李明教授团队:高寒大温差地区太阳能与热泵耦合藏药干燥研究

时间:2020-10-30 06:49来源:国家光热联盟

  中药材产业是我国战略性新兴产业,是中医药和大健康产业的重要组成部分。据统计,云南省2017年中药材产量为130万吨,约占国内中药材产量的30.6%。藏区(香格里拉)中药材2000多种,是特色产业发展和精准扶贫的物质基础,其中藏药产业是国家扶贫攻坚的重点支持产业,发展尤为迅速。除藏药产业以外,五凤山松茸、德钦葡萄、维西青稞等高原特色农作产品生产规模不断扩大,2018年香格里拉地区农作产品基地达51.23万亩。而基本上所有藏药均需要干燥后进行运输、保存与使用,部分农作物也不例外。为此,云南师范大学太阳能研究所科技处处长李明教授领导的“中国-老挝国家可再生能源开发与利用联合实验室”、“西部高原地区太阳能有效利用及可持续开发教育部创新团队”针对藏区丰富藏药、农产品资源建立相关技术加工标准,充分发挥太阳能资源优势,结合当地特色创新绿色加工方式,用“绿色能源”来创造“绿色食品”,提高云南省的科技影响力,把资源优势转化为经济优势,助推经济发展。

  一、研究工作基础

  云南师范大学太阳能研究所作为国内最早开展太阳能研究的单位之一,从1970年起即开展太阳能及新能源基础理论和应用技术研究。建立了可再生能源先进材料技术与制备教育部重点实验室、国家太阳能热水器质量监督检验中心、中国-老挝国家可再生能源开发与利用联合实验室等研究平台及其他地方、行业科研平台20余个。

  该科研团队带头人李明教授,是博士生导师,教育部创新团队负责人、中国-老挝国家可再生能源实验室常务副主任、云岭学者。他主持完成了国家高技术研究发展计划(863计划)项目、国家国际科技合作计划专项项目、NSFC-云南省联合基金重点项目、国家科技支撑计划课题子项目等;获省部级科学技术奖12项,其中获2017年度云南省自然科学奖一等奖(第一完成人);发表SCI、EI论文120余篇,获发明专利12项,专著、教材2部。

  由李明、王云峰、季旭教授,余琼粉、马逊副教授,李国良、张莹等博士组成的科研团队前期构建了高效二次回热式空气源热泵与太阳能联合干燥系统,分别在热泵干燥模式、联合干燥模式下的物料特性进行了理论及实验研究。

图:自然循环太阳能热风干燥

图:太阳能与回热型热泵干燥示范项目的应用

图:实施的干燥应用物料部分样品

  二、藏药干燥项目实施特点

  李明教授团队在云南省迪庆藏族自治州境内以项目为基础进行了藏药干燥研究。

  (一)藏药干燥加工特点

  迪庆藏族自治州境内海拔高,最高海拔6740米、最低海拔1480米,相对高差达5260。昼夜温差大,年平均气温4.7-16.6℃,最冷月平均气温-3.3-7.7℃,且温差一般均在20℃及以上;迪庆州最冷月份为1月,日均气温在-5℃以下,但是很多藏药材采挖通常在春冬季节,使得干燥初加工只能在低温环境下进行。

  迪庆州太阳资源丰富,属于Ⅱ类太阳能资源区,全年累计辐照量6047MJ/㎡。藏区丰富的太阳能资源,有利于进行太阳能干燥利用和贮热供能。

  (二)技术瓶颈

  李明教授指出,目前藏药干燥仍有许多技术瓶颈需突破:

  一是干燥效率低下,干燥周期长。

  农作产品干燥过程是热湿传递过程,该过程包括了两个基本方面,即热量交换和质量交换。

  而自然晾晒的难点是,低温环境下农作物温度上升难!风速难控制,农作物水分扩散慢!效率低、周期长。特别是藏药干燥受风吹日晒,药物有效成分损失大,难回收!而锅炉干燥则能耗高,污染大;太阳能干燥则不连续,温度控制困难;传统热泵干燥则在低温环境下制热效率低,且早晚气温波动大,空气源热泵供能输出稳定性差。

  二是现代化干燥标准体系缺失。

  藏药干燥所需的时间、温度、湿度等参数,都是靠经验在摸索,缺乏现代化干燥标准体系。

  三是干燥系统性能、结构无优化

  目前一些热泵干燥生产厂家试图通过大功率、大温区等设计使得系统干燥更多种类的物料,但实际上却只是“能烘干”,而非“干得最好”;主要表现在,无针对性与规律性。特别是对藏药的干燥,并没有针对不同种类提出特定的干燥工艺及相应的节能设计。

  经分析,未能解决的问题主要有:大温差环境结霜,能效低;干燥箱内风速、温湿度不均匀;太阳能-热泵耦合运行控制规律未能掌握。

  “通过研究,构建稳定、高效、低能耗的太阳能贮能热泵耦合模式与干燥技术支撑体系;形成藏药干燥核心技术,解决中国西部藏区大温差高寒冷地域条件下藏药及农作产品节能环保、高品质干燥关键问题是非常必要的。”李明教授表示,这也是云南省委省政府要求推动经济高质量发展,打好绿色发展“三张牌”的核心科技。

  三、太阳能-热泵耦合干燥藏药研究

  (一)技术创新点

  充分利用太阳能资源丰富的优势且适应昼夜温差大的环境特点:

  1、白天环境温度高,太阳辐照强。蒸发器直接从环境空气取热,太阳集热系统集热贮能。

  2、夜间环境温度低。蒸发器从贮热介质换热取能,提高蒸发温度,热泵能效显著提升。

  团队自主研发的太阳能与热泵耦合系统的既有节能优势还具有经济性。

  (1)节能优势

  项目提出的干燥系统与传统热泵干燥系统相比,预计节能30%以上,干燥效率提高20%以上

  一是节省能量消耗。减少了热泵蒸发器反复除霜的能耗,采用二次回热方式,充分回收并利用干燥箱排气余热。

  二是提高干燥效率。由于无需四通阀换向除霜过程,热泵冷凝器温度稳定,即干燥箱内温度稳定。

  (2)经济优势

  太阳能与热泵联合干燥模式下的最大平均制热系数(COP)与在热泵单独运行干燥模式下相比,提高23%。

  (二)关键科学技术问题

  李明教授指出,太阳能-热泵耦合干燥系统解决的关键科学技术问题主要有以下几个:

  1、昼夜大温差条件下,太阳能集热贮能与热泵耦合热力循环过程在供能模式下的动态传热特征、能量迁移与耦合特征。

  为此,团队自主研发了储能回热压缩式热泵干燥系统。

图:储能回热压缩式热泵干燥系统

  该系统的特点是:

  (1)太阳能储能及梯级供热利用的多能互补供热干燥;

  (2)空气源和水源复合双热源及两级压缩高温热泵系统。

  2、不同农作产品干燥模式下内部温度场、湿度场和流场分布与传热传质过程的协同强化。

  团队搭建的干燥系统,其运行特性为:

  (1)干燥箱内均匀送风及回热、回质技术;

  (2)高风压混流喷射式进风、低沿阻交错式进风;

  (3)多孔整流式匀风。

  三是同物料干燥系统用能、物料特性与系统自控特征匹配及适应性。

  团队先对中药材不同加工方法下干燥特性分析;干燥数学模型的建立和推导,发现干燥物料之间的物理和化学上存在差异,不同干燥物料适合的干燥动力学模型也不同,因此应根据干燥物料的实验数据来匹配适合的数学模型。对物料干燥动力学模型的优化后,对干燥物料失水动力学模型进行验证。随后,研究了干燥工艺参数对有效扩散系数和活化能的影响。

  以针对天麻的干燥研究为例,发现“天麻的有效扩散系数随着温度、风速、切片厚度的增加而增加,随着湿度的增加而降低。切片天麻热风干燥的活化能为34.16KJ/mol”。

  研究人员利用高效液相色谱法对干燥物料有效药用成分进行测定。如,不同热风干燥工艺下干燥的天麻,其中天麻素含量均大于《中国药典》制定的天麻素含量标准(0.02%),因此选择最佳的热风干燥工艺能有效促进天麻有效药用成分含量的提升。

  不同干燥变量对根茎类中药材天麻有效药用成分的影响也非常大。研究表明:

  (1)提高空气温度对增加天麻素含量的增加有很大的影响,但温度不宜超过60℃;

  (2)风速3.5m/s为天麻素生成酶活性升高的临界点,天麻热风干燥风速控制范围为2.0m/s~3.5m/s;

  (3)切片厚度为0.4cm时是保存较高天麻素含量的最佳切片厚度参数;

  (4)相对湿度为25%时是保存较高天麻素含量的最佳控制参数,增加空气相对湿度对增加天麻素含量的影响较小。

  五、干燥物理化学特性结论

  1、利用热量守恒定律、质量守恒定律、费克定律和液态扩散理论基础,对根茎类中药材不同干燥工艺下的热力学特性进行了理论研究。研究结果表明,不同的干燥条件影响着湿物料干燥过程中的热量传递与湿分传递的速率。

  2、建立了一种适合于在不同热风温度、风速、空气相对湿度和切片厚度热风干燥条件下预测根茎类中药材失水过程的动力学模型公式。该模型公式的预测值与实验值吻合度均在90%以上。

  3、根茎类中药材进行不同干燥条件下的热风干燥实验时干燥过程都经历短暂的升速阶段和长时间的降速阶段,无明显的恒速阶段。热风温度对提升干燥速率的影响较大,风速和相对湿度对提升干燥速率影响较小,对于饮片干燥的根茎类中药材切片厚度能有效提升干燥速率。

  4、热风干燥根茎类中药材保持最佳干燥品质的控制参数范围为:温度为50~60℃,风速为2.0~3.5m/s,相对湿度小于等于25%,对于需要饮片干燥的根茎类中药材切片厚度为0.4cm。

  李明教授透露,团队将在香格里拉小中甸镇忠浩野生中药材种植有限公司新基地,建设5套太阳能贮能供热与双源压缩热泵干燥系统,每套干燥系统单次干燥量约2吨左右。该项目建成后,将解决该地区的藏药和农副产品干燥问题,对于用科技创新把资源优势转化为经济优势,扎实推进深度贫困区脱贫攻坚具有重要意义。

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