太阳能热泵联合干燥槟榔果系统设计初探*
时间：2022-12-04 14:30:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘世杰 ， 孙慧敏 ， 蔡世通
（1.海南热带海洋学院海洋信息工程学院，海南 三亚 572022；
2.海南热带海洋学院教务处，海南 三亚 572022）
海南盛产槟榔，其年产量约占全国产量的95%以上[1]。槟榔是海南“三棵树”热带产业之一，与农民增收、乡村振兴息息相关。但是，海南槟榔深加工技术滞后于槟榔产业发展。槟榔鲜果在海南经初步干燥后，主要运往湖南省各地进行深加工[2]。
槟榔干制不仅能抑制其微生物生长、延长果实贮藏期，还能减轻果实质量和体积，便于运输、加工[3]。在海南省槟榔干燥中，早期主要采用土炉干燥法[4]，使用木屑或煤球等进行烟熏干燥，干燥方法简单，但是由于大量排放温室气体，对大气环境造成严重污染。近年来，海南省大力推广槟榔干燥绿色技术，大幅减少了环境污染。海南省大部分地区一年四季阳光充足，若能在保证槟榔口感和营养品质的基础上，通过改进、优化槟榔干燥工艺充分利用太阳能，则不仅能提高生产效率，还能进一步节约能源，以及优化槟榔产业发展和海南热带农业经济结构。可见，推广应用高效、节能、环保的新型干燥技术是海南省槟榔初加工发展的必然趋势。
海南省自2013年开始引进和推广槟榔干燥新技术。2014年以来，热泵技术因具有节能、高效、无污染等优势，快速发展成为海南省槟榔果干燥加工的主要方式之一。热泵干燥技术等新技术的应用大幅减轻了传统土炉干燥法造成的环境污染，然而，目前对进一步提升热泵干燥槟榔技术工艺流程及控制方法等方面的研究仍较少。从目前的研究情况来看，热泵干燥槟榔技术的应用研究主要集中于利用PLC技术改进控制方法和参数优化等。例如，高志生[5]将热泵技术与PLC控制相结合，实现了槟榔果初加工过程自动烘干；
张容鹄等[6]采用单因素法和多因素正交试验优化了热泵干燥槟榔工艺参数，并通过试验研究表明热泵技术适用于槟榔干燥。海南省拥有丰富的太阳能资源，但是在充分利用太阳能或多种方法结合进行槟榔干燥等方面，却鲜有相关研究报道。
2017年12月，海南省出台《关于加强槟榔加工行业污染防治的意见》（以下简称《意见》），强调实施槟榔干燥绿色改造，引导海南槟榔初加工产业向规模化、聚集化发展[7]。《意见》还指出要强化顶层设计，全面禁止槟榔土法熏烤，推广节能环保型槟榔烘烤设备，走绿色可持续发展道路。《意见》的出台及实施对充分利用太阳能及研发新型槟榔干燥控制设备，推动海南省槟榔产业做大做强，促进槟榔干燥技术转型升级，以及提高农民收入具有重要推动和指导意义。
热泵技术在果蔬干燥方面的推广应用，使得传统的果蔬干燥工艺得到优化和改进。为进一步提升果蔬、木材、烟草等农产品干燥过程中的能源利用效率并充分利用清洁能源，近年来，国内一些学者提出了热泵技术与太阳能相结合的联合干燥方案，并进行了相关理论和试验研究[8]。例如，李大庆等[9]搭建了太阳能热泵联合烟草干燥系统，并对系统的应用特性及应用效果进行了深入研究。朱传辉等[10]设计了太阳能-热泵联合香菇干燥装置，干燥室采用夹层多点送风并设计了扰流风扇。刘英娜等[11]在不同干燥温度、风速以及装载量条件下，分别对新鲜板栗进行了干燥特性研究。姚远等[12]设计的太阳能热泵联合茶叶烘焙装置可实现太阳能、热泵单独干燥和两者联合干燥，结果表明太阳能干燥节能效果良好。也有学者结合海南省热带环境特点开展相关研究，例如，刘世豪等[13]设计了储热型太阳能利用系统，通过对太阳实际辐射强度进行数据拟合及相关对比分析，证明该系统理论设计的可行性。
目前，我国太阳能热泵联合干燥系统大多可实现太阳能、热泵独立工作和两者联合工作三种干燥模式[14-15]，具有较好的集热、节能和干燥效果。而海南省地处热带地区，有着得天独厚的热带环境资源，四季阳光充沛，太阳能资源相当丰富，但是，由于太阳能使用成本较高，其利用率仍较低[16]。为了满足节约能源、保护环境和连续干燥作业的要求，可以把太阳能和热泵组合起来形成新型干燥技术[17]。如果能充分利用太阳能资源实现槟榔果干燥，将会对海南省太阳能利用普及以及槟榔产业转型升级产生重要推动作用。
槟榔果干燥过程需要消耗大量人工和能源，为进一步节约能源、提高新能源利用率以及干燥效率，结合国内外学者最新研究成果，依据海南省地理优势，充分挖掘和利用清洁可再生能源，初步设计了太阳能热泵联合干燥槟榔果系统方案。后续应搭建试验台并通过试深入研究太阳能热泵联合干燥系统在槟榔果干燥过程中的应用特性、槟榔果干燥质量以及节能效果等，从而进一步优化系统设计方案并改进试验台。
初步设计的太阳能热泵联合干燥槟榔果系统方案如图1所示。设计基本理念是设备尽量集成化，以减小装置体积。系统主要由太阳能干燥装置、空气源热泵干燥装置、电加热干燥装置、除湿装置、干燥室及控制单元等组成。图1中，实心箭头表示淡水或工质的流动方向，其中，在太阳能干燥装置中，使用淡水进行热交换；
在空气源热泵干燥装置中，工质为环保型制冷剂。空心箭头表示新风、回风和排风流动方向，虚线表示温度、湿度等的控制与保护线路。太阳能干燥装置、空气源热泵干燥装置以及电加热干燥装置既可以单独进行干燥工作，也可以联合组成多种干燥模式。控制单元通过安装在干燥室内的温湿度传感器、蓄热水箱、水位传感器等实时监测、控制和调整系统的工作状态，保持干燥室内温度、湿度稳定。如应用PID等控制算法实现对干燥室温度、湿度的精确控制，以及实现三种干燥装置的独立或联合工作等，使槟榔干燥效果持续保持在较高水平。
图1 太阳能热泵联合干燥槟榔果系统设计方案
太阳能干燥装置主要包括太阳能集热板（平板太阳能集热器）、1#水泵、蓄热水箱、2#水泵和热交换器等。当启动太阳能干燥装置后，1#水泵首先运行，淡水在太阳能集热器和蓄热水箱之间循环，蓄热水箱内水温升高；
当水温升高到设定值时，2#水泵和位于干燥室外部的风机运行，在风机作用下，蓄热水箱内的高温淡水通过热交换器循环放热，使干燥室内温度升高以及空气流动加快，实现既节约能源又能高效干燥槟榔的目的。如果阳光不够充足或光照强度减弱，独立使用太阳能干燥效果不佳时，空气源热泵干燥装置或电加热干燥装置投入运行。
空气源热泵干燥装置组成如图1左下侧所示。运行时，液态工质在蒸发器中汽化吸收环境空气中的热能，然后被压缩机吸入、压缩成高温高压的气态工质。气态工质在冷凝器中冷凝，释放出大量热量使干燥室内温度升高。干燥室设有可调节的新风、回风和排风风门，其开度由控制单元根据干燥室内温度进行控制。为了防止新风被直接排出，在干燥室内还设有固定式隔板。当干燥室内温度小于设定值时，新风和排风风门关闭，干燥室内部空气形成闭式循环，加快提升干燥室内温度。当干燥室内温度大于设定值时，控制单元按一定算法调节新风和排风风门开度，以便保持干燥室内温度适宜、稳定，同时，促进干燥室内部空气流动，进一步提高干燥效率。
电加热干燥装置设有风机连锁保护、加热器过热保护等环节，其运行由控制单元控制。太阳能热泵联合干燥槟榔果系统初始运行时，由于干燥室内温度较低，为了尽快达到设定温度范围，可以设定电加热干燥装置投入运行。初始运行阶段也可以设定太阳能干燥装置、空气源热泵干燥装置、电加热干燥装置均投入运行。当天气良好、太阳能辐射较强时，在干燥室内温度达到设定值后，电加热干燥装置或空气源热泵干燥装置自动停止运行，即太阳能干燥装置独立进行干燥工作。当太阳能干燥装置独立工作工况达不到设定条件时，空气源热泵干燥装置投入运行。当环境温度较低时，电加热干燥装置投入运行，辅助上述两种装置进行干燥工作。当太阳能干燥装置和空气源热泵干燥装置发生故障时，电加热干燥装置可独立进行干燥工作。
除湿装置亦由控制单元控制运行。当干燥室内湿度超过设定值时，除湿装置投入运行，在干燥槟榔的同时，降低干燥室内空气湿度。除湿过程不影响三种干燥装置的独立或联合运行。此外，干燥室内不仅设有照明设备，进料门上还设有观察窗，方便观察内部干燥情况。理论上，本文设计的太阳能热泵联合干燥槟榔果系统方案也适用于其他果蔬的干燥初加工。
随着科学技术的不断革新，以热泵技术为基础的果蔬干燥技术快速发展，并在农业生产加工方面得到广泛应用。而海南省拥有丰富的太阳能资源，充分利用太阳能、空气能及现代节能技术将槟榔等果蔬中的水分蒸发除去，不仅能节约能源、减少环境污染，还能降低生产成本、提高生产效率，对优化海南省热带农业经济结构、促进槟榔产业化发展具有现实意义。因此，有必要围绕海南省丰富的太阳能资源，结合现代科学技术，深入研究槟榔果干燥新理念和新技术。本文初步设计的太阳能热泵联合干燥槟榔果系统方案包括三个干燥装置，即太阳能干燥装置、空气源热泵干燥装置和电加热干燥装置。三个干燥装置既可以独立运行，也可以联合工作，并能组合成多种工作模式。系统还包括干燥室、除湿装置和控制单元等，理论上可以实现槟榔及其他果蔬的高效干燥初加工。后续应主要针对太阳能热泵联合干燥系统在槟榔果干燥过程中的应用特性、槟榔果干燥质量以及系统节能效果等开展相关试验，通过试验研究进一步优化、完善、改进本设计方案，以期为太阳能热泵联合干燥槟榔果系统在海南省应用推广打下基础。
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