（制冷及低温工程专业论文）青豆种子热泵干燥理论与试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 i 摘 要 我国作为人口大国，粮食安全是实现可持续发展和国家战略的关键。干燥技 术作为种子加工的重要环节是减少粮食损失、 提高品质和农业收益的可靠技术保 证。高能耗、高污染的传统干燥方法在节能减排和可持续发展的大环境下已日益 受到限制，热泵干燥在节能降耗、提高干燥品质和操作可控性等方面技术优势突 出， 因此加强种子热泵干燥技术理论的研究已成为现代干燥技术发展的重要组成 部分。 本文结合多学科交叉理论， 对青豆种子热泵低温脱水技术进行了系统研究， 全文内容概括如下： （1）通过静态称重法测定了青豆种子在不同温度和水分活度下的等温线及 类型，利用非线性回归方法确定了 bet 多分子层吸附理论模型的参数和等温线 模型的拟合优度；研究了青豆种子吸附与解吸过程热量的变化规律，根据水分活 度模型确定了热动力学参数净等量吸附与解吸热数值范围。 （2）研究了含水率和 升温速率对青豆种子玻璃化转变温度（tg）的影响规律，采用差式扫描量热法 （dsc）测试了青豆种子的玻璃化转变温度，通过外推法确定了数学模型。 （3） 利用干燥试验台进行了青豆种子干燥特性的研究， 确定了有效扩散系数范围和适 于描述干燥特性的模型，采用饱和 d 试验法分析了连续干燥和缓苏干燥工艺中 干燥因素对种子发芽率的影响规律， 得到了青豆种子发芽率同干燥因素之间的回 归模型，采用降维法分析了干燥因素对发芽率的影响规律，利用麦夸特和通用全 局优化法得到了青豆种子优化干燥工艺。 分析了连续干燥过程的酶促保卫系统中 酶活性的变化规律， 对缓苏干燥过程的系统不同阶段的能耗进行了分析并得到了 数值解。 本文得到的相关结论，为青豆种子热泵干燥过程提供了基础理论依据。 关键词：关键词：青豆种子 热泵干燥 等温线 玻璃化转变 缓苏 能耗 ii abstract as a populous country, food security is the key to achieve sustainable development and national strategy. drying technology is an important link of seeds processing, it is a reliable technology to guarantee reducing food loss, improving quality and agricultural returns.traditional drying technologys characteristic is high energy consumption and high pollution, in the environment of energy conservation and emissions reduction and sustainable development, it has been increasingly being restricted, heat pump drying has some prominent technical advantages in energy conservation and emission reduction, improve quality and controllable operation, so strengthening theorical research of seeds heat pump drying technology has become an important part of the development of modern drying technology. combining with interdisciplinary theories, green soybean seeds heat pump technology of the low temperature dehydration system has been researched, the brief structure and main content as follows: (1) isotherms and type of green soybean seeds were measured and ditermined through static gravimetric method at different temperatures and water activity; parameters of bet much molecular layer absorption theory and goodness-of-fit of isotherms models were determined by using nonlinear regression method; the thermodynamic parameters including numerical range of net isosteric heat of adsorption and desorption were calculated by using water activity sorption isosteric model. (2) the influence law of green soybean seeds glass transition temperature with moisture content and heating rate were investigated, tg were measures by differential scanning calorimeter (dsc), mathematical model of tg was determined by extrapolation method. (3) green soybean seeds drying characteristics were researched using drying test bed, effective diffusion coefficients range and suitable descripting drying characteristics models were determined; the influence law of drying factors on seed germination rate of continuous and tempering drying technology were analysised by saturated d test method, regression models of germination rate were gotten; influence law between germination rate and drying factors was analyzed by dimension reduction method, optimization drying technology of green soybeans seeds was gotten by using wheat quarts and general global iii optimization method, enzyme activity changing law of enzyme defend system were analyzed in continuous drying, and energy consumption of tempering drying process was discussed and numerical solution of energy consumption was gotten. conclusions in this paper have provided basis theory for green soybean seeds in heat pump drying process. key words：green soybean seeds, heat pump drying, isotherms, glass transition, tempering, energy consumption i 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景及意义 . 1 1.2 农产品热泵干燥技术研究进展 . 3 1.2.1 粮食与食品热泵干燥技术研究进展 . 3 1.2.2 种子热泵干燥技术发展趋势 . 5 1.3 干燥理论研究进展 . 6 1.3.1 等温线的研究进展 . 6 1.3.2 干燥动力学的研究现状 . 9 1.3.3 玻璃化转变与种子干燥品质的研究进展 . 9 1.4 研究内容及方法 . 12 1.4.1 研究内容 . 12 1.4.2 研究方法及试验手段. 13 1.5 本章小结 . 14 第二章 青豆平衡含水及等温线模型的研究 . 15 2.1 引言 . 15 2.2 材料与方法 . 17 2.2.1 材料与仪器 . 17 2.2.2 试验方法 . 17 2.2.3 数学模型 . 19 2.2.4 统计分析 . 19 2.3 结果与讨论 . 20 2.3.1 青豆的等温线 . 20 2.3.2 bet 多分子吸附模型参数 . 22 2.3.3 吸附与解吸模型拟合优度比较 . 22 2.4 青豆净等量吸附与解吸热的研究 . 24 2.4.1 水分活度法的净等量吸附热方程 . 25 2.4.2 净等量吸附热的图形分析 . 26 2.5 结论 . 27 2.6 本章小结 . 28 第三章 青豆种子玻璃化转变温度的研究 . 29 ii 3.1 引言 . 29 3.2 青豆种子玻璃化转变温度的试验研究 . 30 3.2.1 材料与方法 . 31 3.2.2 结果与讨论 . 32 3.2.3 结论 . 35 3.3 本章小结 . 35 第四章 青豆种子热泵干燥特性及连续干燥最优工艺的研究 . 36 4.1 引言 . 36 4.2 热泵干燥试验台的组成及工作原理 . 37 4.3 热泵干燥试验台的运行性能试验 . 39 4.3.1 变容量调节的升降温试验 . 39 4.3.2 恒温运行试验 . 41 4.3.3 保温运行试验 . 42 4.4 青豆种子热泵干燥特性的试验研究 . 43 4.4.1 材料与仪器 . 43 4.4.2 试验方法 . 43 4.4.3 有效扩散系数的研究 . 44 4.4.4 青豆种子薄层干燥模型适用性的研究 . 47 4.5 青豆种子热泵连续干燥最优工艺的试验研究 . 51 4.5.1 试验方案的选取 . 51 4.5.2 回归设计的最优准则. 51 4.5.3 饱和 d 最优回归设计 . 52 4.5.4 饱和 d 最优回归设计的统计检验 . 53 4.5.5 饱和试验安排及发芽率的测定 . 53 4.6 干燥因素对发芽率的影响 . 55 4.6.1 试验结果及回归模型分析 . 55 4.6.2 单因素效应 . 57 4.6.3 响应面法的双因素效应 . 59 4.6.4 主成分分析 . 61 4.6.5 优化求解 . 62 4.7 干燥参数对青豆酶促保卫系统影响的试验研究 . 62 4.7.1 胁迫条件下种子脱水过程与劣变机理 . 62 4.7.2 试验材料与仪器 . 63 4.7.3 酶活性的测定方法 . 64 iii 4.7.4 试验结果 . 66 4.7.5 结果与分析 . 66 4.7.6 结论 . 66 4.8 本章小结 . 70 第五章 青豆种子缓苏干燥工艺的研究 . 71 5.1 引言 . 71 5.2 材料与方法 . 72 5.2.1 材料 . 72 5.2.2 方法 . 72 5.3 结果与讨论 . 74 5.3.1 青豆种子饱和 d 回归方程分析 . 74 5.3.2 饱和 d 试验结果的单因素分析 . 75 5.3.3 饱和 d 试验结果的双因素分析 . 75 5.3.4 工艺参数的优化 . 78 5.4 缓苏干燥特性及能耗分析 . 78 5.4.1 饱和 d 试验结果的双因素分析 . 78 5.4.2 缓苏干燥工艺能耗分析 . 80 5.5 结论 . 84 5.6 本章小结 . 84 第六章 结论与建议 . 85 6.1 结论 . 85 6.2 主要创新点 . 86 6.3 对后续工作的建议 . 86 参考文献 . 97 发表论文和参加科研情况说明 . 97 附录 . 98 致 谢 . 101 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 农业生产的核心目标是最大限度地获取高品质粮食，2011 年我国粮食总产 量为 5.7121 亿吨1， 每年干燥不及时造成的损失占总产量的 8%10%， 约 4000 5000 万吨2。种子是特殊生产资料，播种品质直接关系到粮食产量，对实现可持 续发展具有重要意义。我国种子加工能力低，商品率仅为发达国家的 10% 20%3，联合国粮农组织（fao）统计表明我国谷物产量仅 3067kg/hm2，分别为 法国、日本、德国的 47%、52%和 57%3, 4。因此种子加工问题突出，亟待解决。 种子的播种品质主要体现在种子活力和发芽率上， 低温和低含水率是延长种 子贮藏寿命的主要因素， 根据哈林顿定律， 在 5%14%范围内含水率每降低 1%， 种子寿命可延长一倍5。脱水过程中温度、湿度随时间变化关系的优选对提高耐 藏性、保持种子活力和种质资源生物遗传特性非常关键6-8。 干燥过程温度、湿度是影响干燥品质的关键因素，种子的水分扩散系数是温 度和湿度的函数9， 微波干燥、 真空干燥和传统的热风干燥等不能进行湿度调节， 脱水速率调节方式单一，易造成种子热损伤，破坏种子内部超微观结构和生理系 统；种子细胞质以玻璃态存在时，其玻璃化转变温度与干燥过程的理化反应速率 密切相关， 脱水时玻璃化状态的形成是降低干燥和贮藏过程中种子老化劣变反应 速率的主要因素，种子劣变速率受玻璃化转变的动力学控制10, 11。 国家“十一五”积极推进节能减排工作，以燃煤、燃油为热源的干燥机的燃 料终产物为温室气体 co2，污染物 so2、nox和粉尘等，高能耗和高污染的传统 干燥机，日益受到严格的限制，取而代之的是清洁能源的和环保的干燥机，热泵 是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统， 利用较少的高品位能将低品位热源的 热量提升为高品位热量12，热泵与干燥器有机结合形成各类热泵干燥装置13， 因具有能源利用率和余热回收率高、环境低害性、温湿度易于控制等独特技术优 势，有取代燃煤和燃油干燥机的趋势，在种子干燥系统中受到青睐14-16。 种子干燥品质受环境和种子本身因素影响。 环境因素主要是温度、 相对湿度、 空气流速等；种子本身因素主要包括品种、含水率、化学成分、大小、构造和质 地等。种子是由个体细胞及细胞外空间组成的有机组织体，种子衰老、活力降低 和品质退化过程是极为复杂的物理和化学变化过程， 有关干燥品质的物理特性和 第一章 绪论 2 生理生化特性之间关系的研究已成为近年来热点。 干燥技术的发展可以追溯到 20 世纪 40 年代之前，1970 年美国的 bakker-arkema17根据传热传质的基本原理推导了谷物干燥的理论模型，该模型 适用于高低温干燥，可用于横流、顺流和混流干燥工艺；20 世纪 70 年代末干燥 模拟技术已从性能预测、 参数分析发展到发芽率、 霉变率等谷物品质的模拟研究。 种子的胚部对热非常敏感，易受热损伤；干燥脱水过程中只有降低种子受热 温度，才能保证种子的发芽率、发芽势18和生理系统的稳定性19。为保证种子 的干燥品质， 前苏联和美国都对粮食种子的干燥受热温度做出明确的限定18。 种 子干燥机是种子加工机械的重要组成部分20， 国内干燥行业发展已基本成熟， 干 燥设备在粮食、 农林、 轻工等干燥方面年需求为 5000 台套， 制药和化工需要 3000 台套，设备国内占有率为 95%左右21，干燥设备热源有热风炉22、远红外23, 24、 微波25、热泵机组14-16, 26等。 传统型干燥机的热源主要是燃煤或燃油，经过不断的技术创新，结构形式和 干燥工艺呈现多样性和复杂性28-30,35-37。干燥工艺主要有干湿粮混合缓苏干燥工 艺27,28,33 、多级顺流缓苏干燥工艺34、多级混流缓苏干燥工艺31能够实现粮食 在循环干燥过程中的间歇干燥工艺。为保证干燥工艺的实现，对干燥过程应进行 科学合理的控制。干燥过程的控制具有多变量、非线性、大滞后、强耦合和非稳 态等特点32， 随着复杂干燥工艺的不断开发， 自动控制技术对提高干燥效率和品 质等方面起到了关键作用，由于能对干燥温度、出机粮含水率较为准确的控制， 干燥品质进一步提高，降低了能耗和干燥成本。 非传统型干燥技术主要有远红外干燥23,39,40,42、太阳能干燥43, 44、微波干燥 46, 47、热泵干燥和联合干燥等技术。热泵干燥技术是热泵和干燥器有机组合，热 泵干燥机的能耗只有传统干燥机的1/51/3左右， 热泵干燥机最低能耗为1624 2063kj/kg h2o43，主要原因在于热泵干燥机能回收废气中大部分显热和潜热， 具有明显的节能优势。各类热源通过与传统干燥机主体部分有机结合，可达到节 能、高效、高品质的使用效果。远红外热泵联合干燥能进一步降低能耗，胡萝卜 远红外热泵联合干燥工艺的最佳工艺参数为热泵干燥温度 45，远红外热源辐 射功率为 2kw， 热泵干燥与远红外切换点是物料含水率为 50%。 太阳能和热泵有 机组合可以进一步提高在谷物干燥中的节能技术优势， 太阳能辅助热泵贮仓干燥 系统44在平均气温为 20， 太阳能集热器的热效率可达 0.6 以上， 为干燥系统提 供约 15%的热量，单位能耗除湿量为 3.05kg/kw h。微波干燥45, 46在高频电磁场 的作用下，物料吸收电磁能量，在内部转化为热量用于蒸发水分。稻谷微波干燥 时，稻谷温度与微波处理时间呈直线关系，减少微波剂量，升温速率常数下降， 适宜条件下可以提高糙米率和整精米率，改善加工品质47。 第一章 绪论 3 1.2 农产品热泵干燥技术研究进展 干燥操作单元能耗约占总能耗 9%25%13, 48，因此应采取必要的技术措施 回收干燥过程的余热减少能耗。19 世中叶 william thomson 以“热量倍增器”的 名称提出了热泵的基本原理，而热泵技术研究的开端始于 20 世纪 20 年代，1939 年欧洲的首台热泵输出功率已达 175kw，1952 年热泵在美国批量投入市场，20 世纪 70 年代，世界性能源危机促进了热泵技术的快速发展12。世界主要工业技 术国家的热泵干燥技术推广得益于政策性支持。由于热泵干燥能耗低、温湿度易 于控制、干燥品质好，环境低害性等优势，拓宽了应用的技术领域，在农副产品 如粮食种子与食品、果蔬、食用菌、药材等生物物料干燥方面得到广泛应用。热 泵干燥机的类型有箱式热泵热干燥机49、带式热泵干燥机50、流化床热泵干燥 机51, 52、混流热泵干燥机15, 16及热泵联合干燥机53等。研究内容涉及设备性能、 干燥品质保护、热泵自动控制技术、新型节能措施、热泵联合干燥技术等方面。 1.2.1 粮食与食品热泵干燥技术研究进展 （1）热泵干燥设备性能的研究 评价热泵干燥机的性能参数主要有单位时间除湿量（mer） ，单位能耗除湿 量（smer） ，除湿能耗比（spc）和热泵性能系数（cop） 。neslihan colak54 和高广春55认为不能用单一性能指标来评价，应综合考虑mer、smer、spc和 cop才能全面反映热泵干燥系统性能， 影响性能的因素包括空气质量流量、 流速、 温度和环境状态、干燥机结构、处理量、风机型号等因素才能对系统进行优化设 计。chua56, 57等指出热泵干燥机的cop范围为2.08.0，根据热泵干燥机的形式 不同单位能耗除湿量（smer）的变化范围为4.510.054,58。 学者们对热泵干燥技术进行了广泛而深入的研究。 马一太等59对热泵干燥系 统的热力学过程进行分析，提出了“混合火用变化”的概念。马国远等60分析了全 封闭热泵干燥系统的冷凝温度与干燥能力的关系， 确定了冷凝温度和风速的选取 原则。 金苏敏61通过热力学分析和试验表明热泵干燥箱内的温度和湿度差异最大 时，除水能力最强。赵强62绘制了除湿曲线，蒋华等63建立了热泵机组的稳态 特性数学模型，考虑了制冷剂的过冷与过热，压降，热损失和设备性能等因素， 模拟与实际运行结果吻合的好。吴耀森、李浩权64,68提出了热泵干燥性能曲线 概念， 张壁光65分析了临界除湿状态并说明了临界干燥曲线的用途。 张绪坤等66 对比研究了开路式、 半开路和封闭式的热泵能耗和除湿量。 陈东67通过对水循环 式热泵干燥装置的开机时间、调控性能、能源效率进行了理论与数值分析，认为 比普通耦合的热泵升温快、开机时间短，综合能源效率与之相当。 第一章 绪论 4 代建国等69研究了粮食热泵就仓的干燥特性，对常温通风、加热通风、除湿 和加热通风的三种方式进行了对比研究，表明热泵干燥具有优势，建议采取初期 采用热泵和加热结合，后期采用直接通风达到干燥工艺进行作业。上海能源研究 所在 1999 年首次将热泵除湿干燥原理与角状管式的干燥器有机结合，形成闭路 式混流热泵除湿干燥机用于谷物种子干燥， 在节能和种子发芽率方面都具有传统 干燥机无法比拟的优势，形成了典型的热泵干燥机，标准处理量为 2130kg/h，小 时降水量为 94.8kg/h，单位能耗仅为 1940kj/kg h2o16。陈明等14利用热泵干燥 机对含水率为 20%28%的稻谷进行了干燥，结果表明在稻谷干燥品质的发芽 率、降低爆腰率方面具有明显优势，建议采用低于 35的风温干燥稻谷。张进 疆等15利用回热式