你真的会设计能提供客户价值的热泵烘干产品吗？

今天用一个示例和大家来说说热泵烘干机该如何设计。

以下示例内容（年代久远，纯个人兴趣预研）及说明，仅仅作为参考，结果呈现不重要，主要注意整个思考和设计的过程。

一、项目需求的解读与分析

当我们拿到一个项目需求时，我们要对项目需求进行解读，分析，判断其真伪和可实现性。

某需求如下：

本项目为福建省厦门市***水产品贸易有限公司的冷藏集装箱海鱼烘干项目。集装箱内部尺寸为9.3*2.3*2.5米。

客户要求：500kg的鲜海鱼，在30小时内烘干。保证鱼的颜色不变（不能发黄）。

现有的干燥处理主要是传统风干，靠自然风干，需要大面积的晒场，受天气影响，人工劳动强度高，容易滋生蝇虫，食品卫生无法保障；也有采用煤炉烘干，温度高，品质差，出油严重，而且烟熏火燎含硫超标，色泽品相差，温湿度难以控制，需要人工时时看守，处于淘汰工艺。

因此，提供的烘干设备需要模拟自然晒干的环境条件进行干燥。低温低湿、高风速对物料进行快速脱水干燥。

1、调查与咨询

需要对项目进行深度调查和咨询，将内容汇总至客户产品烘干信息调查表中。

2、查询项目所在地气象参数

一开始无法确定烘干系统采用开式还是闭式，所以需要查阅项目所在地的天气情况。

查询厦门的室外气象参数。

3、项目的注意事项

该项目为鲜鱼烘干，咨询客户和查阅相关资料，总结鲜鱼烘干需要注意的几个要点：

温度—海鱼的烘干一般要求比较低的温度下进行，以避免高温影响产品烘干后的质量。

湿度—海鱼的一般含水量比较大。因此控制好排湿量是决定烘干质量的重要因素。另外，由于海鱼的水分存在于脂肪和油脂中，脱水较困难，控制脱水速度很关键。

烘干时间—海鱼烘干一般周期比较长，快速烘干一般都会破坏烘干质量；

色泽—保持海鱼烘干后的色泽至关重要；

循环风—海产品烘干一般要求较大的循环风量，风速也比较高，避免水汽停留在物料表面。

4、项目的控制要点

根据以上注意的要点，分析和整理实现的控制要点：

温度控制：海鱼属于水产品，含水量大，同时也是肉制类，鱼身有一定的脂肪含量，因此不同于某些肉禽类食物的高温干燥。海鱼的烘干通常是以在控温除湿为主，通常干燥温度需要控制在较低的温度范围内，超过这个范围，部分海鱼（特别是黄花鱼、鳗鱼、红衫鱼等）的冒油脂的情况非常严重。另外温度过高烘制出来的鱼，颜色很容易发黄。低温烘制出来的鱼颜色较容易保持原色，品相更佳，卖价更高。部分如对虾、海虾、虾米、生蚝等物料，特别是烘干前进行过热水烹煮过处理过的，是可以在较高的温度下进行烘制。

湿度控制：含水量大且富含脂肪导致海鱼不容易脱水，湿度和温度的合理控制对于海鱼干燥的品质起着至关重要的作用。尤其对于油脂较大海鱼的烘干处理，烘干房抽湿及速度更为重要，除湿过程分为鱼体表面脱水和鱼体内部脱水，前期速度要快，以利蒸发的水汽及时被带走；后期速度稍慢，这样品相色泽更佳。湿度及时被排走，对于控制鱼体的异味具有极重要的意义。某些海鱼如墨鱼、鱿鱼、鲳鱼等，如果湿度不及时排走，极容易发生鱼体变质变味等问题。

循环风控制：烘干房内的海鱼物料车层与层之间约有5公分的空隙，这样的设计是为循环风均匀的通过，海产品一般要求足够的循环风量，风速也比较高，避免水汽停留在鱼体表面。循环风的设计，其一在于热回收，使用余热更容易回收。其二在于形成风的回路，风路没有头尾之分，360度的平面循环风路，使系统内的温度阶梯差更少，温度更均匀，进而使不同位置的海鱼干状态大体相同。

形态和盐渍的处理：形态处理是指根据鱼的大小或脂肪等特点，进行切块、切 片、大条整体烘干时要进行划花刀的处理。盐渍的处理，是指让盐分均匀的渗透于鱼体内，一方面使海鱼脱去部分水分，另一方面可延长海鱼干的保存时间，根据海鱼的种类和大小，可以采用食盐水浸渍法和抹盐法，如金鲳鱼可以将盐在鱼腹和外表上进行均匀的涂抹，而公干鱼可以采用盐水浸渍的方法。在烘干前对海鱼进行形态和盐渍的得当处理，能有效提高烘干的海效率和提升海鱼干的品质。

5、项目的工艺实现

通过查阅资料和与客户的深度沟通，获取并总结项目实现的烘干工艺。

剖割：按照鱼类大小分别采用背剖、腹剖和腹边剖三种形式。背剖，一般用于鱼大肉厚的。剖割时从鱼背鳍下第二鳞片进刀，刀至鱼头骨时，微斜在头骨正中切开。除去内脏及牙墩，把脊骨的血污及腹内黑衣粘膜，用刀片轻轻刮去。若鱼身较大，应在脊背骨下及另一边的肉厚处，分别开吞刀、夹刀及片刀，使盐水易于渗透。鱼小肉薄的，可采用腹剖。即在鱼腹正中进刀，两片对称剖开。腹边剖割的，可在鱼身中线下边切入，上至鱼眼外围，下到尾部肛门上为止。剖割后，去掉内脏。

洗涤：剖割后在血液凝固前，用刷子逐条地在清水（流动水）中洗刷去血污、粘液，放进筐内，滴干水分。污血对产品颜色和光泽有特别影响，所以必须十分彻底。

盐腌：根据鱼体大小确定用盐数量，一般每100千克鱼用盐18～24千克。冬、春季偏少，夏、秋季节偏多。腌制时，将盐均匀地擦敷在鱼体、鱼鳃、吞刀、眼球及钓孔内。然后置于腌池内，肉面向上，鱼鳞向下，鱼头稍放低，鱼尾斜向上，层层排叠。叠至池口时，可继续排叠，直至超出池口10～15厘米。经4～5小时后，鱼体收缩至与池口平齐时，再加撒一层封口盐，并用竹片盖面，石头加压。使鱼体浸入卤水，充分吸收盐分，脱出水分。

烘干：将鱼体洗刷一次，除去沾染的污物，滴干水后，排放于烘干盘上。烘干盘放置物料车上，物料车采用全304不锈钢制作，12层/每车，推进鱼干烘干房，开启主机的控制面板进行烘干。

储存：烘干完毕后将海鱼干取出，放入包装袋中，有条件的可以抽真空后入冷库低温储存，也可包装后低温避光储存。

二、客户需求总结与设计输入

当项目信息获取、项目需求、注意要点等摸清差不多的时候，我们就需要进行客户需求总结和设计输入的转化了。（随着设计进行后的深度思考，需要变更的及时变更）

产品运行范围框图

当根据需求工况设计时，系统配置自然会扩大到一定的运行工况

产品结构特点

1、 整体结构

2、 室外侧出风方式：侧出风

3、 室内机出风方式：侧出风

4、 室内机回风方式：顶回风

一般要求

1、 电制：380V-50Hz

2、 制冷剂：R22

3、安装方式：落地安装，部分库内，部分库外

4、是否需要补气增焓压缩机：否

5、温度调节方式：循环式

6、包装形式：木底托、边护角、缠绕膜

如果采用环保制冷剂R410A，外形和结构不变，能力基本不变，简单更换元器件即可

特殊要求

1、钣金防腐（环境高盐，镀锌板喷涂）

2、翅片换热器防腐（环境高盐，翅片纯铜、环氧树脂涂层、电泳黑、纳米喷涂）

3、紧固件防腐：达克罗

电控要求

1)操作方式：普通线控器（低端）、5寸液晶触摸屏（高端）

2)模式选择：烘干模式、冷藏模式

3)控制模式：烘干制热模式、烘干制冷模式、冷藏模式、冷藏化霜模式

4)客户界面：模式选择、温度设定、湿度设定

5)保护功能：压缩机过载保护、高压保护、低压保护、压缩机启动和运行时间保护、排气温度过高保护、温度传感器故障保护

6)元件控制：压缩机控制、外风机控制、内风机控制、电磁阀控制、四通阀控制、电子膨胀阀控制、循环风机控制、风墙风机控制

具体要求参考控制逻辑说明

三、设计思路的摸索和确定

1、 鲜鱼为有机物，里面的水分含有非结合水和结合水，物料表面的水蒸气压力为此时环境温度下的饱和水蒸压分压力。只要物料处在非饱和空气状态下，非结合水都可以去除。去除非结合水受送风的相对湿度影响，相对湿度越低，去除的速率越快。

2、 同时物料处于相对湿度较大的环境中，存在细菌和微生物滋生的风险，此时取相对湿度70%（查阅相关资料所得参考值）

3、 鲜鱼烘干要保证色泽不变，初期含水很多，参考相关文献，取20℃。

4、 在去除非结合水阶段，温度控制在20℃，相对湿度不高于70%。

5、 送风温度和烘干后空气温度的差值直接影响去水的快慢，一般保证烘房温度梯度不大时，温差控制在10℃。

6、 根据10℃温差，可以得到送风的温度，30℃，烘干处理是一个等焓过程。

7、 对于夏季，温度高于30℃时，需要首先进行制冷。

直接从室外温度33.6℃降到30℃，空气中的含湿量，0.020965 kg/kg，高于设定烘干房内的含湿量，0.010214 kg/kg。

从室外温度降到机器露点时的温度。

再从机器露点降温，降到含湿量与烘干房设定值相同时，降温等湿点状态参数如下。

要想达到去湿的能力，首先送风温度要高于30度，同时含湿量要小于烘干设定值。

从以上数据得知，通过室外空气降温送到室内去湿，无法实现。

8、 如果是开式系统就需要将室外空气先进行降温除湿，再进行加热处理后送风。

开式又分为直排式和循环加热+间歇式排风。

假设这两种开式系统先经过蒸发器除湿后的状态点相同，直排系统送风含湿量即为蒸发器处理后的状态点，而循环加热+间歇式排风的系统，送风含湿量为蒸发器出口含湿量的混合值，永远大于直排系统送风含湿量，当两种系统送风温度相同，循环风量相同时，循环加热+间歇式排风的系统的烘干后的温度更低，相对湿度更高。当控制同一相对湿度或温度时，需要的循环风量减小，整个去湿速度减慢。

下面就讨论直排式系统：

夏季，从烘房温湿度设定点，和送回风温差，可以得到，送风状态点，再可得到蒸发器出口状态点

从以上蒸发器出口偏低，在实际工程中很难控制，蒸发可能会结霜。

调整送回风温差，设为5℃，送风参数及蒸发器出口参数为

整个直排式系统的空气的状态参数为

焓湿图表示为（等相对湿度线用直线替代）

冬季，室外状态参数

从以上数据中的含湿量，可知将空气直接加热至25℃送至烘房，控制出烘房的温度20℃

冬季采用直排回收式系统，首次加热配电加热快速提温。

当环境温度较低，相对湿度较大时，采用冬季开式循环，可能存在送风湿度过大的情况。

只要环境中的含湿量小于0.008202kg/kg，同时温度低于25℃，均可采用冬季开式循环。

如果采用闭式循环，参数如下

比较夏季开式系统和闭式系统，可得

从循环参数，可以看出，在送风温湿度及温湿度，以及风量相等的情况下，夏季开式系统和闭式系统的去湿量相等。

两者蒸发器的负荷之比为

（87.54597-32.60699）/（46.04552-32.60699）=4.088

在去除湿非结合水时，所需的气化潜热相等，即热泵系统提供的制热量相等。

而在一个热泵系统中，冷凝负荷永远大于蒸发负荷，意味着夏季开式系统不仅要配一个大的蒸发器，还需要配第二个大的冷凝器，删除多余的热，压缩机及整个系统都大很多。

闭式系统为了控温，也得需要配置另外一台冷凝器，来散去多余的热。

根据以上分析，夏季去除非结合水阶段，系统采用闭式系统更合适。

冬季，采用开式系统时室外新风直接加热，含湿量低于0.008202kg/kg时，温度升到25℃，送风口的相对湿度低于闭式系统相同温度下的相对湿度，物料析水的速度更快。空气加热段随室外新风的温度下降而加长，当室外新风温度等于闭式系统蒸发器出口温度时，即温度为11.84118℃时，空气加热段负荷相同。

当室外温度在12-25℃之间，含湿量小于0.008202kg/kg时，去除非结合水阶段采用开式系统。其他温度条件下采用闭式系统。

在去除结合水阶段，物料水分的挥发，主要受物料本身的特性限制，在同一温度下，空气相对湿度越低，能去除的结合水越多。在此阶段物料吸收的热量一部分是用来挥发水分，一部分加热物料，表面温度升高。此阶段温度需要逐渐升高，可以提高水分挥发的速度。风量需要逐渐降低，以保证从物料内析出的水分和空气带走的水分达到一个平衡值。

去除结合水部分，第一阶段主要是物料表面析出的水分越来越少，从表面被饱和水覆盖到全干阶段。第二阶段物料物料表面不在有水珠，水分直接从内部挥发。

对于第一阶段，假设到表面开始全干时，温度为25，相对湿度45%。那么分析一下开式和闭式系统的差异。

开式

闭式

当室外温度在10-30℃之间，含湿量小于0.006879kg/kg时，去除结合水第一阶段采用开式系统。其他温度条件下采用闭式系统。

对于结合水第二阶段，能够去除物料内的水分，需要温度更高，相对湿度非常低的空气处理。如果采用开式系统很难处理到达到要求的空气，采用闭式系统更加合适。

机组的结构示意图如下：

四、设计方案的确定

设计计算

由于烘干之后不同鱼的烘干的干度不统一，按烘干后含水率20%计算。

烘干前后的去水量为：

(1-（1-0.20）/(1-0.73))*500=331.25(kg)

单位时间去除水分的量：

331.25/30=11.04(kg/h)

选配的机组的除水能力需要达到11.04kg/h

根据分析，机组采用直排加闭式循环式除湿方式，结构示意图如上。

由于设备兼顾直排和闭式循环的设计，直排和闭式循环的开启条件的判断非常重要。只有当温度和湿度同时满足的情况下，才开启直排循环。

判断的逻辑，同时检测回风温度和湿度以及室外环境的温度和湿度，进行比对判断，温度和相对湿度可以直接检测，通过运算，比较绝对含湿量的大小。

y=0.0000000028*x^5+0.0000002683*x^4+0.0000273181*x^3+0.0014208954*x^2+0.0444635427*x+0.6111726238

其中：

x，温度计测得的温度或设置温度，℃

y,对应温度下饱和空气水蒸气分压力，kPa

d=0.622*(φ*y/(B-φ*y)),单位：kg/kg.干

其中：

B，当地大气压，默认取101.325 kPa

φ，相对湿度传感器测得，<100%

第一阶段为恒速干燥段，鱼表面始终饱和湿润状态，去除的是鱼的非结合水。温度控制在20℃（18-20℃），相对湿度控制在70%（不滋生细菌），用大风量进行循环。时间设置8小时。（具体根据鱼的特性确定，观察鱼表面是否处于饱和湿润状态，现场监测鱼表面的温度变化情况）

具体控制如下：

机组检测室外温湿度和设定温湿度进行比对，当温度和湿度处于判断条件下（室外温度在12-25℃之间，含湿量小于0.008202kg/kg（设定温湿度对应的含湿量）），机组开启直排模式，循环风量调到最大。

在此模式下，当回风温度高于20℃，开启制冷模式，直至回风温度达到20℃，系统切换至直排模式。

当回风温度低于20℃时，开启电加热快速升温，升温时同时检测送风温度，送风温度探头位于循环风吹过物料前0.5米。只要满足以下一个条件，电加热关闭。

1) 回风温度达到20℃，关闭电加热。

2) 送风温度达到35℃，关闭电加热。

首次开机时，回风温度低于20℃时，环境温度不低于18℃时，机组开启制热模式，通过辅助冷凝器吸热。当回风温度达到20℃时，切换至直排模式。

在未开启电加热的条件下，回风温度已经达到20℃，相对湿度未达到设定值。温度继续上升，开启辅助冷凝器，调节辅助冷凝器的风量来控制回风温度。当回风温度未达到20℃，相对湿度已达到设定值，开启电加热。当回风温度和相对湿度均达到设定值，控制温度，而相对湿度继续上升，切换至闭式循环。

机组检测判断条件，在条件之外，机组开启闭式循环，循环风量调到最大。

在此模式下，当回风温度高于20℃，开启制冷模式，直至回风温度达到20℃，系统切换至闭式循环。

当回风温度低于20℃时，开启电加热快速升温，升温时同时检测送风温度，送风温度探头位于循环风吹过物料前0.5米。只要满足以下一个条件，电加热关闭。

1) 回风温度达到20℃，关闭电加热。

2) 送风温度达到35℃，关闭电加热。

在未开启电加热的条件下，回风温度已经达到20℃，相对湿度未达到设定值。温度继续上升，开启辅助冷凝器，调节辅助冷凝器的风量来控制回风温度。当回风温度未达到20℃，相对湿度已达到设定值，开启电加热。当回风温度和相对湿度均达到设定值，控制温度，而相对湿度继续上升，减小循环风量。循环风量的减小根据不同相对湿度上升的速率调节。

注：在闭式循环模式下，定期检测机组开启直排和闭式循环的判定值，当同时满足闭式运行最短时间（30min）和直排运行条件时，切换至直排模式。

第二阶段为降速干燥段，鱼表面开始处于饱和湿润状态，最后表面没有水分，去除的是鱼的部分非结合水和自由水。温度控制在25℃（23-25℃），相对湿度控制在45%，中等风量运行。时间设置10小时。

具体控制如下：

机组检测室外温湿度和设定温湿度进行比对，当温度和湿度处于判断条件下（室外温度在10-30℃之间，含湿量小于0.006879kg/kg（设定温湿度对应的含湿量）），机组开启直排模式，循环风量调到80%。

在此模式下，故障停机或停电时，再次开机时（掉电记录），当回风温度高于25℃，开启制冷模式，直至回风温度达到25℃，系统切换至直排模式。

正常情况下，当回风温度低于25℃时，开启电加热快速升温，升温时同时检测送风温度，送风温度探头位于循环风吹过物料前0.5米。只要满足以下一个条件，电加热关闭。

1) 回风温度达到25℃，关闭电加热。

2) 送风温度达到35℃，关闭电加热。

在未开启电加热的条件下，回风温度已经达到25℃，相对湿度未达到设定值。温度继续上升，开启辅助冷凝器，调节辅助冷凝器的风量来控制回风温度。当回风温度未达到25℃，相对湿度已达到设定值，开启电加热。当回风温度和相对湿度均达到设定值，控制温度，而相对湿度继续上升，切换至闭式循环。

机组检测判断条件，在条件之外，机组开启闭式循环，循环风量调到80%。

在此模式下，故障停机或停电时，再次开机时（掉电记录），当回风温度高于25℃，开启制冷模式，直至回风温度达到25℃，系统切换至闭式循环。

正常情况下，当回风温度低于25℃时，开启电加热快速升温，升温时同时检测送风温度，送风温度探头位于循环风吹过物料前0.5米。只要满足以下一个条件，电加热关闭。

1) 回风温度达到25℃，关闭电加热。

2) 送风温度达到35℃，关闭电加热。

在未开启电加热的条件下，回风温度已经达到25℃，相对湿度未达到设定值。温度继续上升，开启辅助冷凝器，调节辅助冷凝器的风量来控制回风温度。当回风温度未达到25℃，相对湿度已达到设定值，开启电加热。当回风温度和相对湿度均达到设定值，控制温度，而相对湿度继续上升，减小循环风量。循环风量的减小根据不同相对湿度上升的速率调节。

注：在闭式循环模式下，定期检测机组开启直排和闭式循环的判定值，当同时满足闭式运行最短时间（30min）和直排运行条件时，切换至直排模式。

第三阶段为降速干燥段，鱼表面不再有水分，去除的是鱼的自由水。温度控制在30℃（28-30℃），相对湿度控制在20%，小风量运行。时间设置12小时。（具体要看此温度和相对湿度下鱼的平衡水分是否为干状态的判断值，烘至鱼肚鱼鳃挤不出水分时，就干燥了。或者由有经验的师傅去触摸判断。）

在此模式下，故障停机或停电时，再次开机时（掉电记录），当回风温度高于30℃，开启制冷模式，直至回风温度达到30℃，系统切换至闭式循环。

正常情况下，初期回风温度低于30℃时，开启电加热快速升温，升温时同时检测送风温度，送风温度探头位于循环风吹过物料前0.5米。只要满足以下一个条件，电加热关闭。

1) 回风温度达到30℃，关闭电加热。

2) 送风温度达到35℃，关闭电加热。

在未开启电加热的条件下，回风温度已经达到30℃，相对湿度未达到设定值。温度继续上升，开启辅助冷凝器，调节辅助冷凝器的风量来控制回风温度。当回风温度未达到30℃，相对湿度已达到设定值，开启电加热。当回风温度和相对湿度均达到设定值，控制温度，而相对湿度继续上升，减小循环风量。循环风量的减小根据不同相对湿度上升的速率调节。

第二阶段和第三阶段可再行设置多段控制，程序内开放十段温湿度控制参数设置。

以上设计思路不一定完美，在此只是想告诉大家，要想做好一个热泵烘干方案和产品，需要全方位的思考，才能做好一款有客户价值的产品。