張益飛，馮榮

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

0 引言

干燥除濕在食品、工業(yè)產(chǎn)品以及農(nóng)副產(chǎn)品加工過程中是很重要的存在，是缺一不可的必要環(huán)節(jié)之一。隨著工業(yè)化以及現(xiàn)代化的發(fā)展，使得不可再生能源（例如煤、天然氣、石油等）的日益枯竭。為了保護(hù)生活環(huán)境，以及尋找更加高效的干燥方式，在原有的干燥除濕設(shè)備以外，設(shè)計(jì)一種既節(jié)能環(huán)保又具有高效率干燥的設(shè)備就顯得至關(guān)重要，電力驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵烘干機(jī)此時(shí)就很符合需求。

空氣源熱泵烘干機(jī)運(yùn)行費(fèi)用只有燃煤燃油的1/3、電熱的1/4，并且大大減少了人力管理成本?？諝庠礋岜眉夹g(shù)由于可獲得比輸入電能多數(shù)倍的熱能，同時(shí)對(duì)環(huán)境無污染，已在農(nóng)特產(chǎn)品烘干技術(shù)領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用。但目前包括空氣源熱泵烘干技術(shù)在內(nèi)的各種烘干技術(shù)還存在一些問題降低了其在農(nóng)特產(chǎn)品烘干領(lǐng)域中發(fā)揮的作用。首先，現(xiàn)有的烘干房都建設(shè)在固定地點(diǎn)，由于大部分農(nóng)特產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)域距離烘干區(qū)域有一定的距離，在將原材料運(yùn)輸至烘干區(qū)域的過程中，原材料本身還未干燥，保留著水分，導(dǎo)致原材料的體積較大，運(yùn)輸成本增高；在運(yùn)輸中，原材料與外界發(fā)生接觸，易造成對(duì)原材料品質(zhì)的損壞；其次，熱泵烘干機(jī)組是由三相電驅(qū)動(dòng)的，在種植農(nóng)特產(chǎn)品原材料的地區(qū)并不一定通電。為此，本文提出車載熱泵烘干系統(tǒng)的設(shè)想，烘干系統(tǒng)可隨車輛到距離農(nóng)特產(chǎn)品最近的地點(diǎn)烘干，減少運(yùn)輸成本，同時(shí)系統(tǒng)采用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，解決電力束縛問題[1]。

1 車載熱泵烘干系統(tǒng)

1.1 熱泵烘干機(jī)原理

空氣源熱泵烘干機(jī)組主要是由兩大主體部分組成，分別為熱泵主機(jī)和烘干室。主機(jī)主要由四大部件組成，分別為壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置以及蒸發(fā)器。

依據(jù)“逆卡諾“原理所設(shè)計(jì)的空氣源熱泵，其工作原理簡單就是：低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量成為制冷劑蒸氣，制冷劑蒸氣通過由銅管連接組成的管道系統(tǒng)進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮成為高溫高壓的氣體，然后輸送至冷凝器，在冷凝器中將熱量釋放并冷凝液化，液化后的制冷劑經(jīng)過節(jié)流裝置再次成為低溫低壓的制冷劑蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，如此制冷劑一直循環(huán)，不斷的吸收空氣中的熱量然后在安裝在烘干室內(nèi)的冷凝器中釋放熱量對(duì)物料進(jìn)行加熱烘干，空氣源熱泵裝置本身不產(chǎn)生熱量，它只是起到對(duì)熱量的流通[2]。

空氣源熱泵的重要部件是壓縮機(jī)，沒有壓縮機(jī)就無法運(yùn)行熱泵，通過它的運(yùn)作才能實(shí)現(xiàn)工質(zhì)在熱泵中的循環(huán)，讓工質(zhì)實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)吸熱，冷凝放熱的物理變化。熱泵的性能高低采用性能系數(shù)COP來表示，COP是指在名義工況下，制熱量與消耗功率之比。空氣源熱泵的COP為3～4左右，也就是每消耗一份電能就可產(chǎn)生3～4份電能，節(jié)能效果異常突出。

1.2 由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車載空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理

如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的由車載發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵烘干系統(tǒng)流程圖，該系統(tǒng)的工作原理，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，完成上文所述的熱泵循環(huán)；環(huán)境中的空氣經(jīng)蒸發(fā)器后放出熱量的同時(shí)其中的水蒸氣被冷凝排出，形成低溫低濕的空氣，該空氣進(jìn)入回?zé)崞鳎c從烘干室中排出的高溫高濕的空氣換熱，回收其中的熱量，形成中溫低濕的空氣，該空氣依次經(jīng)冷凝器和尾氣換熱連續(xù)加熱后形成高溫低濕的空氣，該空氣進(jìn)入烘干室中對(duì)待烘干物料進(jìn)行烘干，吸收物料中的水分使物料干燥，然后變成高溫高濕的空氣從烘干室經(jīng)回?zé)崞髋畔颦h(huán)境。該系統(tǒng)可隨車輛到距離農(nóng)特產(chǎn)品最近的地點(diǎn)烘干，減少運(yùn)輸成本，同時(shí)系統(tǒng)采用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，解決電力束縛問題；此外，發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱還可用來加熱干燥介質(zhì)，提高能源利用效率。

圖1 車載熱泵烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2 車載熱泵烘干系統(tǒng)的性能分析

2.1 烘干成本對(duì)比

目前，農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域的干燥方法主要有煤炭干燥、燃料干燥、氣體干燥、電熱干燥、空氣源熱泵干燥等，各種性能特點(diǎn)各不相同。以下將從能效、經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備特點(diǎn)等方面對(duì)幾種主流干燥方式進(jìn)行詳細(xì)比較[3]，如表1所示，可以看出，在相同條件下，空氣源熱泵干燥方式的運(yùn)行成本僅需電加熱設(shè)備的25%，30%的油干燥器和60%的煤干燥器，比普通干燥設(shè)備更節(jié)能。

表1 多種烘干方式能效和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

基于相同條件，將本文設(shè)計(jì)的車載熱泵烘干系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燃油烘干機(jī)烘干相同貨物時(shí)的耗能進(jìn)行對(duì)比。以10噸/批次，稻谷含水率由28%烘干至安全儲(chǔ)糧水分14%，稻谷降水速率取0.7%每小時(shí)，每批次稻谷干燥時(shí)間為20小時(shí)，如果采用燃油為烘干熱源，烘干10噸稻谷需耗柴油175L，按照6元/L計(jì)，需花費(fèi)1050元，稻谷干燥成本為0.105元/kg。若采用本文設(shè)計(jì)的由燃油驅(qū)動(dòng)的熱泵烘干系統(tǒng)，烘干相同稻谷僅需要消耗柴油59L，按照6元/L計(jì)，需花費(fèi)350元，稻谷干燥成本為0.035元/kg。從兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用車載熱泵系統(tǒng)可以節(jié)省生產(chǎn)成本，提升干燥效率。

2.2 運(yùn)輸成本對(duì)比

假定原材料的產(chǎn)地與加工廠的距離為100km，卡車的時(shí)速為80km/h，卡車運(yùn)輸費(fèi)為1.08元/（t·km）。假設(shè)每批次運(yùn)輸10t稻谷（含水分28%），比較兩組運(yùn)輸10t稻谷的運(yùn)輸成本。假定將原材料在產(chǎn)地裝車后運(yùn)輸至加工廠烘干，則運(yùn)輸成本為1.08×100×2×10=2160元。如果在原產(chǎn)地將10t稻谷烘干后再運(yùn)輸，則其質(zhì)量變?yōu)?.4噸，則運(yùn)輸成本為1.08×100×2×8.4=1814元，可以看出，使用車載烘干系統(tǒng)的運(yùn)輸車明顯比使用傳統(tǒng)運(yùn)輸車的運(yùn)輸成本要低。

3 車載熱泵烘干系統(tǒng)在農(nóng)特產(chǎn)品烘干領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)

（1）利用文中的烘干系統(tǒng)，可以做到從原產(chǎn)地開始，就進(jìn)行對(duì)農(nóng)特產(chǎn)品的烘干，節(jié)省了農(nóng)特產(chǎn)品從生產(chǎn)區(qū)域到加工廠之間的多余運(yùn)輸成本，減少了農(nóng)特產(chǎn)品烘干過程的時(shí)間。

（2）熱泵干燥機(jī)適用廣泛，不受氣候的影響，大多用于耐溫20～80攝氏度，但采用熱泵干燥更加安全、節(jié)能的物料。研究和應(yīng)用廣泛的材料，例如皮革、海產(chǎn)品（如鮮蠔和扇貝）、農(nóng)副產(chǎn)品、谷物、藥材（如人參）、木材（如橡木）、食用菌、茶葉、紙張等[4]。

（3）車載熱泵烘干系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，響應(yīng)國家近些年來對(duì)環(huán)境的重視。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)32%的能力轉(zhuǎn)化為的廢熱被回收利用加熱冷空氣。熱泵系統(tǒng)中，只有工質(zhì)在其中密閉循環(huán)，而且排放到環(huán)境的廢氣（不包含二氧化碳等氣體）不會(huì)造成污染。

（4）通過熱泵烘干機(jī)烘干的物料干燥質(zhì)量好，因?yàn)槲锪显诤娓蓹C(jī)內(nèi)處于低溫封閉循環(huán)。通過控制熱泵系統(tǒng)的工況條件，使烘干房的熱干空氣的溫度保持在20～80攝氏度之間，滿足于大多數(shù)物料對(duì)高質(zhì)量干燥的要求；工質(zhì)的封閉循環(huán)對(duì)提高物料的干燥質(zhì)量尤為重要，可以阻擋外界與烘干機(jī)進(jìn)行氣體交換時(shí)可能出現(xiàn)的雜質(zhì)污染。此外，在物料對(duì)空氣中的氧氣敏感（燃燒爆炸或易氧化）時(shí)，還可用惰性介質(zhì)來代替空氣作為干燥介質(zhì)，用于實(shí)現(xiàn)無氧干燥。

（5）綜合經(jīng)濟(jì)效益高。與其他低溫干燥設(shè)備（例如冷凍干燥、微波干燥、真空干燥）相比較，熱泵干燥設(shè)備具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，例如：初始投資小、運(yùn)行成本低等。與以往的干燥裝置（進(jìn)入干燥室的空氣溫度＞40℃）相比，熱泵烘干裝置的啟動(dòng)資金一般會(huì)更高，但熱泵干燥機(jī)干燥裝置干燥效率高，平常的運(yùn)行成本低，而且國家對(duì)節(jié)能環(huán)保的企業(yè)有一定的政策補(bǔ)貼，所以綜合經(jīng)濟(jì)性仍有一定優(yōu)勢(shì)。

（6）車載熱泵烘干系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能。熱泵干燥系統(tǒng)還具有制冷功能，除了干燥物料，還可利用其制冷功能來實(shí)現(xiàn)各種物料的低溫處理（如速凍、制冷）或保存。通過制冷和加熱功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物料冷凍干燥再熱風(fēng)干燥，達(dá)到更高的品質(zhì)[5]。

4 結(jié)語

在文中用車載熱泵系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)輸成本與烘干成本兩項(xiàng)做對(duì)比，得出了以下兩點(diǎn)結(jié)論：第一點(diǎn)，在烘干相同質(zhì)量原材料的情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)比燃煤、燃油、燃?xì)夂娓筛軌蚬?jié)省烘干成本，提高干燥的效率；第二點(diǎn)，在運(yùn)輸質(zhì)量相同原材料的情況下，使用具有車載熱泵系統(tǒng)的運(yùn)輸車比傳統(tǒng)的運(yùn)輸車更能夠減少運(yùn)輸?shù)某杀?。從而看出，車載熱泵系統(tǒng)更符合現(xiàn)在的需求。