熱泵干燥裝置的特性方程及其應(yīng)用分析

陳 東 李建平 謝繼紅 項 永 曹雯莉 李玲俐

（1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院 2.內(nèi)蒙古包頭東華熱電有限公司）

熱泵干燥裝置的特性方程及其應(yīng)用分析

陳 東*1李建平1,2謝繼紅1項 永1曹雯莉1李玲俐1

（1.天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院 2.內(nèi)蒙古包頭東華熱電有限公司）

以應(yīng)用最廣泛的封閉式熱泵干燥裝置為例，建立了其SMER計算方程。在此基礎(chǔ)上，對SMER隨干燥器進口空氣溫度、干燥器出口空氣溫度和蒸發(fā)器出口空氣溫度而變化的規(guī)律進行了計算和分析。結(jié)果表明，其他兩個參數(shù)一定時，SMER隨干燥器出口空氣溫度上升而降低，隨蒸發(fā)器出口空氣溫度上升而增加，但當干燥器進口空氣溫度取適宜值時，SMER存在最大值。

熱泵 干燥 特性方程 干燥介質(zhì)參數(shù)

0 引言

熱泵干燥裝置具有節(jié)能、物料干燥質(zhì)量好、干燥介質(zhì)可在裝置內(nèi)封閉循環(huán)、便于采用惰性干燥介質(zhì)處理易氧化熱敏物料或易燃易爆物料等特點，適于多種物料的干燥處理[1-3]。

熱泵干燥裝置的基本性能指標是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）。 SMER 與熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)、干燥介質(zhì)的工作參數(shù)、熱泵制冷劑的工作參數(shù)等均有關(guān)，干燥介質(zhì)工作參數(shù)與熱泵制冷劑工作參數(shù)之間又有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，掌握SMER與裝置工作參數(shù)之間的變化規(guī)律對熱泵干燥裝置的設(shè)計、調(diào)控等均有重要意義[4]。

本文以應(yīng)用最廣泛的封閉式熱泵干燥裝置為例，建立其特性方程 （SMER與裝置工作參數(shù)之間的關(guān)系方程），并以此為基礎(chǔ)，對封閉式熱泵干燥裝置的變工況性能及工作參數(shù)優(yōu)化進行計算分析。

1 熱泵干燥裝置特性方程的建立

1.1 熱泵制冷劑和干燥介質(zhì)循環(huán)

封閉式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 封閉式熱泵干燥裝置的結(jié)構(gòu)

圖1 中壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥與蒸發(fā)器組成熱泵，其中充注制冷劑，出壓縮機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入蒸發(fā)器 （圖中點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?，進入壓縮機再被壓縮為高壓高溫蒸氣開始下一個循環(huán)。輔助冷凝器用于熱泵干燥裝置穩(wěn)定運行時排出裝置中的富余熱量。

熱泵干燥裝置由熱泵和干燥器組成，并由風(fēng)道耦合為一個整體。高溫、低含濕量干燥介質(zhì) （圖中點1）進入干燥器，與物料進行傳熱傳質(zhì)后，吸收物料中的水分，變?yōu)橹袦?、高含濕量干燥介質(zhì) （圖中點2），進入除濕器 （即熱泵蒸發(fā)器）；在除濕器中，干燥介質(zhì)被熱泵制冷劑吸熱而冷卻至露點溫度以下，干燥介質(zhì)中的水蒸氣凝結(jié)析出，干燥介質(zhì)變?yōu)榈蜏仫柡蜖顟B(tài) （圖中點3），并進入加熱器 （即熱泵冷凝器）；在加熱器中，干燥介質(zhì)被熱泵制冷劑加熱為高溫、低含濕量狀態(tài) （和圖中點1狀態(tài)相同），再進入干燥器開始下一個循環(huán)。熱泵干燥裝置中干燥介質(zhì)的狀態(tài)變化如圖2所示 （為表述方便，圖中等焓線畫為水平線，工程用焓-濕圖中等焓線應(yīng)為135°斜線）。

1.2 熱泵干燥裝置的主要工作參數(shù)

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；進節(jié)流閥的熱泵制冷劑為飽和液狀態(tài)，出蒸發(fā)器的熱泵制冷劑狀態(tài)為飽和蒸氣狀態(tài)，則熱泵制冷劑循環(huán)的主要工作參數(shù)為冷凝溫度T4和蒸發(fā)溫度T5。

設(shè)熱泵干燥裝置中的干燥介質(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，且不計風(fēng)道向環(huán)境中的散熱損失，則干燥介質(zhì)循環(huán)的主要工作參數(shù)為進干燥器空氣溫度T1，出干燥器空氣溫度T2，出除濕器空氣溫度T3。

1.3 SMER與主要工作參數(shù)之間的特性方程建立

干燥空氣在干燥器中加熱物料，物料中水分氣化進入空氣，空氣降溫放出的熱量近似等于水分氣化所需的熱量，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：

圖2 干燥介質(zhì)在熱泵干燥裝置中的狀態(tài)變化

式中 Δd——干燥空氣在干燥器中含濕量的增加量， g(水蒸氣)/kg(干空氣)；

Cpa——空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；

T1——進干燥器的空氣溫度，K；

T2——出干燥器的空氣溫度，K；

r——水蒸氣的凝結(jié)潛熱，kJ/g。

每1 kg干空氣在熱泵干燥裝置中循環(huán)一次從熱泵冷凝器中吸收的熱量為：

式中qC——空氣在冷凝器中的吸熱量，

kJ/kg(干空氣)；

T3——出熱泵蒸發(fā)器的空氣溫度，K。

干燥器穩(wěn)定運行時，空氣在熱泵蒸發(fā)器中的放熱量等于空氣熱泵冷凝器中的吸熱量，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℃，則熱泵制冷劑冷凝溫度T4為[5]：

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℃，則熱泵制冷劑蒸發(fā)溫度T5為[5]：

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耗電量之比）的近似計算式為：

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，熱泵壓縮機的耗電量為：

取空氣的定壓比熱容Cpa=1.0 kJ/（kg·℃），水蒸氣的凝結(jié)潛熱為2.4 kJ/g[6]，不計風(fēng)機能耗時，熱泵干燥裝置的特性方程 （即SMER計算方程）為：

2 封閉式熱泵干燥裝置的變工況性能分析

當空氣進干燥器溫度T1變化時，封閉式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖3所示（空氣出干燥器溫度T2=40℃，空氣出除濕器溫度T3=20℃）。

圖3 SMER和COP隨干燥器進口空氣溫度的變化

由圖3可見，當其他參數(shù)一定時，隨空氣進干燥器溫度的升高，熱泵COP下降，但由于空氣在干燥器中吸納水蒸氣的能力增強，SMER存在極大值。當空氣出干燥器溫度為40℃、出除濕器溫度為20℃，且空氣進干燥器溫度約為58℃時，SMER取最大值。

當空氣出干燥器溫度T2變化時，封閉式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖4所示（空氣進干燥器溫度T1=60℃，空氣出除濕器溫度T3=20℃） 。

由圖4可見，其他參數(shù)一定時，空氣出干燥器溫度上升，SMER降低，這是由于此時熱泵COP基本不變，而空氣在干燥器中吸納水蒸氣的量減少所致。因此，實際應(yīng)用時，應(yīng)強化空氣在干燥器中與物料的傳熱傳質(zhì)，降低空氣出干燥器溫度，提高其含濕量。

當空氣出除濕器溫度T3變化時，封閉式熱泵干燥裝置的SMER的變化規(guī)律如圖5所示 （空氣進干燥器溫度T1=60℃，空氣出干燥器溫度T2=40℃）。

圖4 SMER隨干燥器出口空氣溫度的變化

圖5 SMER和COP隨蒸發(fā)器出口空氣溫度的變化

由圖5可見，其他參數(shù)一定時，空氣出蒸發(fā)器溫度上升，SMER增加。這是由于此時空氣在干燥器中的吸濕量基本不變，而熱泵COP上升的緣故。因此，在滿足物料干燥速度要求的前提下，應(yīng)盡量采用較高的空氣出蒸發(fā)器溫度。

3 結(jié)論

當干燥介質(zhì)一定時，封閉式熱泵干燥裝置的SMER主要取決于空氣進干燥器溫度、空氣出干燥器溫度和空氣出蒸發(fā)器溫度三個參數(shù)。其中兩個參數(shù)一定時，SMER隨干燥器出口空氣溫度升高而下降，隨蒸發(fā)器出口空氣溫度升高而增加，但隨干燥器進口空氣溫度不單調(diào)，在某一溫度下存在SMER的最大值。上述規(guī)律可為裝置的變工況調(diào)控及優(yōu)化設(shè)計提供有益參考。

[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,et al.Drying of guava and papaya:Impact of different drying methods[J].Drying Technology,2006,24(1):77-87.

[4]謝繼紅.熱泵干燥裝置的優(yōu)化與應(yīng)用研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2005.

[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：機械工業(yè)出版社，2002.

Analysis of the Performance Equation and Its Applications for Heat Pump Dryers

Chen Dong Li Jianping Xie Jihong Xiang Yong Cao WenliLi Lingli

The SMER equation is deduced for the most widely used close-circuit heat pump dryers,and based on the equation,the changes of SMER with air temperatures changes at the dryer inlet,the dryer outlet and the evaporator outlet are calculated and analyzed.It shows that when the other two parameters are given,SMER descends with the ascending of air temperatures at the dryer outlet,ascends with the ascending of air temperatures at the evaporator outlet,but a maximum SMER exists for a suitable air temperature at the dryer inlet.

Heat pump； Drying； Performance equation； Drying medium parameters

TQ 051.8

*陳東，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）