呂東陽 姜志宏

（浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

在木材加工過程中，木材干燥是保障和改善木材品質(zhì)，減少木材損失，提高木材利用率的重要環(huán)節(jié)[1-2]。熱泵干燥因節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)近年來備受關(guān)注[3]。目前有關(guān)熱泵干燥的研究在基礎(chǔ)理論方面，主要通過熱力學(xué)等理論分析[4]和建立數(shù)值模擬[5-6]的方法，探索優(yōu)化熱泵干燥工藝參數(shù)[7]。張璧光[8]從理論上分析了濕空氣的臨界除濕狀態(tài)，并指出可以通過減少回風(fēng)量，提高熱泵系統(tǒng)的除濕效率。胡傳坤[9]分析了循環(huán)濕空氣在除濕前后溫度的變化和除濕能耗比的變化規(guī)律，提出了最佳旁通率的調(diào)節(jié)方法。黃佳兵[10]分析了回風(fēng)旁通率對熱泵干燥系統(tǒng)除濕性能的影響，結(jié)果表明，在一定工況下系統(tǒng)中具有一個旁通率使得系統(tǒng)除濕效果最好。Chua等[11-12]通過建立數(shù)學(xué)模型對干燥性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在系統(tǒng)中增加一個蒸發(fā)器熱回收率可提高35%。在應(yīng)用研究方面，主要通過試驗探索適用于不同物料的干燥工藝參數(shù)[13-15]、操作條件[16-17]、優(yōu)化控制、設(shè)計方案[18-19]和高效環(huán)保制冷劑[20]等。Aktas等[21]采用PLC控制熱泵干燥系統(tǒng)的溫濕度、循環(huán)風(fēng)速。Yang等[22]采用2種不同隸屬函數(shù)方法和調(diào)節(jié)規(guī)則的模糊控制器提高制冷劑過熱度和干燥溫度的控制精度。范海亮[23]針對熱泵干燥系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究設(shè)計了一種獨(dú)立的、不依靠被調(diào)節(jié)對象的PID模糊復(fù)合控制器，極大地提高了熱泵干燥過程的穩(wěn)定性。李曉君[24]針對基于ABB PLC的熱泵干燥控制系統(tǒng)設(shè)計了PLC控制程序和觸摸屏界面，使熱泵干燥裝置工作更加理想化，能更好地實(shí)時監(jiān)測熱泵干燥的工作狀況。Singh等[25]對R32、R152a、R134a 3種制冷劑進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，用R32和R134a制冷劑的系統(tǒng)，前者SMER（除濕能耗比）比后者平均高出8%。Comaklik等[26]將2種制冷劑R404a和R22以1∶1比例混合應(yīng)用于熱泵干燥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該混合制冷可以使系統(tǒng)獲得更高的能源利用率。

以上研究成果為熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用提供眾多有益的參考。然而，在干燥過程中濕空氣的狀態(tài)參數(shù)（溫度、濕度、含濕量）變化較大，為在滿足干燥工藝條件的同時，最大限度提高熱泵干燥系統(tǒng)的除濕性能，需要尋找在不同工作參數(shù)條件下熱泵干燥系統(tǒng)除濕性能的變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。本研究通過在木材干燥實(shí)際生產(chǎn)中采用自行設(shè)計的雙蒸發(fā)器空氣能干燥設(shè)備，研究在木材干燥的不同階段，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)除濕性能的影響，以期為熱泵干燥的應(yīng)用與性能優(yōu)化提供有力的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

黑酸枝（Dalbergia cultrate Grah）鋸材，規(guī)格為長（順紋方向）1 500 mm ×寬 150～200 mm ×厚 15 mm，材積約為22 m3，初含水率50%，產(chǎn)地印尼。

1.2 設(shè)備

雙蒸發(fā)器空氣能干燥設(shè)備由制冷劑循環(huán)系統(tǒng)及干燥室兩部分組成。干燥室內(nèi)有獨(dú)立的風(fēng)機(jī)，用于保證干燥室內(nèi)空氣的循環(huán)流速，保證木材干燥的均勻性。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)原理如圖1所示，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中有2個蒸發(fā)器和1個冷凝器以實(shí)現(xiàn)供熱或除濕。升溫階段，通過外蒸發(fā)器6吸收干燥室外空氣中的能量為干燥室供熱；在達(dá)到干燥基準(zhǔn)溫度要求，需要除濕時，通過內(nèi)蒸發(fā)器5對干燥室內(nèi)的濕空氣進(jìn)行除濕，并回收水蒸氣冷凝時的汽化潛熱為干燥室供熱。該設(shè)備在設(shè)計計算完成后，委托合作企業(yè)完成設(shè)備的生產(chǎn)與組裝，其中制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)如下：

圖1 雙蒸發(fā)器空氣能干燥系統(tǒng)制冷劑循環(huán)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the dual evaporator air energy wood drying system

壓縮機(jī)參數(shù)：谷輪渦旋 ZW150KBE-TFP-522，制冷劑種類R134a，制熱量為30.12 kW，功率為10.31 kW。

循環(huán)風(fēng)機(jī)參數(shù)：離心通風(fēng)機(jī) DWF355M2-4H，流量為10 000 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 350 r/min，功率為3.00 kW，額定頻率為50 Hz。

該設(shè)備的控制系統(tǒng)可以實(shí)時檢測干燥過程中干燥室內(nèi)濕空氣的溫濕度、壓縮機(jī)電流、內(nèi)蒸發(fā)器盤管溫度和壓縮機(jī)排氣溫度等。

1.3 試驗方案

在木材干燥實(shí)際生產(chǎn)條件下測試雙蒸發(fā)器空氣能干燥系統(tǒng)除濕性能。根據(jù)木材干燥原則，在不同干燥階段，木材含水率不同時，所對應(yīng)的濕空氣溫、濕度也不同。在干燥前期，木材含水率較高，此時干燥室內(nèi)濕空氣溫度較低、相對濕度較高。在干燥中期，在溫度基本不變的情況下降低干燥室內(nèi)濕空氣的相對濕度。隨著干燥的進(jìn)行，在干燥中后期和后期，木材含水率降低至30%左右時，升高干燥室的溫度，并降低干燥室內(nèi)濕空氣相對濕度。在除濕過程中，隨著干燥室內(nèi)濕空氣相對濕度的降低，當(dāng)制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量過高時，可能出現(xiàn)冷凝水很少甚至無冷凝水析出，因此在不同濕空氣狀態(tài)下，試驗中調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量范圍也不同。鑒于循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不方便測取，但循環(huán)風(fēng)機(jī)的輸入電源頻率可以從變頻器中直接讀取，依據(jù)循環(huán)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可計算不同頻率下的風(fēng)量，因此本研究直接以頻率分析循環(huán)風(fēng)量與系統(tǒng)除濕性能的關(guān)系。隨著濕空氣相對濕度的降低，所調(diào)節(jié)的頻率值范圍也降低。試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案Tab.1 Test scheme

1.4 數(shù)據(jù)測取

1）除濕量：用電子秤稱取10 min冷凝水的出水量，即為除濕量。

2）壓縮機(jī)輸入功率：根據(jù)控制系統(tǒng)自動檢測壓縮機(jī)電流計算壓縮機(jī)輸入功率。

3）循環(huán)風(fēng)量：由風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，依據(jù)制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的參數(shù)，按公式（1）進(jìn)行循環(huán)風(fēng)量的理論計算。

式中：Q1為調(diào)頻后風(fēng)量，m3/h；Q為額定風(fēng)量，m3/h；n1為調(diào)頻后轉(zhuǎn)速，r/min；n為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

1.5 性能評價指標(biāo)

1）除濕量：10 min的冷凝水量。

2）除濕能耗比（SMER）：單位功率除去的水量。根據(jù)公式（2）計算：式中：M為測量時間段內(nèi)冷凝水量，kg；W為壓縮機(jī)輸入功率，kW。

3）除濕制熱性能系數(shù)（COP）：制熱性能系數(shù)是評價熱泵系統(tǒng)制熱性能的指標(biāo)，為熱泵系統(tǒng)的制熱量與壓縮機(jī)輸入功率之比。系統(tǒng)在除濕的同時回收冷凝水的汽化潛熱為干燥室供熱。除濕過程中系統(tǒng)為干燥室提供的熱量為冷凝水的汽化潛熱和壓縮機(jī)輸入功率之和的熱量。本研究將冷凝水的汽化潛熱和壓縮機(jī)輸入功率之和的熱量與壓縮機(jī)輸入功率之比定義為除濕制熱性能系數(shù)，以除濕制熱性能系數(shù)評價除濕時系統(tǒng)的供熱性能。除濕制熱性能系數(shù)（COP）根據(jù)式（3）計算：

式中：Q1為除濕時的實(shí)際供熱量，kW；W為壓縮機(jī)輸入功率，kW；Q2為冷凝水釋放的熱量，kW；M為測量時間段內(nèi)冷凝水量，kg；hλ為水的汽化潛熱，kJ/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥前期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖2所示為木材干燥前期，干燥室內(nèi)濕空氣溫度較低、相對濕度較高時，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的影響曲線。由圖2a、b、c可以看出，在45 ℃、90%，50 ℃、85%和55 ℃、80% 3種狀態(tài)下，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低均呈先增大后減小趨勢。在頻率為25 Hz時，系統(tǒng)的除濕量最大，依次分別為4.49、4.32 kg和4.16 kg；在頻率為30 Hz時，系統(tǒng)的除濕能耗比最大，依次分別為2.80、2.70 kg/（kW·h）和2.63 kg/（kW·h）；除濕制熱性能系數(shù)的最大值也在頻率為30 Hz時出現(xiàn)，依次分別為2.86、2.78和2.72。

圖2 干燥前期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率與除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的關(guān)系Fig.2 Dry early, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

2.2 干燥中期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖3所示為木材干燥中期，在干燥室內(nèi)濕空氣相對濕度降低時，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的影響曲線。由圖3a、b、c可以看出，在45 ℃、75%，50 ℃、70%和55 ℃、65%3種狀態(tài)下，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低均呈先增大后減小趨勢。在頻率為20 Hz時，系統(tǒng)的除濕量最大，依次分別為3.56、3.53 kg和3.22 kg。在45 ℃、75%和50 ℃、70%狀態(tài)下，系統(tǒng)除濕能耗比的最大值在頻率為25 Hz時出現(xiàn)，依次分別為2.13 kg/（kW·h）和2.08 kg/（kW·h），除濕制熱性能系數(shù)的最大值也在頻率為25 Hz時出現(xiàn)，依次分別為2.37和2.36。在55 ℃、65%狀態(tài)下，系統(tǒng)除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的最大值均在頻率為20 Hz時出現(xiàn)，依次分別為1.92 kg/（kW·h）和2.27。

圖3 干燥中期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率與除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Dry medium, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

2.3 干燥中后期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖4所示為木材干燥中后期，隨著干燥室內(nèi)濕空氣溫度升高，相對濕度降低時，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的影響曲線。由圖4a、b、c可以看出，在60 ℃、60%，65 ℃、50%和70 ℃、50% 3種狀態(tài)下，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低均呈先增大后減小趨勢。在頻率為15 Hz時，系統(tǒng)的除濕量最大，依次分別為2.96、2.49 kg和2.61 kg。但60 ℃、60%狀態(tài)下，系統(tǒng)除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的最大值在頻率為20 Hz時出現(xiàn)，依次分別為1.52 kg/（kW·h）和1.98。在65 ℃、50%和70 ℃、50%狀態(tài)下，系統(tǒng)除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的最大值在頻率為15 Hz時出現(xiàn)，依次分別為1.32 kg/（kW·h）、1.85和1.39 kg/（kW·h）、1.89。

圖4 干燥中后期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率與除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Dry middle and late, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount,SMER and COP

2.4 干燥后期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖5所示為木材干燥后期，干燥室內(nèi)濕空氣濕度進(jìn)一步降低時，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率對系統(tǒng)除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的影響曲線。由圖5a、b、c可以看出，在60 ℃、40%，65 ℃、30%和70 ℃、20% 3種狀態(tài)下，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低均呈先增大后減小趨勢。在頻率為10 Hz時，系統(tǒng)的除濕量最大，依次分別為1.78、1.08 kg和0.56 kg。系統(tǒng)除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的最大值也在頻率為10 Hz時出現(xiàn)，依次分別為0.89、0.55、0.33 kg/（kW·h）和1.59、1.36、1.21。

圖5 干燥后期循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率與除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Dry later, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

通過以上分析可知，降低制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率，即降低循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以提高系統(tǒng)的除濕性能。在濕空氣狀態(tài)一定時，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低均呈先增大后減小趨勢。在木材干燥的不同階段，即不同的濕空氣狀態(tài)下，均存在一個頻率，在該頻率下，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)達(dá)到最大值。但三者的最大值并不是都在同一個頻率值下出現(xiàn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，在濕空氣除濕過程中，濕空氣流經(jīng)蒸發(fā)器降低到露點(diǎn)溫度后才會有冷凝水析出。濕空氣狀態(tài)一定時，其露點(diǎn)溫度一定，在系統(tǒng)制冷量一定時，隨著循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率降低，流經(jīng)蒸發(fā)器的濕空氣量減少，濕空氣降低到露點(diǎn)溫度所用的冷量減少，剩余較多的冷量用于冷凝濕空氣中的水蒸氣，因此系統(tǒng)的除濕量增大，回收的冷凝水潛熱增多，除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)也隨之增大。然而，隨著循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的進(jìn)一步降低，系統(tǒng)中流經(jīng)內(nèi)蒸發(fā)器的濕空氣量更少，導(dǎo)致減小空氣流量所減少的冷凝水量大于減小空氣流量所增加的冷凝水量，因此除濕量減小，回收的冷凝水潛熱減少，除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)也隨之減小。隨著循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低，即系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量減少，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度升高，系統(tǒng)能耗增加，因此在除濕量達(dá)到最大時的頻率值下，除濕能耗比并不一定是最大。

隨著干燥的進(jìn)行，干燥室內(nèi)濕空氣的相對濕度隨之降低，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)及其達(dá)到最大值的循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率也隨之降低。這是因為在濕空氣溫度一定時，隨著相對濕度降低，濕空氣的露點(diǎn)溫度也降低，除濕過程中，濕空氣降低至露點(diǎn)溫度就需要更多的冷量，除濕量就降低。降低循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率，使流經(jīng)內(nèi)蒸發(fā)器的濕空氣量減少，在制冷量一定時，同狀態(tài)下循環(huán)濕空氣降溫至露點(diǎn)溫度所需的冷量減少，系統(tǒng)剩余更多的冷量用于冷凝濕空氣中的水蒸氣。

3 結(jié)論

本研究采用自行設(shè)計的雙蒸發(fā)器空氣能干燥設(shè)備，通過改變制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率，研究在木材干燥的不同階段，制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量對系統(tǒng)除濕性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）降低制冷系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以提高系統(tǒng)的除濕性能。在木材干燥的不同階段，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)均隨循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率的降低，即循環(huán)風(fēng)量的減小呈先增大后減小趨勢。并且均存在一個頻率值，使系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)達(dá)到最大值，但除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)的最大值并不是都在同一個頻率值下出現(xiàn)。

2）在熱泵干燥系統(tǒng)除濕過程中，隨著干燥室內(nèi)濕空氣相對濕度降低，系統(tǒng)的除濕量、除濕能耗比和除濕制熱性能系數(shù)及其達(dá)到最大值的循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率也隨之降低。