一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法，涉及热泵干燥领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法


[0001]本专利技术涉及热泵干燥领域，尤其涉及一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法
。

技术介绍

[0002]为了防止香菇出现腐烂
、
褐变等问题，采后的香菇需通过干燥以延长其保质期
。
热泵干燥技术具有能源消耗和环境污染小
、
温湿度可调节范围广
、
不易受天气影响等优势，已经被广泛应用于香菇干燥单元操作中
。
[0003]在实际香菇干制品的生产过程中，常采用堆积多层香菇的厢式干燥器
。
由于香菇具有多孔性
、
热敏性和生物学特性，其干燥过程涉及流体流动
、
传热
、
水蒸气传输等多物理场的耦合，导致干燥器内部干燥条件分布不均匀
、
热湿负荷动态变化大和非线性程度高
。
因此，多层香菇的干燥过程难以通过单一干燥条件的干燥动力学模型描述，而计算流体力学
(CFD)
数值方法的计算成本则过高
。
使用基于数据驱动的模型作为香菇干燥器
CFD
模型的代理模型，可实现多层香菇干燥器热湿负荷的快速仿真，同时又不失
CFD
数值模型的鲁棒性
。
[0004]香菇热泵干燥系统性能优化需要耦合多层香菇干燥器的进出口干燥介质状态参数，以实现干燥器侧的能量需求与热泵侧的能量供应的动态匹配，从而提高香菇的干燥品质和热泵干燥系统的能效
。
通过准确快速的仿真模型，可以对干燥系统在不同干燥工艺下的性能进行低成本的预测，从而最终实现性能优化
。
但是，物理模型的高计算成本极大地限制了它们在热泵干燥系统优化中的应用
。
使用数据驱动的代理模型可以有效降低模型计算成本，从而克服上述难题，实现热泵干燥系统的低成本性能优化
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法
。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法，具体如下：
[0008]步骤1：构建数据驱动的多层香菇干燥器代理模型；
[0009]步骤2：建立热泵系统的物理模型；
[0010]步骤3：根据步骤1所述多层香菇干燥器代理模型以及步骤2所述物理模型构建知识和数据混合驱动的香菇热泵干燥系统模型，随后使用遗传算法对所述香菇热泵干燥系统模型的性能进行优化
。
[0011]作为优选，所述步骤1具体如下：
[0012]步骤1‑1：构建多层香菇干燥器
CFD
数值模型；
[0013]步骤1‑2：基于所述多层香菇干燥器
CFD
数值模型，采用正交设计抽样方法确定样本集；
[0014]步骤1‑3：基于所述样本集，构建基于
LSTM
深度循环神经网络的多层香菇干燥器出
口参数预测模型，即多层香菇干燥器代理模型
。
[0015]进一步的，所述步骤1‑1中，具体方法为构建多层香菇干燥器的
CFD
仿真多物理场耦合多孔介质多相模型
。
多层香菇干燥器
CFD
数值模型的输入变量包括：入口干燥温度，
T
room,in
,℃
；入口干燥相对湿度，
RH
room,in
,
％；入口风速，
v
room,in
,m/s
；物料均摊密度，
load,m2/kg
；托盘层数，
tray
；初始温度，
T0,℃
；初始湿基含水率，
M
0,wb
,
％；干燥时间，
t,h
；多层香菇干燥器
CFD
数值模型的输出变量包括：出口空气温度，
T
room,out
,℃
；出口空气相对湿度，
RH
room,out
,
％；出口风速，
v
room,out
,m/s
；实时湿基含水率，
M
t,wb
,
％；
[0016]所述多层香菇干燥器
CFD
数值模型的构建方法具体如下：
[0017]首先，根据实际多层香菇干燥箱建立几何模型；
[0018]然后，基于建立的所述几何模型，根据式
(1)
所示的单个香菇的干燥动力学模型和式
(2)
所示的收缩动力学模型确定香菇干燥过程的水分比和体积收缩率，利用式
(3)
确定多层香菇干燥器内部多孔介质域的液态水蒸发速率，利用式
(4)
确定多层香菇干燥器内部多孔介质域的孔隙率；
[0019](1)MR
＝
exp(
‑
kt
n
)
[0020](2)SR
＝
a+b
×
MR+c
×
MR2[0021](3)
[0022](4)por
s
＝
por+SR
×
(1
‑
por)
[0023]其中，
MR
为香菇水分比；
SR
为香菇体积收缩率；
t
为时间，
s
；
m
evap
为堆积香菇区域的液态水蒸发速率，
mol/(m3·
s)
；
por
s
为堆积香菇区域收缩过程中的空隙率；
ρ
s
为香菇干基密度，
kg/m3；
x
s,0
为香菇内部干基初始体积分数；
X
m,0
为香菇初始干基含水率；
Mn
l
为水的摩尔质量，
kg/mol
；
por
为初始堆积孔隙率；
k,n,a,b,c
为模型系数；
[0024]根据质量
、
动量和能量守恒原理，建立湍流流体流动
、
局部热非平衡传热和水蒸气传输控制方程，香菇多孔介质堆积域的控制方程分别如式
(5)、
式
(6)、
式
(7)
所示：
[0025](5)
[0026][0027][0028][0029](6)
[0030][0031][0032](7)
[0033]其中，
ρ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法，其特征在于，具体如下：步骤1：构建数据驱动的多层香菇干燥器代理模型；步骤2：建立热泵系统的物理模型；步骤3：根据步骤1所述多层香菇干燥器代理模型以及步骤2所述物理模型构建知识和数据混合驱动的香菇热泵干燥系统模型，随后使用遗传算法对所述香菇热泵干燥系统模型的性能进行优化
。2.
根据权利要求1所述的一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：步骤1‑1：构建多层香菇干燥器
CFD
数值模型；步骤1‑2：基于所述多层香菇干燥器
CFD
数值模型，采用正交设计抽样方法确定样本集；步骤1‑3：基于所述样本集，构建基于
LSTM
深度循环神经网络的多层香菇干燥器出口参数预测模型，即多层香菇干燥器代理模型
。3.
根据权利要求2所述的一种基于混合驱动模型的香菇热泵干燥系统性能优化方法，其特征在于，所述步骤1‑1中，多层香菇干燥器
CFD
数值模型的输入变量包括：入口干燥温度，
T
room,in
,℃
；入口干燥相对湿度，
RH
room,in
,
％；入口风速，
v
room,in
,m/s
；物料均摊密度，
load,m2/kg
；托盘层数，
tray
；初始温度，
T0,℃
；初始湿基含水率，
M
0,wb
,
％；干燥时间，
t,h
；多层香菇干燥器
CFD
数值模型的输出变量包括：出口空气温度，
T
room,out
,℃
；出口空气相对湿度，
RH
room,out
,
％；出口风速，
v
room,out
,m/s
；实时湿基含水率，
M
t,wb
,
％；所述多层香菇干燥器
CFD
数值模型的构建方法具体如下：首先，根据实际多层香菇干燥箱建立几何模型；然后，基于建立的所述几何模型，根据式
(1)
所示的单个香菇的干燥动力学模型和式
(2)
所示的收缩动力学模型确定香菇干燥过程的水分比和体积收缩率，利用式
(3)
确定多层香菇干燥器内部多孔介质域的液态水蒸发速率，利用式
(4)
确定多层香菇干燥器内部多孔介质域的孔隙率；
(1)MR
＝
exp(
‑
kt
n
)(2)SR
＝
a+b
×
MR+c
×
MR2(3)(4)por
s
＝
por+SR
×
(1
‑
por)
其中，
MR
为香菇水分比；
SR
为香菇体积收缩率；
t
为时间，
s
；
m
evap
为堆积香菇区域的液态水蒸发速率，
mol/(m3·
s)
；
por
s
为堆积香菇区域收缩过程中的空隙率；
ρ
s
为香菇干基密度，
kg/m3；
x
s,0
为香菇内部干基初始体积分数；
X
m,0
为香菇初始干基含水率；
Mn
l
为水的摩尔质量，
kg/mol
；
por
为初始堆积孔隙率；
k,n,a,b,c
为模型系数；根据质量
、
动量和能量守恒原理，建立湍流流体流动
、
局部热非平衡传热和水蒸气传输控制方程，香菇多孔介质堆积域的控制方程分别如式
(5)、
式
(6)、
式
(7)
所示：
(5)
(6)(6)(7)
其中，
ρ
ma
为湿空气密度，
kg/m3；
u
为速度矢量，
m/s
；
p
为压力，
Pa
；
I
为单位向量；
K
为粘性应力张量，
Pa
；
μ
ma
为湿空气动力粘度，
kg/(m
·
s)
；
κ
为多孔介质堆积域的渗透率，
m2；
dp
为单个香菇等效直径，
m
；
Cp
ma
为湿空气定压比热容，
J/(kg
·
K)
；
T
ma
为湿空气温度，
K
；
k
ma
为湿空气导热系数，
W/(m
·
K)
；
h
sf
为间隙传热系数，
W/(m2·
K)
；
T
m
为香菇温度，
K
；
ρ
m
为香菇密度，
kg/m3；
Cp
m
为香菇定压比热容，
J/(kg
·
K)
；
k
m
为香菇导热系数，
W/(m
·
K)
；
H
evap
为汽化潜热，
J/kg
；
c
v
为水蒸气浓度，
mol/m3
；
D
va
为水蒸气
‑
空气二元扩散系数，
m2/s
；运用
COMSOL
软件，采用有限单元法数值求解多层香菇干燥器的数学模型，并对其进行实验验证，得到多层香菇干燥器
CFD
数值模型

【专利技术属性】
技术研发人员：张学军，张荔喆，江龙，章超波，
申请(专利权)人：浙江大学嘉兴研究院，
类型：发明
国别省市：