节能滚筒式热泵干燥机用于罗勒叶干燥的热力学研究

《Journal of Stored Products Research》：Thermodynamic investigation of a rotating drum heat pump dryer for energy-efficient basil leaf drying

　　

• 开发了一种新型回转筒式热泵干燥机，用于草本叶片的干燥。• 系统地研究了产品装载量和气流速率对干燥过程的影响。• 利用CFD优化了挡板布置和气流分布。• 确定了实现高效干燥的最佳产品装载条件。• 优化后的条件提高了干燥生产能力和能效。引言干燥是一项关键的工艺，它结合了传热和传质，在提高食品和草药产品质量及货架稳定性的同时，降低储存和运输成本（Gupta等，2022）。在Siddha和Ayurvedic行业中，草本叶片的干燥已成为其长期储存和增值过程中至关重要的环节（López-Ortiz等，2023）。罗勒叶（Ocimum tenuiflorum）在医疗体系中因其广泛的药用功效而备受珍视（Upadhyay，2017）。通过在干燥温度范围内去除产品内部的水分，可以获得更好的质量，而不会损害其预期特性，如水分含量、色泽、香气、粒径、纯度、活性成分浓度、微生物负载和重金属含量。Babu等（2018）分析了各种操作参数对采用草本叶片干燥的各种方法（如日晒干燥、化学干燥、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥、射频干燥、热泵干燥等）的干燥动力学和产品质量的影响。也有大量研究调查了太阳能温室干燥机的性能，以实现具有妥协干燥能力的经济型干燥（Khan等，2024；Kumar等，2024）。热泵辅助干燥已成为一种积极的传统干燥方法，具有更高的干燥传热率，以实现更好的干燥效果和比湿度蒸发率（SMER）（M等，2024a）。由于热泵对稳定热源供应的一致性能和可持续性，它被广泛用于加热应用（Chinnasamy等，2024b；Chinnasamy和Arunachalam，2023）。根据空气循环方式，热泵干燥机（HPD）主要分为开式和闭式循环干燥机。与开式干燥机相比，闭式循环类型中的操作参数（如温度、速度和压力）可以主动调节，而不受操作和环境条件的影响（Ashok Kumar等，2020）。关于提高HPD效率的研究工作包括太阳能辅助HPD（Rulazi等，2024）、太阳能-风能辅助HPD（Deymi-Dashtebayaz等，2024a）。由于HPD具有自适应控制特性，它主要被食品加工业采用，以在不过度损失营养的情况下提高最终产品的质量（Deymi-Dashtebayaz等，2024b）。为了保持干燥产品的理想质量，干燥必须在可控范围内进行，而热泵干燥技术可以很容易地实现这一点。与其他干燥技术相比，HPD还能提供更高的能效和更好的干燥动力学（Salehi，2021）。根据干燥室的类型和使用方式，HPD可分为间歇式和连续式干燥机（Cheng等，2022；Lee等，2025a）。在间歇式干燥机中，每批物料在固定室内经过严格调节的条件下进行干燥。由于物料持续流经干燥室，连续式室可以进行持续的干燥操作。对于任何类型的HPD，装载质量、气流速度、干燥温度和干燥产品都会显著影响干燥动力学。选择适当的工作流体（R134a、R1234yf、R1234ze、R717、R152a、混合物和CO?）对于HPD的平衡蒸发器和冷凝器负载条件以及更好的能效也是至关重要的一方面（Deymi-Dashtebayaz等，2023；Ni等，2025）。此外，还必须在不影响能效和质量的前提下仔细评估HPD运行产生的碳排放（Xu等，2025）。根据洛神花萼的干燥动力学分析了托盘式热泵干燥室的性能。结果表明，将干燥空气温度（Td）从40°C提高到60°C，有效水分扩散系数增加了1.6倍。在色泽和总酚化合物的保存率方面，50°C时保存率最高（Tajudin等，2019）。将HPD对苹果的干燥动力学与开式和闭式循环HPD布置进行了对比（使用托盘式干燥室）。通过改变干燥空气温度从50°C到70°C进行了实验研究。结果表明，与开式循环型相比，闭式循环HPD中温度升高使干燥时间减少了84%，SMER增加了4倍（Jokiel等，2020）。热泵辅助流化床干燥机也被开发和用于玉米干燥，并分析了其干燥动力学，利用开发的数学模型进行了研究。结果表明，在电加热流化床干燥机中采用热泵技术，每个周期的干燥电力消耗节省了66%（Rudobashta和Zueva，2020）。还研究了利用带有集成回转式干燥剂除湿机的热泵进行除湿，以实现低温干燥花生，并与传统HPD的性能进行了比较。观察发现，与传统热泵干燥相比，混合系统的干燥性能指数提高了23%，比能耗降低了19%（?er?i和Hürdo?an，2022）。Hamid等（2022）使用R134a HPD建立了一个模型，并研究了在恒定气流速率下HPD对Orbeez的适应性。结果表明，在6、7和8 kg的负载下，实现了91%的减重，最大SMER为2.15至2.27 kg/kWh，COP为5.2至5.8。Hu等（2022）分析了除湿量为3500 g/h、双蒸发器配置、优化冷凝温度为60°C的闭式HPD的性能。Akta?等（2019）使用HPD在不同温度（45°C和50°C）下以1.0 m/s的速度干燥葡萄皮渣。此外，还对闭式循环热泵干燥机与十种不同干燥模型的有效性进行了评估，并用实验结果进行了验证。根据结果，在45°C时最大COP为3.28的情况下，干燥机主要保留了生物活性价值（Akta?等，2017）。评估了圆柱形室HPD在Ta为35°C、速度为2至3 m/s条件下的功效。HPD装置的COP为3.94。此外，观察到干燥机使用了3.1 kWh的电能，实现了48%的节能。为改善传热和干燥速率，采用了回转筒式干燥室，允许改善气流并具有更高的SMER。测试了射流冲击与传统干燥机的集成，以5 kg新鲜辣椒为对象改善SMER。结果表明，集成加速了SMER，改善了传热速率和干燥速率（Wae-hayee等，2021）。图1展示了HPD对干燥速率和质量在不同操作和环境参数下的因果图。表1列出了现有HP干燥相关研究中HPD性能的比较。从文献研究中可以发现，HP干燥已成为公认的提高产品质量的强化传热传质干燥方法。各种研究也针对不同HPD布置进行了实验，以满足其专用设计和操作约束。由于热风均匀和干燥温度稳定，HPD也常用于各种农业和药用产品的高效加工。为实现有效加热、温度控制以及更好的水分去除过程，HPD被证实是一种更优的干燥方法。另一方面，大多数HPD研究使用托盘、柜式、隧道式、流化床或其他相对固定的干燥室布置。因此，现有研究的重点在于调查HPD的性能和干燥动力学。将回转筒与闭式循环HPD集成，并结合不同负载和气流条件以获得更好的干燥性能，在文献中很少见。与传统固定床或托盘式干燥HP系统相比，回转筒式热泵干燥机（RDHPD）改善了干燥室内的气流，直接增强了传热传质。干燥室的反复旋转也增加了干燥室内的气流，但罗勒叶等叶片中存在的床层厚度和湿度水平主要影响RDHPD的干燥动力学。虽然了解产品在RDHPD中的装载意义重大，但大多数现有研究分别研究了装载量和气流分布的影响。由于罗勒等低密度药用叶片需要非常稳定的干燥温度，且瞬时热量输入有限。此外，对于大规模生产，产品装载量的增加会导致床层厚度增加，从而增加热阻并降低热空气与罗勒叶之间的气流速率。另一方面，热空气速度的提高会增强传热传质系数，但会显著增加RDHPD的总能耗。因此，有必要进行适当的调查，以分析有效的产品装载量和气流速度条件，从而提高RDHPD的性能。对于特定批次装载量，达到罗勒叶理想质量所需的系统运行时间应尽可能短，以最小化总能耗。因此，对于典型的RDHPD，有必要对联合传热传质效应进行适当的调查和优化。为确保干燥质量的一致性并维持罗勒叶的理想质量，针对固定干燥温度和气流速度条件解决RDHPD设计和操作条件的局限性至关重要。本研究的主要目标是解决四个主要差距方面：第一，RDHPD在罗勒叶中的应用研究相对较少；第二，产品装载量和气流速度对RDHPD的联合效应需要进一步的实验研究；第三，操作条件对RDHPD干燥动力学的影响需要进一步阐明；第四，不同装载量和气流条件下的综合干燥和能源性能研究有限。本研究通过开发一种用于罗勒叶干燥的闭式循环RDHPD实验测试装置来解决这一差距。计划的RDHPD专为罗勒叶干燥设计，具有可控气流和滚筒旋转。本研究的主要目标是实验性地考察在维持50°C连续热空气供应的情况下，产品装载量和气流速度对干燥动力学的影响。此外，本研究还使用计算流体力学（CFD）分析来检查干燥室内的气流行为，以确定合适的双C形弯曲挡板位置作为辅助室设计组件。在1.5、3.0和4.5 m/s的气流速度下研究了三种双C形弯曲挡板位置，以检查RDHPD干燥室内的速度和压力分布。为了减少试错法实验选择挡板位置的依赖性，根据CFD结果选定的挡板位置在RDHPD的制造中被纳入设计。在CFD分析之后，进行了RDHPD的实验研究，采用不同的产品装载量（8、10、12和14 kg）和气流速度（1.5、3.0和4.5 m/s，干燥空气温度为50°C）。此外，本研究还实验性地研究了产品装载量和气流速度的联合效应对RDHPD性能和干燥动力学的影响。研究还评估了RDHPD的性能特性，如干燥速率、水分减少、干燥时间、能耗、比水分提取率、比能耗等。总体而言，研究结果为回转筒式热泵干燥机的气流优化提供了有价值的设计指南，并支持了药用和芳香草药的可持续和高效干燥技术的发展。系统设计与实验所提议的RDHPD包含1.5吨制冷容量的热泵回路组件，包括R134a压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。

R134a因其较高的冷凝温度（Wang等，2021），被选为工作流体，以实现更好的除湿热泵干燥性能。滚筒干燥室（2.1 × 1.25 × 1.4 m）专为装载罗勒叶而设计，并已对其干燥动力学进行了分析。

**滚筒干燥室热泵干燥器性能分析**

含水率（MC）基于干质量基准确定，可通过以下公式（1）计算（Akta?等，2009）：

MC = (Mi ? Mf) / Mf

其中，'Mi'和'Mf'分别代表干燥周期内罗勒叶的初始质量和最终质量。

以下公式（2）可用于计算干燥产品在任意特定时期内的含水比（MR）（Ghasemkhani等，2016）：

MR = (Mt ? Me) / (Mi ? Me)

其中，'Me'代表平衡水分含量。

**挡板位置对气流的影响**

如前所述，所提出的RDHPD在Ansys中进行了建模，以研究挡板对三种不同位置上、三种不同速度（1.5、3.0和4.5 m/s）下气流的影响，同时保持干燥温度为50°C。通过评估三个不同的剖面压力和速度，预期并确保使用ANSYS FLUENT工具获得充分发展气流。使用ANSYS Fluent对滚筒干燥室内三维气流场进行了分析。

**结果与讨论**

RDHPD系统已制造完成并进行测试，以在50°C条件下，以三种不同速度（1.5、3.0和4.5 m/s）和四种不同的罗勒叶装载量（8、10、12和14 kg）对其性能进行研究。

**结论**

本研究中制造并实验测试了一种闭环式滚筒辅助热泵干燥器（RDHPD），用于在受控干燥条件及充分发展气流条件下干燥圣罗勒叶。主要目标是研究装载量和空气速度对RDHPD干燥动力学的影响，并优化在50°C干燥温度下的比水分蒸发率。此外，还采用了CFD模拟来分析气流模式。

**CRediT作者贡献声明**

Subramaniyan Chinnasamy：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。M. Ashok Kumar：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据整理。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知的可能影响本论文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Subramaniyan Chinnasamy | M. Ashok Kumar | Kumaresan Govindasamy | M. Arul | K.S.K. Sasikumar | B. Kalidasan