內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)與性能分析

陳東孔德雨謝繼紅項(xiàng)永曹雯莉陳文放

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.內(nèi)蒙古達(dá)拉特發(fā)電廠)

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)與性能分析

陳東*1孔德雨1，2謝繼紅1項(xiàng)永1曹雯莉1陳文放1

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2.內(nèi)蒙古達(dá)拉特發(fā)電廠)

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置可提高干燥器出口空氣的溫度和相對濕度，增加空氣從物料中吸納水蒸氣的能力。介紹了內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了其SMER計(jì)算方程，并對干燥器進(jìn)口空氣溫度、干燥器出口空氣溫度和相對濕度、除濕器出口空氣溫度對SMER的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。

熱泵干燥內(nèi)加熱結(jié)構(gòu)性能

0 引言

熱泵干燥裝置具有能源效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、適用物料廣等優(yōu)點(diǎn)，在食品、藥品、農(nóng)副產(chǎn)品、化學(xué)品和能源產(chǎn)品的干燥等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

熱泵干燥裝置的性能受干燥介質(zhì)在干燥器出口處溫度和相對濕度的影響很大[4]。以干燥介質(zhì)采用空氣為例，干燥器出口處空氣相對濕度和含濕量較高時(shí)，熱泵從物料中除去單位質(zhì)量水分所消耗的能量則越少。

傳統(tǒng)熱泵干燥裝置的干燥器中空氣與物料的傳熱傳質(zhì)過程通常近似為等焓過程，物料中水分氣化所需的熱量來自空氣降溫放熱。由于受物料耐溫限制，干燥器進(jìn)口空氣溫度不能太高，其在干燥器中放熱給物料后，到干燥器出口處溫度更低；由于要求物料有適宜的干燥速度，出干燥器的相對濕度不能太高；這兩個(gè)因素導(dǎo)致其出干燥器空氣含濕量較低，進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器中冷卻除濕時(shí)的冷量有效利用率低，制約了熱泵干燥裝置能源效率的提高。

改進(jìn)傳統(tǒng)熱泵干燥裝置這一不足的較好措施是在干燥器中引入內(nèi)加熱器，改善干燥器中空氣與物料的傳熱傳質(zhì)過程，使干燥器內(nèi)的物料中水分氣化所需的熱量主要由內(nèi)加熱器提供，進(jìn)入干燥器的循環(huán)空氣主要起攜帶物料中排出水蒸氣載體的作用，從而使干燥器出口處空氣具有高的含濕量，使熱泵干燥裝置的能源效率得到大幅度提高。

本文首先介紹內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，在此基礎(chǔ)上建立裝置的性能方程，對裝置性能隨空氣參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。

1 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的基本結(jié)構(gòu)

圖1中壓縮機(jī)、冷凝器（含冷凝器A、冷凝器B及輔助冷凝器）、節(jié)流閥與蒸發(fā)器組成熱泵，其中充注制冷劑。壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸氣在冷凝器中凝結(jié)放熱變?yōu)橐簯B(tài)（圖中點(diǎn)4），高壓中溫液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥降壓后產(chǎn)生低溫低壓液體制冷劑并進(jìn)入蒸發(fā)器（圖中點(diǎn)5），在蒸發(fā)器中液體制冷劑蒸發(fā)吸熱變?yōu)榈蛪旱蜏刂评鋭┱魵?，進(jìn)入壓縮機(jī)再被壓縮為高壓高溫蒸氣開始下一個(gè)循環(huán)。裝置中的輔助冷凝器用于熱泵干燥裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)排出裝置中的富余熱量；冷凝器A用于加熱空氣，使其以適宜的干燥溫度進(jìn)入干燥器；冷凝器B用于加熱干燥器中的物料，提供物料中水分氣化所需的大部分熱量。

熱泵和內(nèi)加熱式干燥器通過風(fēng)道連接構(gòu)成內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置，空氣通過風(fēng)道在內(nèi)加熱式干燥器、除濕器和加熱器中循環(huán)流動，其中內(nèi)加熱式干燥器中的加熱器即為熱泵冷凝器B，除濕器即為熱泵蒸發(fā)器，加熱器即為熱泵冷凝器A。干燥器中的內(nèi)加熱器加熱物料，使其升溫而使水分氣化排出；低含濕量空氣（圖中點(diǎn)1）進(jìn)入干燥器后，吸收物料排出的水分，其含濕量增加而溫度可基本不變，出干燥器時(shí)變?yōu)楦吆瑵窳靠諝猓▓D中點(diǎn)2），并進(jìn)入除濕器；在除濕器中，高含濕量空氣被熱泵制冷劑吸熱而冷卻至露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水蒸氣凝結(jié)析出而變?yōu)榈蜏氐秃瑵窳繝顟B(tài)（圖中點(diǎn)3），并進(jìn)入加熱器；在加熱器中，低含濕量空氣被熱泵制冷劑加熱至滿足物料干燥要求的適宜溫度（和圖中點(diǎn)1狀態(tài)相同），再進(jìn)入干燥器開始下一個(gè)循環(huán)。內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置中空氣的狀態(tài)變化如圖2所示（為表述方便，圖中等焓線為水平線，工程用焓-濕圖中等焓線應(yīng)為135°斜線）。

圖2 空氣在內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置中的狀態(tài)變化

當(dāng)干燥器中空氣與物料之間的傳質(zhì)速率較?。ㄈ缭诮邓俑稍镫A段，或物料干燥溫度較低等導(dǎo)致物料表面水蒸氣壓力較低）時(shí)，可采用空氣再循環(huán)方法實(shí)現(xiàn)空氣從物料中的充分吸濕，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 具有空氣再循環(huán)的內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置結(jié)構(gòu)

圖3中干燥器排出的部分空氣通過再循環(huán)風(fēng)道重新返回干燥器從物料中再吸收水分，再循環(huán)空氣的比例可通過控制主風(fēng)道和再循環(huán)風(fēng)道中的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同的物料干燥要求。

2 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的性能方程

熱泵干燥裝置的基本性能指標(biāo)是SMER，其定義為物料中除去的水分量與裝置能耗之比，常用單位為kg（水蒸氣）/（kW·h）。

設(shè)熱泵制冷劑為純制冷劑，制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中等壓相變；進(jìn)節(jié)流閥的熱泵制冷劑為飽和液狀態(tài)，溫度為冷凝溫度T4；出蒸發(fā)器的熱泵制冷劑狀態(tài)為飽和蒸氣狀態(tài)，溫度為蒸發(fā)溫度T5。

設(shè)干燥介質(zhì)為空氣，干空氣及含水蒸氣的濕空氣均可作為理想氣體處理，且不計(jì)風(fēng)道向環(huán)境中的散熱損失；空氣進(jìn)干燥器空氣溫度T1，含濕量為d1；出干燥器空氣溫度T2，相對濕度為φ2，含濕量為d2；出除濕器空氣溫度T3，相對濕度為100%，含濕量為d3。

飽和濕空氣中水蒸氣的含濕量計(jì)算方程為：

式中d——含濕量，g（水蒸氣）/kg（干空氣）；T——溫度，K。

式（1）的適用范圍為0～80℃。

出干燥器空氣的含濕量d2為：

出除濕器空氣的含濕量d3為：

進(jìn)干燥器空氣的含濕量d1與d3相同，即：

取熱泵冷凝器中制冷劑冷凝溫度比空氣出冷凝器溫度T1高5℃［5］，則熱泵制冷劑冷凝溫度T4為：

取熱泵蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)溫度比空氣出蒸發(fā)器溫度T3低5℃[5]，則熱泵制冷劑蒸發(fā)溫度T5為：

熱泵干燥裝置中單級壓縮式熱泵的制冷系數(shù)（熱泵蒸發(fā)器吸熱量與熱泵壓縮機(jī)耗電量之比）的近似計(jì)算式為：

該式適用范圍為20℃＜T4-T5＜60℃。

每1 kg干空氣在熱泵干燥裝置中循環(huán)一次從物料中吸收的水分量為：

每1 kg干空氣在熱泵干燥裝置中循環(huán)一次在熱泵蒸發(fā)器表面冷卻時(shí)放出的熱量為：

式中Cpa——空氣的定壓比熱容，通?？扇?.0 kJ/（kg·K）；

r——水蒸氣的凝結(jié)潛熱，通?？扇?.4kJ/g[6]。

制取該熱量所需的熱泵壓縮機(jī)耗電量為：

不計(jì)風(fēng)機(jī)能耗，則內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER為：

將式（2）、式（3）、式（7）、式（9）代入式（11），即得內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER與空氣的工作參數(shù)（T1、T2、T3、φ2）之間的關(guān)系方程。

3 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的性能隨空氣工作參數(shù)的變化規(guī)律

當(dāng)空氣進(jìn)干燥器溫度T1變化時(shí)，內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖4所示（空氣出干燥器溫度T2=50℃，相對濕度φ2=50%；空氣出除濕器溫度T3=20℃）。

圖4 SMER和COP隨干燥器進(jìn)口空氣溫度的變化

由圖4可見，當(dāng)其他參數(shù)不變，干燥器進(jìn)口空氣溫度升高時(shí)，熱泵制冷性能系數(shù)COP下降，導(dǎo)致從物料中除去單位質(zhì)量水分所需的能耗SMER也相應(yīng)下降；當(dāng)干燥器進(jìn)口空氣溫度由50℃上升至70℃時(shí)，其SMER下降近一倍，因此，除非出于提高物料干燥速度的需要，干燥器進(jìn)口空氣溫度不宜太高。

當(dāng)空氣出干燥器溫度T2變化時(shí)，內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖5所示（空氣進(jìn)干燥器溫度T1=70℃，空氣出干燥器相對濕度φ2=50%；空氣出除濕器溫度T3=20℃）。

圖5 SMER隨干燥器出口空氣溫度的變化

由圖5可見，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，SMER隨干燥器出口空氣溫度增加而上升。這是由于干燥器出口空氣溫度增加時(shí)，單位質(zhì)量空氣從物料中吸納水蒸氣的能力增加，熱泵COP基本不變，故裝置的SMER上升。因此，在物料干燥溫度允許時(shí)，應(yīng)盡量提高干燥器中內(nèi)加熱器的加熱強(qiáng)度，使出干燥器空氣具有較高的含濕量。

當(dāng)空氣出除濕器溫度T3變化時(shí)，內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖6所示（空氣進(jìn)干燥器溫度T1=60℃，空氣出干燥器溫度T2=50℃，相對濕度φ2=50%）。

由圖6可見，其他參數(shù)不變時(shí)，空氣出蒸發(fā)器（即除濕器）溫度上升，熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)器溫度之差減少，其COP上升，裝置SMER上升。因此，當(dāng)干燥器內(nèi)空氣與物料傳質(zhì)速度允許時(shí)，可適當(dāng)提高空氣出蒸發(fā)器溫度，以使裝置具有較高的能源效率。

圖6 SMER和COP隨蒸發(fā)器出口空氣溫度的變化

當(dāng)空氣出干燥器相對濕度φ2變化時(shí)，內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖7所示（空氣進(jìn)干燥器溫度T1=60℃，空氣出干燥器溫度T2=50℃；空氣出除濕器溫度T3=20℃）。

圖7 SMER隨干燥器出口空氣相對濕度的變化

由圖7可見，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，SMER隨干燥器出口空氣相對濕度增加而上升。這時(shí)由于空氣溫度不變而相對濕度上升時(shí)，其從物料中吸濕量增加，單位質(zhì)量空氣在裝置中循環(huán)一次的除濕量增加，而熱泵COP基本不變。因此，當(dāng)干燥器內(nèi)空氣與物料之間的干燥速度允許時(shí)，宜盡量提高空氣出干燥器的相對濕度。

4 結(jié)論

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置通過干燥器中內(nèi)置加熱器提供物料中水分氣化所需熱量，可使干燥器進(jìn)口空氣溫度、干燥器出口空氣溫度和相對濕度、除濕器出口空氣溫度均為可控量，增加了對裝置性能的調(diào)控空間。計(jì)算分析表明，降低空氣進(jìn)干燥器溫度，提高空氣出干燥器溫度和相對濕度，提高空氣出除濕器溫度，均可使裝置的SMER得到大幅度提高。

與無內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置相比，內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)控要求也較高，適于中大型熱泵干燥裝置。

[1] 陳東，謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] Sosle V,Raghavan G S V，Kittler R.Low-temperature drying using a versatile heat pump dehumidifier[J].Drying Technology,2003,21(3):539-554.

[3] Hawlader M N A,Perera C O,Tian M.Properties of modified atmosphere heat pump dried foods[J].Journal of Food Engineering,2005(3):392-401.

[4] 謝繼紅，陳東，朱恩龍，等.熱泵干燥裝置循環(huán)空氣的參數(shù)優(yōu)化研究[J].化工裝備技術(shù)，2006，27（3）：18-22.

[5] 吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1997.

[6] 任澤霈，蔡睿賢.熱工手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Analysis of the Structures and Performance of an Inner-heating Heat Pump Dryer

Chen DongKong Deyu Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Chen Wenfang

The air temperature and relative humidity at the dryer outlet can be increased in an inner-heating heat pump dryer,so the air can absorb more water vapor from materials to be dried.The structures and working principle of inner-heating heat pump dryer are introduced,and the SMER equation is given.Based on the equation,the influences of air temperature at the dryer inlet,air temperature and relative humidity at the dryer outlet,air temperature at the evaporator outlet on SMER are calculated and analyzed.

Heat pump;Drying;Inner-heating;Structure;Performance

TQ 051.8

*陳東，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）