1熱泵微波聯合干燥試驗裝置　　試驗干燥裝置由蒸汽壓縮式熱泵除濕系統和連續帶式微波干燥室組成，由風管連接成一個整體，磁控管產生的微波能通過微波導管射入干燥室，加熱被干燥的物料，熱量及質量傳遞在裝置內的兩個循環（空氣及制冷劑循環）中進行。　　在空氣循環中，來自干燥室的一部分濕熱空氣直接經過蒸發器冷卻除濕，從蒸發器出來的空氣與旁通空氣混合經過冷凝器加熱后進入干燥室，和微波能一起加熱干燥物料，并吸收物料濕分，從而構成空氣循環。在制冷劑循環中，制冷劑在蒸發器中吸收干燥室出來熱濕空氣的熱量后汽化，汽化后的制冷劑被壓縮機吸入，壓縮機將其溫度及壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中制冷劑放熱給空氣并凝結為液體，高溫高壓液體最后通過膨脹閥產生低溫低壓的氣液混合物再次進入蒸發器，從而構成制冷循環。　　本研究是想探討將熱泵微波聯合干燥系統用于干燥中藥材和農產品的可行性，所以試驗干燥系統設計的最高空氣溫度為70℃。系統選用R142b做為熱泵工質；選用QR系列全封閉往復活塞壓縮機，用變頻器調節壓縮機的轉速；選用TQ5型熱電膨脹閥，將蒸發器過熱度控制在±0.5℃以內；選用2M137型磁控管發射微波，它在2.45GHz時的最大輸出功率和轉換效率分別為1.2kW及70.　為了進行系統的熱力學分析，就要測量大量的系統參數，對于空氣回路包括以下參數：總空氣質量流量，旁通空氣質量流量，及空氣的干濕球溫度。對于制冷劑回路包括以下參數：制冷劑的質量流量，溫度及壓力。　　為了確定熱泵微波干燥器的總性能，磁控管的輸入及輸出能量，空氣循環風機電機的輸入功率，壓縮機馬達的輸入功率，蒸發器除去的水量，物料的濕含量及產量也必須測量。　　試驗中使用的溫度儀表及制冷劑流量計的精度范圍為±0.3℃，空氣流量計的精度范圍為±2℃。電動機輸入功率的測量誤差在±5以內，除去的水分及物料重量的測量誤差在±1以內，磁控管的輸入功率通過直接測量輸入的電壓及電流值得到，其測量誤差在±0.5以內，損耗及反射的微波能用二極管探測器測量，其精度在±10以內。選擇泡沫橡膠作為本試驗的干燥材料，它可以反復地吸濕，干燥而不會損耗和破壞。　　2數學模型　　在本研究之前，作者已經建立了一套模擬熱泵對流干燥系統性能的數學模型，該模型由熱泵子模型和連續對流干燥室子模型組成，并由質量及能量守衡定律將它們聯系起來。隨著微波加熱及干燥的介入，干燥室模型要考慮消耗到被干燥物料中的微波能，根據定義，消耗到單位體積電介質物料中的微波能與微波電場強度和頻率有關。　　世界公認的用于加熱與干燥的微波頻率是2.45GHz，因此，消耗到被干燥物料中的微波能僅與物料相對損失系數和電場在物料中的分布情況有關。　　2.1微波場的分布　　被干燥物料中的微波電場分布及數值大小是微波源（磁控管）發出的能量，磁控管在干燥室中的位置，干燥室的幾何形狀和物料的性質及空間位置的復雜函數，對于一些簡單的幾何形狀，可以采用有限元法及其他數值方法進行求解，然而對于工業尺寸的微波干燥器，其實際尺寸大，邊界條件復雜，使得干燥室內微波場分布的數值計算極為困難，因此，為了分析工業尺寸的微波干燥問題，必須做一些假設。并聯波導管能夠改善使用場合內部的微波場分布均勻性，因此，在本研究中假設干燥室內的微波場是均勻分布的，即其電場強度是恒定的。　　2.2物料損耗系數　　在特定的微波頻率下，物料損耗系數是其物理性質，溫度及含濕量的復雜函數，其準確值必須通過實驗來確定。但是，對于熱泵輔助微波干燥，物料溫度變化通常小于30℃，因此假設2.4GHz頻率時物料損耗系數在整個干燥過程中與溫度無關，因此對于特定的物料，損耗系數僅是物料含濕量的函數。　　3結果與討論　　3.1　系統參數的影響　　為了進一步了解熱泵微波干燥器的特性，尋求最優設計，下面分析主要設計及運行參數對系統性能的影響。干燥器的性能用單位能耗除濕量（SMER）及干燥產量來評價。　　空氣旁通率定義為從蒸發器旁通的空氣質量流量與系統中總空氣質量流量之比。空氣旁通率對SMER及干燥物料產量的影響如圖2所示。從圖中可以看出，試驗與模擬的結果基本吻合，且最佳旁通率約為67（盡量旁通率對干燥器性能的影響不大）。應該注意：最佳旁通率受總空氣質量流量及蒸發器進口的空氣相對濕度影響很大。隨著空氣相對濕度增加及總空氣流量減少，最佳旁通率降低。在本試驗中，干燥泡沫橡膠時蒸發器進口的空氣相對濕度在40～50之間，對于這樣低的相對濕度，可以采用較高的旁通率。　　試驗及模擬結果都表明：隨著壓縮機轉速增加，SMER減少，而干燥產量增加。這種趨勢與對流干燥類似，只不過其變化速度較慢。這種現象的出現主要是因為大約一半輸入到干燥室的能量為與壓縮機轉速無關的微波能。對于特定的設計，必須保持干燥產量及SMER的均衡。　　從該曲線可以看出試驗與模擬結果吻合很好，該曲線表明：在研究的范圍內干燥器的性能對總空氣質量流量不敏感。這種現象或許是由于通風機的輸入功率小于系統總輸入功率的10這個事實造成的。這一點與熱泵對流干燥不同，熱泵對流干燥時存在最佳的總空氣質量流量。　　3.2熱泵微波干燥和對流干燥的比較　　下面對熱泵微波干燥和對流干燥的能量效率和產量作一比較。輸入不同微波能時干燥泡沫橡膠的試驗結果摘錄在表2中。所有情況下熱泵輸入功率約為4kW.表2清楚地表明：與對流干燥相比，微波干燥可以提高產量，但隨著輸入微波能增加，干燥器SMER減少，當輸入的微波能從0增加到4.5kW時，試驗干燥器的SMER從2.3減少到1.2kg（kWh）。　　發電效率取30，按照一次能源消耗將熱泵微波聯合干燥器的SMER進行換算，換算結果如表2所示。傳統的蒸汽加熱干燥器，能達到的最高SMER約為0.55kg（kWh）。從表中可以看出，試驗干燥器使用一個磁控管時的一次能源消耗與設計最完善的傳統干燥相當，而使用多個磁控管時微波干燥器的能量效率低于設計完善的蒸汽干燥器。應該指出的是：在設計本試驗干燥器時，由于受到場地和經費的限制，干燥室的尺寸做得比較小，嚴重限制了試驗干燥器的效率。因此，經過仔細設計的熱泵微波聯合干燥在能量利用方面可以和傳統對流干燥競爭。　　3.3蔬菜的干燥　　為了研究熱泵微波聯合干燥器在干燥實際商品時的性能，用胡蘿卜片和整姜在試驗干燥器上進行了試驗，結果摘錄在表3中。結果表明：熱泵微波聯合干燥器在干燥胡蘿卜片時的性能與干燥泡沫橡膠類似；在干燥整姜時其性能降低很多，這是由于姜的高吸濕性造成的，同時姜結實的外皮也使其向表面擴散濕分更加困難。　　4結論　　（1）空氣旁通率，壓縮機轉速及總空氣質量流量等系統運行參數對熱泵微波聯合干燥器SMER和干燥產量的影響與這些參數對熱泵對流干燥器的影響相似，僅有的差別是其變化速度比熱泵對流干燥器低。　　（2）與熱泵干燥相比，熱泵微波聯合干燥可以提高干燥產量，但SMER降低，其大小與微波能的輸入量成比例。從試驗的真實性而言，這一現象是微波加熱器（應用器）駐波過大所致。　　（3）通過精心設計，熱泵微波聯合干燥在能量消耗方面可以做到與傳統對流干燥相當。　　（4）干燥整姜和胡蘿卜片的試驗結果表明：微波干燥器的SMER受被干燥物料特性的影響很大，對于象姜這樣的高吸濕性物料，其SMER下降很多。　　 來源:http://www.edry.cn/Html/news/20115/2011523145900.html