘干房干燥的鱼片相比，在色泽、营养、口感等方面具有明显优势，取得了 很好的经济效益。 2 0 0 1 年，洪国伟【4 1 】利用自制的热泵干燥器干燥鱿鱼，试验结果表明：在最初回 风温度为4 5 。c ，最后回风温度达到8 0 的条件下干燥，干燥产品的外观好，色泽漂 亮。 2 0 0 8 年，母刚掣4 2 】利用热泵干燥技术对海参进行了初步研究，其结果表明：与 传统干燥方法相比，热泵干燥海参法节省了干燥时间，简化了操作步骤，提高了产品 的感官品质。 1 4 热泵干燥技术展望 热泵干燥技术发展的未来，主要表现在以下几个方面【4 6 】： ( 1 ) 研究开发新产品：在电力资源不足的地区，采用柴油机、太阳能来驱动热 泵干燥机，可起到优异的节能效果，从而满足生产的需求；也可应用多级蒸发新型热 泵干燥装置，以满足不同物料或同种物料在不同干燥阶段的温度要求。 ( 2 ) 自动控制技术的应用：干燥加工是一个复杂多变的过程，根据物料脱水情 况及环境状况适时调控干燥工艺参数，有利于提高能量利用率及产品品质。热泵干燥 系统既可以调节空气湿度，又可实现对空气温度的双向调节。因此，将现代检测、传 感及控制技术结合起来应用于热泵干燥加工，很容易实现对于燥加工过程的全自动人 工智能控制，从而降低操作成本，提高制品品质。 6 ( 3 ) 研发相匹配干燥热泵的制冷工质：由于干燥热泵工作的特殊性，工作温度 高，排气温度高，排气压力高，应加强研制相适应的制冷工质，要求在较高的冷凝温 度下，冷凝压力较低，有较高的容积制冷量、较高的热稳定性和化学稳定性。 ( 4 ) 研发多用途热泵系统：根据生产实际，调整热泵系统的模块组合，从而使 其具有干燥、空气调节、冷冻贮藏等多种功能。 ( 5 ) 加强热泵干燥工艺的研究：合理的干燥工艺可以起到节能、节时、高效的 作用。为了使热泵干燥技术在各个领域得到应用，必须研究与之相适应的干燥工艺。 ( 6 ) 采用联合干燥的方法：采用联合干燥的方法，可以加快干燥的速度。由于 热泵工作温度受到热泵工质和压缩机运行条件的限制，加上对流干燥本身的不足，热 泵的特点还没有更好地发挥出来，将热泵与其他干燥方法相结合，可以更好地满足各 种物料干燥的要求。如把热泵干燥与红外线加热、太阳能加热或电磁辐射加热相结合， 可降低热泵系统压缩机的负荷，加快物料水分去除的速度，提高了整个干燥系统的效 率。 ( 7 ) 采用复合干燥介质：热泵干燥设备为封闭式操作，减少了干燥室外界氧气 对产品的影响，但无法彻底解决干燥室内部干燥介质空气中的氧气对产品品质的影 响。因此，如果在脱水过程中，采用复合式干燥介质，即在于燥室内适当降低氧气成 分，增加氮气或二氧化碳的含量，可以进一步提高产品的品质。 1 5 本课题的主要研究内容 1 5 1 热泵干燥装置的设计及计算 本课题研制的热泵干燥装置是多功能变工况的热泵干燥装置，将开式系统、半开 式系统和封闭系统三者相结合，可在干燥过程中转换干燥工艺( 干冷互换) 以及调节 工况，通过在线温湿度监控系统对干燥过程进行跟踪检测，并对相关的机组性能进行 理论计算分析，同时也从调节装置的蒸发温度和冷凝温度的角度进行了分析讨论，并 得出了一些结论。 1 5 2 恒温干燥与变温干燥对罗非鱼片热泵干燥的影响 研究罗非鱼片在变温干燥模式和恒温干燥模式下的干燥程度变化过程，采用连 续跟踪采样的试验方法，分析其干燥曲线、干燥速率曲线、温度曲线的变化情况，对 其进行理论分析。最后测定产品的残余含水量和复水率，并且通过不同时间的复水， 确定最优的复水时间。 1 5 3 罗非鱼片热泵干燥参数的试验研究 通过对罗非鱼片进行热泵干燥的单因素试验研究，采取连续跟踪采样的试验方 法，测定产品的残余含水量，最后分析在不同热泵干燥温度、风速以及不同厚度的条 件下罗非鱼片的热泵干燥特性。同时，结合热泵干燥特性曲线，分析讨论找出较优热 泵干燥工艺参数。 7 1 5 4 罗非鱼片热泵干燥工艺参数优化的试验研究 采用二次回归正交组合设计试验方案，进行罗非鱼片热泵干燥最佳工艺的研究， 试验以残余含水量和复水率为产品评价指标，以罗非鱼片干燥后的色泽、香味和形态 为感官评价指标，应用s a s 统计分析软件进行回归分析以及岭嵴分析，建立回归数学 模型，通过岭嵴分析确定罗非鱼片干燥工艺的最优参数，为实际罗非鱼片的热泵干燥 工艺提供一定的指导和帮助。 1 5 5 热泵干燥与低温冷冻结合对罗非鱼片热泵干燥的影响 将热泵干燥与低温冷冻相结合，分析讨论其对罗非鱼片干燥过程的影响。采取先 热泵干燥，后低温冷冻( 温度为- 1 8 和- 3 5 ) 的干燥方法，并且按照不同的时间梯 度设计试验，对二种低温的工艺方法进行比较。最后，测定产品的残余含水量与复水 率，对结果进行分析和讨论。 2 热泵干燥装置的设计及性能分析 热泵是一种高效、节能的热回收装置。它是以消耗少量高质能( 机械能、电能等) 或高温热能为代价的能量利用装置【4 7 】。由于热泵运转所需要的能量只是它提供的全部 能量的一部分，因此具有显著的节能效果，同时对合理利用能源、减轻环境污染具有 重大的意义。 热泵干燥系统的形式较多，按照干燥介质( 空气) 的循环情况可分为开路式、半 开路式和闭路式三种【4 8 。4 9 1 ，以适应不同物品对干燥介质参数的需要。本实验室通过分 析研究，自行研发的装置可以实现开式、半开式和闭式干燥介质循环系统，并可在干 燥过程中转换干燥工艺( 干冷互换) 、调节工况的热泵干燥装型删，使装置对不同类 型农海产品的加工适应性得到了强化。并对相关的机组性能进行理论计算分析，从调 节装置的蒸发温度和冷凝温度的角度进行了分析讨论，并得出了一些结论。 2 1装置的方案设计及说明 2 1 1 原理设计图 本装置按双冷凝器和双蒸发器设计，并配有辅助加热器以提高装置的调节性能。 可以实现开路式、半开路式和闭路式循环干燥介质循环，其方案设计如图2 - 1 所示： 9 3 图2 1热泵干燥装置原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo f t h eh e a tp u m pd r y e r 1 ，2 ，3 调节风门4 挡板5 冷凝器6 电加热器7 离心风机8 干燥厢9 蒸发器 1 0 压缩机l l 电动三通阀1 2 辅助水冷冷凝器1 3 热力膨胀阀1 4 感温包 ( 1 ) 开路式系统：当风门1 、2 、3 全开时，挡板4 关闭，形成开路式循环。在开式 热泵干燥系统中，进入干燥器的干燥介质( 干燥介质为空气) 全部来自环境，从干燥器 内干燥物料后排出的废气经蒸发器后也全部排入环境。 ( 2 ) 半开路式系统：当风门1 、2 、4 打开，3 关闭时。形成半开路式循环。所谓半 9 开路式热泵干燥装置，就是进入干燥器的干燥介质( 干燥介质为空气) 一部分来自环 境，另一部分来自干燥器排出的废气。 ( 3 ) 封闭式系统：当风门l 、2 、3 关闭，挡板4 打开，形成闭路式循环。封闭式热 泵干燥装置( 干燥介质为空气) ，干燥介质在完全封闭的循环通道中循环。 2 1 2装置的设计方案说明 本设计的干燥空气温度可以通过辅助冷凝器和电加热器在2 0 - - 一8 0 之间调 节，干燥室内风机变频装置可实现风速在0 1 m s - - 一3 m s 范围内的调节。装置也可同 时作为热回收热泵干燥，也可根据需要只采用电加热来实现高温热风干燥，也可作为 冷冻箱使用，实现干冷互换，从而改善干燥工艺。而在干燥系统风管进出干燥箱的部 位均设有温湿度测试仪和风速测试仪，可对风速和温湿度实行在线检测和适时记录， 并设有物品温度在线测试，随时掌握物品所处的干燥阶段，以适时调整干燥过程的机 组运行参数，热泵干燥装置的组装结构示意图如下图2 2 所示： -r 一 ， _ 一 心 l 略 i 飞 矧i ： _ 一i - 8x 禽fl毒 叁纩 苫 ，3 一 垆，、 _ 、- 4 互王1 l i幡z 弋1l l i - l |，j 幽j 二 星弋 j 暖 _ p辽 1 6 _ 装置的具体说明： ( 1 ) 隧道体分上下两层，分别用于安装热泵干燥子系统和干燥物料，二者结合成一 个整体，不需用风管连接，这样可以减少附加热损失。 ( 2 ) 可以通过风门调节可以实现全新风全开式干燥，部分新风半开式干燥和全封闭 式干燥三种功能，可按不同季节不同温湿度条件或物料的呈味特点适时调节运行模 式。 ( 3 ) 2 组冷凝器并联，即可并联使用，也可单独使用，即可调节干燥室的温度条件， l n 又可使装置实现干冷互换，改变不同厚度物品的干燥工艺。 ( 4 ) 风机安装了变频装置，可以实时的根据干燥工艺过程中物料水分的变化情况调 节干燥介质的循环流速。 ( 5 ) 辅助电加热装置扩大了装置可调温度的范围，可使装置能结合热泵与热风干燥 的特点进行组合干燥，也可同时实现电加热干燥、热泵干燥和低温冷冻的多功能切换 和优化组合，也可根据物料干燥的要求实现物料的高温、中温和低温干燥。 2 2 热泵系统的设计计算 拟设计一台1 匹容量的热泵干燥机组，用电能驱动。 根据湛江最冷月月平均温度为1 5 ，相对湿度为7 8 ，所以按在最不利环境下 工作，低温热源t l = 1 5 。 选热泵工质为r 1 3 4 a 1 5 1 1 ，采用直接换热式，不用载热介质，干燥介质为空气。 根据要求，选高温热汇t 一5 ，传热温差为5 c 。 2 2 1 热泵的循环特性计算 根据干燥所需的热空气温度和环境温度，为保证热泵能在最低环境温度下能正 常工作。 取循环参数如下【5 2 5 3 】： 冷凝温度：t c = 5 0 蒸发温度：t 。= 5 冷凝器出口处工质温度t s c = 4 5 ( 过冷度为5 c ) 蒸发器出口处工质温度t s = 1 0 ( 过热度为5 ) 按工况做出相应的压焓图如图2 - 2 所示： 图2 - 3 热泵循环的p h 图 f i g 2 - 3t h ep - hg r a p ho f h e a tp u m pc y c l e 热泵工质循环工况参数的确定，查文耐5 4 1 和计算得出相应的状态点的参数如表 2 1 所示： 参数值 状态点 11 2 ( 6 0 ) 34 2 2 2 压缩机的确定 由于1 匹压缩机的功率为7 3 5 w ，由此可求得热泵工质的质量流量，按( 2 1 ) 式计算得到质量流量g m 为0 0 2 3 k g s 。 p = q m x ( 吃一啊) 压缩机的输气量9 1 ，按( 2 - 2 ) 式计算为4 3 8 8 m 3 h 。 ( 2 - 1 ) g ，= q m x h ( 2 - 2 ) 热泵蒸发器从干燥器排出空气中吸热量按( 2 3 ) 式计算得：q e = 3 2 7 k w ； q e = q m x ( 红一九) ( 2 3 ) 热泵冷凝器加给干燥器进气空气的总热量q c 按( 2 4 ) 式计算为4 0 k w ； q c = q m x ( 吃一以) ( 2 4 ) 热泵理想循环制热系数按( 2 5 ) 式计算为5 4 4 2 ； 只：丝 ( 2 5 ) “p 根据热泵工质及压缩机功率，输气量等参数选定压缩机。 2 2 3 冷凝器的确定 2 2 3 1 冷凝器的设计选型 冷凝器采用气体式冷凝器。选取翅片管式冷凝器，结构如下图2 4 所示： 图2 - 4 翅片管冷凝器的结构示意图 f i g 2 _ 4t h es t r u c t u r ed r a g r a mo f c o n d e n s e r ( 铜管) 基管尺寸为d o = 中l o m m x 0 5 m m( 壁厚万d = o 5 r a m ) ； 1 2 辈 按近似正三角形交错排列： s 1 = 2 0 m m ，s 2 = 2 6 r a m ，翅片厚万= o 3 m m ，翅片间距s - 2 0 m m 取：空气进冷凝器温度为t l = 1 5 ；出冷凝器的温度为t 2 = 4 5 ； 冷凝器热负荷q c = 4 0 k w ； 2 2 3 2 结构参数计算 基管复合外径d 按( 2 - 6 ) 式计算得：1 0 6 m m d = d o + 2 x 8 ( 2 - 6 ) 1 米长基管外表面积f o 按( 2 - 7 ) 式计算得：0 0 2 8 3 m 2 易：万d ( s 一万) 辈( 2 - 7 ) 1 米长基管翅片面积可按( 2 - 8 ) 式计算得：0 4 3 1 8 m 2 f f = 2 x 卜s 2z x 4 d 2 一) 警 8 ， 1 米长基管内壁表面积f 按( 2 9 ) 式计算得：0 0 2 8 2 6 m 2 冗= 万( 见- 2 x s o ) x 1 0 0 0 ( 2 - 9 ) 翅化比按( 2 - 1 0 ) 式计算得：1 6 3 ：f f + f o( 2 1 0 ) 2 2 3 3 传热系数的计算 空气的平均温度按( 2 - 11 ) 式计算得：3 0 ( 2 死= ( 五+ t 2 ) 2 ( 2 1 1 ) 查表此时空气的运动粘度和热导率为： 肛1 6 5 1 旷m 2 s ； 乃= o 0 2 6 4 w ( m - k ) 取冷凝器迎面风速为：彬= 2 o m s 当量直径d d 按( 2 1 2 ) 计算得：3 0 6 m m d d = 2 x ( 2 - 1 2 ) 最窄面风速按( 2 1 3 ) 计算得：1 2 7 r n s = f 两0 5 x 丽s x s 2 ( 2 1 3 ) 雷诺数r e = ( 见) 跆= 2 3 5 5 空气侧的对流换热系数晓厂按( 2 1 4 ) 计算得：5 5 5 w ( m 2 - k ) 1 3 咖c a c 告，x r e 0 6 5 xp r o 3 3 x ( 警广 式中c 口= o 4 5 ( 翅片管按正三角排列) ，p r = o 7 当冷凝温度t c = 5 0 。c 时，取管壁温度为4 5 * ( 2 时，由于工质传给管壁的热量等于管壁传 给空气的热量。r 1 3 4 a 在管内的冷凝放热系数a i 按( 2 - 1 5 ) 计算得：2 7 1 1 w ( m 2 幻 a i x l 5 , ( 死一4 5 ) = a f x ( f f + f o ) x ( 4 5 - t 。a ) ( 2 一1 5 ) 紫铜管的热导率为：入= 3 8 4w ( m k ) 取管外污垢热阻r w = o 0 0 0 3 ( m k ) w ，但不考虑管内油膜热阻； 翅片的总效率约为：r l = 0 7 冷凝器以光管外表面积为基准时的传热系数k 按式( 2 1 6 )