收稿日期：2022-04-18

基金項(xiàng)目：山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目——潮汐引發(fā)滲流作用下淺灘熱泵水平埋管換熱機(jī)理研究（J18KA189）

通信作者：劉 龍（1987—），男，博士、副教授，主要從事熱泵干燥和建筑節(jié)能方面的研究。chinaliulong@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0514 文章編號：0254-0096（2023）08-0189-06

摘 要：通過分析的方法分析以R134a為制冷劑的中溫閉式熱泵干燥消防水帶系統(tǒng)的性能，對比研究不同干燥溫度下系統(tǒng)COP、單位能耗除濕量、損失以及效率的變化情況，確定系統(tǒng)最佳干燥工況。結(jié)果表明：隨著干燥溫度的提高，干燥時(shí)間逐漸變短，系統(tǒng)COP逐漸降低，總損失降低，效率隨之增加。在干燥溫度為65 ℃時(shí)系統(tǒng)總耗電量達(dá)到最小值，為3.01 kWh。此時(shí)單位能耗除濕量（SMER）達(dá)到最大，為0.537 kg/kWh。系統(tǒng)效率在干燥溫度為60 ℃時(shí)達(dá)到最大，為44.2%，比干燥溫度為40 ℃的最低效率提高87.3%。

關(guān)鍵詞：熱泵干燥；分析；效率；單位能耗除濕量

中圖分類號：TK173 """"""" """" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

消防水帶是消防員撲救火災(zāi)時(shí)最有力的武器。在嚴(yán)冬季節(jié)，消防員撲滅火災(zāi)后消防水帶應(yīng)及時(shí)干燥處理，否則就會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范［1］，水帶用畢后應(yīng)洗凈晾干，盤卷保存于陰涼干燥處。目前清洗后的消防水帶仍是通過懸掛在外墻或平鋪在地上陰干，不僅延長了消防水帶干燥的時(shí)間，且在大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)反而會(huì)增加水帶的磨損，降低水帶的使用壽命。因此如何安全快速地干燥水帶成為亟待解決的問題。大連工業(yè)大學(xué)研發(fā)一種水帶晾曬自動(dòng)收卷裝置［2］，提升了晾曬過程中的便捷性與安全性，但仍未解決晾曬周期長、干燥速率慢的問題。

熱泵干燥系統(tǒng)因其高效節(jié)能、熱效率高、除濕速度快越來越受到重視，而目前采用熱泵干燥方式以農(nóng)副產(chǎn)品［3-6］較多，本文提出采用熱泵干燥方式用于干燥消防水帶，探討熱泵干燥消防水帶系統(tǒng)的節(jié)能潛力。文獻(xiàn)［7］指出當(dāng)大氣溫度較低而濕度較高時(shí)，采用閉式循環(huán)干燥系統(tǒng)更節(jié)能，該中溫?zé)岜貌捎肦134a作為制冷劑，可提供的干燥溫度為40～70 ℃，干燥溫度越高，干燥速率越快。然而當(dāng)前對熱泵干燥過程的分析方式主要以能量分析法為主，此方式注重能量傳遞過程中的“量”，而對能量中的“質(zhì)”研究較少［8］。本文旨在對比研究干燥消防水帶系統(tǒng)在不同工況下的能量損失狀況，計(jì)算出各系統(tǒng)部件的損失，為后期干燥實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)，尋找系統(tǒng)中效率低、能量損失較大的環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，進(jìn)而提升干燥效率，節(jié)省能源。

1 熱泵干燥系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理

圖1所示為閉式熱泵干燥系統(tǒng)流程圖。系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和干燥箱組成，采用空氣作為干燥介質(zhì)，高溫低濕的空氣進(jìn)入干燥箱后，在干燥箱內(nèi)與被干燥物質(zhì)進(jìn)行充分的熱濕交換。干燥室出口的空氣經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕，經(jīng)過冷凝器加熱后再次進(jìn)入干燥室，完成一個(gè)干燥循環(huán)。熱泵系統(tǒng)作為熱源承擔(dān)消防水帶產(chǎn)生的所有熱濕負(fù)荷。

圖2所示為干燥系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖和消防水帶放置圖。其中壓縮機(jī)輸入功率為2.6 kW，冷凝器面積為12.51 m2，平均傳熱溫差為19.3 ℃，蒸發(fā)器面積為13.53 m2，平均傳熱溫差為13.95 ℃。水帶分布在干燥室內(nèi)兩側(cè)，可同時(shí)干燥兩盤水帶。左右兩側(cè)轉(zhuǎn)軸均由帶離合器的電機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)消防水帶的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。同時(shí)左側(cè)電機(jī)加變頻器，可控制消防水帶的纏繞速度，以求達(dá)到最佳的干燥效果。

1.2 能量分析

1.2.1 制熱系數(shù)

制熱系數(shù)（coefficient of performance，COP）是指熱泵干燥系統(tǒng)制熱功率與壓縮機(jī)耗功量的比值，其計(jì)算公式為：

[eCOP=QW=mKC（T1-T2）W]"""""" （1）

式中：[Q]——熱泵制熱功率，kW；[W]——壓縮機(jī)的輸入功率，kW；[mK]——循環(huán)空氣的質(zhì)量流量，kg/s；[C]——循環(huán)空氣的比熱容，kJ/（kg·K）；[T1]——冷凝器空氣側(cè)出口溫度，K；[T2]——冷凝器空氣側(cè)進(jìn)口溫度，K。

1.2.2 單位能耗除濕量

單位能耗除濕量（specific moisture extraction rate，SMER）是指熱泵干燥系統(tǒng)消耗單位能量所能除去消防水帶中水分的質(zhì)量。其計(jì)算公式為：

[eSMER=MWY+WF+WD]"" （2）

式中：[M]——消防水帶上蒸發(fā)的水的質(zhì)量，kg；[WY]——壓縮機(jī)能耗，kWh；[WF]——風(fēng)機(jī)能耗，kWh；[WD]——電機(jī)能耗，kWh。

1.3 分析

在消防水帶干燥過程中，損失是必然存在的。因此分析的目的在于減少對系統(tǒng)的輸入，提供干燥消防水帶所需的足夠熱量，減少干燥過程中不必要的損失［9-11］。

1.3.1 熱泵循環(huán)計(jì)算

熱泵由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥組成，制冷劑R134a在每一個(gè)部件中完成一個(gè)特定的熱力過程，4個(gè)熱力過程組成一個(gè)循環(huán)。對每個(gè)過程計(jì)算損失，整個(gè)循環(huán)的損失是各單個(gè)部件損失之和。同時(shí)為簡化分析而做出假設(shè)［12-14］：

1）工質(zhì)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，其在各部件內(nèi)的動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)。

2）壓縮機(jī)的壓縮過程為絕熱非等熵過程。制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器的出口均為飽和狀態(tài)。

在對系統(tǒng)分析的過程中，零參考點(diǎn)的正確選擇對其分析結(jié)果有至關(guān)重要的意義［15］，在閉式干燥系統(tǒng)中，環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)對干燥效果影響不大，可作為計(jì)算的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)［16］，由此得到工質(zhì)在任意狀態(tài)下的值，其計(jì)算公式為：

[Ex=（u-u0）-T0（s-s0）+p0（v-v0）+12c2+（z-z0）g]""" （3）

式中：[u、u0]——內(nèi)能，基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)的內(nèi)能，kJ/kg；[T0]——環(huán)境溫度，K；[s、s0]——工質(zhì)熵，基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)的熵，kJ/（kg·K）；[p0]——基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)壓力，Pa；[v、v0]——工質(zhì)比容，基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)比容，m3/kg；[c]——工質(zhì)流速，m/s；[z、z0]——工質(zhì)所在高度，基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)高度，m；[g]——重力常數(shù)，取9.8 N/kg。

根據(jù)以上假設(shè)，忽略勢能與動(dòng)能，以焓來代替內(nèi)能與功，從而進(jìn)行簡化，得到熱泵系統(tǒng)中各部件的損失計(jì)算公式。分別計(jì)算工質(zhì)經(jīng)過各設(shè)備的單位時(shí)間損失之和得到整個(gè)熱泵循環(huán)系統(tǒng)的單位時(shí)間損失。

工質(zhì)在蒸發(fā)器中的單位時(shí)間損失為：

[Exqz=m[h1-h4-T0（s1-s4）]]" （4）

工質(zhì)在壓縮機(jī)中的單位時(shí)間損失為：

[Exqy=mT0（s2-s1）]"nbsp;"""" （5）

工質(zhì)在冷凝器中的單位時(shí)間損失為：

[Exql=m[h2-h3-T0（s2-s3）]]"" （6）

工質(zhì)在節(jié)流閥中的單位時(shí)間損失為：

[Exqj=mT0（s4-s3）] （7）

式中：[Exqz、Exqy、Exql、Exqj]——R134a在蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥處的單位時(shí)間損失，kW；[m]——R134a的質(zhì)量流量，kg/s；[h1、h2、h3、h4]——R134a在蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥出口處的焓，kJ/kg；[s1、s2、s3、s4]——R134a在蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥出口處的熵，kJ/（kg·K）。

1.3.2 系統(tǒng)效率

實(shí)際的熱泵在干燥過程中是存在不可逆過程的，如圖3所示為熱泵流圖，不可逆熱泵從環(huán)境[T0]中吸取熱量為[BQ]，這部分從環(huán)境中吸取的熱量僅由組成，且這部分熱量是在[T]＞[T0]的情況下供給加熱對象［17］。熱泵所需的[EQ]即為熱泵所輸入的最小功。

[EQ=1-T0TQ] （8）

式中：[EQ]——熱泵輸入的最小功率，kW；[T]——干燥室溫度，K。

為了補(bǔ)償所產(chǎn)生的損失[ES]，熱泵需輸入較大的能量來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其值為：

[W=EQ+ES]" （9）

式中：[ES]——單位時(shí)間損失，kW。

當(dāng)干燥溫度變化時(shí)，熱泵冷凝溫度與蒸發(fā)溫度也隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)輸入的變化，而對于整個(gè)系統(tǒng)來說，不僅壓縮機(jī)需的輸入，外部風(fēng)機(jī)和電機(jī)也需的輸入，所以不可逆熱泵的效率為［18］：

[η=EQ·tWY+WF+WD]""" （10）

式中：[t]——干燥時(shí)間，h。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

此實(shí)驗(yàn)所采用的水帶是有襯里消防水帶（水帶工作壓力為0.8 MPa，水帶口徑為65 mm，水帶長度為25 m），編織層材料經(jīng)線為滌綸長絲，緯線為滌綸長絲，襯里材料為聚氨酯。熱泵系統(tǒng)采用R134a為制冷劑，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，共取

得6種工況下的干燥數(shù)據(jù)，以此來研究熱泵干燥系統(tǒng)在不同工況下的性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先稱取水帶的干重并記錄數(shù)據(jù)，然后將水帶浸濕，在陰涼處晾至不再有水滴落的狀態(tài)，稱取水帶的初始濕重，與此同時(shí)開啟熱泵進(jìn)行預(yù)熱，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的干燥溫度后，將已稱量完初始濕重的水帶放置在干燥室中，記錄開始干燥的時(shí)間以及初始的電量。測量儀器參數(shù)如表2所示。

當(dāng)水分比達(dá)到0.1時(shí)認(rèn)為水帶已干燥完成，根據(jù)已建立的消防水帶干燥特性曲線，可預(yù)測出水帶在不同溫度、速度下水分比達(dá)到0.1時(shí)的干燥時(shí)間，在達(dá)到干燥時(shí)間后，關(guān)閉熱泵和變頻電機(jī)，取出水帶并測量干燥后的質(zhì)量，記錄試驗(yàn)結(jié)束后的電量值。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，由3臺(tái)精度為±0.2 ℃的溫濕度自計(jì)儀TH20BL-EX分別測得干燥室進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)器出口溫濕度以及環(huán)境溫濕度，根據(jù)實(shí)測的溫濕度可確定熱泵系統(tǒng)的制熱循環(huán)，進(jìn)而可計(jì)算整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)的損失。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 COP隨溫度變化關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)干燥兩盤消防水帶至水分比為0.1時(shí)，得到系統(tǒng)COP和壓縮機(jī)耗電量與干燥溫度的關(guān)系，如圖4所示。隨干燥溫度的升高，壓縮機(jī)耗電量逐漸增高，導(dǎo)致系統(tǒng)COP隨著干燥溫度的增高而逐漸減小。在干燥溫度為40 ℃時(shí)系

統(tǒng)COP最大，為3.53，此時(shí)壓縮機(jī)耗電量最小，為2.73 kWh，在干燥溫度為65 ℃時(shí)COP達(dá)到最小值，為2.93，此時(shí)壓縮機(jī)耗電量達(dá)到最大值，為2.78 kWh。

3.2 總能耗隨溫度變化關(guān)系

系統(tǒng)總能耗隨干燥溫度的變化趨勢如圖5所示。當(dāng)干燥溫度持續(xù)升高，壓縮機(jī)的耗電量也隨之逐步增高，在干燥溫度為65 ℃時(shí)，壓縮機(jī)耗電量達(dá)到最高，為2.78 kWh，但由于干燥時(shí)間變短，外部風(fēng)機(jī)和電機(jī)的耗電量隨干燥溫度的升高而逐步減小，干燥溫度為65 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)和電機(jī)耗電量最低，分別為0.09和0.14 kWh。當(dāng)干燥溫度為65 ℃時(shí)，總耗電量最低，為3.01 kWh，比40 ℃干燥工況時(shí)低0.18 kWh。整個(gè)系統(tǒng)耗電量在干燥溫度大于55 ℃后減小趨勢開始平緩，耗電量變化平均浮動(dòng)約在0.8%，可認(rèn)為在誤差允許的范圍下，耗電量的變化已趨近于穩(wěn)定。

3.3 SMER隨溫度變化關(guān)系

圖6所示為系統(tǒng)SMER與干燥溫度變化關(guān)系。隨著干燥溫度的增加，SMER逐漸增加，在干燥溫度為40 ℃時(shí)，雖然壓縮機(jī)耗電量相對較小，但是因?yàn)楦稍飼r(shí)間長，外部風(fēng)機(jī)和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)耗電量相對較大，此時(shí)SMER最小，為0.493 kg/kWh。在干燥溫度大于45 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)和電機(jī)的耗電量進(jìn)一步減小，且風(fēng)機(jī)和電機(jī)的耗電量減小率明顯大于壓縮機(jī)耗電量的增大率，正是由于三者之和的變化，所以系統(tǒng)的SMER在干燥溫度大于45 ℃時(shí)增速明顯，在干燥溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，SMER達(dá)到最大，為0.537 kg/kWh，比干燥溫度為40 ℃時(shí)提高8.9%。

3.4 損失隨溫度變化關(guān)系

表3為設(shè)備同時(shí)干燥兩盤消防水帶至水分比為0.1時(shí)，熱泵各部件總損失情況。隨著干燥溫度的增加，熱泵各部件單位時(shí)間損失隨之增加，其中冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱損失占整個(gè)系統(tǒng)損失的約60%。由于冷凝器的面積一定，當(dāng)干燥溫度變大時(shí)，兩側(cè)流體的換熱溫差增大，相應(yīng)的換熱損失增加。但由于干燥時(shí)間隨著干燥溫度的增大而逐漸變短，系統(tǒng)總損失隨干燥溫度的變化如圖7所示。隨干燥干燥溫度變大，系統(tǒng)總損失和壓縮機(jī)損失逐漸減小，干燥溫度約在60 ℃時(shí)，總損失遞減趨勢變緩，在干燥溫度小于60 ℃時(shí)，系統(tǒng)總損失隨溫度的升高顯著減少，在干燥溫度大于60 ℃后，總損失隨溫度的升高繼續(xù)減小，但減小速度明顯小于干燥溫度處于60 ℃之前。其中在干燥溫度處于65 ℃時(shí)，總損失最小，為1.68 kWh，比干燥溫度處于40 ℃時(shí)減少30.9%。

3.5 效率隨溫度變化關(guān)系

圖8所示為系統(tǒng)效率與干燥溫度變化關(guān)系。由于系統(tǒng)總耗電量隨干燥溫度的增加不斷減小，體現(xiàn)在效率方面如圖8所示，效率隨干燥溫度的增加而呈遞增的趨勢，在干燥溫度達(dá)到60 ℃后，效率趨近于平緩，其中在干燥溫度為40 ℃時(shí)，效率最低，僅為23.6%，在60 ℃時(shí)達(dá)到最大，效率為44.2%，比干燥溫度為40 ℃時(shí)提高87.3%。

4 結(jié) 論

對中溫?zé)岜酶稍镅b置進(jìn)行分析以此來確定干燥過程中不同部件的熱力完善度，主要結(jié)論如下：

1）隨著干燥溫度的上升，系統(tǒng)COP逐漸降低，在干燥溫度為65 ℃時(shí)達(dá)到最小值，為2.93，比干燥溫度為45 ℃時(shí)減少16%。

2）隨著干燥溫度的上升，壓縮機(jī)的耗電量也隨之增大，但由于干燥時(shí)間變短，外部風(fēng)機(jī)和電機(jī)的耗電量在逐步減小，三者之和在65 ℃時(shí)達(dá)到最小值，總耗電量為3.01 kWh。

3）隨著干燥溫度的上升，SMER逐漸增加，在干燥溫度為40 ℃時(shí)，SMER最低，為0.493 kg/kWh，在65 ℃時(shí)達(dá)到最大，為0.537 kg/kWh，比干燥溫度為40 ℃時(shí)提高8.9%。

4）隨著干燥溫度的上升，干燥時(shí)間變短，系統(tǒng)總損失也隨之減小，干燥溫度處于60 ℃時(shí)總損失減小出現(xiàn)拐點(diǎn)，在干燥溫度小于60 ℃時(shí)，總損失隨溫度的升高顯著減小，在干燥溫度大于60 ℃后，總損失增幅變緩，在干燥溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，總損失最小，為1.68 kWh。

5）隨著干燥溫度的上升，系統(tǒng)效率也隨之增大，在干燥溫度達(dá)到60 ℃后，效率趨近于平緩，其中干燥溫度為40 ℃時(shí)，效率最低，僅為23.6%，在60 ℃時(shí)達(dá)到最大，效率為44.2%，比干燥溫度為40 ℃時(shí)提高87.3%。

6）在干燥溫度為65 ℃時(shí)，系統(tǒng)總能耗最低，單位能耗除濕量最大，系統(tǒng)損失最小，系統(tǒng)效率較高，可通過輸入較低的能耗獲得較好的干燥效果。

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EXERGY ANALYSIS OF MEDIUM TEMPERATURE CLOSED-LOOP

HEAT PUMP SYSTEM DRYING FIRE HOSE

Li Yongzhen1，Liu Long1，Yu Hao1，Liu Cuiyu1，Hu Zhangpeng1，Ma Pengzhen2

（1. School of Environmental and Municipal Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266000， China；

2. Qingdao Guoxin Construction Investment Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract：Exergy analysis was conducted to analyze the performance of the medium temperature closed-loop heat pump drying system for the fire hose with R134a as refrigerant. Through experiments， the changes of COP， specific moisture extraction rate， exergy loss and exergy efficiency of the system at different air supply temperatures were studied to determine the optimal drying conditions of the system. The results show that as the drying temperature increases， the drying time gradually become shorter， the system coefficient of performance gradually decreases， and the overall exergy loss gradually decreases， and exergy efficiency increases. When the drying temperature is 65 ℃， the total power consumption of the system reaches the minimum value of 3.01 kWh. At this point， the specific moisture extraction rate （SMER） reaches the maximum value， which is 0.537 kg/kWh. Overall exergic efficiency reaches the maximum of 44.2% at 60 ℃， 87.3% higher than the lowest exergic efficiency at 40 ℃.

Keywords：heat pump drying； exergy analysis； exergy efficiency； specific moisture extraction rate