低溫環境下熱泵熱風干燥藏藥性能試驗

高 萌，李 明，王云峰，余瓊粉，李 坤，孫 偉，羅 熙

·研究速報·

低溫環境下熱泵熱風干燥藏藥性能試驗

高 萌1，李 明1※，王云峰1，余瓊粉1，李 坤2，孫 偉2，羅 熙1

（1. 云南師范大學 太陽能研究所，昆明 650500；2. 云南師范大學 物理與電子信息學院，昆明 650500）

為提升低溫環境下藏藥干燥特性，該研究提出回熱、噴焓熱泵干燥系統模式，并通過試驗探究所設計系統持續運行的穩定性及能效特性，獲取低溫條件不同方式載物模式下熱泵連續運行的特性及變化規律。研究結果表明：在冬季高原嚴寒大溫差（30 ℃）下，回熱型熱泵系統換熱器換熱效率平均為13.58%。噴氣增焓熱泵系統（?13.39～16.69 ℃）最低制熱系數COP（Coefficient of Performance, COP）比普通渦旋熱泵系統（?11.4～18.3 ℃）提升了51.5%，COP平均提高16.9%，有效提高了低溫下系統制熱能效。物料擺放方式以及鋪料厚度對干燥效果影響顯著，當裝載量為100%，碼放高度20 cm時，物料成品表皮色澤金亮，干燥度均勻，單位能耗除濕量SMER（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）大。與傳統方式相比，對同等數量的物料，熱泵干燥耗時僅為傳統陰干方式的1/9，且成本降低1 160元/t，同時避免了環境的二次污染。研究結果表明回熱、噴焓型熱泵系統能滿足低溫工況下藏藥材干燥所需的能量供給且能夠穩定運行。

干燥；溫度；熱泵；系統性能；藏藥；高寒大溫差；COP

0 引 言

藏藥有近兩千年歷史，僅次于中醫藥學。藏藥秦艽（），龍膽屬多年生草本植物，有止痹痛、清熱解毒等功效[1]。新鮮秦艽不能直接入藥，故干燥作為初加工步驟，必不可少。目前秦艽干燥多用自然陰干或傳統烤房烘干等方法。

干燥技術的應用領域很寬，而且在工業生產中所需要的能量消耗巨大，約占全部能耗的12%～20%。在中國，中藥材傳統的干燥方法有陰干、曬干以及烘干等[2-6]，以上方法存在干燥周期長、人力物力需求大、生產效率低及難以嚴格控制等缺陷且缺乏科學系統的理論。為提高能源利用率，降低能耗，已有一些學者結合藥材干燥過程的特殊性、復雜性，把現代社會新技術應用于中藥材干燥中[7-10]。丁昌江等[11]用高壓電場干燥技術對知母、西洋參等中藥飲品進行干燥，比烘箱干燥有效成分保留率高，干燥時間縮短。宗文雷等[12]利用熱泵干燥蒜片、姜片，產品復水率高；邱羽等[13-14]分別研究熱泵干燥香菇特性，結果表明干燥溫度是影響熱泵干燥時間的主要因素，且風溫、風速對香菇品質影響較大。熱泵干燥技術[15-22]目前已廣泛應用于木材、糧食、食品加工及紡織行業中，該技術具有對溫度、濕度、氣流速度可控性，環保，低成本，高效節能等諸多優點。

上述研究均在環境溫度15 ℃以上進行干燥。盡管已有研究者用熱泵在常溫下干燥藥材，且用回熱方式提高系統性能有了一定的研究[23]。云南迪慶藏族自治州地處云貴高原，平均海拔3 300 m以上，在嚴寒冬季，環境溫度波動變化大，整體呈現出“年差小，日差大”的特征。在畝產量達200～250 kg的秦艽種植藏區香格里拉，冬季晝夜溫差可達30 ℃以上，夜晚溫度通常在?10 ℃以下，而藏藥收獲且干燥的時間一般在嚴寒冬季，且一般500 kg藏藥干燥時間均需48 h以上。采用空氣源熱泵系統干燥可以有效提升藥材干燥效率，但在冬季使用熱泵進行干燥將出現白天性能較好、但夜晚環境溫度達?10 ℃時熱泵機組表現出蒸發器結霜量大、運行不穩定、供熱不平衡的問題。熱泵回熱系統即通過熱回收器回收干燥箱排出濕空氣中的余熱或廢熱，并作為供熱使用，可提升熱量利用率。通過計算換熱效率來分析高原嚴寒地區熱泵干燥系統的回熱性能。該地區傳統干燥方式多為自然陰干或以燒柴、煤等為代價的熱風方式進行烘干，生產成本高、污染嚴重等問題存在。為此，本文在回熱基礎上采用非噴焓、噴焓2種方式進行低溫工況下藏藥干燥特性的研究并進行對比分析，并與傳統陰干方式進行比較，從而獲取高寒大溫差特征下的熱泵干燥藏藥特性分析，為藏藥干燥加工業的干燥特性及產業化提供理論依據和技術支持。

1 熱泵干燥系統設計及其工作原理

為對藏藥干燥系統在低溫環境下的運行工況進行分析，本文采用回熱式方法進行設計與試驗，系統結構如圖1所示。

1.干燥箱　2.物料架　3.大門　4.勻風風機　5.回風風道　6.3號閥門　7.1號閥門　8.2號閥門　9.新鮮空氣　10.換熱器11.冷凝器12.壓縮機　13.膨脹閥　14.蒸發器　15.風機16.溫度傳感器17.熱風

系統工作原理為：蒸發器（14）內冷媒（R22）吸收低溫熱源（環境）中的熱量汽化；經壓縮機（12）等熵壓縮成高溫高壓氣體，進入冷凝器（11）冷凝放熱，由風機（15）將熱風吹入干燥箱（1），打破物料內部濕熱平衡，排出水分，最終實現干燥目的。為了改善熱泵系統運行穩定性，降低蒸發器結霜情況，提高制熱能效，利用換熱芯體（10）回收利用排氣廢熱。同時為了優化低溫下系統性能，通過噴氣增焓壓縮機（12）的2級節流中間噴氣技術，即由中間壓力回氣噴射口補充制冷劑，從而增加壓縮機排氣量，冷凝器內循環制冷劑量增加，實現提升制熱能力的目的。為進行系統分析，布置了T型熱電偶進行溫度測量。

該系統主要包括2部分：干燥箱和熱泵系統。干燥箱（長×寬×高為3.9 m×2.1 m×2.3 m），容積約15 m3，額定裝載量為1.5t。其包含有：4個8層結構的物料架（長1.8 m×寬0.6 m×高1.7 m），層間距為20 cm；勻風風機，由3×3的陣列分布的9個小風機組成。熱泵系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、換熱器、風機、膨脹閥等部件組成。

2 試驗方法

2.1 材料與儀器

該試驗選取云南省迪慶藏族自治州香格里拉市新鮮采挖的藏藥秦艽作為試驗材料。秦艽初始含水率為75%～83%，根部整體不切片干燥，堆積厚度分別為10、20 cm，厚度誤差±2 cm。

試驗所采用測試具體參數詳見表1。

表1　試驗測試儀器

2.2 測定指標

2.2.1 熱泵干燥系統的性能指標

換熱器效率即熱泵干燥系統對干燥箱內部濕空氣進行熱回收的效率[16]，用以表征系統回熱吸收利用率：

式中wet為換熱器實際換熱熱流量，W；max為理論上換熱器最大換熱熱流量，W；q為換熱流體最小質量流量，kg/h；c為換熱流體比熱容kJ/(kg·℃)；Δmin為換熱流體進出口最小溫差,℃；wet進入換熱器濕空氣溫度，℃；ai進入換熱器新鮮空氣溫度，℃。

熱泵干燥系統的制熱能效系數COP（Coefficient of Performance），表示系統能源轉換效率之比：

式中P為熱泵冷凝器制熱功率，W；m為空氣流進冷凝器的質量流量，kg/h；pa為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；lo為冷凝器出口的空氣溫度，℃；li為冷凝器進口的空氣溫度，℃；d為干燥過程中的某時刻。

單位能耗除濕量SMER（Specific Moisture Extraction Rate），指每單位能耗除去水分的質量，用以表征系統干燥過程中使用能量的有效性：

式中m為濕物料初始質量，kg；m為所得干物料質量，kg；為系統干燥過程總耗電量，kW·h。

2.2.2 物料干燥特性測試指標

物料的含水率，用以表征物料本身所含水分占比，可作為干燥進行程度的判斷指標,干燥物料的干基含水率[20]表示為

式中m為濕物料中濕分質量，kg。

干燥物料的干燥速率[19]，即干燥水分排出的快慢程度：

式中MC和MC+dt分別為MC在和+d時刻的含水率。

干燥物料的失水率，即物料干燥過程中的水分變化：

式中m為時刻濕物料質量，kg。

3 結果與分析

3.1 高寒大溫差工況下系統回熱性能試驗分析

如圖2a所示，普通渦旋壓縮機熱泵系統換熱器進口濕空氣溫度范圍為：6.28～53.63 ℃，換熱器進口新風溫度范圍為：?11.88～18.29 ℃，濕空氣溫度遠遠高于新風溫度，新風在換熱器內經熱傳導與濕空氣進行熱交換，換熱后新空氣溫度為?10.04～21.61 ℃；如圖2b所示，噴氣增焓壓縮機熱泵系統換熱器進口濕空氣溫度范圍為：10.39～62.29 ℃，換熱器進口新空氣溫度范圍為：?13.24～16.69 ℃，濕空氣溫度遠遠高于新風溫度，新風在換熱器內經熱傳導與濕空氣進行熱交換，換熱后新空氣溫度為?10.04～21.61 ℃。由公式（1）計算得，普通渦旋壓縮機熱泵干燥系統換熱器瞬時換熱效率范圍為6.29%～66.95%，平均值為13.58%；噴氣增焓壓縮機熱泵系統換熱器瞬時換熱效率范圍為4.59%～58.14%，平均值為9.56%。而邱羽[24]在昆明環境溫度為16.8～29.7 ℃條件下，通過試驗測得空氣源熱泵回熱系統換熱器瞬時效率為23.0%～84.8%，均值41.2%。

在高原冬季大溫差環境下，環溫晝夜起伏變化大，系統熱損大，且濕空氣中水分含量高，大量熱能被濕空氣損耗，造成余熱回收利用率低。高寒大溫差工況下，普通渦旋壓縮機熱泵回熱系統換熱器最高換熱效率與溫和地區相比降低了21%，平均換熱效率降低了67%；由于環境溫度進一步降低，導致噴氣增焓熱泵系統換熱器最高換熱效率與溫和地區相比降低了31.4%，平均換熱效率降低了76.7%。綜上，結合傳熱學換熱基本原理可知，環境溫度越低，晝夜溫差越大，導致換熱器換熱效率越差。

3.2 冬季嚴寒大溫差下回熱系統運行特性分析

為測試冬季嚴寒大溫差（30 ℃）工況下的普通渦旋壓縮機系統性能特性，課題組分別在2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日進行2組藏藥干燥測試。由于夜間溫度低，系統制熱性能較低，故第一組試驗，采取日間工作、夜間停機的分段式間接干燥（環溫：?4.3～19.9 ℃，溫差24.2 ℃），主要測試系統在白天溫差波動較小工況下的運行特性；第二組試驗，系統晝夜連續不間斷干燥（環溫：?11.4～18.3 ℃，溫差約30 ℃），測試系統晝夜大溫差下連續不間斷運行特性。

圖2 換熱器進出口空氣溫度

系統只在日間間接性運行較系統晝夜連續運行時，環境溫度波動小，干燥箱入風口溫度變化斜率較大，即溫升速度快，表明環境溫度變化幅度對系統制熱性能影響明顯。當環境溫度最低為?4.3 ℃時，干燥箱入風口溫度11 ℃，而當環境溫度最低為?11.4 ℃時，干燥箱入風口溫度僅0.53 ℃。即環境溫度下降7.1 ℃，入風口溫度下降10.47 ℃。環境溫度波動起伏變化越大，干燥箱入風口溫升速度越慢，系統制熱性能越低；反之亦然。由于高寒大溫差波動劇烈，壓縮機壓比升高，容積效率降低，制冷劑循環量減少，造成系統制熱性能降低，導致干燥箱入風口溫度急劇下降，結果如圖3所示。

由公式（4）計算可知，整個干燥過程中普通渦旋壓縮機熱泵系統瞬時制熱能效（COPo）變化范圍為1.01～2.73，平均制熱能效（COPao）為1.89。

分析干燥過程中普通渦旋壓縮機系統在冬季不同自然環境溫度下的連續運行的性能特性。如圖4所示，普通渦旋壓縮機熱泵系統的COPo隨著環境溫度變化呈規律性變化，環境溫度越高，COPo升高速率越快。當1月18日環境溫度低至?11.4 ℃，系統COPo亦隨之下降，至最低值1.01，熱泵系統幾乎不起作用，即環境溫度低于?11.4 ℃，普通渦旋壓縮機熱泵系統幾乎不制熱。且環境溫度（?2.82～8.66 ℃）波動越小，即日均環境溫度越高，則日均COPao越高；環境溫度（?11.4～18.3 ℃）波動越大，即日均環境溫度越低，系統制熱性能（1.01～2.59）波動越大；日均COPao越低。

圖3 環境溫差對干燥箱入風口溫度的影響

圖4 系統性能

綜上分析可知，普通渦旋壓縮機系統可以滿足低溫下熱泵干燥熱量需求，但系統波動性較大，制熱性能平均值較低，且在低至?11.4 ℃環境溫度時，COPo最小值僅為1.01。

為了提升低溫下熱泵系統的制熱性能，提高其適應性、穩定性，在原有基礎上選取噴氣增焓壓縮機代替原普通渦旋壓縮機，并于2019年1月3日－1月7日進行試驗測試。噴氣增焓壓縮機熱泵系統在制熱過程中，各階段循環工質流量不同。如圖5所示為高寒大溫差工況下噴氣增焓壓縮機熱泵系統制熱過程的壓焓圖，其中冷凝器內高壓制冷劑放熱后分為：制冷回路和補氣回路。2′-4冷凝放熱過程，產生高熱空氣進入干燥箱，制冷劑變為低溫低壓氣液混合態；4-6絕熱節流過程，一次節流；6-7補氣吸熱蒸發過程，制冷劑節流后經中間經濟器噴入壓縮機內；6-4′制冷劑蒸發冷凝放熱過程；4′-5′制冷劑蒸發絕熱節流過程，二次節流；5′-1制冷劑蒸發吸熱過程，蒸發器內制冷劑從環境空氣中吸熱；1-8壓縮機的絕熱壓縮過程，得到高壓制冷劑；8-9-7制冷蒸氣與補氣蒸氣混和過程，高、低壓蒸氣混和變為中壓蒸氣；9-2′壓縮過程，混和的制冷劑經壓縮變為高溫高壓制冷劑入冷凝器冷凝放熱，進行下一個循環。1-2-3-4-5-1普通渦旋壓縮機熱泵系統制冷劑制熱循環過程。

由公式（4）計算可得整個干燥過程中噴氣增焓系統瞬時制熱能效（COPaj）變化范圍為1.53～2.86，平均制熱能效（COPaaj）為2.21，試驗結果如圖4b所示。

當環境溫度低至?13.39 ℃時，噴氣增焓熱泵干燥系統的COPaj最小值為1.53，較普通渦旋壓縮機熱泵系統最小COPo提高了51.5%，整個干燥過程中系統COP平均提高了16.9%。

由此可見，在溫差高達30 ℃的高原嚴寒地區，噴氣增焓系統制熱效果較普通熱泵系統制熱能效顯著，系統運行穩定性提高。部分結果見表2。

3.3 不同裝載量對物料干燥的影響

為了測試不同環境溫度下，普通渦旋壓縮機系統不同裝載量對物料干燥效果的影響。課題組于2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日分別進行了2組不同裝載量的藏藥秦艽干燥試驗，以藥材失水率達到67%作為干燥結束的判斷條件。部分試驗數據結果見表3。

表2　部分日期試驗測試結果

表3　部分不同裝載量試驗測試結果

當裝載量約60%，鋪料厚度為10 cm時，物料出現干燥不均勻現象，即接近入風口處物料過度干燥，失水率高達74%，出現黑糊現象，而遠離入風口處物料干燥度不足，失水率僅50%；當裝載量約100%，鋪料厚度為20 cm時，干燥箱內部物料相互間擠壓壓力增大，空間利用率占比高，箱內風阻增強，溫升速度降低，但物料干燥度較均勻，平均失水率約67%。干燥物料成品如圖6所示。

圖6 秦艽干燥成品

由公式（6）得SMER為1.74 kg/(kW·h)（1 465 kg）、1.41 kg/(kW·h)（910 kg）。

試驗表明，干燥箱滿載（100%）較非滿載（60%）時，單位質量耗電量降低了26.9%，平均失水率降低了9.4%，SMER提升了23.4%，且物料堆積厚度為20 cm相較于堆積厚度為10 cm，物料的裝載量增加，堆砌厚度高，物料內部壓力增大，干燥箱內部風阻變大，物料干燥均勻度顯著提升。

將熱泵干燥秦艽與傳統陰干秦艽方式相比較。通過試驗測試可知，熱泵干燥3 t秦艽所需時間為18 d，僅為傳統陰干方式耗時的1/9，干燥成本節省1 160元/t（成本=人工費+電費）。熱泵系統就節省電費成本而言，設備的成本回收期約3～4 a。

通過感官評價可知，傳統陰干方式下，由于環境氣候多變，對物料二次污染不可避免，造成物料表面色澤暗黑，良莠不齊，如圖6所示；而熱泵干燥方式下，物料表面色澤金黃，干燥度均勻，同時避免了二次污染。部分數據如表5所示。

表5　熱泵干燥與傳統干燥對比

4 討論與結論

4.1 討論

在高原（海拔3 100～4 000 m）嚴寒（冬季最低溫度可達?15 ℃）環境大溫差（30 ℃）氣候條件下，為克服低溫環境下空氣源熱泵干燥系統內蒸發器結霜嚴重、制冷工質吸氣量驟減、系統制熱波動大等問題，本文在回熱型熱泵干燥系統基礎上采用噴氣增焓的方式較好地滿足了晝夜連續干燥作業熱泵能量供給及穩定運行的需求；結合藏區太陽能資源豐富特點可采用太陽能輔助換熱方式，將白天太陽能輻射能量收集并在夜間與蒸發器換熱降低蒸發器結霜率，從而有效提高熱泵系統在低溫時的制熱能效，該部分工作正在開展試驗驗證。同時在不同干燥溫度及干燥時段對藥材品質成分含量進行科學分析并建立相關聯的數據庫，提供合理的不同物料干燥過程中傳熱傳質特性，對于熱泵系統的控制與優化均是后期研究工作的重要內容。

4.2 結 論

本文對回熱型熱泵熱風干燥藏藥秦艽進行性能測試，結果表明：

1）在冬季高原嚴寒大溫差（30 ℃）工況下，回熱型熱泵干燥系統換熱器瞬時換熱效率范圍為6.29%～66.95%，平均值為13.58%。

2）在高寒大溫差（30 ℃）環境下，回熱型熱泵干燥系統穩定運行，可滿足干燥所需的能量供給。普通渦旋壓縮機熱泵回熱系統運行在?11.4～18.3 ℃，其瞬時COPo為1.01～2.73，均值為1.89；噴氣增焓熱泵系統運行在?13.39～16.69 ℃，其瞬時COPaj為1.57～2.86，均值為2.21，其均值較普通熱泵系統制熱性能提升了16.9%，最低值提高了51.5%，有效提升了環境溫度低于?11.4 ℃時系統制熱能力及能效，提高了系統的適應性及穩定性。。

3）干燥箱裝載量約100%（1 465 kg，鋪料厚度20 cm）與裝載量60%（910 kg，鋪料厚度10 cm）相比較，滿載時物料平均失水率降低9.4%，單位質量耗電量降低26.9%，SMER提升了23.4%。與傳統陰干方式相比較，干燥相同數量物料，熱泵干燥僅為傳統陰干方式耗時的1/9；且干燥成本降低1 160元/t。熱泵系統設備成本回收期約3～4 a。

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Qiu Yu. Study on the Performance of Two Heat Recovery Air Source Heat Pump Assisted Solar Drying System[D]. Kunming: Yunnan Normal University, 2017. (in Chinese with English abstract)

Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature

Gao Meng1, Li Ming1※, Wang Yunfeng1, Yu Qiongfen1, Li Kun2, Sun Wei2, Luo Xi1

(1. Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2. School of Physics and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

Tibetan medicine has a long history to serveas a national medicine second only to Chinese medicine. Fresh Tibetan medicine cannot be directly used as medicine. Drying process is essential as a preliminary processing step. The heat pump drying method can be suitable for this case, due to its energy saving, environmental protection, and low cost. In this study, a noveldrying system mode of heat recovery andair-jet enthalpy heat pump was proposed to improve the drying characteristics of Tibetan medicine under low-temperature environments. A systematic experiment was conducted to explore the stability and energy efficiency for the continuous operation of system, thereby to obtain the changing characteristics of continuous operation onthe heat pump in different load modes at low temperature conditions. In order to explore the performance characteristics of heat pump drying for the Tibetan medicine at low temperature environment in winter, a drying oven was built with the size of 3.9m ×2.1m ×2.3m (length ×width ×height)and a volume of about 15m3, as well asa rated load of 1.5 t. An ordinary ring scroll compressor,and anair jet enthalpy compressor in a heat pump system were selected to carry out the load experiment test at the ambient temperature of -11.4?18.3 and -13.39?16.69 ℃. The ordinary scroll compressor in a heat pump system workedin the segmented drying mode, and the continuous drying operation mode was used to dry Tibetan medicine. The air-jet enthalpy-increasing heat pump system performedday and night for the continuous drying. Results were as follows: Under the severe cold and large temperature difference (30 ℃) in the winter plateau, the averageefficiencyof heat transfer in the air-jet enthalpy-increasing heat pump system (-13.39?16.69 ℃) was 9.56%, and that in the ordinary scroll compressor heat pump system (-11.88?18.29 ℃) was 13.58%. It infers that the efficiency of heat transferin a heat exchanger was relatively low, asthe ambient temperature decreased.The compressor selection has no significant effect on the heat exchange efficiency of heat exchanger. The minimum coefficient of performance (COP) of air-jet enthalpy-increasing heat pump system(-13.39?16.69 ℃) increased by 51.5%, compared with the ordinary scroll heat pump system (-11.4?18.3 ℃). The average value of COP increased by 16.9% during the whole progress, indicating effectively improved the heating energy efficiency of a system at low temperatures. The placement and thickness of amaterial presenteda significant influence on the drying effect. When the loading capacity of drying box was about 100% and stacking thickness was 20 cm, the finalproduct behavedbright color, uniform drying, and the high specific moisture extraction rates (SMER). Compared with the traditional air-drying method, the drying time of a heat pump was only 1/9 of conventional dry method for the same amount of materials, while,the drying cost was reduced by 1 160 yuan/t. The recoveryandair-jet enthalpy heat pump system can meet the energy supply that required for the drying of Tibetan medicinal materials under the low-temperature conditions.

drying; temperature; heat pump; system performance; Tibetan medicine; plateau severe cold temperature difference; COP

高萌，李明，王云峰，等. 低溫環境下熱泵熱風干燥藏藥性能試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(21)：316-322. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038 http://www.tcsae.org

Gao Meng, Li Ming, Wang Yunfeng, et al. Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 316-322. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038 http://www.tcsae.org

2020-06-21

2020-10-27

國家自然科學基金項目（51966019，21965040）；云南省基礎研究計劃重點項目（202001AS070025）

高萌，博士生，從事太陽能熱利用的研究工作。Email：gmynnu@126.com

李明，教授，博士生導師，從事太陽能及可再生能源的開發應用及制冷與低溫工程方面的研究工作。Email：lmllldy@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038

S226.6; TK11+4; S-3

A

1002-6819(2020)-21-0316-07