温度和湿度协同调控对热泵干燥苹果片能耗与干燥特性的影响机制研究

《Agriculture》：Effect of Operating Temperature and Humidity in Heat Pump Drying on Energy Consumption and Drying Characteristics of Apple Slices Xianlong Yu, Bin Chu, Zhenchao Jia, Suchao Ma, Wenxuan Wu, Ziliang Liu and Ligang Sun

本文通过构建精准控温控湿的热泵干燥系统，研究了干燥介质温度(40-60°C)和相对湿度(30-60% RH)对苹果片干燥特性（如干燥速率、干燥动力学）及系统能耗（如比除湿率SMER）的耦合影响。实验表明，在干燥初期采用高温高湿条件可显著提升除湿率与SMER值，后期则需降低湿度以促进物料水分脱除。该研究为水果热泵干燥过程的节能调控提供了理论基础。

　　

1. 引言

干燥是农产品采后加工的主要方法之一，用于有效延长货架期、减少采后损失并增加加工产品的商业价值。由于干燥过程需要从高水分农产品中去除水分，干燥技术应用通常与高能耗和大量热损失相关。作为一种农产品加工中的高能耗单元操作，干燥过程中的节能降耗对全球干燥行业的可持续发展具有重要意义。电加热干燥技术因其固有的高能耗而逐渐被淘汰，并被太阳能干燥和热泵干燥等绿色能源技术逐步取代。相比之下，热泵干燥系统在运行过程中可提供的热能超过其输入的电能，从而展现出显著的节能优势。具体而言，闭式热泵干燥在包括水果、蔬菜、食用菌和药材在内的农产品干燥领域获得了广泛的研究关注和应用。

由于果蔬的干燥过程本身具有非线性的传热传质特性，因此在干燥周期内动态调整干燥介质的温度和湿度对于实现高效、节能和高品质的产品干燥至关重要。为优化干燥介质的温湿度控制策略，众多研究者就温湿度组合对农产品的干燥特性和品质属性的影响开展了广泛研究。在对流干燥过程中，适当提高干燥介质温度可提高干燥速率、缩短干燥周期，并有助于保持产品品质属性。然而，过高的干燥温度会导致农产品微观组织结构严重受损，并造成生物活性营养成分的大量降解。干燥介质的相对湿度也对农产品的干燥效率和产品品质有显著影响。通常，过高的干燥介质相对湿度会阻碍物料中水分的去除。而低相对湿度的干燥介质虽可促进物料表面水分蒸发，但也可能导致组织收缩和表皮硬化，从而阻碍物料内部水分的扩散。因此，对干燥介质进行分阶段的温度和湿度控制可以减少干燥时间并提高干燥质量。

在热泵干燥过程中，干燥介质充当热泵机组与物料之间传热传质的介质。其温度和相对湿度不仅调节物料的干燥性能和最终质量，还对热泵机组的运行性能产生显著影响。Sezen和Gungor通过基于室外温度和相对湿度的数学模型进行空气源热泵性能分析，发现COP值随温度和相对湿度的增加而呈增加趋势。干燥介质的温度和相对湿度对热泵干燥系统的总能耗有显著影响。Aktas等人利用人工神经网络模型分析了空气源热泵系统的干燥特性和性能，发现相对湿度控制导致能耗变化和含水量变化。当前的研究成果侧重于分析干燥介质温度参数对热泵干燥性能的影响，缺乏对温度和相对湿度耦合影响的系统性研究。特别是，空气介质的相对湿度在整个干燥过程中会发生动态变化，这是热泵系统运行参数和物料含水量变化协同作用的结果。

在本研究中，开发了一个闭式热泵干燥系统，旨在实现精确的温湿度控制。以干燥速率、除湿率、能耗和比除湿率作为性能指标，探讨干燥介质的温度和相对湿度对热泵干燥的影响。选择苹果片作为原料，在变化空气介质温湿度的条件下进行干燥处理。研究了空气介质温湿度对干燥系统干燥特性和能源利用的影响，以获得干燥加工过程中温湿度过程控制的基础理论。此外，基于干燥介质的温度和相对湿度，建立了除湿率的参考模型。

2. 材料与方法

2.1. 原料

实验选用富士苹果，均购自市场，实验前在4±0.5°C的冰箱中储存。苹果直径约8厘米。苹果经去皮、去核，切成厚度为5毫米的半圆片。苹果的干物质质量通过在105°C下热风干燥24小时测量。苹果片的初始干基含水量根据公式(1)测定：M₀= (m₀- m_d) / m_d，其中m₀表示苹果片的初始质量(g)。

2.2. 热泵干燥系统与原理

本研究使用闭式热泵干燥箱干燥苹果片。图1展示了热泵干燥机的二维示意图。热泵干燥机由热泵机组、干燥室、循环风机、外风机和其他辅助部件组成。多层托盘架沿干燥室的垂直轴安装，干燥介质向上流经托盘以实现物料干燥。

如所示，干燥系统存在两个独立的循环气流，即内部循环气流和外部循环气流。在循环风机的驱动下，内部循环空气流经干燥室，在此过程中，干燥空气将热量传递给物料并带走蒸发的水分，导致其温度下降、湿度上升。然后空气流经辅助加热器、蒸发器和冷凝器1进行除湿和再加热，随后重新进入干燥室继续干燥过程。辅助加热管用于快速提高内部循环空气的温度。蒸发器和冷凝器1负责内部循环气流的除湿和再加热。外部循环空气在外风机的驱动下流经冷凝器2。如图2所示，冷凝器1和冷凝器2并联连接到压缩机出口，并采用阀门来调节制冷剂循环的启/停状态，以实现内部循环气流和外部循环气流可控的热量传递。当干燥介质温度超过目标值时，冷凝器2将干燥室的多余热量排放到外部。

如图2所示，为确保实际值与目标值一致，热泵干燥设备集成了温湿度控制系统，并配备了多组温湿度传感器和功率传感器。干燥室空气入口处配备了温度传感器和相对湿度传感器用于实时参数监测。辅助加热管和热泵机组的输出功率根据干燥室内空气温度变化进行控制。干燥室内干燥介质的相对湿度通过蒸汽发生器的蒸汽喷射和蒸发器的除湿来调节。当干燥介质的相对湿度低于目标湿度的预设下限时，蒸汽阀开启；当相对湿度达到或超过目标湿度时，蒸汽阀关闭。温度传感器分别安装在蒸发器和冷凝器表面。为获取干燥系统中各组件的动态能耗，采用功率计收集干燥系统关键组件的实时能耗数据，包括压缩机、辅助加热器和风机。

2.3. 实验步骤

于2025年6月，在山东省农业机械科学研究院农产品干燥实验室分析了苹果片的热泵干燥特性及干燥系统的能源利用情况。实验前，对热泵干燥系统预热约20分钟以使温度和相对湿度条件稳定。干燥实验在精确控制的温度和相对湿度条件下进行。温度参数设定在40~60°C范围内，相对湿度参数在30~60%范围内调节。实验设计和操作参数总结于表1。将苹果片薄层均匀置于不锈钢丝网托盘上，每托盘净重100±10克。样品质量使用精度为±0.01g的电子天平测量。在热泵干燥过程中每小时记录一次样品质量。取出或放置物料托盘后，迅速关闭干燥室门，以尽量减少物料处理过程中干燥介质温湿度参数的波动。当物料在1小时内的质量变化小于0.2g时，视为干燥过程完成。

在干燥过程中持续收集蒸发器排出的冷凝水。使用精度为±0.01g的电子天平测量冷凝水质量。每十分钟记录一次冷凝水质量。为减轻称重过程中水分蒸发的影响，冷凝水收集器设计为闭式容器，通过专用水管连接到热泵机组的冷凝水排水管。

干燥室内的介质温度、蒸发器和冷凝器表面温度由精度为±0.3°C的温度传感器监测。干燥室内的相对湿度由精度为±2%的相对湿度传感器监测。

2.4. 干燥动力学

干燥动力学表征干燥过程中物料的水分迁移行为和蒸发速率。苹果片在热泵干燥过程中的干基含水量根据公式(2)确定：M = (m_ai- m_d) / m_d，其中m_ai表示时间t时苹果片的质量(g)。

苹果片的干燥速率根据公式(3)计算：DR = (M_t2- M_t1) / (t₂- t₁)，其中t₁和t₂分别表示干燥过程中不同时间点的干燥时间(小时)；M_t1和M_t2分别表示时间t₁和t₂时苹果片的干基含水量(g/g)。

2.5. 除湿动力学

除湿率反映了蒸发器的除湿性能，根据公式(4)计算：R_c= (m_c2- m_c1) / (t₂- t₁)，其中m_c1和m_c2分别表示时间t₁和t₂时冷凝水的质量(g)。

2.6. 能量分析

热泵干燥的耗能部件包括控制系统、循环风机、热泵机组和辅助加热单元。由于其功耗较低，本研究忽略了控制系统的能耗。能耗(W)通过以下公式计算：W = P_at + P_ft + Σ_t=0ⁱP_ht，其中P_a表示辅助加热单元的功率(kW)；P_f表示循环风机的功率(kW)；P_h表示热泵机组的功率(kW)；t表示干燥时间(h)。

比除湿率根据公式(5)计算：SMER = (m_wi- m_wi-1) / (W_i- W_i-1)。实验结果表明，温度和相对湿度对干燥效率和运行性能有显著影响。在干燥过程的第一小时内，在40~50°C的温度和30~60%的相对湿度下，苹果片的热泵干燥在整个过程中表现出最高的干燥速率。之后苹果片干燥进入降速干燥阶段。当干燥介质的相对湿度超过50%时，物料的最终含水量显著增加并超过20%（干基）。空气介质温度和湿度的增加提高了蒸发器的除湿率。当干燥温度维持在40–60°C时，60%相对湿度下的冷凝速率是30%相对湿度下的3.5–10倍。除湿率的提高显著促进了能量效率。在60°C和60%相对湿度下，比除湿率为2.53 kg/(kW·h)，是30%相对湿度下的3.4倍。在干燥初期采用高温高湿条件来提高干燥能效是适宜的。同时，在干燥后期应降低相对湿度以促进物料水分的脱除。所得结果为水果热泵干燥的节能控制提供了理论方法。