穆 歡 唐 蘭 孫艷紅

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

干燥技術(shù)的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域，如食品加工、藥物及生物制品的滅菌與干燥等。中國干燥能耗占工業(yè)總能耗的12%[1]，發(fā)達國家干燥能耗占工業(yè)總能耗的7%～15%[2]。傳統(tǒng)干燥技術(shù)如常壓熱風(fēng)干燥、微波干燥等具有能耗高、干燥速度慢、運行費用高等缺點。因此開發(fā)低能耗、環(huán)境友好、保證產(chǎn)品質(zhì)量的干燥新技術(shù)、新產(chǎn)品和新過程，對能源匱乏的今天意義重大。

熱泵干燥技術(shù)是20世紀40年代初發(fā)展起來的一項新技術(shù)，在果蔬干燥方面相對于其他干燥技術(shù)有更好的節(jié)能效果和產(chǎn)品綜合品質(zhì)[3-5]。研究者對不同的熱泵干燥系統(tǒng)進行了研究，F(xiàn)atouh等[6]采用開式熱泵干燥機組干燥草本植物，將高溫高濕的廢氣直接排放到室外，余熱沒有回收利用；而Hawlader等[7]則采用封閉式干燥循環(huán)回收了余熱，提高了系統(tǒng)的能效；Xanthopoulos等[8]將部分干燥廢氣排出并補入新風(fēng)，提高了系統(tǒng)的干燥性能；Shi等[9]采用旁通法只讓一部分空氣經(jīng)過蒸發(fā)器，進一步地提高了系統(tǒng)的干燥性能。目前常采用的封閉式熱泵干燥系統(tǒng)雖然改善了開式與半開式熱泵干燥系統(tǒng)在低溫環(huán)境下性能較差的缺點，但其存在熱濕不平衡及功能單一等問題[10-12]，有學(xué)者[13-14]對干燥介質(zhì)旁通率對熱泵干燥系統(tǒng)性能的影響進行了理論分析，但在熱泵干燥系統(tǒng)實現(xiàn)熱濕平衡的條件下，還沒有相關(guān)的試驗研究。

本試驗設(shè)計了一種多功能熱泵干燥裝置，具有加熱模式、常規(guī)干燥模式、恒溫干燥模式、冷藏模式，可滿足不同情況下的需求，擴大了設(shè)備的應(yīng)用范圍。對于干燥領(lǐng)域而言，恒溫干燥模式是最主要的運行模式，對整個干燥過程的能耗、干燥時間等影響較大，本試驗擬以濕棉布為干燥物料，研究不同送風(fēng)溫度與不同旁通率對恒溫干燥模式性能的影響，旨在為熱泵干燥裝置在實際應(yīng)用中選擇最佳的運行工況提供理論參考。

1 熱泵干燥系統(tǒng)與性能評價指標(biāo)介紹

1.1 多功能熱泵干燥系統(tǒng)各模式的介紹

熱泵干燥裝置由熱泵系統(tǒng)和干燥介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)組成。熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器以及膨脹閥等組成，干燥介質(zhì)通過冷凝器吸收制冷劑的冷凝熱升溫后被循環(huán)風(fēng)機送入干燥室內(nèi)吸收物料的水分，然后通過蒸發(fā)器冷卻除濕，提高了吸濕能力的干燥介質(zhì)再通過冷凝器升溫，如此形成干燥介質(zhì)循環(huán)而達到干燥的目的[15]。圖1為本試驗所研究的多功能熱泵干燥系統(tǒng)的原理圖，其特點在于設(shè)置了3個換熱器，2個室內(nèi)換熱器與1個室外換熱器，可通過控制制冷劑及不同的換熱器組合而實現(xiàn)不同的運行模式，各模式的工作原理如下。

(1)加熱模式：四通閥2處于默認狀態(tài)(D、E通，S、C通)，三通閥12處于默認狀態(tài)(b、c通)，膨脹閥5關(guān)閉，膨脹閥8打開，制冷劑先進入室外換熱器9中蒸發(fā)吸收室外環(huán)境的熱量，后經(jīng)壓縮機1壓縮后經(jīng)過室內(nèi)換熱器3與室內(nèi)干燥介質(zhì)進行換熱，從而達到加熱的目的。

(2)常規(guī)干燥模式：該模式與加熱模式的區(qū)別在于膨脹閥5打開，膨脹閥8關(guān)閉，壓縮機排出的高溫制冷劑先進入室內(nèi)換熱器3中與干燥介質(zhì)換熱，后進入室內(nèi)換熱器6中對干燥介質(zhì)進行降溫除濕處理而達到干燥的目的。

(3)恒溫干燥模式：四通閥2處于默認狀態(tài)(D、E通，S、C通)，三通閥12處于通電狀態(tài)(a、b通)，膨脹閥5和8都打開，壓縮機排出的高溫的制冷劑并聯(lián)通過室內(nèi)換熱器3和室外換熱器9分別于干燥介質(zhì)與室外環(huán)境進行換熱，再進入室內(nèi)換熱器6對干燥介質(zhì)進行降溫除濕處理。在該模式下，一部分冷凝熱因排至室外而使室內(nèi)兩個換熱器釋放的熱量和冷量一致，從而達到恒定干燥溫度的目的。

(4)冷藏模式：四通閥2處于通電狀態(tài)(D、C通，S、E通)，三通閥12處于默認狀態(tài)(b、c通)，膨脹閥5和8都打開，壓縮機排出的高溫制冷劑先經(jīng)過室外換熱器9將熱量釋放到室外環(huán)境中，再進入室內(nèi)換熱器3和6中蒸發(fā)吸收室內(nèi)干燥介質(zhì)的熱量而達到冷藏的目的。

1.壓縮機 2.四通閥 3.換熱器A 4.儲液器 5.電子膨脹閥A 6.換熱器B 7.循環(huán)風(fēng)機 8.電子膨脹閥B 9.換熱器C 10.室外風(fēng)機 11.氣液分離器 12.三通閥 13.回風(fēng)電動風(fēng)閥 14.旁通電動風(fēng)閥

圖1 多功能熱泵干燥系統(tǒng)流程圖
Figure 1 Multi-function heat pump drying system flow chart

1.2 熱泵干燥系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

熱泵干燥系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)主要有單位時間除濕量(MER)、單位能耗除濕量(SMER)以及熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)[16-17]。

本試驗采用瞬時COP反映制冷劑側(cè)性能，干燥介質(zhì)處理過程焓濕圖如圖2所示，則性能系數(shù)COP可由式(1)確定。

(1)

式中：

COP——熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)，W/W；

Ma——循環(huán)空氣質(zhì)量流量，kg/s；

h2——蒸發(fā)器前空氣比焓值，kJ/kg；

h5——冷凝器器前空氣比焓值，kJ/kg；

Cp——空氣定壓比熱，取1.01 kJ/(kg·℃)；

U——壓縮機瞬時電壓，V；

I——壓縮機瞬時電流，A；

cosφ——功率因素，取0.8。

機組的SMER可由式(2)確定，其中SMER為計算值，mw和W為實測值，因SMER中涉及了MER，則本試驗不再重復(fù)討論。

(2)

式中：

SMER——單位能耗除濕量，kg/(kW·h)；

mw——單位時間除濕量，kg；

W——單位時間壓縮機消耗電能，kW·h。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗材料采用碎棉布，總干重為36 kg。首先用水將碎棉布完全浸濕，然后用脫水機脫水至不滴水，再稱一次濕重，每組試驗重復(fù)上述過程，使每組試驗物料的濕重保持一致。本試驗的干燥介質(zhì)為空氣。

圖2 干燥介質(zhì)處理過程焓濕圖Figure 2 Drying medium treatment process wetting diagram

2.2 測試方法

試驗各測點位置如圖1所示。將物料均勻放置在物料架上，先運行加熱模式，當(dāng)干燥室入口送風(fēng)溫度(干燥溫度)達到試驗的要求時切換至恒溫干燥模式，待恒溫干燥模式運行穩(wěn)定后開始記錄各測點數(shù)據(jù)，溫度傳感器采用T型熱電偶，并采用34972A型安捷倫每10 s自動采集一次數(shù)據(jù)；濕度、風(fēng)速、電壓、電流每隔10 min記錄1次，每隔30 min 記錄1次重量以計算除濕量；采用型號為DT862-4三相四線電度表測量壓縮機的耗電量，每隔30 min 記錄1次讀數(shù)。不同干燥溫度(40，45，50 ℃)對應(yīng)不同空氣旁通率(20%，40%，60%，80%)總共做12組試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 恒溫干燥模式不同運行條件的SMER

當(dāng)干燥溫度為50 ℃，循環(huán)空氣旁通率分別為20%和40%時熱泵系統(tǒng)會出現(xiàn)排氣溫度過高(>110 ℃)的情況，原因在于在制冷劑流量一定的條件下，經(jīng)過蒸發(fā)器的風(fēng)量大，空氣溫度較高導(dǎo)致制冷劑蒸發(fā)溫度高，蒸發(fā)效果好，過熱度較大使壓縮機回氣溫度高，最終導(dǎo)致壓縮機排氣溫度高。因試驗機組的控制系統(tǒng)設(shè)置了高溫等保護，當(dāng)機組運行參數(shù)超出設(shè)置的安全范圍時，機組將自動停止運行。因此本試驗對干燥溫度為50 ℃、旁通率分別為20%和40%這2種運行條件不做討論。

圖3為不同干燥溫度下試驗裝置SMER隨運行時間的變化規(guī)律，可以看出在所有運行條件下，SMER都隨運行時間逐漸減小，原因在于隨干燥過程進行，物料中的水分逐漸變少，水分蒸發(fā)需要的熱量減小，在送風(fēng)溫度不變的情況下，回風(fēng)溫度隨之增加，且相對濕度在逐漸減小，則將回風(fēng)處理到露點溫度所需的冷量增加，在制冷量保持不變的條件下，用于除濕的冷量減少，除濕量也隨之減少。在溫度為40 ℃時，旁通率為80%的折線與旁通率為60%和40%的折線有交點，且在交點之前旁通為80%時的SMER小于旁通率為60%和40%的，交點之后結(jié)果相反，這是因為在干燥的初期，物料中的水分較多，蒸發(fā)量較大，干燥介質(zhì)的相對濕度較大，將回風(fēng)處理到露點溫度所需的冷量較小，在旁通率為40%，60%，80%時，蒸發(fā)器處理的空氣終狀態(tài)點基本一致，即單位質(zhì)量空氣除濕量相差不大，當(dāng)旁通率較大(80%)時，經(jīng)過蒸發(fā)器的干燥介質(zhì)流量較小，處理的空氣量較小，除濕量較小，而在旁通率較小(40%，60%)時，處理的空氣量增加，除濕量也隨之增加，隨著干燥過程的進行，物料的水分減少，回風(fēng)溫度增加，相對濕度減小，回風(fēng)處理到露點溫度所需的冷量增加，在制冷量不變的條件下，不同的旁通率下空氣處理終狀態(tài)點差異變大，即單位質(zhì)量空氣的除濕量變化較大，這時在旁通率較小的情況下，因處理的空氣量較大，大量冷量被用于降溫，只有少量的冷量用于除濕，除濕量降低，反之旁通率較大時除濕量較大。此外，在其他溫度條件下，SMER隨旁通率增加而增大也是這個原因。

在旁通率相同的條件下，SMER隨送風(fēng)溫度增加而減小，原因在于送風(fēng)溫度增加，回風(fēng)溫度也隨之增加，回風(fēng)相對濕度減小，將回風(fēng)處理到露點溫度所需的冷量也會增加，在制冷量保持不變的條件下，用于除濕的冷量減少，除濕量也隨之減少。

3.2 恒溫干燥模式不同運行條件的COP

圖4為不同干燥溫度下試驗裝置COP隨運行時間的變化規(guī)律，可以看出在所有運行條件下性能系數(shù)COP都隨運行時間有降低的趨勢，其中在相同溫度條件下，COP隨旁通率的增加而減小，原因在于旁通率增加，經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣量減小，制冷劑的蒸發(fā)效果變差，甚至不能完全蒸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量降低，在壓縮機的功率變化較小的情況下，性能系數(shù)隨之減小。在旁通率為20%和60%的情況下，系統(tǒng)性能系數(shù)COP隨干燥溫度的增加而增加，這是因為在風(fēng)量、制冷劑流量一定的情況下，溫度越高，制冷劑的蒸發(fā)效果越好，過熱度越大，制冷量也就越大，性能系數(shù)隨之增大。

圖3 不同干燥溫度下單位能耗除濕量隨時間的變化Figure 3 Variation of the specific moisture extraction rate with time at different drying temperatures

圖4(a)、(b)比較發(fā)現(xiàn)，在旁通率為40%時，在前60 min 內(nèi)，溫度為40，45 ℃的COP相差不大，之后溫度為40 ℃條件下的COP大于溫度為45 ℃時的，原因在于溫度為40 ℃時蒸發(fā)器前后空氣的含濕量差值大于45 ℃時的，且在前60 min內(nèi)2種情況下蒸發(fā)器前后空氣的含濕量的差值逐漸增大，之后趨于恒定，如圖3(a)、(b)所示，由式(1)可知，h2-h5=1.01Δt+2 500Δd+1.84(t2d2-t5d5)中2 500遠大于1.01和1.84，即在60 min后含濕量變化對COP的影響超過了溫度變化所引起的。在旁通率為80%時，由于溫度差異導(dǎo)致的影響與含濕量差值的影響相差無幾，溫度為45，50 ℃時的COP相差不大，而40 ℃時的COP在210 min前小于45，50 ℃的，在之后出現(xiàn)了相反的結(jié)果，即含濕量差值導(dǎo)致的影響在210 min 后超過了溫度差異引起的。

4 結(jié)論

(1)熱泵干燥裝置的SMER隨溫度的升高而下降，隨旁通率的增大而增加，原因在于系統(tǒng)的制冷量分別用于空氣的降溫和除濕，溫度越高，用于降溫的冷量大，用于除濕的冷量少，SMER隨之降低；旁通率增加，經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣量減小，制冷量的分配隨之偏于除濕，SMER隨之增加。

(2)干燥溫度為40 ℃時，旁通率為80%的SMER曲線與旁通率為40%，60%時的曲線有交點，即不同的空氣狀態(tài)對應(yīng)著不同的最佳旁通率。因此在實際干燥過程中應(yīng)選擇合理的干燥溫度，且應(yīng)根據(jù)不同的干燥介質(zhì)的狀態(tài)調(diào)節(jié)旁通率的大小以保證最佳的SMER。

(3)熱泵干燥系統(tǒng)的COP隨旁通率的增大而減小，隨溫度的升高的增大，且試驗結(jié)果表明性能系數(shù)COP與SMER不能同時達到最大值，因此應(yīng)該綜合考慮各個性能系數(shù)選擇合理的運行工況，以達到最佳的干燥效率和節(jié)能效果。

(4)需進一步改良試驗樣機熱泵子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理的地方以提高制冷循環(huán)性能，以及對干燥室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以改善干燥介質(zhì)的氣流組織，提高干燥介質(zhì)與物料之間的熱濕交換效率。

(5)應(yīng)針對該熱泵干燥系統(tǒng)開發(fā)專門的自動控制系統(tǒng)，根據(jù)機組運行參數(shù)實時調(diào)節(jié)干燥介質(zhì)旁通率、膨脹閥開度等參數(shù)，進一步提高系統(tǒng)的性能。