太阳能热泵联合干燥技术在农副产品中应用与展望

太阳能热泵联合干燥技术在农副产品中应用与展望
白旭升;李保国;朱传辉;苏树强
【摘要】Drying was widely used in processing industries such as industry of agriculture, food and aquatic products. A wide range of solar energy can be taken full advantage of by the combined drying for solar energy and heat pump devices, meanwhile some problems of solar energy for the instability, easily affected by weather and other factors would be solved and it had broad application prospects. In addition, the combined drying for solar energy and heat pump devices were gradually promoted and applied because of its energy saving, improving the quality of the dried product and other factors in drying industry. The purpose of this paper is to comprehensively expound the drying mode of combined drying for solar energy and heat pump, and its application situation on the drying industries such as timber, agricultural products was reviewed. Besides, the research and development trend of combined drying for solar energy and heat pump were put forward. It can be used to direct the selection of drying technology.%干燥技术被广泛应用于农业、食品和水产品等加工领域.太阳能热泵联合干燥装置既能充分利用广泛的太阳能资源,同时又能解决太阳能不稳定、易受天气影响等因素,具有广阔的应用前景;又因其节能,改善干燥产品品质等因素,而逐渐被干燥行业所推广应用.阐述了太阳能热泵联合干燥的工作模式,综述了太阳能热泵联合干燥在木材、农副产品等行业的应用现状,并提出了太阳能热泵联合干燥技术的现存问题和发展展望,可为干燥技术的选择提供参考.
【期刊名称】《包装与食品机械》
【年(卷),期】2017(035)003
【总页数】6页(P57-61,69)
【关键词】太阳能;热泵;联合干燥;节能
【作者】白旭升;李保国;朱传辉;苏树强
【作者单位】上海理工大学能源与动力学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力学院,上海 200093;上海筑能环境科技有限公司,上海 201200
【正文语种】中文
【中图分类】TS255.3
能源与环境成为当今世界两大突出的社会问题，由于煤、石油、天然气等化石能源的日益短缺和环境的破坏，各国都在积极寻求常规能源的替代品，新能源的开发备受关注。

据统计，作为大的能耗产业，我国每年大约有10%～20%的燃料应用于干燥领域［1］。

因此，开发清洁、节能的干燥方式，成为研究的热点。

太阳能是可再生的绿色能源，其取之不尽、安全、清洁无污染的特点受到了人们的重视。

太阳能光伏发电、太阳能光热的利用已迅速发展起来，太阳能干燥技术也得到了较快的发展。

太阳能热风干燥是利用太阳能集热器收集热量，对干燥介质通常为空气进行加热，经风机送入干燥室，对其中的物料进行干燥。

但是太阳能干燥易受季节、地理和昼夜等规律性变化的影响，此外阴雨天气等随机因素的制约，也给太阳能干燥技术的推广带来了困难。

为了解决太阳能干燥受外界因素限制的问题，需要将太阳能与其他干燥方式相结合。

作为一种节能的干燥技术，热泵干燥是通过
从低温热源中吸收热量，对空气加热后进行物料的干燥。

因此，将太阳能与热泵联合组成一种新的干燥方式，既能克服太阳能不稳定的缺陷，又能满足农副产品低温干燥的需要。

本文针对太阳能热泵联合干燥应用现状进行了综述，并对其在应用过程中存在的问题及发展前景进行了展望，以其为干燥技术的选择提供参考。

1.1 太阳能热泵干燥系统
太阳能热泵联合干燥装置是由太阳能干燥装置和热泵干燥装置联合优化组合而成。

其中太阳能干燥系统包括太阳能集热器、循环风机、干燥室等，部分系统中还加入了储热罐或集热水箱等装置。

按照空气流动方式，太阳能干燥装置可分为自然流动式和强制对流式，其中强制对流式又分为温室强制对流干燥、温室集热器型和隧道式太阳能干燥［2］。

根据阳光是否直射到物料上，太阳能干燥装置可以分为温室型、集热器型和集热器-温室型干燥装置，还有与常规能源相结合的方式。

大型太阳能干燥装置多数为集热器型，大都与常规能源结合以保持干燥过程的连续性［3］。

热泵干燥系统包含热泵系统和干燥系统，热泵系统是由蒸发器、压缩机、节流阀、冷凝器等主要部件构成封闭回路。

通过输入少量高品位能源（如电能）实现低品位能源（如空气）向高品位的转变［4］。

图1所示是热泵干燥系统原理图。

热泵系统内的制冷工质，在蒸发器中吸收来自干燥室中所排放的废气余热，废气中的大部分水蒸气在蒸发器侧被析出排掉，制冷工质由液体蒸发为饱和蒸气，后经压缩机压缩升温升压后进入冷凝器中，高压高温的制冷工质在冷凝器中放热，放出的热量加热低温干空气，将低温干空气加热后进入干燥室内干燥物料，降温降压并液化后的制冷工质经节流阀再次回到蒸发器内，完成循环并达到干燥的目的。

1.2 太阳能热泵干燥技术
太阳能热泵联合干燥技术是将低成本、无污染的太阳能资源与节能的热泵技术结合
在一起，实现对农产品、果蔬、木材、水产品等t的干燥过程。

将热泵系统应用于干燥过程中，弥补了太阳能受环境影响因素较大、热流密度低的问题，同时具备除湿的特点，能够控制干燥室内的相对湿度，可提高系统的性能系数、减少能源的消耗。

Yu Qiu对太阳能热泵干燥系统进行了研究，系统中加入了储水罐以有效回收
热量并改善太阳能的利用状况，同时根据太阳能辐射强度，系统可自动切换运行模式，结果表明在太阳能和热泵联合干燥模式下，系统可节省40.53%的能耗［5］。

Mohanraj对太阳能与热泵并联式系统进行了性能测试，结果表明联合系统的平均COP可达2.54，单位能耗除湿量为0.79 kg/kW·h［6］，节能效果显著。

Seyfi Sevik等利用双通道太阳能集热器，提高了系统太阳能的集热效率，同时，系统加入了光伏单元，热泵机组及风机所需要的电能由太阳能提供［7］。

1.3 太阳能热泵干燥装置组合形式
太阳能与热泵联合干燥装置有四种组合模式：直接膨胀式、串联式、并联式、混联式。

直接膨胀式是指热泵的蒸发器直接连接在太阳能集热器中，组成集热-蒸发器。

太
阳能集热器将光能转化为热能，制冷剂吸收热量后，将热量传递到冷凝器加热干燥空气，对干燥室内的物料进行干燥。

Hawlader等研究表明集热-蒸发器的效率随
着制冷剂流量的增加而增大，最高可以达到0.87［8］。

串联式是将太阳能集热器收集到的热量储存在集热水箱中，热泵工质吸收热量后，将热量转移到冷凝器，与室外空气进行热量交换，将加热的空气送入干燥室中进行干燥。

李宏燕等研究了太阳能与热泵干燥的串联形式，在太阳能不同的供热温度下对压缩机的工作性能进行了研究。

结果表明提高热泵的蒸发温度，可改善压缩机的工作环境，从而提高热泵供热的COP［9］。

并联式是指太阳能干燥和热泵干燥即可单独使用又可以联合使用，如图2所示，
当日照条件较好时，单独采用太阳能空气集热器加热环境空气进行干燥；当日照条
件不足时，则开启热泵加热干燥［10］。

罗会龙等采用太阳能集热器和热泵系统
并联的连接形式，解决了单一的太阳能干燥受天气影响的缺陷。

通过干燥试验，得到了太阳能热风干燥和热泵热风干燥的能效比分别为2.40、1.80 kg/kW·h，二者联合运行的能效比约为1.83～2.32 kg/kW·h［11］，具有显著的节能效果。

混联式是串联和并联相结合的连接方式，如图3所示。

太阳能条件好时，系统可从蒸发-集热器直接吸收热量；太阳能辐射不足时，切换
成热泵模式进行干燥，充分发挥了热泵的稳定性和可靠性。

吴鹏辉等设计了一套混联式太阳能热泵干燥系统，太阳能以直接和间接两种方式介入于干燥过程。

采用该装置干燥萝卜等几种典型物料，得出冷凝器温度在47.6 ℃，冷凝温度和蒸发温度差在12 ℃左右时，整机性能较好，干燥的产品品质较佳［12］。

2.1 太阳能热泵干燥农产品
农产品由于含水量高，季节性强，上市量集中，若不及时处理易腐烂变质。

采用太阳能和热泵联合干燥农产品，可避免损失，延长产品的保存时间并保持其营养成分［13］。

2.1.1 菌菇类干燥
菌菇类产品质地细嫩，采摘后鲜度迅速下降，影响产品的风味与价值。

通常将菌菇类产品干制以增加贮藏期，减少损失。

Seyfi Sevik等进行了太阳能热泵联合干燥装置干燥蘑菇的研究，采用PLC控制系统，实现太阳能干燥、热泵干燥和太阳能辅助热泵干燥三种模式之间的切换。

通过试验比较得出：系统的COP在2.1～3.1之间，能量利用率（EURs）在0.42～
0.66之间，单位能耗除湿量（SMER）在0.26～0.92 kg/kW·h之间。

风温45 ℃，风速为310 kg/h时，干燥的蘑菇品质最好［14］。

2.1.2 茶叶干燥
茶叶干燥加工，要求在去除茶叶中水分的同时形成不同感官品质。

采用电加热、锅
炉加热干燥茶叶时，需消耗大量的能源，成本高，并造成环境污染。

太阳能热泵联合干燥茶叶，既能满足清洁、节能、连续化生产的要求，又能保证茶叶的感官品质，是一种较理想的干燥方式［15］。

明廷玉等应用太阳能热泵联合装置干燥茶叶，采用具有PCM蓄能芯的空气式太阳能集热器和余热回收装置，提高了热量的利用率。

相比于传统的电加热或燃煤蒸汽干燥，节能可达40%以上，茶叶的香气和口感均有所提升［16］。

2.1.3 中药材的干燥
目前，我国中草药大多采用晾干，阴干和烘房烘干的方法，其干燥时间长且对药性有影响［17］。

而采用太阳能热泵联合干燥来进行中草药（如枸杞）的干燥，平
均干燥周期比自然晾晒干燥周期缩短2/3，并且干燥后的感官品质高，多糖和维生素保存率均高于自然晾晒产品［18］。

太阳能热泵联合干燥因其具有节能、高效、操作简便等优点，在药材干燥行业有潜在的应用前景。

2.2 太阳能热泵干燥水产品
生鲜水产品的含水率一般为75%～80%，脂肪和蛋白质含量丰富，容易腐败。

通
常对于水产品的加工主要分为冷冻加工和干燥加工。

郭胜兰等利用太阳能热泵联合干燥装置干燥罗非鱼，并对干燥装置、干燥过程及其特性进行研究。

结果表明：在干燥前期，采用热泵干燥，可提高产品品质以及干燥速度［19］。

目前，采用太阳能热泵联合干燥对于水产品的研究较少。

主要原因
在于水产品中的水分存在于脂肪和油脂中，脱水较困难，干燥周期较长。

2.3 太阳能热泵干燥烟草
传统烟草烘干通常采用燃煤或薪柴，容易造成能源的浪费和环境污染，且在干燥过程中容易形成质量较差的烟草。

彭宇等利用热泵型太阳能密集烤房对烟叶进行烘干，结果表明单独使用热泵干燥烟叶时，系统可节能24.29%；采用太阳能和热泵联合干燥，可比单独使用热泵干燥节能32.86%，节能效果显著，且烘烤的烟叶质量明
显提高［20］。

董贤春等利用太阳能与热泵联合装置干燥烟叶，试验测得干燥室
内部温室度均匀，干燥后的烟草外观品质有较大的改进，能耗可降低35%左右［21］，节能优势明显。

2.4 其他产品的干燥
其他如陶瓷胚料、化工、木材的干燥，也可以使用太阳能和热泵联合干燥。

饶宾期等利用太阳能热泵联合干燥污泥，干燥结果表明：系统平均可节省电量10%左右，与燃油、燃气及直接电加热等干燥方式相比，节能效果显著［22］。

张力等采用
太阳能与双热源热泵联合干燥系统干燥落叶松，结果表明太阳能热泵联合干燥可以缩短木材的干燥时间，提高干燥效率，节能效果显著［23］。

3.1 现存问题
太阳能热泵联合干燥技术具有节能环保、提高产品品质等优点，但同时存在着设备初投资高、对系统自动运行程度要求高、维护要求高等问题。

3.1.1 设备的初投资较高
与传统烧煤干燥、电加热干燥相比，太阳能热泵联合干燥装置的初投资较高。

影响了太阳能热泵联合干燥的推广。

3.1.2 干燥工艺的研究
合理的干燥工艺可以实现干燥过程的高效与节能，但目前大多数研究都着眼于联合干燥装置的开发，对于物料内部传热、传质机理的研究还比较少［24］。

为了将
太阳能与热泵联合干燥装置更广泛地应用于各类产品的干燥中，必须研究不同干燥产品含水率变化与干燥温度及干燥时间的关系，为产品干燥制定最佳的干燥控制方案提供依据。

3.1.3 装置维护要求高
单独采用太阳能干燥时，系统没有运动部件，维护要求较低；但采用太阳能热泵联合干燥时，热泵干燥机中有较多的运动部件，压缩机、蒸发器、冷凝器、过滤器等装置都需要定期维护，以保证热泵干燥装置处于良好的运行状态，否则热泵干燥系
统将受到较大的影响。

因此，对于装置的维护要求较高。

3.1.4 干燥规模小，生产不连续
太阳能和热泵联合干燥装置通常要采用干燥箱，由于干燥箱体体积有限，每次所能干燥的物料较少，故干燥的规模较小；同时，由于干燥室采用箱式结构，被干燥物料通常又采用人工装料，产品完成干燥后，需从干燥箱中取出，再装入另一批进行干燥，难以实现连续性、大批量的生产。

3.2 发展展望
目前，太阳能热泵联合干燥的研究，主要集中在木材和部分农产品的干燥；太阳能干燥装置和热泵的连接主要采用混联的连接方式。

结合目前该装置现存的问题，太阳能热泵联合干燥有以下方面有待研究。

3.2.1 提高系统节能效率
利用太阳能和热泵联合干燥技术，节省了大量的常规能源，但系统运行过程中存在着热量的散失，可在系统中加入余热回收装置，对干燥房排出的高湿空气进行余热回收，可减少太阳能集热面积、热泵机组的冷、热负荷。

3.2.2 开发自动控制系统
干燥是一个非稳态传热传质的过程，各状态点的参数值有较大的幅度调整。

若采用手动调节，难度较大。

因此，开发自动控制系统，提高太阳能与热泵机组的衔接性和干燥介质的控制精度，实现水分、温度的在线监测和智能控制。

3.2.3 优化干燥室结构
干燥室内的温度场和热风流速场的均匀性直接影响物料的干燥效果，因此借助于CFD技术对干燥室内流场进行仿真模拟，设计合理的干燥室结构应成为研究的重点。

3.2.4 太阳能集热器的研究
太阳能与热泵联合干燥系统中最重要的部件是太阳能集热器，对于集热器的设计创
新方面应加强研究，提高集热器对太阳辐射的吸收效率将进一步提高能源的利用率。

3.2.5 其他形式热泵联合干燥的研究
目前的研究多集中在太阳能与空气源热泵系统的研究，而对其他形式热泵联合联合干燥技术的研究较少，作为节能装置的重要组成部分，若能将地源热泵、水源热泵与太阳能联合进行干燥，可进一步降低能源消耗，减少环境的污染［25］。

因此，其他形式热泵联合干燥的研究显的十分重要。

太阳能是一种低成本、无污染的环保能源。

不足之处是其不稳定、不连续、热效率低等。

热泵干燥也是一种节能的干燥方式，将太阳能和热泵联合起来对物料进行干燥，一方面可以缩短干燥时间，同时还可提高干燥产品的品质；另一方面，与其它干燥形式相比，采用太阳能热泵联合干燥可节省能源，同时又清洁环保。

太阳能热泵联合干燥研究需要综合多学科的知识，目前对于装置的开发和优化的研究比较成熟，但是对于联合干燥装置的精确控制、干燥室的模拟和物料干燥传热、传质的分析研究还比较少。

随着研究的不断深入，太阳能热泵联合干燥技术将会受到干燥行业的更多关注，具有广阔的发展前景。

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