鄭偉芳

江西省農(nóng)業(yè)機械研究所,南昌330000

熱泵干燥裝置是利用工質(zhì)在低溫?zé)嵩刺幬漳芰?在較高的溫度下釋放能量的熱力裝置。熱泵干燥裝置是由熱泵部分和介質(zhì)(一般為空氣)循環(huán)部分組成,熱泵部分主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等部件組成封閉回路,熱泵工質(zhì)在其回路循環(huán)流動。空氣循環(huán)系統(tǒng)由干燥室、冷凝器、蒸發(fā)器等部件組成,空氣在其中循環(huán)流動,其功能是通過循環(huán)將干燥室中濕物料的水分帶走,流經(jīng)蒸發(fā)器時將水分凝集排出。根據(jù)干燥物料的特性與實際應(yīng)用條件(即干燥介質(zhì)循環(huán)中介質(zhì)與外界的連通程度)的不同,可把熱泵干燥裝置分為開式、部分乏氣循環(huán)式、封閉式等不同類型[1-2],本文即針對上述的熱泵干燥裝置中干燥介質(zhì)的循環(huán)進行分析。

1 熱泵干燥裝置的類型

按干燥介質(zhì)與外界的連通程度可以將熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分為開式、部分乏氣循環(huán)式及封閉式3種結(jié)構(gòu)形式。相同的結(jié)構(gòu)類型,因應(yīng)用場合的不同,其中的干燥介質(zhì)循環(huán)路線也不一樣。由于干燥介質(zhì)一般都為空氣,下面提到的介質(zhì)都指空氣。6種典型的熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的空氣循環(huán),如圖1A、圖1B、圖2A 、圖2B及圖3A 、圖 3B所示[3]。

1.1 開式空氣干燥循環(huán)

開式熱泵干燥裝置中,進入干燥器的空氣全部來自環(huán)境,干燥完后也全部排入環(huán)境。圖1A中空氣循環(huán)為：環(huán)境→蒸發(fā)器(E)→冷凝器(C)→干燥器(D)→環(huán)境;圖1B中空氣循環(huán)為：環(huán)境→冷凝器(C)→干燥器(D)→蒸發(fā)器(E)→環(huán)境。

圖1A和圖1B是2種不同形式的開式熱泵干燥系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)。圖1A是低溫外界環(huán)境空氣首先進入熱泵蒸發(fā)器降溫除濕,變得近似飽和再流過冷凝器,在冷凝器中空氣等濕升溫變?yōu)闇囟燃s等于環(huán)境溫度熱空氣,此時的空氣吸濕能力很強,進入干燥室吸收干燥室中含濕物料中的水分。出干燥器后廢氣排入環(huán)境。當(dāng)物料需在低溫下干燥、外界環(huán)境空氣濕度較高時,采用這種循環(huán)形式較好。

圖1 開式熱泵空氣循環(huán)

在圖1B中的外界空氣首先進入冷凝器,在冷凝器中空氣加熱后進入干燥室,干燥吸濕后的空氣流過蒸發(fā)器后排入外界環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)形式適合需從蒸發(fā)器排出溫度高而濕度低的空氣的場合,目的是為了回收其中的熱量。國內(nèi)大量研究及實踐表明采用蒸發(fā)器回收排放的空氣中水分的部分潛熱比將干燥后的廢氣直接排空的開路式(圖1A)循環(huán)效率高。

在開式熱泵干燥裝置中干燥介質(zhì)只能是空氣,進入干燥器的空氣溫度受環(huán)境影響大,當(dāng)干燥廢氣含有粉塵、有毒有害氣體時直接排入環(huán)境對環(huán)境有污染。但開式熱泵干燥裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、單位時間除濕量(MER)高等優(yōu)點,因此在經(jīng)濟性上占有一定的優(yōu)勢,適合干燥高濕度的物料或者批量干燥的初期階段。

1.2 部分乏氣式空氣干燥循環(huán)

在部分乏氣循環(huán)式熱泵干燥裝置中,進入干燥器的干燥介質(zhì)(空氣)一部分來自環(huán)境,另一部分來自干燥器排出的廢氣。典型的部分乏氣式熱泵干燥裝置介質(zhì)循環(huán)如圖2A、圖2B中箭頭所示。

圖2 部分乏氣式熱泵空氣循環(huán)

如圖2A所示,進入系統(tǒng)的外界空氣與從干燥室排出的一部分被旁通進入蒸發(fā)器除濕后的空氣混合進入冷凝器,混合空氣經(jīng)冷凝器升溫后進入干燥室吸收干燥室中含濕物料的水分,干燥后廢氣一部分直接排入環(huán)境,另一部分被旁通進入蒸發(fā)器進入下一個循環(huán)。

圖2B是另一種形式的部分乏氣式熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。在這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,干燥室排出的一部分空氣經(jīng)過2次旁通。一部分空氣進入蒸發(fā)器降溫除濕后與進入系統(tǒng)中的外界空氣混合,另一部分不經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕而直接與進入系統(tǒng)的外界空氣混合,3種空氣混合后經(jīng)過冷凝器升溫后進入干燥室干燥物料。部分乏氣循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)中一般設(shè)置了蒸發(fā)器旁路,干燥室排出空氣的旁通率(BAR)及經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣2次旁通率是非常重要的設(shè)定量,對熱泵干燥系統(tǒng)的性能有較大的影響。

在部分乏氣式熱泵干燥裝置中乏氣的循環(huán)位置一般在熱泵的冷凝器入口,這樣既使用了這部分廢氣的余熱,又可提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP值。但由于干燥廢氣中的含濕量較大,在回收廢氣余熱的同時,也增加了干燥介質(zhì)中的含濕量,影響干燥效果,而且受環(huán)境的影響也較大。與開式干燥裝置對比,部分乏氣式干燥裝置對進入干燥室空氣的溫度、濕度的調(diào)控性好,但空氣循環(huán)通道及調(diào)控均較復(fù)雜,干燥介質(zhì)也只能是空氣,從環(huán)境中引入的部分新鮮空氣的凈化負荷較大,部分廢氣直接排入環(huán)境同樣對環(huán)境有污染。

1.3 典型封閉式空氣循環(huán)

在封閉熱泵干燥裝置中,干燥介質(zhì)(一般為空氣)在完全封閉的循環(huán)通道中循環(huán)。熱泵干燥裝置運行時不從環(huán)境中引進新鮮的空氣,也不向環(huán)境中排放廢氣。典型的封閉式熱泵干燥裝置循環(huán)如圖3A所示,其介質(zhì)的循環(huán)方式為①→②→③→①封閉循環(huán)。

圖3 典型封閉式熱泵空氣循環(huán)

圖3A為全封閉式熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。在這種結(jié)構(gòu)形式中,干燥系統(tǒng)運行時外界空氣不進入系統(tǒng)中,干燥介質(zhì)在干燥室、蒸發(fā)器、冷凝器組成的封閉通道中按①→②→③→①循環(huán),干燥介質(zhì)通過冷凝器加熱到干燥溫度進入干燥室吸收物料的水分,在蒸發(fā)器中被降溫并使得水分凝結(jié)排出。在外界環(huán)境溫度低而濕度高的情況下,此種結(jié)構(gòu)形式較好。

圖3B與圖3A的空氣循環(huán)主要區(qū)別是,圖3B中有部分廢氣沒有經(jīng)過蒸發(fā)器降溫除濕,而是直接被旁通進入冷凝器,這與上述部分乏氣式中的旁通蒸發(fā)器的空氣循環(huán)相似。在封閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)中,不同的空氣旁通率對系統(tǒng)的單位能耗除濕量(SMER)的影響是比較明顯的。張緒坤等[4]設(shè)計了一套壓縮機為3.73 kw,制冷工質(zhì)為R22的熱泵干燥裝置,并在此試驗裝置上進行了熱泵干燥系統(tǒng)的性能試驗。試驗結(jié)果表明,隨著 BAR的增加SMER也增加,但是BAR不能超過0.6,當(dāng)BAR超過0.6后SMER的值反而下降,說明空氣旁通率不是越高越好,有最佳旁通率。

在熱泵干燥中,干燥空氣的溫度和相對濕度決定了除濕率?？諝怆x開干燥室?guī)ё咚?經(jīng)過蒸發(fā)器時的狀態(tài)對蒸發(fā)器回收顯熱有很大影響。在干燥初期,產(chǎn)品濕度很高,所以進入蒸發(fā)器的空氣濕度大且溫度低,蒸發(fā)器在除濕時又起到了回收部分顯熱作用。同時空氣以相對低的溫度進入冷凝器,因而在冷凝器中提高了熱交換效率和增加了系統(tǒng)性能系數(shù)COP值。與部分乏氣式空氣循環(huán)對比,從對干燥機組的能耗和換熱效果來考慮,封閉式空氣循環(huán)的效果更好。

2 封閉式的改進式

在實際應(yīng)用中,封閉式熱泵干燥循環(huán)中介質(zhì)與環(huán)境沒有任何交換,具有環(huán)保性、干燥溫度可以任意調(diào)節(jié)不受環(huán)境的限制、干燥介質(zhì)選擇多樣等優(yōu)點,得到了廣泛的使用。但基本型封閉式熱泵干燥裝置往往不能完全滿足實際干燥的需要,因此在生產(chǎn)中所用的封閉熱泵干燥裝置通常要進行改進。因不同目的在介質(zhì)循環(huán)中加以改進的封閉式循環(huán)有3種,如圖4A 、圖4B、圖4C所示。

在圖4A中空氣循環(huán)回路中加裝了輔助加熱器,當(dāng)干燥介質(zhì)空氣經(jīng)過冷凝器加熱后再經(jīng)過輔助加熱器(CH),目的是為了縮短熱泵干燥裝置的啟動過程。

圖4 封閉式改進式熱泵空氣循環(huán)

在基本型熱泵干燥裝置的啟動階段中,整個熱泵裝置的溫度較低,對環(huán)境的熱損失較小,驅(qū)動熱泵及風(fēng)機消耗的能量明顯大于對環(huán)境損失的能量,因此熱泵干燥裝置的富余熱能大于0。熱泵干燥裝置的溫度不斷升高。隨著熱泵干燥裝置溫度的升高,對環(huán)境的損失能量逐漸變大,而驅(qū)動熱泵及風(fēng)機消耗的能量不變,熱泵干燥裝置富余的熱量不斷減小,直到富余的熱量減為0時,熱泵干燥裝置才處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。然而基本型熱泵干燥裝置所達到的穩(wěn)定工作溫度不一定恰好是物料干燥所需要的最佳溫度。同時,由于驅(qū)動熱泵及風(fēng)機消耗的能量一般較小,在啟動階段熱泵干燥裝置富余熱量數(shù)值不大,使得裝置的啟動過程較緩慢,啟動時間長[5]。在啟動階段,空氣在冷凝器中加熱后再通過輔助電加熱器(CH)加熱才進入干燥器,使空氣循環(huán)升溫速度加快,縮短了啟動過程的時間。為達到縮短啟動過程的目的還可以加裝輔助蒸發(fā)器,優(yōu)點是比電加熱能源效率高,但是不如電加熱方法簡單靈活。

圖4B中空氣循環(huán)回路中加裝了輔助冷卻器(ACR),干燥介質(zhì)空氣經(jīng)過干燥器干燥物料后,在通過蒸發(fā)器冷卻除濕之前先通過輔助冷凝器,目的是控制干燥器進氣溫度。

在基本型封閉式空氣循環(huán)過程中,當(dāng)干燥溫度達到預(yù)設(shè)值后,熱泵干燥裝置中干燥溫度將一直上升,使裝置工況不穩(wěn)定、干燥條件惡化,影響干燥物料的品質(zhì)及干燥質(zhì)量,為了維持系統(tǒng)工況穩(wěn)定必須從裝置中排掉部分熱能。

在空氣循環(huán)回路中,在通過蒸發(fā)器前設(shè)置輔助冷卻器,既可以移走這部分熱能,又可以對進入蒸發(fā)器的空氣預(yù)冷卻,除去其中大部分顯熱和部分潛熱,同時又減少了蒸發(fā)器的顯熱負荷,使蒸發(fā)器的熱負荷主要為潛熱負荷,這樣可以增強蒸發(fā)器的除濕能力,提高干燥室進口空氣的吸濕能力,加快干燥速度,縮短干燥時間和減少干燥能耗。在蒸發(fā)器前設(shè)置輔助冷卻器也減小了閉式熱泵干燥系統(tǒng)中的傳熱溫差,減少了系統(tǒng)的不可逆性損失,使干燥溫度易于調(diào)節(jié)和控制。為達到控制干燥器進氣溫度的目的還可以使用輔助冷凝器,但是能源效率和除水效率均沒有使用輔助冷卻器的高。李陽春等[6]研制了一套熱泵干燥實驗機組,并針對加裝輔助冷凝器和輔助冷卻器做了試驗,干燥空氣由離心風(fēng)機驅(qū)動、干燥物品為馬鈴薯、干燥室共分2層、每層大約放置10片馬鈴薯,試驗結(jié)果表明：加裝輔助冷卻器的熱泵干燥系統(tǒng)具有除濕快、節(jié)約干燥時間以及減少干燥能耗等優(yōu)點,并且可以完全取代輔助冷凝器。

圖4C空氣循環(huán)回路中加裝了熱管(HP),當(dāng)干燥介質(zhì)空氣在進入蒸發(fā)器之前先進入熱管的吸熱端冷卻,空氣在通過蒸發(fā)器之后又進入熱管的放熱端加熱,其目的是為了提高能源的效率。

在基本型的封閉式循環(huán)中,進入熱泵蒸發(fā)器前需冷卻除濕的介質(zhì)和出蒸發(fā)器后需進入冷凝器加熱的干燥介質(zhì)之間有很大的溫度差,若使其進行熱交換則可降低熱泵蒸發(fā)器和冷凝器的負荷,提高熱泵干燥裝置的效率。熱管本身不需要任何能量,如圖4C干燥器出口處干燥介質(zhì)溫度高于熱管工質(zhì)溫度,干燥介質(zhì)在吸熱端熱管工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),在放熱端由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),在重力和毛細力的作用下,熱管工質(zhì)在熱管內(nèi)進行循環(huán)流動,連續(xù)把熱干燥介質(zhì)的熱量傳遞給冷干燥介質(zhì)[7]。為達到提高能源效率的目的還可以在上述加裝熱管同樣的位置使用液態(tài)載熱劑循環(huán)的方法,此方法對各種干燥介質(zhì)循環(huán)通道的布置適應(yīng)性強,制作安裝技術(shù)難度小,但是驅(qū)動這個循環(huán)本身需要消耗一定的能量。

3 結(jié)論與建議

不同介質(zhì)循環(huán)形式的熱泵干燥裝置,其能源效率、適用的物料、生產(chǎn)成本等均有很大不同。沒有哪種循環(huán)形式是最好的,3種典型形式的循環(huán)在實際應(yīng)用中往往會交叉使用。在實際生產(chǎn)中,干燥領(lǐng)域涉及的物料種類很多,根據(jù)物料的特性和現(xiàn)場條件,設(shè)計價格適中、物料干燥質(zhì)量好、能源效率高、干燥速度快、操作方便的熱泵干燥裝置是今后熱泵干燥技術(shù)研究的方向。

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