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《中国农业大学》 2005年
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热泵干燥热力学分析及典型物料干燥性能研究

张绪坤  
【摘要】:随着经济的发展、技术的进步和世界人口出的增长,人类对能源的需求将不断增加。干燥是一个高耗能的工艺过程,在许多工业生产中干燥耗能高达12%,占全部生产费用的60~70%。因此,干燥所面临的问题就是既要保证产品质量又减少能量的消耗。热泵技术应用于农产品物料干燥具有节约能源、产品质量高、干燥条件可调节范围宽和环境友好等显著优点。本文主要研究热泵干燥系统的工作原理及热力学性质,以胡萝卜为原料进行热泵干燥实验、热泵热风组合干燥实验及干燥产品质量的对比研究。 通过对热泵不同干燥循环特性的分析,表明不同的干燥条件应采用不同的干燥循环。在系统中增加空气回热器可提高系统的效能,但同时也增加了空气流动的阻力,增加了系统的功耗。热泵除湿干燥在温度小于60℃和相对湿度大于30%时能达到最理想的效果。 根据热力学第一定律和热力学第二定律,应用能量平衡及“(火用)”(exergy)方法分析了热泵干燥系统的各部件的(火用)损失和减少(火用)损失的途径。压缩式制冷循环热泵装置(火用)损失的途径大致可归为传热(火用)损失、节流(火用)损失和压缩机(火用)损失三个方面。为了提高压缩式制冷循环热泵装置的(火用)效率,就必须设法减少这三个方面的(火用)损失。 研制了一套综合的热泵干燥试验装置,采用变频技术对压缩机和循环风机的转速进行无级变速,大大地提高了试验装置的适应能力。试验装置既能进行单独热泵干燥或单独的热风干燥实验,也能进行热泵和热风组合干燥实验。通过调节空气流过蒸发器的流速和状态,改善湿热空气通过蒸发器的传热效率,增强了蒸发器的除湿效果。 由不同热泵干燥循环的性能试验可知,开路式热泵干燥循环运行稳定,但蒸发器析水的速率比半开路式循环低。在闭路式热泵干燥循环过程中,随着空气旁通率BAR的增加,流过蒸发器表面空气流速的降低,冷凝效果不断提高。开路式、半路开式热泵干燥循环系统的单位能耗除湿量(SMER)比闭路式高。在闭路式热泵干燥循环过程中,BAR的值在0.4到0.6的范围内,系统的单位能耗除湿量(SMER)较高,当BAR的值超过0.6时,系统的单位能耗除湿量(SMER)反而下降,说明空气旁通率(BAR)有一个合理的范围。 以胡萝卜为研究对象进行了热泵干燥试验研究。胡萝卜片的热泵干燥实验结果表明,热泵适合于高含水物料的前期干燥,由0.4至6小时为快速干燥区,物料的水分呈现明显下降,6小时以后水分下降减慢。特别是在干燥的后期,物料水分从20%降到10%,大约需要3到4个小时。热泵流化床干燥实验表明,热泵流化床干燥在9小时内,能将胡萝卜的水分从90%左右烘干到10%以下,但主循环风机的动力消耗较大,约占系统总能耗的50%左右。 采用热泵与热风组合干燥技术解决了单一热泵干燥时间长的问题,组合干燥既能节约能源又能提高产品质量。实验结果表明,当被干物料达到一定数量时,其耗能只有隧道式干燥的74.1%,网带式干燥的84.7%和真空冷冻干燥的9.4%。组合干燥产品中胡萝卜素的保持率为92%,而单一热泵干燥为80%,热风干燥仅为59%。胡萝卜产品经24小时充分复水后,组合干燥产品复水性比热泵干燥高16.6%,比热风干燥高24.5%。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TK173

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