依靠對流和導(dǎo)熱的傳統(tǒng)干燥技術(shù)，蒸發(fā)濕分所需要的熱量必須從物料表面逐步傳遞到內(nèi)部，這樣在干燥后期階段，物料的外層變得干燥，內(nèi)部濕分向外傳遞的阻力增大，這種現(xiàn)象導(dǎo)致濕分蒸發(fā)量的大幅度降低，干燥周期加長。微波的加熱及干燥機理與傳統(tǒng)干燥明顯不同，微波能穿透電介質(zhì)物料并有選擇的在內(nèi)部發(fā)熱，這種內(nèi)部發(fā)熱建立了物料內(nèi)部的蒸汽壓梯度，濕分強制輸送到物料表面。這種濕分輸送效應(yīng)增加了干燥的速度，并使產(chǎn)品質(zhì)量提高。由于這種獨具的優(yōu)點，微波干燥近年來已經(jīng)用到木材、造紙、紡織、食品及陶瓷等行業(yè)。但是與傳統(tǒng)干燥相比，微波干燥投資高、能量效率低（對高含水量物料）。把微波干燥與高效節(jié)能的熱泵技術(shù)一起使用，其經(jīng)濟性會提高。本文旨在探討熱泵微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)的性能及實用性。
1熱泵微波聯(lián)合干燥試驗裝置
試驗干燥裝置由蒸汽壓縮式熱泵除濕系統(tǒng)和連續(xù)帶式微波干燥室組成，由風(fēng)管連接成一個整體，其系統(tǒng)流程圖所示。磁控管產(chǎn)生的微波能通過微波導(dǎo)管射入干燥室，加熱被干燥的物料，熱量及質(zhì)量傳遞在裝置內(nèi)的兩個循環(huán)（空氣及制冷劑循環(huán)）中進行。
在空氣循環(huán)中，來自干燥室的一部分濕熱空氣直接經(jīng)過蒸發(fā)器冷卻除濕，從蒸發(fā)器出來的空氣與旁通空氣混合經(jīng)過冷凝器加熱后進入干燥室，和微波能一起加熱干燥物料，并吸收物料濕分，從而構(gòu)成空氣循環(huán)。在制冷劑循環(huán)中，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收干燥室出來熱濕空氣的熱量后汽化，汽化后的制冷劑被壓縮機吸入，壓縮機將其溫度及壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中制冷劑放熱給空氣并凝結(jié)為液體，高溫高壓液體*后通過膨脹閥產(chǎn)生低溫低壓的氣液混合物再次進入蒸發(fā)器，從而構(gòu)成制冷循環(huán)。
本研究是想探討將熱泵微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)用于干燥中藥材和農(nóng)產(chǎn)品的可行性，所以試驗干燥系統(tǒng)設(shè)計的*高空氣溫度為70℃。系統(tǒng)選用R142b做為熱泵工質(zhì)；選用QR系列全封閉往復(fù)活塞壓縮機，用變頻器調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速；選用TQ 5型熱電膨脹閥，將蒸發(fā)器過熱度控制在±015℃以內(nèi)；選用2M 137型磁控管發(fā)射微波，它在2145GHz時的*大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率分別為112kW及70%.
為了進行系統(tǒng)的熱力學(xué)分析，就要測量大量的系統(tǒng)參數(shù)，對于空氣回路包括以下參數(shù)：總空氣質(zhì)量流量，旁通空氣質(zhì)量流量，及空氣的干濕球溫度。對于制冷劑回路包括以下參數(shù)：制冷劑的質(zhì)量流量、溫度及壓力。
為了確定熱泵微波干燥器的總性能，磁控管的輸入及輸出能量、空氣循環(huán)風(fēng)機電機的輸入功率、壓縮機馬達的輸入功率、蒸發(fā)器除去的水量、物料的濕含量及產(chǎn)量也必須測量。
試驗中使用的溫度儀表及制冷劑流量計的精度范圍為±013℃，空氣流量計的精度范圍為±2℃。電動機輸入功率的測量誤差在±5%以內(nèi)，除去的水分及物料重量的測量誤差在±1%以內(nèi)，磁控管的輸入功率通過直接測量輸入的電壓及電流值得到，其測量誤差在±015%以內(nèi)，損耗及反射的微波能用二極管探測器測量，其精度在±10%以內(nèi)。
選擇泡沫橡膠作為本試驗的干燥材料，它可以反復(fù)地吸濕、干燥而不會損耗和破壞。
2數(shù)學(xué)模型
在本研究之前，作者已經(jīng)建立了一套模擬熱泵對流干燥系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型，該模型由熱泵子模型和連續(xù)對流干燥室子模型組成，并由質(zhì)量及能量守衡定律將它們聯(lián)系起來。隨著微波加熱及干燥的介入，干燥室模型要考慮消耗到被干燥物料中的微波能，根據(jù)定義，消耗到單位體積電介質(zhì)物料中的微波能與微波電場強度和頻率有關(guān)。
P = 2ΠfΕ0Ε″E 2（1）式中f微波頻率， Hz E電場強度， V mΕ0自由空間的介電常數(shù)， F mΕ物料相對損失系數(shù)世界公認的用于加熱與干燥的微波頻率是2145GHz，因此，消耗到被干燥物料中的微波能僅與物料相對損失系數(shù)和電場在物料中的分布情況有關(guān)。
211微波場的分布
被干燥物料中的微波電場分布及數(shù)值大小是微波源（磁控管）發(fā)出的能量、磁控管在干燥室中的位置、干燥室的幾何形狀和物料的性質(zhì)及空間位置的復(fù)雜函數(shù)，對于一些簡單的幾何形狀，可以采用有限元法及其他數(shù)值方法進行求解，然而對于工業(yè)尺寸的微波干燥器，其實際尺寸大，邊界條件復(fù)雜，使得干燥室內(nèi)微波場分布的數(shù)值計算極為困難，因此，為了分析工業(yè)尺寸的微波干燥問題，必須做一些假設(shè)。并聯(lián)波導(dǎo)管能夠改善使用場合內(nèi)部的微波場分布均勻性，因此，在本研究中假設(shè)干燥室內(nèi)的微波場是均勻分布的，即其電場強度是恒定的。
如果所有磁控管輸送到干燥室的微波能為P m，干燥室內(nèi)平均電場強度可用下式計算：E 2 m = 1 2ΠfΕ0 P m∑n i= 1Ε″i v i（2）式中，Ε″及v i分別為第i控制容積中物料的損耗系數(shù)和體積。于是消耗在第i控制容積中的微波能可用下式計算：P i = 2ΠfΕ0Ε″i E 2 m v i（3）212物料損耗系數(shù)在特定的微波頻率下，物料損耗系數(shù)是其物理性質(zhì)、溫度及含濕量的復(fù)雜函數(shù)，其準確值必須通過實驗來確定。但是，對于熱泵輔助微波干燥，物料溫度變化通常小于30℃，因此假設(shè)214GHz頻率時物料損耗系數(shù)在整個干燥過程中與溫度無關(guān)，因此對于特定的物料，損耗系數(shù)僅是物料含濕量的函數(shù)。文獻<4>指出對于多數(shù)物料，其損耗系數(shù)隨含濕量的變化可以近似用兩條直線表示，即Ε″=Ε″0 + A X（X≥X c）Ε″0 + A X（X < X c）（4）式中，Ε″，Ε″，A，A由試驗數(shù)據(jù)確定，X c為物料的臨界含濕量。
本文用式（4）計算干燥室內(nèi)物料損耗系數(shù)的變化。
將上述微波能分布的簡化模型與熱泵干燥器模型聯(lián)合求解，可以預(yù)測熱泵微波聯(lián)合干燥裝置的性能。
3結(jié)果與討論
從表中可以看出試驗與模擬的結(jié)果基本吻合，*大誤差不超過8% ，在試驗誤差范圍之內(nèi)，從而驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性。
311系統(tǒng)參數(shù)的影響
為了進一步了解熱泵微波干燥器的特性，尋求*優(yōu)設(shè)計，下面分析主要設(shè)計及運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。干燥器的性能用單位能耗除濕量（SM ER）及干燥產(chǎn)量來評價。
空氣旁通率定義為從蒸發(fā)器旁通的空氣質(zhì)量流量與系統(tǒng)中總空氣質(zhì)量流量之比。空氣旁通率對SM ER及干燥物料產(chǎn)量的影響所示。從圖中可以看出，試驗與模擬的結(jié)果基本吻合，且*佳旁通率約為67%（盡量旁通率對干燥器性能的影響不大）。應(yīng)該注意：*佳旁通率受總空氣質(zhì)量流量及蒸發(fā)器進口的空氣相對濕度影響很大。隨著空氣相對濕度增加及總空氣流量減少，*佳旁通率降低。在本試驗中，干燥泡沫橡膠時蒸發(fā)器進口的空氣相對濕度在40%～50%之間，對于這樣低的相對濕度，可以采用較高的旁通率。
試驗及模擬結(jié)果都表明：隨著壓縮機轉(zhuǎn)速增加， SM ER減少，而干燥產(chǎn)量增加。這種趨勢與對流干燥類似，只不過其變化速度較慢。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因為大約一半輸入到干燥室的能量為與壓縮機轉(zhuǎn)速無關(guān)的微波能。
對于特定的設(shè)計，必須保持干燥產(chǎn)量及SM ER的均衡。
SM ER及干燥產(chǎn)量隨總空氣質(zhì)量流量的變化所示。從該曲線可以看出試驗與模擬結(jié)果吻合很好，該曲線表明：在研究的范圍內(nèi)干燥器的性能對總空氣質(zhì)量流量不敏感。這種現(xiàn)象或許是由于通風(fēng)機的輸入功率小于系統(tǒng)總輸入功率的10%這個事實造成的。這一點與熱泵對流干燥不同，熱泵對流干燥時存在*佳的總空氣質(zhì)量流量。
312熱泵微波干燥和對流干燥的比較
下面對熱泵微波干燥和對流干燥的能量效率和產(chǎn)量作一比較。輸入不同微波能時干燥泡沫橡膠的試驗結(jié)果摘錄中。所有情況下熱泵輸入功率約為4kW.清楚地表明：與對流干燥相比，微波干燥可以提高產(chǎn)量，但隨著輸入微波能增加，干燥器SM ER減少，當輸入的微波能從0增加到415kW時，試驗干燥器的SM ER從213減少到112kg （kW h）。
發(fā)電效率取30%，按照一次能源消耗將熱泵微波聯(lián)合干燥器的SM ER進行換算，換算結(jié)果所示。傳統(tǒng)的蒸汽加熱干燥器，能達到的*高SM ER約為0155kg （kW h）。從表中可以看出，試驗干燥器使用一個磁控管時的一次能源消耗與設(shè)計*完善的傳統(tǒng)干燥相當，而使用多個磁控管時微波干燥器的能量效率低于設(shè)計完善的蒸汽干燥器。應(yīng)該指出的是：在設(shè)計本試驗干燥器時，由于受到場地和經(jīng)費的限制，干燥室的尺寸做得比較小，嚴重限制了試驗干燥器的效率。因此，經(jīng)過仔細設(shè)計的熱泵微波聯(lián)合干燥在能量利用方面可以和傳統(tǒng)對流干燥競爭。
313蔬菜的干燥
為了研究熱泵微波聯(lián)合干燥器在干燥實際商品時的性能，用胡蘿卜片和整姜在試驗干燥器上進行了試驗，結(jié)果摘錄中。結(jié)果表明：熱泵微波聯(lián)合干燥器在干燥胡蘿卜片時的性能與干燥泡沫橡膠類似；在干燥整姜時其性能降低很多，這是由于姜的高吸濕性造成的，同時姜結(jié)實的外皮也使其向表面擴散濕分更加困難。
4結(jié)論
?。?）空氣旁通率、壓縮機轉(zhuǎn)速及總空氣質(zhì)量流量等系統(tǒng)運行參數(shù)對熱泵微波聯(lián)合干燥器SM ER和干燥產(chǎn)量的影響與這些參數(shù)對熱泵對流干燥器的影響相似，僅有的差別是其變化速度比熱泵對流干燥器低。
?。?）與熱泵干燥相比，熱泵微波聯(lián)合干燥可以提高干燥產(chǎn)量，但SM ER降低，其大小與微波能的輸入量成比例。從試驗的真實性而言，這一現(xiàn)象是微波加熱器（應(yīng)用器）駐波過大所致。
?。?）通過精心設(shè)計，熱泵微波聯(lián)合干燥在能量消耗方面可以做到與傳統(tǒng)對流干燥相當。
（4）干燥整姜和胡蘿卜片的試驗結(jié)果表明：微波干燥器的SM ER受被干燥物料特性的影響很大，對于象姜這樣的高吸濕性物料，其SM ER下降很多。
網(wǎng)友評論
共有0條評論