1热泵微波联合干燥试验装置 试验干燥装置由蒸汽压缩式热泵除湿系统和连续带式微波干燥室组成，由风管连接成一个整体，磁控管产生的微波能通过微波导管射入干燥室，加热被干燥的物料，热量及质量传递在装置内的两个循环（空气及制冷剂循环）中进行。 在空气循环中，来自干燥室的一部分湿热空气直接经过蒸发器冷却除湿，从蒸发器出来的空气与旁通空气混合经过冷凝器加热后进入干燥室，和微波能一起加热干燥物料，并吸收物料湿分，从而构成空气循环。在制冷剂循环中，制冷剂在蒸发器中吸收干燥室出来热湿空气的热量后汽化，汽化后的制冷剂被压缩机吸入，压缩机将其温度及压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中制冷剂放热给空气并凝结为液体，高温高压液体最后通过膨胀阀产生低温低压的气液混合物再次进入蒸发器，从而构成制冷循环。 本研究是想探讨将热泵微波联合干燥系统用于干燥中药材和农产品的可行性，所以试验干燥系统设计的最高空气温度为70℃。系统选用R142b做为热泵工质；选用QR系列全封闭往复活塞压缩机，用变频器调节压缩机的转速；选用TQ5型热电膨胀阀，将蒸发器过热度控制在±0.5℃以内；选用2M137型磁控管发射微波，它在2.45GHz时的最大输出功率和转换效率分别为1.2kW及70. 为了进行系统的热力学分析，就要测量大量的系统参数，对于空气回路包括以下参数：总空气质量流量，旁通空气质量流量，及空气的干湿球温度。对于制冷剂回路包括以下参数：制冷剂的质量流量，温度及压力。 为了确定热泵微波干燥器的总性能，磁控管的输入及输出能量，空气循环风机电机的输入功率，压缩机马达的输入功率，蒸发器除去的水量，物料的湿含量及产量也必须测量。 试验中使用的温度仪表及制冷剂流量计的精度范围为±0.3℃，空气流量计的精度范围为±2℃。电动机输入功率的测量误差在±5以内，除去的水分及物料重量的测量误差在±1以内，磁控管的输入功率通过直接测量输入的电压及电流值得到，其测量误差在±0.5以内，损耗及反射的微波能用二极管探测器测量，其精度在±10以内。选择泡沫橡胶作为本试验的干燥材料，它可以反复地吸湿，干燥而不会损耗和破坏。 2数学模型 在本研究之前，作者已经建立了一套模拟热泵对流干燥系统性能的数学模型，该模型由热泵子模型和连续对流干燥室子模型组成，并由质量及能量守衡定律将它们联系起来。随着微波加热及干燥的介入，干燥室模型要考虑消耗到被干燥物料中的微波能，根据定义，消耗到单位体积电介质物料中的微波能与微波电场强度和频率有关。 世界公认的用于加热与干燥的微波频率是2.45GHz，因此，消耗到被干燥物料中的微波能仅与物料相对损失系数和电场在物料中的分布情况有关。 2.1微波场的分布 被干燥物料中的微波电场分布及数值大小是微波源（磁控管）发出的能量，磁控管在干燥室中的位置，干燥室的几何形状和物料的性质及空间位置的复杂函数，对于一些简单的几何形状，可以采用有限元法及其他数值方法进行求解，然而对于工业尺寸的微波干燥器，其实际尺寸大，边界条件复杂，使得干燥室内微波场分布的数值计算极为困难，因此，为了分析工业尺寸的微波干燥问题，必须做一些假设。并联波导管能够改善使用场合内部的微波场分布均匀性，因此，在本研究中假设干燥室内的微波场是均匀分布的，即其电场强度是恒定的。 2.2物料损耗系数 在特定的微波频率下，物料损耗系数是其物理性质，温度及含湿量的复杂函数，其准确值必须通过实验来确定。但是，对于热泵辅助微波干燥，物料温度变化通常小于30℃，因此假设2.4GHz频率时物料损耗系数在整个干燥过程中与温度无关，因此对于特定的物料，损耗系数仅是物料含湿量的函数。 3结果与讨论 3.1 系统参数的影响 为了进一步了解热泵微波干燥器的特性，寻求最优设计，下面分析主要设计及运行参数对系统性能的影响。干燥器的性能用单位能耗除湿量（SMER）及干燥产量来评价。 空气旁通率定义为从蒸发器旁通的空气质量流量与系统中总空气质量流量之比。空气旁通率对SMER及干燥物料产量的影响如图2所示。从图中可以看出，试验与模拟的结果基本吻合，且最佳旁通率约为67（尽量旁通率对干燥器性能的影响不大）。应该注意：最佳旁通率受总空气质量流量及蒸发器进口的空气相对湿度影响很大。随着空气相对湿度增加及总空气流量减少，最佳旁通率降低。在本试验中，干燥泡沫橡胶时蒸发器进口的空气相对湿度在40～50之间，对于这样低的相对湿度，可以采用较高的旁通率。 试验及模拟结果都表明：随着压缩机转速增加，SMER减少，而干燥产量增加。这种趋势与对流干燥类似，只不过其变化速度较慢。这种现象的出现主要是因为大约一半输入到干燥室的能量为与压缩机转速无关的微波能。对于特定的设计，必须保持干燥产量及SMER的均衡。 从该曲线可以看出试验与模拟结果吻合很好，该曲线表明：在研究的范围内干燥器的性能对总空气质量流量不敏感。这种现象或许是由于通风机的输入功率小于系统总输入功率的10这个事实造成的。这一点与热泵对流干燥不同，热泵对流干燥时存在最佳的总空气质量流量。 3.2热泵微波干燥和对流干燥的比较 下面对热泵微波干燥和对流干燥的能量效率和产量作一比较。输入不同微波能时干燥泡沫橡胶的试验结果摘录在表2中。所有情况下热泵输入功率约为4kW.表2清楚地表明：与对流干燥相比，微波干燥可以提高产量，但随着输入微波能增加，干燥器SMER减少，当输入的微波能从0增加到4.5kW时，试验干燥器的SMER从2.3减少到1.2kg（kWh）。 发电效率取30，按照一次能源消耗将热泵微波联合干燥器的SMER进行换算，换算结果如表2所示。传统的蒸汽加热干燥器，能达到的最高SMER约为0.55kg（kWh）。从表中可以看出，试验干燥器使用一个磁控管时的一次能源消耗与设计最完善的传统干燥相当，而使用多个磁控管时微波干燥器的能量效率低于设计完善的蒸汽干燥器。应该指出的是：在设计本试验干燥器时，由于受到场地和经费的限制，干燥室的尺寸做得比较小，严重限制了试验干燥器的效率。因此，经过仔细设计的热泵微波联合干燥在能量利用方面可以和传统对流干燥竞争。 3.3蔬菜的干燥 为了研究热泵微波联合干燥器在干燥实际商品时的性能，用胡萝卜片和整姜在试验干燥器上进行了试验，结果摘录在表3中。结果表明：热泵微波联合干燥器在干燥胡萝卜片时的性能与干燥泡沫橡胶类似；在干燥整姜时其性能降低很多，这是由于姜的高吸湿性造成的，同时姜结实的外皮也使其向表面扩散湿分更加困难。 4结论 （1）空气旁通率，压缩机转速及总空气质量流量等系统运行参数对热泵微波联合干燥器SMER和干燥产量的影响与这些参数对热泵对流干燥器的影响相似，仅有的差别是其变化速度比热泵对流干燥器低。 （2）与热泵干燥相比，热泵微波联合干燥可以提高干燥产量，但SMER降低，其大小与微波能的输入量成比例。从试验的真实性而言，这一现象是微波加热器（应用器）驻波过大所致。 （3）通过精心设计，热泵微波联合干燥在能量消耗方面可以做到与传统对流干燥相当。 （4）干燥整姜和胡萝卜片的试验结果表明：微波干燥器的SMER受被干燥物料特性的影响很大，对于象姜这样的高吸湿性物料，其SMER下降很多。 来源:http://www.edry.cn/Html/news/20115/2011523145900.html
新闻中心