農(nóng)產(chǎn)品熱泵烘干房系統(tǒng)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益分析

王中偉 尹志宏 牛憲偉 王華準(zhǔn) 周錚

摘要：對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品加工企業(yè)加工干燥時(shí)，干燥時(shí)間長(zhǎng)、能耗大的問(wèn)題，從節(jié)能的角度出發(fā)，提出了一種節(jié)能的農(nóng)副產(chǎn)品干燥系統(tǒng)。本文中空氣能熱泵烘干房是由云南省農(nóng)機(jī)所研發(fā)，本文介紹了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作流程，并進(jìn)行了烘烤實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該該烤房的性能和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)利用空氣能熱泵作為熱源，不僅縮短農(nóng)副產(chǎn)品的干燥時(shí)間，而且通過(guò)測(cè)算對(duì)比，該系統(tǒng)相對(duì)采用其他干燥系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。

Abstract： For the processing and drying of agricultural and sideline products， the drying time is long and the energy consumption is large. From the point of view of energy saving， an energy-saving drying system for agricultural and sideline products is put forward. In this paper， the air energy heat pump drying room is developed by the Yunnan Agricultural Machinery Institute. This paper introduces the basic structure and working process of the system， and the roasting experiment is carried out to verify the performance and economic benefits of the roast room. The system uses air energy heat pump as the heat source， not only shortens the drying time of agricultural and sideline products， but also has good energy saving effect by comparing with other drying systems.

關(guān)鍵詞：農(nóng)副產(chǎn)品；熱泵；經(jīng)濟(jì)效益

Key words： agricultural by-product；heat pump；economic performance

中圖分類(lèi)號(hào)：S226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0125-03

0 引言

在云南地區(qū)，傳統(tǒng)的農(nóng)副產(chǎn)品加工企業(yè)的干燥過(guò)程通常采用電加熱或燃煤的方式，且無(wú)任何除濕裝置，烘烤房?jī)?nèi)濕度大，導(dǎo)致干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能耗過(guò)大。針對(duì)以上問(wèn)題，云南省農(nóng)機(jī)所在空氣能熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了農(nóng)副產(chǎn)品干燥系統(tǒng)，并根據(jù)干燥過(guò)程的特點(diǎn)對(duì)除濕系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以縮短干燥時(shí)間，降低干燥能耗。

1 材料與方法

1.1 測(cè)試品種

云南七彩花生。本次試驗(yàn)以云南的地方特產(chǎn)—七彩花生，為樣品進(jìn)行設(shè)備的性能測(cè)試。七彩花生的產(chǎn)地位于云南省的西南邊陲，一個(gè)叫孟連的美麗地方。

1.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

云南省昆明市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)工場(chǎng)。

2 烤房簡(jiǎn)介

2.1 空氣能熱泵烘干機(jī)組的主要組成系統(tǒng)

本烤房的主要組成系統(tǒng)包括：主機(jī)（加熱系統(tǒng)），烘干房，循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，排濕系統(tǒng)（干燥系統(tǒng)），排水系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，預(yù)警系統(tǒng)。其中主要的部件有：壓縮機(jī)、電子膨脹閥、貯液罐、氣液分離器、冷凝器、蒸發(fā)器、熱回收器、自動(dòng)控制器、軸流風(fēng)機(jī)、冷媒等等。

其系統(tǒng)組成和工作原理示意圖如圖1。

2.2 烤房實(shí)物圖（圖2）

3 花生烘烤實(shí)驗(yàn)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在花生的干燥過(guò)程中溫度對(duì)其影響較深，直接影響花生的成色與口感。在烘干過(guò)程中采取干燥溫度從低到高的方式。我們采取分階段干燥對(duì)干燥溫度采用三因素三水平正交法得到最佳工藝方案，并用得到的最佳干燥工藝方案進(jìn)行了烘烤實(shí)驗(yàn)。通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而驗(yàn)證此烘干設(shè)備的合理性，可行性、經(jīng)濟(jì)性。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是建造較好的產(chǎn)品樣機(jī)，以及足量的新鮮七彩花生；前期先進(jìn)行三因素三水平正交法得到最佳工藝方案，后期實(shí)倉(cāng)做實(shí)驗(yàn)。

花生含水率為我們需要測(cè)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，含水率測(cè)定的方法為中每2 小時(shí)選取10顆大小均一的花生樣品，以干基濕含量表示含水率，干基濕含量Xm，濕基濕含量Wm分別可以通過(guò)如下

3.2 三水平三因素正交實(shí)驗(yàn)

正交實(shí)驗(yàn)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法。三水平三因素的話(huà)，原本需要27次的實(shí)驗(yàn)，但是采用正交法的話(huà)通過(guò)9次試驗(yàn)的代表性，能較全面地反映出全面試驗(yàn)的結(jié)果，這就是正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所特有的均衡分散性。我們正是利用這一特性來(lái)合理的設(shè)計(jì)和安排試驗(yàn)，以便通過(guò)盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)，找出最佳水平組合。

通過(guò)預(yù)熱、恒速和降速干燥三個(gè)階段最終達(dá)到干燥目的。初始水分越高，選擇的熱風(fēng)溫度應(yīng)該越低。不同干燥溫度對(duì)花生品質(zhì)影響不同，根據(jù)國(guó)外干燥試驗(yàn)的驗(yàn)證，最優(yōu)干燥溫度在30℃～50℃，干燥溫度不得超過(guò)50℃。干燥前期，溫度越高，干燥速率越快，隨著游離水分的蒸發(fā)，剩余的結(jié)合水越發(fā)難排除，為找出最佳的工藝方案，所以采用恒溫干燥設(shè)備進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，并且將三個(gè)階段溫度做為了3個(gè)因素。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各溫段標(biāo)準(zhǔn)為：①初始階段，果殼表皮干燥，陳現(xiàn)黃白色，說(shuō)明果殼表面水分蒸發(fā)完全。②干燥階段，階段結(jié)束時(shí)打開(kāi)果殼，果仁手感有濕度，果仁質(zhì)地稍軟，果仁皮較難剝離。③最終階段，果仁干燥透徹，果仁堅(jiān)硬，呈現(xiàn)濃濃的花生香味，成熟度越高香味越濃。設(shè)計(jì)因素表格如表1。

3.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)上述結(jié)果的分析，干燥時(shí)間較優(yōu)的為A2 B2 C3，此方案為最佳工藝方案。

3.4 最佳干燥工藝方案下的實(shí)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)

我們采用之前設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)于農(nóng)副產(chǎn)品而言，最重要的是賣(mài)相以及口感，所以感官鑒定非常重要，可以根據(jù)觀(guān)察烘烤之后的產(chǎn)品的外觀(guān)特點(diǎn)以及口感，進(jìn)而可以對(duì)位于烘烤房不同位置的產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行鑒定評(píng)級(jí)，如果烘烤房?jī)?nèi)各部位的烘烤質(zhì)量相差無(wú)多，那么就驗(yàn)證了前面章節(jié)對(duì)風(fēng)道改造的可行性，進(jìn)而說(shuō)明本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

在樣機(jī)干燥室內(nèi)，選擇6個(gè)不同的位置放置樣品花生，6個(gè)點(diǎn)位于樣機(jī)內(nèi)各個(gè)位置，并且位置距離大致相同，驗(yàn)證最佳干燥方案下各個(gè)位置的花生干燥速率是否均勻，進(jìn)而驗(yàn)證了均勻風(fēng)道布置的有效。

實(shí)驗(yàn)初始階段溫度在34℃，當(dāng)果殼表面水分蒸發(fā)完全，果殼表皮干燥，陳現(xiàn)黃白色，為提高干燥效率，我們將溫度提高至39℃，此時(shí)果仁質(zhì)地稍軟，果仁皮較難剝離，果仁顏色無(wú)明顯變化，果仁脆度、柔嫩度、細(xì)膩度于生花生無(wú)異。將溫度提升至48℃，試驗(yàn)結(jié)果果仁干燥透徹，果仁堅(jiān)硬，呈現(xiàn)濃濃的花生香味，果仁脆度、柔嫩度、細(xì)膩度有顯著提升。進(jìn)行取樣分析，6個(gè)取樣點(diǎn)，平均每隔2個(gè)小時(shí)各取一次樣品，采用前述的測(cè)水分的方法，分別測(cè)出數(shù)據(jù)，制作成表3，通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，不同位置樣品的含水率差值不大，烘烤比較均勻；通過(guò)目測(cè)法等感官測(cè)量方法，可以確認(rèn)花生烘烤出爐后色澤明亮香味明顯，不同位置花生質(zhì)量較為均勻，進(jìn)而證明了送風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性。

我們?nèi)〉谝蝗狱c(diǎn)的數(shù)據(jù)，做成散點(diǎn)圖，如圖3所示。

從上面的散點(diǎn)圖可見(jiàn)，本設(shè)備烘烤花生的變化曲線(xiàn)與農(nóng)產(chǎn)品干燥曲線(xiàn)基本一致，而且，不同取樣點(diǎn)的含濕量數(shù)值差距不大，進(jìn)而證明本設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

①用三因素三水平正交法得到了花生干燥的工藝方案，按照干燥速率，各溫度段為初始階段溫度在34℃ 干燥階段溫度在39℃最后階段溫度在48℃。

②為了驗(yàn)證我們采用之前設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在樣機(jī)干燥室內(nèi)，選擇6個(gè)不同的位置放置樣品花生，6個(gè)點(diǎn)位于樣機(jī)內(nèi)各個(gè)位置，并且位置距離大致相同，最佳干燥方案下各個(gè)位置的花生干燥速率均勻，進(jìn)而驗(yàn)證了均勻風(fēng)道布置的有效性。

4 效益分析

4.1 除去100kg水的費(fèi)用分析表（表4）

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

①熱泵干燥節(jié)能明顯，與常規(guī)干燥設(shè)備相比，其節(jié)能率一般在60%左右。

②熱泵干燥在電價(jià)錯(cuò)峰期間或者地區(qū)，其干燥成本會(huì)更低。

③熱泵干燥使用清潔能源有利于環(huán)保，建議在企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展過(guò)程中大力推廣使用。

④熱泵干燥與其它能源聯(lián)合干燥節(jié)能效果會(huì)更好，是今后發(fā)展的方向。

4.3 環(huán)境效益

對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，創(chuàng)造了一個(gè)清潔和諧的工作環(huán)境及生產(chǎn)環(huán)境、為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，為企業(yè)的未來(lái)和科技創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、進(jìn)行了有力的帶動(dòng)，符合人與自然、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)律。

5 小結(jié)

熱泵烘干技術(shù)的使用，標(biāo)志著農(nóng)副產(chǎn)品脫水烘干邁向了新方向和新的領(lǐng)域、對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)品烘干方式和烘干設(shè)備具有強(qiáng)有力的沖擊和挑戰(zhàn)。于此同時(shí)、熱泵技術(shù)的應(yīng)用也符合國(guó)家和地方政府提倡的節(jié)能減排、低碳生產(chǎn)生活的呼聲、順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展、可謂勢(shì)不可擋；在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)兩方面發(fā)揮了重大作用、為企業(yè)實(shí)施和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)和行動(dòng)、可行性做出了表率、具有很強(qiáng)的說(shuō)服力，利己利民。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉強(qiáng).密集烤房建造成本及烘烤效果研究[J].作物研究，2009，23（2）：115-116.

[2]羅勇，李明海，李智勇，等.烤煙散葉堆積氣流上升式烤房結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2005，26（1）：47-48.

[3]聶榮邦.烤煙新式烤房研究Ⅰ.微電熱密集烤房的研制[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），1999，25（6）：446-448.

[4]宮長(zhǎng)榮，潘建斌.熱泵型煙葉自控烘烤設(shè)備的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（1）：155-158.

[5]宋朝鵬，陳江華，許自成，等.我國(guó)烤房的建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展方向田中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2009（6）：83-85.

[6]王全喜，王德成，杜建強(qiáng).牧草種子熱泵輔助型太陽(yáng)能儲(chǔ)熱干燥設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（43）：222-226.

[7]趙宗彬，朱斌祥，李金榮，等.空氣源熱泵干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].流體機(jī)械，2015，43（6）：76-81.

[8]張璧光，高建民，伊松林，等.太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥木材的優(yōu)化匹配[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，300 1）：1501-1506.

[9]秦波，陳團(tuán)偉，路海霞，等.紫薯太陽(yáng)能熱泵干燥工藝的優(yōu)化[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，43（1）：91-95.

[10]李陽(yáng)春，王劍鋒，陳光明，等.熱泵干燥系統(tǒng)幾種循環(huán)的對(duì)比分析與研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（6）：84-86.