劉 林 王 強

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熱式熱泵干燥裝置的設計分析

劉 林 王 強

（山東建筑大學熱能工程學院 濟南 250101）

熱泵干燥裝置與傳統(tǒng)烘干裝置（燃煤、電加熱等）相比更加節(jié)能環(huán)保，適應更多烘干工藝的要求。設計了加回熱器閉式熱泵干燥裝置，并以花椒為干燥對象進行設計計算，并與普通熱泵干燥裝置進行對比分析。結果表明，增加回熱循環(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上。

回熱式；熱泵干燥裝置；除濕能耗比

0 引言

熱泵是一種從低溫熱源吸取熱量，使其在較高溫度下作為可以利用的有用能源的裝置。熱泵和常規(guī)的干燥設備一起組成熱泵干燥裝置。熱泵干燥系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：制冷劑回路和干燥介質回路。制冷劑回路由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作時，熱泵壓縮機做功并利用蒸發(fā)器回收低品位熱能，在冷凝器中則使之升高為高品位熱能。熱泵工質在蒸發(fā)器內吸收干燥室排出的熱空氣中的部分余熱，蒸發(fā)變成蒸氣，經(jīng)壓縮機壓縮后進入冷凝器中冷凝，并將熱量傳給空氣。由冷凝出來的熱空氣再進入干燥室，對濕物料進行干燥出干燥室的濕空氣再經(jīng)蒸發(fā)器將部分顯熱和潛熱傳給工質，達到回收余熱的目的；同時，濕空氣的溫度降至露點析出冷凝水，達到除濕的目的。

圖1 熱泵干燥機工作原理

1 裝置的方案設計及結構說明

1.1 設計的主要說明

本文對熱泵干燥機組進行優(yōu)化設計，對干燥熱泵機組設計主要針對高溫高濕氣體排放時的熱損失以及空氣經(jīng)過冷凝器進行再次加熱的熱損失問題進行改進，主要增加了回風熱回收、冷卻除濕環(huán)節(jié)和變頻除濕環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)裝置變工況連續(xù)式烘干，變頻除濕烘干，能精確滿足物料的烘干工藝。

1.2 回熱式熱泵干燥裝置的結構說明

本熱泵干燥裝置在設計上增加了熱回收器，從冷凝器加熱后的熱空氣先經(jīng)過熱回收器，進行收集熱量，然后濕空氣經(jīng)蒸發(fā)器降溫排濕，其中排濕增加了變頻除濕裝置，在除濕負荷比較大時，通過變頻裝置，開啟開關，使得蒸發(fā)器制冷溫度更低，加大除濕量，除濕負荷較小時，開關關閉?？諝庠诮?jīng)熱回收器回溫，使空氣在進入冷凝器時溫差縮小，從而減小了熱量損失。在排濕工況下，使新風先進入蒸發(fā)器進行排濕，提高了工作效率。

2 設計研究

本文以花椒為干燥對象進行除濕干燥，該干燥過程包括制冷介質流程和干燥介質流程。所述制冷介質流程包括壓縮機、冷凝器、換熱器、為換熱器提供冷風的外風機、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和控制器等。所述干燥介質流程包括回風口、熱回收器、蒸發(fā)器、送風機、冷凝器和出風口等。

圖2 干燥設備空氣循環(huán)圖

如圖2所示為干燥設備空氣循環(huán)圖。-為空氣在回熱器中的等濕加熱過程，為空氣在冷凝器中的等濕加熱過程，該過程下干燥空氣的相對濕度降低；過程表示空氣在干燥室中的等焓加濕過程；過程表示空氣在熱回收器中等濕降溫過程；過程表示干燥空氣在蒸發(fā)器中的降溫除濕過程，該過程中干燥空氣首先由，等濕降溫至飽和狀態(tài)，點表示空氣冷卻到露點，然后由除去一部分水分。

圖3 熱泵循環(huán)logP-h圖

如圖3所示為工質在熱泵循環(huán)中的log圖。因為在實際循環(huán)中會很復雜，所以為了便于計算，我們可簡單認為，從1點到2點是等熵壓縮過程。2點到3點到4點是等壓放熱過程，4點到5點是絕熱等焓過程。

2.1 設計任務和已知條件

每批花椒原料為500kg，初始含水率為80%，終了含水率為8%。干燥時間14小時，選用新型環(huán)保制冷工質R134a。

首先要確定工質的工作溫度。假定干燥溫度為60℃，傳熱溫差為5℃，則制冷劑冷凝溫度為65℃。假設從冷凝器出來進入干燥室的空氣溫度60℃，空氣的相對濕度1=10%，由公式=0.622×φP/(0-φP)，計算可得出進入干燥室空氣的絕對含濕量為1=0.0126kg水分/kg絕干氣。

從干燥室出來的空氣溫度為40℃，空氣相對濕度為65％，從熱回收器出來進入蒸發(fā)器前溫度為35℃，空氣相對濕度3=85%，由公式=0.622×φP/(0-φP)，計算出絕對濕含量2=3=0.0308kg水分/kg絕干氣。查飽和水蒸汽壓表，計算得露點溫度為32℃，空氣經(jīng)降溫結露，再降溫至25℃，4=0.0201kg水分/kg絕干氣，則取制冷劑蒸發(fā)溫度為5℃。本設計選用HFC-134a制冷劑，過冷度根據(jù)經(jīng)驗取5℃，如圖3所示，查lg圖，得1=404kJ/kg，2=440kJ/kg，4=5=280kJ/kg。

2.2 熱泵系統(tǒng)熱力計算及設備選型

熱力計算的目的是要算出熱泵循環(huán)的性能指標、壓縮機的容量、功率以及各熱交換器的熱負荷，為設計和選擇壓縮機和熱交換器提供原始數(shù)據(jù)。

則花椒在干燥過程中的水份蒸發(fā)量=27.95kg/h。

其中，為一次放入干燥倉的濕物料重量，kg；1為濕物料含水率，%；2為物料干燥完成后含水率，%；Δ為物料干燥所用的時間，h。

2.2.1 壓縮機選型

熱力計算：

（1）根據(jù)濕空氣焓公式

=1.01×+(2500+1.84×)×

計算得出蒸發(fā)器入口空氣焓3=114.33kJ/kg絕干氣，出口空氣焓4=77.47kJ/kg絕干氣。

（2）單位時間通風量

=/（2-1）=27.95/(0.0308-0.0126)

=1535.71kg絕干氣/hr

濕空氣的比容：=0.8m3濕空氣/kg絕干氣

活塞式定量風泵的風量：

=×=1228.57m3濕空氣/hr

（3）蒸發(fā)器單位時間吸熱量

Q=×（3-4）+×=165777.8kJ/h=46.05kW

（4）單位制熱量

0=2-5=440-280=160kJ/kg

（5）單位時間制冷劑流量

=Q/(1-4)=1336.91kg/hr

（6）理論制熱系數(shù)

0=0/0=4.4

（7）壓縮機理論功率

=（2-1）=48128.76kJ/hr=13.37kW

（8）單位實際壓縮功

設指示效率η=0.9，機械效率η=0.9。

W=0/0.81=44.4kJ/kg

（9）實際制熱系數(shù)

=4.4×0.81=3.56

（10）壓縮機軸功率

=/0.81=16.51kW

（11）制熱量

Q=×0=213905.6kJ/hr=59.42kW

（12）冷凝器排熱量

Q=×(2-4)=213905.6kJ/hr=59.42kW

（13）單位軸功率制熱量

’=Q/=4.4

具體可參看表1。

表1 壓縮機選型參考參數(shù)

2.2.2 冷凝器設計計算

F=Q/(×Δt)

式中：F為冷凝器面積；Q為冷凝器熱負荷；為冷凝器傳熱系數(shù)，取24W/m2·K；Δt為冷凝器中制冷劑與冷卻介質的對數(shù)平均傳熱溫差。

取冷凝溫度65℃，0=30℃，1=60℃，計算得出F=32.4m2。

2.2.3 蒸發(fā)器設計計算

F=Q/(×Δt)

式中：F為蒸發(fā)器面積；Q為蒸發(fā)器熱負荷；為蒸發(fā)器傳熱系數(shù)；Δt為蒸發(fā)器中制冷劑與冷卻介質的對數(shù)平均傳熱溫差。

取蒸發(fā)溫度25℃，0=30℃，2=35℃，計算得出得出F=37.5m2。

2.3 回熱式熱泵干燥裝置除濕能耗比

回熱式熱泵干燥裝置除濕能耗比等于消耗單位能量時從物料中除去的水分質量，經(jīng)計算為2.1kg/kWh。

3 回熱式熱泵干燥裝置與普通熱泵干燥裝置對比分析

同理可得普通熱泵干燥裝置經(jīng)計算除濕能耗比為1.47kg/kWh，經(jīng)計算分析可得，增加回熱循環(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上。

4 結論

本文設計了加回熱器閉式熱泵干燥裝置，并以花椒為干燥對象進行設計計算，經(jīng)計算分析，增加回熱循環(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上，有效提高了單位功耗的水分去除量?？稍谳斎胂嗤β实那闆r下，除去更多的水分，提高了干燥設備單位功耗的出水率。通過熱回收器對回風進行熱量收集，減小熱量損失，提高了干燥效率。

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Design and Analysis of Regenerative Heat PumpDrying Device

Liu Lin Wang Qiang

( Shandong Jianzhu University, Jinan,250101 )

Compared to traditional drying device (coal burning, electrical heating, etc.), heat pump drying device is more energy saving and meet more requirements of drying process. In this paper, the closed heat pump drying device is designed and the pepper is used as the drying object to design and calculate, and has a comparison with the ordinary heat pump drying device. The results show that the heat pump drying device with heat recovery cycle saves more than 30% energy than ordinary.

Regenerative; Heat pump drying device; SMER

TK523

A

劉 林（1992-），男，在讀研究生，E-mail：liun0817@163.com

王 強（1971-），男，博士后，教授，E-mail：xjdwq@163.com

2017-10-10

1671-6612（2018）05-520-04