成家豪 曹 祥,2 葛美才 張春路

(1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所 上海 201804；2 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后工作站 上海 201804；3 南通華信中央空調(diào)有限公司 南通 226014)

海苔富含抗氧化劑、膳食纖維、維生素等，是一種高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的水產(chǎn)品[1]。海苔由條斑紫菜烘制而成，采集后要及時(shí)烘干，便于后續(xù)加工[2]。傳統(tǒng)海苔烘干采用自然晾曬，受氣候影響較大，烘干過(guò)程溫度不可控，成品不合格率較高[3-4]。目前工業(yè)生產(chǎn)中采用干燥熱風(fēng)進(jìn)行烘干，耗時(shí)短、生產(chǎn)效率高，但能耗大[5]。整個(gè)工業(yè)都面臨干燥高能耗的問(wèn)題，烘干行節(jié)占工業(yè)總能耗的10%～25%[6]。因此，對(duì)于海苔烘干在內(nèi)的眾多工農(nóng)業(yè)烘干工藝，提升熱風(fēng)干燥方式中加熱設(shè)備的能效，是解決烘干高能耗問(wèn)題的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的海苔烘干設(shè)備，直接使用煤、柴油、電等能源加熱室外新風(fēng)，效率較低[7]。此外，干燥熱風(fēng)從海苔中蒸出的大量水蒸氣潛熱直接排至室外。烘干過(guò)程的能源利用率僅有約35%[8]。若采用蒸氣壓縮式空氣源熱泵從室外取熱來(lái)加熱新風(fēng)(開式熱泵系統(tǒng)如圖1所示)，可節(jié)約50%以上的一次能源[9-10]。但由于系統(tǒng)為開式，仍存在潛熱耗散的問(wèn)題[11]。而且熱泵的蒸發(fā)端從室外取熱，工況不穩(wěn)定。海苔烘干又多在冬季，熱泵系統(tǒng)能效低，有結(jié)霜隱患[12]。

圖1 開式熱泵烘干系統(tǒng)Fig.1 Open-type heat pump dryer

基于熱泵自身的特性構(gòu)建閉式空氣回路，將烘房排風(fēng)重新引回蒸發(fā)端降溫，使其中水蒸氣冷凝，實(shí)現(xiàn)除濕目的后，再通過(guò)冷凝端再熱[13-15]。由此，排風(fēng)始終在烘房/風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，回收原來(lái)排風(fēng)中的水蒸氣潛熱，大幅提升了烘干過(guò)程的能源利用率。

本文從閉式熱泵烘干系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，針對(duì)海苔烘干工藝進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：1)對(duì)海苔烘干的大風(fēng)量需求，引入混風(fēng)形式，保證對(duì)水蒸氣潛熱(即濕效潛熱)的順利回收；2)引入過(guò)冷器回收蒸發(fā)器后回風(fēng)中的低溫冷能(即冷效顯熱)?；诜抡嬖O(shè)計(jì)并制作樣機(jī)，對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)原理

濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)流路和空氣循環(huán)流路，其原理及壓焓圖分別如圖2、圖3所示?？諝庋h(huán)中，烘制完海苔后的排風(fēng)部分流經(jīng)蒸發(fā)器除濕后再和未處理的旁通回風(fēng)混合。目的是為了匹配蒸發(fā)器的最優(yōu)風(fēng)量/迎面風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)閉式系統(tǒng)對(duì)排風(fēng)中濕效潛熱的回收。海苔烘干風(fēng)量大，烘干風(fēng)速需大于3 m/s，以保證海苔的平整度。若回風(fēng)全部流經(jīng)蒸發(fā)器，風(fēng)速過(guò)高，導(dǎo)致蒸發(fā)器中以顯熱換熱為主，除濕能力反而降低[16]；同時(shí)蒸發(fā)溫度過(guò)高，壓縮機(jī)不易選配。這些原因?qū)е卢F(xiàn)有簡(jiǎn)單熱泵除濕機(jī)無(wú)法直接應(yīng)用于海苔烘干。

圖2 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

在制冷劑循環(huán)中，除四大基本部件外，引入過(guò)冷器(也可視作冷凝器拆分的一部分)，將其置于混風(fēng)前，利用蒸發(fā)器后降至露點(diǎn)溫度的低溫回風(fēng)，增大了系統(tǒng)過(guò)冷度(圖3：狀態(tài)點(diǎn)3→3′)及除濕能力，回收冷能的同時(shí)還降低了大溫差混風(fēng)損失。結(jié)合上述對(duì)水蒸氣濕效潛熱的利用，為濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)。

2 基于仿真的可行域設(shè)計(jì)

考慮設(shè)計(jì)參數(shù)受擾動(dòng)帶來(lái)的不確定性，采用基于仿真的可行域設(shè)計(jì)，確保機(jī)組在圍繞典型工況的較大范圍內(nèi)穩(wěn)健運(yùn)行。

2.1 仿真設(shè)計(jì)

基于仿真平臺(tái)GREATLAB[17]搭建部件及系統(tǒng)仿真模型(圖4)。

Ts制冷劑飽和溫度，℃；T制冷劑溫度，℃；p制冷劑壓力，kPa；dTsh制冷劑過(guò)熱/過(guò)冷度，℃；Tdb空氣溫度，℃；RH空氣相對(duì)濕度，%。圖4 基于GREATLAB的系統(tǒng)仿真模型Fig.4 System model in GREATLAB

按表1所示的海苔烘干工藝要求[18]計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，并基于仿真模型完成系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，各部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 海苔烘干工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Process and design parameters of seaweed drying

表2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.2 Specifications of system optimum design

2.2 可行域評(píng)價(jià)

為了揭示系統(tǒng)中引入混風(fēng)及過(guò)冷器的必要性，并衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)在變化工況下運(yùn)行的魯棒性，在回風(fēng)溫度20 ～50 ℃、相對(duì)濕度20%～80%范圍內(nèi)，以壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍(蒸發(fā)溫度-25～14 ℃，冷凝溫度25～56 ℃)為約束邊界，繪制簡(jiǎn)單閉式系統(tǒng)、混風(fēng)系統(tǒng)和混風(fēng)過(guò)冷系統(tǒng)(即本文的濕冷雙效回收型系統(tǒng))的可行域，如圖5所示。

可行域的對(duì)比結(jié)果表明，簡(jiǎn)單系統(tǒng)形式受到蒸發(fā)溫度上限的約束，回風(fēng)溫度為40 ℃以上有運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，不適合海苔烘干。引入混風(fēng)后，拓寬了系統(tǒng)在高溫高濕回風(fēng)工況下的可行域。引入過(guò)冷器后，除濕能力增強(qiáng)，蒸發(fā)溫度可進(jìn)一步減小。由圖5可知，海苔烘干典型工況(46 ℃/40%)位于混風(fēng)系統(tǒng)及過(guò)冷混風(fēng)系統(tǒng)的可行域中。

圖5 熱泵烘干系統(tǒng)的可行域Fig.5 Working domains of various heat pump dryers

3 模型驗(yàn)證

上述可行域評(píng)價(jià)表明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，按表2的系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，制備了濕冷雙效回收熱泵烘干系統(tǒng)的樣機(jī)，如圖6所示。

圖6 海苔烘干熱泵系統(tǒng)樣機(jī)Fig.6 Prototype of heat pump dryer

在焓差實(shí)驗(yàn)室完成樣機(jī)的測(cè)試。海苔烘干多采用傳送帶式系統(tǒng)，因此回風(fēng)狀態(tài)可近似視作穩(wěn)態(tài)。為了全面地驗(yàn)證模型，選取3個(gè)工況進(jìn)行測(cè)試，分別為35 ℃/55%、46 ℃/40%和50 ℃/40%(回風(fēng)溫度/相對(duì)濕度)。各測(cè)點(diǎn)的布置參見圖2。

基于實(shí)測(cè)的3組數(shù)據(jù)，標(biāo)定并驗(yàn)證仿真模型，模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如表3所示。其中溫度偏差在-0.7～0.9 ℃，壓力值的相對(duì)誤差在-5.0%～2.0%，吻合良好。

表3 模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of simulation and test data

4 性能分析

基于驗(yàn)證后的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行深入分析。

4.1 混風(fēng)比優(yōu)化

圖7所示為系統(tǒng)各性能參數(shù)隨混風(fēng)比的變化，包括循環(huán)能效COP、蒸發(fā)器換熱潛熱比LHR(潛熱量占總換熱量的比值)以及單位能耗除濕量SMER(kg/kWh)。本文混風(fēng)比定義為旁通風(fēng)量和總風(fēng)量的比值，在0～1范圍變化。

圖7 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)的最優(yōu)混風(fēng)比Fig.7 Optimum bypass air ratio of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

由圖7可知，COP和LHR隨混風(fēng)比的增大呈相反的變化趨勢(shì)。增大混風(fēng)比，相當(dāng)于流經(jīng)蒸發(fā)器的風(fēng)量減小，迎面風(fēng)速降低，使LHR更大；但與此同時(shí)，蒸發(fā)溫度降低，循環(huán)COP減小。

由各參數(shù)的定義可以推導(dǎo)出式(1)，即SMER同時(shí)受到LHR和COP的影響，而水蒸氣潛熱hlat,w在回風(fēng)工況穩(wěn)定時(shí)變化較小。因此，在LHR和COP的相反變化趨勢(shì)下，系統(tǒng)存在最優(yōu)混風(fēng)比0.77，達(dá)到最佳SMER，為2.61 kg/kWh。

(1)

4.2 過(guò)冷度優(yōu)化

同一般的蒸氣壓縮式系統(tǒng)類似[19]，本系統(tǒng)也存在最優(yōu)過(guò)冷度，如圖8所示。本系統(tǒng)中過(guò)冷器和冷凝器拆分后，入口的風(fēng)溫狀態(tài)存在差異。當(dāng)過(guò)冷器中不完全是制冷劑過(guò)冷液體時(shí)，增大過(guò)冷度提升了蒸發(fā)器側(cè)的制冷量，而對(duì)冷凝溫度影響較小，可使循環(huán)能效COP增加，進(jìn)而提升除濕能效SMER。然而，一旦過(guò)冷器中完全充滿制冷劑液體，繼續(xù)增大過(guò)冷度將導(dǎo)致冷凝器末端也出現(xiàn)過(guò)冷區(qū)，會(huì)導(dǎo)致冷凝溫度快速上升，系統(tǒng)性能加速衰減。本系統(tǒng)的最優(yōu)過(guò)冷度為25 ℃，對(duì)應(yīng)的制冷劑充注量為12.7 kg。

圖8 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)的最優(yōu)過(guò)冷度Fig.8 Optimum refrigerant subcooling of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

4.3 回風(fēng)工況擾動(dòng)

機(jī)組的設(shè)計(jì)工況為回風(fēng)溫度/相對(duì)濕度46 ℃/40%，但實(shí)際應(yīng)用中由于海苔含水量變化、新風(fēng)滲透或控制偏差等干擾因素，可能會(huì)出現(xiàn)一定范圍的偏移。因此在回風(fēng)溫度46 ℃±3 ℃、相對(duì)濕度40%±10%范圍內(nèi)，進(jìn)行系統(tǒng)性能的敏感性分析。

仍以蒸發(fā)溫度、冷凝溫度作為壓縮機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的界限，回風(fēng)工況擾動(dòng)的影響如圖9所示。系統(tǒng)在偏離設(shè)計(jì)工況的較大范圍內(nèi)均可穩(wěn)健運(yùn)行(圖中陰影區(qū)，近似線性邊界如式(2)所示)，僅當(dāng)回風(fēng)溫度和濕度同時(shí)增加時(shí)會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)。在該正常運(yùn)行范圍內(nèi)，系統(tǒng)除濕能效SMER始終保持在1.88 kg/kWh以上，且對(duì)濕度變化更敏感，當(dāng)回風(fēng)工況往濕度提升的方向偏移時(shí)，有助于除濕能效的提升。

圖9 回風(fēng)工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.9 Effect of return air state on system performance

RHRA≤min{-0.03TRA+1.83,-0.05TRA+2.76}

(2)

5 結(jié)論

本文針對(duì)海苔烘干的大風(fēng)量特殊工藝，提出一種濕冷雙效回收型的高效熱泵系統(tǒng)，并完成了該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。得到如下結(jié)論：

1)本熱泵烘干系統(tǒng)相較簡(jiǎn)單形式，在運(yùn)行范圍和性能上具備優(yōu)勢(shì)。引入混風(fēng)后，可匹配蒸發(fā)器的最優(yōu)風(fēng)量/迎面風(fēng)速，拓寬系統(tǒng)應(yīng)用范圍，充分回收水蒸氣濕效潛熱；引入過(guò)冷器后，可回收蒸發(fā)器后回風(fēng)的冷效顯熱，增大過(guò)冷度，提升循環(huán)能效。

2)基于可行域方法，完成系統(tǒng)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

3)仿真性能分析及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，海苔烘干典型工況(46 ℃/40%)的除濕能效SMER達(dá)2.61 kg/kWh，在最優(yōu)混風(fēng)比0.77和最優(yōu)過(guò)冷度25 ℃處取得。敏感性分析表明，回風(fēng)在溫度46 ℃±3 ℃及相對(duì)濕度40%±10%工況內(nèi)擾動(dòng)，機(jī)組仍能在較大范圍穩(wěn)定運(yùn)行，并保持除濕能效在1.88 kg/kWh以上。

符號(hào)說(shuō)明

COP——熱泵循環(huán)能效

LHR——潛熱比(latent heat ratio)

hlat,w——水汽化潛熱，J/kg

RHRA——回風(fēng)相對(duì)濕度

SMER——單位能耗除濕量，kg/kWh

Tevap——蒸發(fā)溫度，℃

Tcond——冷凝溫度，℃

TRA——回風(fēng)溫度，℃