能源匮乏、环境污染等危机对各工艺过程都提出了新的时代要求, 使得更多的科学家致力于寻求能源循环利用和提高能源利用效率的途径。以热力学定律为基础, 对各环节的能量效率和㶲效率进行计算, 揭示能量在传递和转化过程中的数量特征变化和不可逆性, 可以为设备和工艺改造提供方向[1,2]。食物的腐败大多由于其内部微生物的大量繁殖导致的, 而干燥可降低物料中的水分, 有效地抑制微生物的生长, 从而延长食品的保存周期[3,4]。由于不同干燥技术和设备的发展, 干燥领域呈现多元化, 目前已知的干燥机有400多种, 其中常用的有50多种[5]。另外, 不同物料对干燥条件需求也不同, 这些问题都导致干燥领域耗能的不均匀性。而干燥的耗能又是巨大的, 约占整个工业能耗的10-25%[6]。所以有必要研究如何在低能耗低成本的前提下提高干燥产品的品质。能量分析是在热力学第一定律的基础之上, 忽略了能量的品质高低, 简单表征能量在数值大小上的守恒关系的分析方法, 其可计算系统直接散失到环境的能量, 而无法得到能量转换过程能量品质降低导致的内部损失。衡量能量品质的大小的确切指标就是能量的㶲值。在除环境外无其他热源的条件下, 当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时, 能够最大限度转换为有用功的那部分能量, 称之为㶲[7]。㶲分析能在能量分析的基础上, 指出系统能量品质下降最严重的薄弱环节, 为改进指明一定的方向, 保证高品质能量的高效利用。海棠果, 可入药, 能祛风湿、平肝舒筋, 制成干果后可冲水饮用, 具有良好的食疗保健作用。在我国北方有大面积种植, 但其果多用于新鲜食用, 其干燥工艺尚不明确, 本文以海棠果为待干物料, 利用闭式热泵干燥系统对其进行干燥, 研究干燥过程热泵系统的耗能状况, 为进一步的研究提供试验数据和科学基础。

1 实验方案图1所示为闭式热泵干燥系统原理图。闭式热泵干燥系统包括制冷剂循环和干燥介质循环两部分, 干燥介质在冷凝器处吸收制冷剂放热, 然后在蒸发器处再释放给制冷剂。通常情况下, 为分析方便, 假设如下:在所研究的时间内, 系统运行过程为稳态;流体循环时中无动能、势能、化学能和核能变化;干燥空气为理想气体;空气初始状态参数T0=25℃, P0=101.3k Pa和ω0=50.5%;制冷剂初始状态参数为T0=25℃和P0=101.3k Pa。另外不考虑系统运行过程各环节间的相互作用。                                                                  图1 热泵干燥系统结构原理图Fig.1 The illustration diagram of a closed-loop heat pump drying system    下载原图

1.1 质量守恒干燥过程质量变化涉及热泵系统内制冷剂、干燥介质以及水分蒸发和凝结, 故质量守恒方程可按表1所示计算。表中, mr是热泵内制冷剂的质量流量, kg·s-1;mair是干燥箱内空气的质量流量, kg·s-1;me是干燥物料中水分的蒸发速率, kg·s-1;md是蒸发器处水蒸汽的冷凝速率, kg·s-1;下标a, b, c表示干燥介质分别位于冷凝器后, 干燥物料后及蒸发器后的状态。