汪澤林，張良*，徐笑鋒，吳清清

新材料、新技術(shù)在熱泵系統(tǒng)中的應用專題

面向藥材貯藏的熱泵干燥系統(tǒng)實驗研究

汪澤林1，張良1*，徐笑鋒2，吳清清2

（1.上海理工大學，上海 200093；2.上海海立電器有限公司，上海 201206）

針對藥材貯藏前傳統(tǒng)干燥處理方法效率低，藥材易變質(zhì)，處理能耗高，不利于藥材高品質(zhì)貯藏等問題，優(yōu)化藥材干燥處理方法至關(guān)重要。采用真空低溫干燥技術(shù)，設計一套以真空干燥箱為傳質(zhì)系統(tǒng)進行低溫干燥的熱泵干燥處理系統(tǒng)。系統(tǒng)包含基于熱泵壓縮機驅(qū)動的真空低溫干燥系統(tǒng)、真空泵、變頻風機等設備，通過對其進行干燥性能實驗研究，分析獲得熱泵冷凝溫度、空氣入口風速以及空氣入口溫度對該系統(tǒng)干燥性能的影響。在環(huán)境真空壓力?40～0 kPa實驗條件下，熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)的干燥量、干燥效率、傳質(zhì)系數(shù)及傳熱系數(shù)最大值分別為3.96 kg/h、44.19%、3.75 g/(m2·s)、3.25 W/(m2·℃)，析濕過程傳質(zhì)系數(shù)及傳熱系數(shù)最大值分別為44.51 g/(m2·s)及36.03 W/(m2·℃)，熱泵系統(tǒng)最大能效為6.08。對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得 到熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)干燥效率模型，模型計算值與實驗值的最大偏差在±21%以內(nèi)，平均偏差為9.18%，預測效果較好。相較于常壓下熱泵低溫干燥技術(shù)，基于真空低溫干燥技術(shù)的熱泵干燥系統(tǒng)能夠有效提高藥材干燥效率，降低藥材干燥處理過程中的能源消耗，為藥材高品質(zhì)貯藏提供保障。

熱泵；藥材貯藏；低溫蒸發(fā)；藥材干燥；真空環(huán)境；傳熱傳質(zhì)

“十四五”以來，我國醫(yī)藥制造業(yè)產(chǎn)值持續(xù)增長，對藥材的需求量也在日益增大。藥材貯藏前干燥處理能夠有效抑制腐敗微生物的生長，最大程度地保存藥材的營養(yǎng)價值，是作為藥材長期優(yōu)質(zhì)貯藏的基本標準。風干、陰干等傳統(tǒng)的干燥方法存在干燥效率低、干燥周期長、容易發(fā)霉變質(zhì)等問題，以礦物能源為驅(qū)動的熱風干燥方法干燥效率高，但會降低藥材品質(zhì)，不利于藥材長期貯藏，且能源消耗大，造成環(huán)境污染[1-2]。隨著藥材干燥處理量的增加，干燥處理行業(yè)能耗逐漸增加，直接影響我國碳排放量[3-4]。因此在藥材干燥處理過程中，提高干燥效率、保證藥材高品質(zhì)貯藏，降低能耗節(jié)約能源勢在必行[5]。

為研究出高效低能耗的藥材干燥處理方式，國內(nèi)外很多學者基于熱泵系統(tǒng)采用低溫干燥法對藥材進行干燥處理，熱泵低溫干燥技術(shù)的優(yōu)點在于熱能消耗低，對低品位能源適應性強，采用低溫熱源為驅(qū)動熱源，以空氣為干燥劑即可實現(xiàn)對藥材的有效干燥[6-7]。熱泵低溫干燥系統(tǒng)利用水分在空氣中溶解度較高的特點，實現(xiàn)水分與藥材的分離，從而達到藥材干燥的目的，并通過冷凝器將水蒸氣冷凝回收再利用，實現(xiàn)冷量與熱量的雙重利用，從而大大降低能耗[8-9]。同時，采用溫度濕度可控的熱泵干燥技術(shù)干燥藥材的顏色、成分等品質(zhì)均優(yōu)于傳統(tǒng)熱風干燥技術(shù)，有利于藥材安全、高質(zhì)量的長期貯藏[10]。鑒于以上優(yōu)點，國內(nèi)外學者對熱泵低溫干燥技術(shù)進行研究。Liu等[11]研究了封閉式熱泵干燥系統(tǒng)熱濕失衡的問題，探究了空氣流量對干燥過程的影響。王天皓等[12]實驗研究了多級熱泵串聯(lián)對熱泵干燥系統(tǒng)性能的提升。Gan等[13]研究了干燥溫度和干燥連續(xù)性對干燥速率的影響。張忠進等[14]通過實驗研究了干燥箱內(nèi)空氣相對濕度對水分蒸發(fā)速率的影響。Yildirim等[15]采用數(shù)值方法研究了空氣吸濕過程的空氣質(zhì)量流量對系統(tǒng)性能的影響。Mistry等[16]采用理論方法對比研究了空氣吸濕過程的空氣入口相對濕度對系統(tǒng)性能的影響。Zubair等[17]通過實驗對比研究了空氣吸濕過程的液氣比以及不同加熱類型對系統(tǒng)性能的影響。Zhang等[18]通過實驗研究了氣液間傳質(zhì)過程，并擬合出總體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式?？偨Y(jié)國內(nèi)外學者研究成果可知，基于低溫干燥技術(shù)的熱泵系統(tǒng)能夠適用于藥材干燥領(lǐng)域。同時，干燥空氣參數(shù)、熱泵系統(tǒng)參數(shù)等均對熱泵干燥系統(tǒng)應用于藥材干燥過程中熱質(zhì)傳遞效率產(chǎn)生較大影響。研究這些影響因素是探索提升干燥效率以及系統(tǒng)整體性能的重要方式，但現(xiàn)有的研究結(jié)論多針對常壓下干燥過程，不同環(huán)境壓力下多種影響因素對熱泵系統(tǒng)應用于藥材干燥過程的影響有待完善。

本文考慮到環(huán)境真空壓力對藥材干燥處理過程的影響，在低溫干燥的基礎上，采用熱泵真空低溫干燥技術(shù)對藥材進行干燥處理。選取熱泵冷凝溫度、熱泵系統(tǒng)能效、熱泵蒸發(fā)溫度、空氣入口風速、空氣入口溫度及環(huán)境真空壓力作為研究對象，對熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)的內(nèi)傳熱傳質(zhì)性能進行研究，并對實驗數(shù)據(jù)回歸分析得出通用性強的干燥效率實驗模型。旨在降低藥材干燥處理過程中的能源消耗，提高干燥效率，實現(xiàn)能源的高效利用的同時最大程度地保持藥材貯藏品質(zhì)。

1 熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)理論分析

1.1 熱質(zhì)傳遞耦合理論分析

環(huán)境壓力的降低在改變干燥過程熱質(zhì)耦合傳遞驅(qū)動勢的同時，也改變了干燥過程的熱質(zhì)傳遞耦合關(guān)系，對熱泵干燥系統(tǒng)性能有重要影響。

對于低溫干燥過程，空氣與藥材表面液膜間的對流換熱關(guān)系又可表述為：

空氣與液膜間的對流傳質(zhì)關(guān)系又可表述為：

將式（1）、式（2）中導熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)的數(shù)學關(guān)系，以及分子擴散率和對流傳質(zhì)系數(shù)積分后可表述為式（3）、式（4）形式。

環(huán)境壓力的變化對邊界層流動狀態(tài)以及水蒸氣擴散速率有直接影響，但同時由于水蒸氣在空氣中的擴散速率對氣液間傳質(zhì)系數(shù)影響超過邊界層增加的影響，因此環(huán)境壓力的降低削弱了藥材干燥過程氣液間顯熱傳熱能力的同時并未削弱氣液間的傳質(zhì)能力，相反，環(huán)境壓力的降低促進了氣液間傳質(zhì)能力的提升，強化氣液間熱質(zhì)耦合傳遞過程。

1.2 熱泵系統(tǒng)理論分析

環(huán)境壓力的降低在強化了干燥過程熱質(zhì)傳遞耦合的同時，對熱泵系統(tǒng)效能也發(fā)生影響。對于低溫干燥過程，熱泵系統(tǒng)能效（）可通過式（7）表示。

藥材干燥量相同時，環(huán)境壓力的下降強化了氣液間熱質(zhì)傳遞耦合過程，導致藥材加熱過程所需熱量以及空氣析濕過程所需制冷量均呈減小趨勢。因此，當藥材干燥量不變時，熱泵系統(tǒng)能效隨環(huán)境壓力的減小而增加。

2 熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)性能研究

熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

熱泵系統(tǒng)由變頻壓縮機、水冷冷凝器、風冷冷凝器、熱力膨脹閥、清水回收箱等組成。熱泵系統(tǒng)既為干燥系統(tǒng)提供熱量加熱藥材，并通過變頻壓縮機調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度，又為該系統(tǒng)提供冷量，將循環(huán)空氣中的水蒸氣冷凝析出，得到達到排放標準的冷凝水。

干燥系統(tǒng)由水箱、過濾器、水循環(huán)泵、水冷冷凝器、藥材干燥箱等組成。藥材干燥箱作為藥材干燥的核心部件，為氣液間熱質(zhì)交換過程提供了場所，同時系統(tǒng)可根據(jù)藥材干燥箱中所需熱量，通過調(diào)節(jié)閥控制水循環(huán)中循環(huán)水質(zhì)量流量。水箱中的冷凝水在循環(huán)水泵的驅(qū)動下進入水冷冷凝器，進行熱交換加熱后流經(jīng)藥材干燥箱內(nèi)加熱盤管，加熱藥材，藥材內(nèi)高溫水分與低溫干燥空氣直接接觸。以藥材表面水蒸氣分壓力與空氣中水蒸氣分壓力差為驅(qū)動勢能驅(qū)使藥材中水分遷移至空氣，吸濕后的濕空氣流經(jīng)清水回收箱時，與熱泵干燥箱進行熱交換，空氣中的水分被冷凝析出，析濕后的干空氣在循環(huán)風機的驅(qū)動下重新流入藥材干燥箱，如此反復多次，實現(xiàn)藥材低溫干燥。

循環(huán)空氣系統(tǒng)由變頻風機、真空泵、穩(wěn)壓罐、電加熱等組成，系統(tǒng)通過變頻風機調(diào)節(jié)空氣入口流速，通過電加熱控制空氣入口溫度，并通過真空泵調(diào)節(jié)環(huán)境真空壓力，將吸濕后高溫、高濕空氣經(jīng)冷凝后變?yōu)榈蜏馗稍锟諝夤┫到y(tǒng)循環(huán)使用。實驗系統(tǒng)主要設備配置如表1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理

表1 實驗系統(tǒng)主要設備參數(shù)

Tab.1 Main equipment parameters of the experimental system

3 實驗材料與方法

3.1 實驗方案

本文選取秦艽作為實驗材料，將秦艽根莖切斜厚片，根莖平均厚度為（2±0.2）cm，經(jīng)鹵素水分測定儀（測量精度為0.1 mg）測量，新鮮秦艽根莖初始含水率為（80±1）%，裝載量為（100±0.1）kg。為探究藥材干燥過程中不同影響因素對系統(tǒng)性能的影響，在多種運行工況下對系統(tǒng)性能進行實驗分析，實驗參數(shù)設置如表2所示。

表2 實驗參數(shù)

Tab.2 Experimental parameters

將實驗藥材置于藥材干燥箱中，在不同工況下進行24 h干燥實驗。對同一組實驗將按照不同真空壓力進行，先進行真空壓力為0 kPa（即常壓）下的所有實驗，后面依次類推。測量干燥前后藥材含濕量、干燥箱進出口空氣溫度、流速、含濕量等關(guān)鍵參數(shù)，并進行數(shù)據(jù)處理，對實驗結(jié)果進行分析。

3.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

熱泵真空低溫干燥系統(tǒng)性能可以通過干燥量、干燥效率、干燥及析濕過程傳質(zhì)系數(shù)、傳熱系數(shù)進行評定。

藥材干燥量：

干燥效率：

傳質(zhì)系數(shù)：

傳熱系數(shù)：

在本文研究中的測量結(jié)果需要相應的指標來確定測量結(jié)果準確度，通過重復實驗來判斷各輸入量的影響，因此其不確定度為A類[19-20]。對空氣側(cè)質(zhì)量流量a，氣液間傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)a,h、a,h，干燥量?a,h，干燥效率進行不確定度分析。

空氣側(cè)質(zhì)量流量：

傳熱系數(shù)：

傳質(zhì)系數(shù)：

干燥量：

干燥效率：

在真空壓力為0 kPa環(huán)境下，熱泵冷凝溫度為55 ℃，空氣入口溫度為16.0 ℃，體積流量為275 m3/h的工況下，進行多組熱泵系統(tǒng)藥材干燥性能實驗測試。將實驗結(jié)果代入式（11）～（17）進行誤差分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 實驗測量參數(shù)不確定度

Tab.3 Uncertainty of experimental measurement parameters

4 結(jié)果分析

4.1 真空壓力與熱泵冷凝溫度

圖2所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時，真空環(huán)境下熱泵冷凝溫度變化對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖2a、c可知，干燥過程中，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率在低冷凝溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在高冷凝溫度范圍內(nèi)增加趨勢逐漸變緩。隨著冷凝溫度的增加，干燥量逐漸增加，干燥效率逐漸減小，且干燥效率減小幅度隨著真空壓力的減小而增大。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.97 kg/h增至3.31 kg/h，最大干燥效率由17.6%增至34.11%。隨著冷凝溫度的增加，由真空壓力減小引起的干燥量增加幅度由93.27%減小至11.45%。

由圖2b、d可知，相同冷凝溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)在低冷凝溫度內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在高冷凝溫度范圍呈現(xiàn)先增加后減小或逐漸減小的趨勢，傳熱系數(shù)均呈減小趨勢。隨著冷凝溫度的增加，傳質(zhì)系數(shù)在高真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在低真空壓力范圍呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，傳熱系數(shù)均呈增加趨勢。

圖2的現(xiàn)象是由于相同冷凝溫度下，藥材表面水蒸氣分壓力不變，但隨著環(huán)境真空壓力的減小，液膜表面等效含濕量以及傳質(zhì)驅(qū)動勢幅度增加，空氣密度減小，導致傳質(zhì)速率的增加，空氣傳熱效率下降。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大傳熱系數(shù)由2.14 W/(m2·℃)降至1.65 W/(m2·℃)。同時由式（11）可知，隨著傳質(zhì)速率的增加，藥材干燥量呈增大趨勢，導致由于換熱溫差的增大對空氣側(cè)傳熱的強化效果減小，間接降低了空氣側(cè)換熱效率。

圖2 真空環(huán)境下熱泵冷凝溫度對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

4.2 真空壓力與熱泵蒸發(fā)溫度

圖3所示為空氣體積流量為275 m3/h時，真空環(huán)境下熱泵蒸發(fā)溫度變化對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

圖3 真空環(huán)境下熱泵蒸發(fā)溫度對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

由圖3可知，空氣去濕過程中，傳熱系數(shù)隨著真空壓力的減小而下降，隨著蒸發(fā)溫度增加而增大。傳質(zhì)系數(shù)隨真空壓力的減小以及蒸發(fā)溫度的增加而增大。當真空壓力從0 kPa減小至?40kPa時，傳熱系數(shù)降低了約23.35%，傳質(zhì)系數(shù)增大了約22.92%。這是由于蒸發(fā)溫度變化對參與傳熱的氣體分子活躍程度有影響，濕空氣中水蒸氣分子擴散率隨著蒸發(fā)溫度的增加而增加，隨著真空壓力的減小，分子擴散率進一步增大，分子碰撞減小對傳熱弱化更加明顯，傳熱系數(shù)逐漸減小，傳質(zhì)系數(shù)增大趨勢更加明顯。

4.3 真空壓力與空氣入口流速

圖4為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃、空氣入口溫度為16.0 ℃時，真空環(huán)境下空氣入口流速變化對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖4a、c可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，干燥量增加趨勢逐漸變緩，干燥效率先逐漸增加后基本保持不變。隨著空氣入口流速的增加，干燥量和干燥效率呈相反的趨勢，干燥量逐漸增大，而干燥效率逐漸減小。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.65 kg/h增至3.47 kg/h，最大干燥效率由24.48%增加至39.03%，且當真空壓力分別從0 kPa減小至?15 kPa以及從?15 kPa減小至?40 kPa時，干燥量和干燥效率的平均增加幅度分別為19.79%、17.30%以及5.96%、7.48%。

由圖4b、d可知，相同空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，傳熱系數(shù)呈減小的趨勢。隨著空氣入口流速的增加，傳質(zhì)系數(shù)和傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。當空氣入口流速由0.8 m/s增至1.6 m/s時，最大傳質(zhì)系數(shù)由2.65 g/(m2·s)增至3.68 g/(m2·s)，最大傳熱系數(shù)由2.13 W/(m2·℃)增至2.77 W/(m2·℃)。

圖4 真空環(huán)境下空氣入口風速對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

圖4的現(xiàn)象是由于在同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣容納水蒸氣能力、水蒸氣在空氣中的擴散速率以及氣液間傳質(zhì)勢差協(xié)同增加導致了空氣側(cè)傳質(zhì)速率的增加。同一空氣入口流速下，隨著真空壓力的減小，空氣密度變得稀薄后，氣體分子間距離變大，氣體分子間相互碰撞概率降低。由于相互碰撞傳遞的熱量減少，空氣側(cè)顯熱換熱效率降低。

4.4 真空壓力與空氣入口溫度

圖5所示為熱泵冷凝溫度為50.0 ℃，空氣入口體積流量為275 m3/h時，真空環(huán)境下空氣入口溫度變化對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖5a、c可知，干燥過程中，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，干燥量和干燥效率增加趨勢逐漸平緩，且增加幅度隨著空氣入口溫度的增大而增加。隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率均呈現(xiàn)先逐漸增加后基本不變的趨勢，且隨著空氣入口溫度的增加，干燥量和干燥效率隨真空壓力增加幅度逐漸增加。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，最大干燥量由2.36 kg/h增至3.96 kg/h，最大干燥效率由28.88%增加至44.19%。

由圖5b、d可知，相同空氣入口溫度下，隨著真空壓力的減小，傳質(zhì)系數(shù)在低空氣入口溫度范圍內(nèi)逐漸減小，在高空氣入口溫度范圍內(nèi)先增加后減小。傳熱系數(shù)呈逐漸減小的趨勢。隨著空氣入口溫度的增加，傳質(zhì)系數(shù)在高真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢，在低真空壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。傳熱系數(shù)呈逐漸減小的趨勢。

圖5的現(xiàn)象是由于在空氣入口溫度較低時，相同空氣含濕量下，空氣入口相對濕度更高，空氣中水蒸氣分壓力更高，導致空氣吸濕水分能力有限，真空壓力的減小對氣液間傳質(zhì)勢差的強化效果得不到體現(xiàn)。但隨著空氣入口溫度的升高，相同空氣含濕量下，空氣相對濕度降低，空氣中水蒸氣分壓力下降，空氣吸濕能力增強。同時，隨著真空壓力的降低，會導致空氣分子量的減少，從而削弱空氣吸濕能力，且影響效果隨真空壓力的降低而增大，因此當真空壓力降低到一定值時，繼續(xù)降低真空壓力傳質(zhì)系數(shù)又會出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

4.5 真空壓力與熱泵系統(tǒng)能效

圖6所示為空氣入口溫度為16.0 ℃、體積流量為275 m3/h時，真空壓力變化對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響。

由圖6可知，干燥過程中，相同藥材干燥量下，隨著真空壓力的減小，熱泵系統(tǒng)能效呈減增大趨勢。隨著干燥量的增加，熱泵系統(tǒng)能效逐漸減小的趨勢。當真空壓力從0 kPa減小至?40 kPa時，熱泵系統(tǒng)最大能效由5.66增至6.08。當干燥量從1.25 kg/h增加至2.5 kg/h時，熱泵系統(tǒng)最大能效下降了14.14%。分析原因可知，圖11的現(xiàn)象是由于相同干燥量下，隨著真空壓力的減小，氣液間傳質(zhì)勢得到增強，干燥藥材所需熱量及空氣去濕所需冷量減小，因此熱泵系統(tǒng)能效增加。相同真空壓力下，隨著干燥量增加，熱泵系統(tǒng)需通過提高冷凝溫度以提高藥材中水分與干燥空氣間傳質(zhì)勢。同時，干燥箱出口空氣溫度及含濕量隨之增大，需通過減小蒸發(fā)溫度提高濕空氣與換熱器間的換熱溫差，提高氣液間傳質(zhì)勢，因此熱泵系統(tǒng)能效下降。

圖5 真空環(huán)境下空氣入口溫度對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響

圖6 真空壓力對熱泵系統(tǒng)能效的影響

4.6 熱泵真空低溫干燥效率模型

式中：0為修正系數(shù)，指數(shù)1～8分別為各影響因素的影響因子。因常壓工況是真空工況下的一個特殊工況，因此在對干燥效率進行擬合時，將常壓工況數(shù)據(jù)并入真空工況。將通過對實驗數(shù)據(jù)的多元線性回歸分析，即可得到干燥效率模型中各影響因子數(shù)值大小。

通過真空環(huán)境下的實驗數(shù)據(jù)對式（18）進行多元線性回歸，參數(shù)0～8的值為分別為?8.000、0.275、?0.138、2.160、?1.259、0.054、?0.559、?0.173、?1.056，干燥效率模型具體形式如式（23）所示。

干燥效率的實驗值與回歸計算值兩者之間的平均絕對值偏差值（Average Absolutedeviation，d）為：

圖7為實驗模型計算值和實驗值的偏差情況。經(jīng)計算干燥效率的平均絕對偏差為9.18%，最大絕對偏差為20.08%，在±15%偏差范圍內(nèi)涵蓋了95.27%的數(shù)據(jù)點，在±20%偏差范圍內(nèi)涵蓋了98.90%的數(shù)據(jù)點。

5 結(jié)語

對面向藥材貯藏的熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)進行了實驗研究，研究主要獲得以下結(jié)論：

1）在真空環(huán)境下，通過熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)對藥材進行干燥處理，能夠顯著提高藥材干燥量、干燥效率以及熱泵系統(tǒng)能效。

2）循環(huán)空氣的流速及溫度的增加，有利于提高藥材干燥過程的干燥量，通過增大空氣流速保持不同真空壓力下空氣流動雷諾數(shù)一致可以彌補因真空環(huán)境壓力降低導致的干燥過程傳熱系數(shù)減小的問題，并增大干燥過程的傳質(zhì)系數(shù)。

3）本文所建立的藥材干燥效率模型預測精度較高，平均絕對偏差為9.18%，在±15%偏差范圍內(nèi)涵蓋了95.27%的數(shù)據(jù)點，在±20%偏差范圍內(nèi)涵蓋了98.90%的數(shù)據(jù)點。

研究結(jié)果表明，熱泵低溫真空干燥系統(tǒng)針對藥材貯藏前的干燥處理效果較好，在低能耗工況下能夠有效提高藥材干燥處理效率。保證了藥材品質(zhì)，減少了環(huán)境污染，有利于藥材的高品質(zhì)貯藏，并為面向藥材貯藏的熱泵干燥系統(tǒng)設計提供了一定的理論依據(jù)。

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Experimental Research on Heat Pump Drying System for Medicinal Herbs Storage

WANG Zelin1, ZHANG Liang1*, XU Xiaofeng2, WU Qingqing2

(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Haili Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Aiming to solve the problems of low efficiency, easy deterioration, high energy consumption and unfavorable conditions for high-quality storage in the drying process of medicinal herbs, it is crucial to optimize the drying method. By vacuum low-temperature evaporation drying technology, a heat pump drying system was designed with a vacuum drying chamber as the mass transfer system to conduct low-temperature drying. The system was composed of equipment such as a vacuum low-temperature drying system driven by a heat pump compressor, a vacuum pump and a variable-frequency fan. The performance of the system was studied through experiments, and the effects of heat pump condensation temperature, air inlet velocity, and air inlet temperature on the drying performance of the system were analyzed. Under experimental conditions with environmental vacuum ranging from ?40 to 0 kPa, the maximum values of drying capacity, drying efficiency, mass transfer coefficient, and heat transfer coefficient for the heat pump vacuum low-temperature drying system were 3.96 kg/h, 44.19%, 3.75 g/(m2·s), and 3.25 W/(m2·℃) respectively. The maximum values of mass transfer coefficient and heat transfer coefficient in the dehumidification process were 44.51 g/(m2·s) and 36.03 W/(m2·℃) respectively. The maximum coefficient of performance (COP) for the heat pump system was 6.08. Regression analysis was conducted on the experimental data to obtain the correlation equation for the drying efficiency in the heat pump vacuum low-temperature drying system. The maximum deviation between the calculated values and experimental values was within ±21%, and the average deviation was 9.18%, indicating a good predictive performance. Compared with the heat pump low-temperature drying technology at normal pressure, the heat pump drying system based on vacuum low-temperature drying technology effectively improves the efficiency of herb drying and reduces energy consumption in the herb drying process, ensuring the high-quality storage of medicinal herbs.

heat pump; medicinal herbs storage; low-temperature evaporation; medicinal herbs drying; vacuum environment; heat and mass transfer

TB486；TK173

A

1001-3563(2024)01-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.001

2023-10-09

上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室（13DZ2260900）