陳東郝建華謝繼紅項(xiàng)永曹雯莉王春虎

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.內(nèi)蒙古達(dá)拉特發(fā)電廠)

低溫?zé)岜酶稍镅b置的技術(shù)方案分析

陳東*1郝建華1，2謝繼紅1項(xiàng)永1曹雯莉1王春虎1

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.內(nèi)蒙古達(dá)拉特發(fā)電廠)

低溫?zé)岜酶稍镅b置在化學(xué)品、食品、藥品、農(nóng)副產(chǎn)品的干燥中具有廣泛需要。給出了基本型、真空型和吸附劑型三類低溫?zé)岜酶稍镅b置，對(duì)其結(jié)構(gòu)、工作原理和特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。分析表明，在初投資方面，基本型最低，真空型最高；在能源效率方面，真空型最高，基本型最低；吸附劑型在初投資和能源效率方面均居中。上述工作可為低溫?zé)岜酶稍镅b置的設(shè)計(jì)提供較好的參考。

熱泵干燥低溫技術(shù)方案干燥裝置

0 引言

熱泵干燥裝置具有節(jié)能、易實(shí)現(xiàn)低溫干燥、易進(jìn)行無氧干燥等優(yōu)點(diǎn)，適于食品、藥品、農(nóng)副產(chǎn)品、化學(xué)品、能源產(chǎn)品等物料的干燥[1-2]。

物料采用低溫?zé)岜酶稍锟扇〉煤芎玫漠a(chǎn)品質(zhì)量[3-4]。但當(dāng)物料采用低于30℃的低溫干燥時(shí)，熱泵蒸發(fā)器中熱泵制冷劑的蒸發(fā)溫度可能會(huì)低于0℃，需考慮裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)的除霜問題[5]；此外，由于低溫下物料內(nèi)水蒸氣壓力低，干燥介質(zhì)的飽和含濕量較小，物料的干燥速度和干燥介質(zhì)除濕能力均相對(duì)較低，需采取適當(dāng)技術(shù)措施進(jìn)行強(qiáng)化。

本文給出了低溫?zé)岜酶稍镅b置的三種技術(shù)方案，對(duì)其結(jié)構(gòu)、工作過程及性能進(jìn)行了介紹和分析。

1 基本型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)及其特性

基本型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2構(gòu)成熱泵，高溫制冷劑在冷凝器中加熱干燥介質(zhì)，在蒸發(fā)器中對(duì)干燥介質(zhì)進(jìn)行降溫除濕。裝置開始工作時(shí)，閥1打開，閥2關(guān)閉，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器1中對(duì)干燥介質(zhì)進(jìn)行冷卻；當(dāng)蒸發(fā)器1表面霜結(jié)到一定厚度需除霜時(shí)，閥2打開，閥1關(guān)閉，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器2冷卻干燥介質(zhì)，同時(shí)對(duì)蒸發(fā)器1進(jìn)行除霜；當(dāng)蒸發(fā)器2表面霜也結(jié)到一定厚度時(shí)，再打開閥1，關(guān)閉閥2，蒸發(fā)器1工作而蒸發(fā)器2除霜。如此交替運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裝置的連續(xù)運(yùn)行和干燥器中物料的連續(xù)干燥。

當(dāng)蒸發(fā)器1工作時(shí)，風(fēng)道閥1打開，風(fēng)道閥2關(guān)閉，干燥介質(zhì)在除濕器1（即熱泵蒸發(fā)器1）中被降溫除濕，再進(jìn)入加熱器（即熱泵冷凝器）中升溫到適宜溫度（0～30℃），進(jìn)入干燥器干燥物料；當(dāng)蒸發(fā)器2工作時(shí)，風(fēng)道閥2打開，風(fēng)道閥1關(guān)閉，干燥器在裝置中沿干燥器-除濕器2-加熱器-干燥器流程進(jìn)行循環(huán)。

普通干燥器中干燥介質(zhì)與物料傳熱傳質(zhì)過程為等焓過程（物料中水分氣化所需的熱量全部由干燥介質(zhì)提供）時(shí)，低溫干燥時(shí)干燥介質(zhì)流經(jīng)干燥器攜帶水蒸氣的能力較低，導(dǎo)致裝置的能源效率也較低。為此，可采用有內(nèi)加熱器的干燥器，如圖2所示。

干燥器內(nèi)設(shè)內(nèi)加熱器后，物料中水分氣化所需的熱量主要由內(nèi)加熱器提供，進(jìn)入干燥器的干燥介質(zhì)主要起吸納物料中氣化出的水蒸氣的作用，這樣可使干燥介質(zhì)從物料中攜帶水蒸氣的能力大幅度提高。

以進(jìn)干燥器干燥介質(zhì)（如空氣）溫度25℃，出干燥器干燥介質(zhì)溫度15℃，出蒸發(fā)器干燥介質(zhì)溫度-8℃時(shí)為例，1 kg干燥介質(zhì)流經(jīng)普通干燥器只能從物料中帶出約4 g水蒸氣；采用內(nèi)加熱式干燥器后，干燥介質(zhì)出干燥器溫度可與進(jìn)干燥器溫度相近，1 kg干燥介質(zhì)流經(jīng)內(nèi)加熱式干燥器可從物料中帶出約10 g水蒸氣，比普通干燥器提高一倍以上。

此外，當(dāng)物料低溫干燥時(shí)，物料內(nèi)水蒸氣壓力低，傳質(zhì)推動(dòng)力小，干燥速度較慢。為此，可采用氫或含氫不可燃混合氣體作為干燥介質(zhì)，可明顯提高物料的干燥速度[6-7]。

圖1 基本型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)

圖2 干燥器中帶內(nèi)加熱器的低溫?zé)岜酶稍镅b置

2 真空型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)及其特性

真空型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 真空型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)

裝置中物料加熱器即為熱泵冷凝器，熱泵制冷劑加熱物料使其中水分氣化，水蒸氣從物料中逸出后被除濕器（即熱泵蒸發(fā)器）冷卻凝結(jié)或冷凍結(jié)霜。當(dāng)水蒸氣在除濕器表面結(jié)霜時(shí)，需兩個(gè)除濕器交替工作，即閥1、真空閥1打開，蒸發(fā)器1、真空泵1工作（閥2、真空閥2關(guān)閉，蒸發(fā)器2、真空泵2不工作），將干燥器中的水蒸氣除去；當(dāng)蒸發(fā)器1表面結(jié)霜到一定厚度需除霜時(shí)，閥2、真空閥2打開，蒸發(fā)器2、真空泵2工作（閥1、真空閥1關(guān)閉，蒸發(fā)器1融霜、真空泵1不工作）；當(dāng)蒸發(fā)器2表面也結(jié)霜到一定厚度時(shí)，再切換為蒸發(fā)器1工作。通過蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2的交替工作，可使壓縮機(jī)、冷凝器連續(xù)工作，物料連續(xù)干燥。

由于真空型低溫?zé)岜酶稍镅b置中無干燥介質(zhì)，省去了加熱或冷卻干燥介質(zhì)所需的能量，盡管真空泵也需少量耗能，其總體能源效率高于基本型低溫?zé)岜酶稍镅b置，但其干燥器需為真空容器，初投資要高于基本型低溫?zé)岜酶稍镅b置。

3 吸附劑型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)及其特性

吸附劑型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 吸附劑型低溫?zé)岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)

圖中吸附器1和吸附器2中放置硅膠、分子篩等吸附劑，吸附劑顆粒之間布置制冷劑管路。裝置運(yùn)行開始時(shí)，風(fēng)道閥1和風(fēng)道閥3關(guān)閉，四通閥1、3端連通，2、4端連通；干燥介質(zhì)（如空氣等）進(jìn)入干燥器，吸收物料中氣化出的水蒸氣，水分氣化所需熱量由熱泵冷凝器提供；出干燥器的濕空氣進(jìn)入吸附器2，其所攜帶的水蒸氣被吸附劑吸收，又變?yōu)楦稍锟諝膺M(jìn)入干燥器開始下一個(gè)循環(huán)。熱泵制冷劑從壓縮機(jī)排出后，先進(jìn)入干燥器內(nèi)冷凝器放熱加熱物料，再通過四通閥流過吸附器1，并經(jīng)節(jié)流閥降溫后進(jìn)入咐附器2吸收吸附熱，最后通過四通閥返回壓縮機(jī)。

待吸附器2達(dá)飽和時(shí)，風(fēng)道閥2和風(fēng)道閥4關(guān)閉，四通閥1、2端連通，3、4端連通，出干燥器的濕空氣進(jìn)入吸附器1被除去其中的水蒸氣；熱泵制冷劑從干燥器中的冷凝器出來后，經(jīng)四通閥進(jìn)入吸附器2，加熱其中的吸附劑使其將所吸附的水分解吸排出，并經(jīng)節(jié)流閥降溫后進(jìn)入吸附器1吸收其吸附熱，最后通過四通閥返回壓縮機(jī)。

通過吸附器1和吸附器2交替吸附干燥介質(zhì)中的水蒸氣和被解吸再生，實(shí)現(xiàn)干燥器中物料的連續(xù)干燥。

吸附劑型低溫?zé)岜酶稍镅b置中由于干燥介質(zhì)只起攜帶水蒸氣的作用，對(duì)其進(jìn)行的無效加熱和冷卻很少，故裝置的能源效率可高于基本型；但由于吸附劑被加熱和冷卻時(shí)需消耗一定的冷量和熱量，裝置的能源效率低于真空型。

4 結(jié)論與建議

基本型、真空型和吸附劑型熱泵干燥裝置均可實(shí)現(xiàn)熱敏物料的低溫干燥（干燥溫度可低至0℃）。就初投資而言，真空型最大，基本型最小，吸附劑型居中；就能源效率而言，真空型最高，基本型最低，吸附劑型也居中。具體選用時(shí)可根據(jù)物料特性和裝置規(guī)模基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行優(yōu)選。

進(jìn)一步宜就三種低溫?zé)岜酶稍镅b置的操作參數(shù)、部件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等進(jìn)行更深入的研究。

[1] 陳東，謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] Chua K J,Chou S K，Ho J C，et al.Heat pump drying:Recent developments and future trends[J].Drying Technology,2002,20(8):1579-1610.

[3] Sosle V,Raghavan G S V,Kittler R.Low-temperature drying using a versatile heat pump dehumidifier[J].Drying Technology,2003,21(3):539-554.

[4] 田曉亮，孫暉，王兆俊.熱泵系統(tǒng)干燥軟膠丸的工藝[J].中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志，1998（9）：418-419.

[5] 龔建英，袁秀玲.空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜過程數(shù)值模擬[J].低溫與超導(dǎo)，2010，38（5）：53-57.

[6] 謝繼紅，周紅，陳東，等.熱泵干燥裝置中干燥介質(zhì)的物性及其應(yīng)用分析[J].化工裝備技術(shù)，2007，28（3）：1-5.

[7] 陳東，謝繼紅.氫氣作為熱泵干燥裝置干燥介質(zhì)的分析[J].化工裝備技術(shù)，2008，29（5）：5-8.

Analysis of Technical Schemes for Low-temperature Heat Pump Dryers

Chen DongHao Jianhua Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Wang Chunhu

Low-temperature heat pump dryers are widely needed in drying of chemical products,foods,medicines and agricultural products.Three kinds of low-temperature heat pump dryers known as basic type,vacuum type and adsorbent type are introduced,and their structures,working principles and characteristics are briefly analyzed.It shows that the basic type low-temperature heat pump dryers has the least initial cost while the vacuum type has the most,and the vacuum type low-temperature heat pump dryers has the highest energy efficiency while the basic type has the lowest,the adsorbent type low-temperature heat pump dryers are moderate both in initial cost and energy efficiency.The above results could provide good reference for the design of low-temperature heat pump dryers.

Heat pump;Drying;Low-temperature;Technical schemes;Dryer

TQ 051.8

*陳東，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）