內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的設計

謝繼紅 陳 東 李桂水

（天津科技大學機械工程學院)

0 引言

熱泵干燥裝置具有節(jié)能、易對熱敏物料進行低溫干燥、易對危險性物料進行惰性介質(zhì)干燥、易對異味物料進行干燥介質(zhì)全封閉循環(huán)干燥等特點，具有突出的應用優(yōu)勢[1-3]。

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置是由熱泵回收干燥器排氣余熱來制取熱能，并主要通過導熱方式加熱物料使其中水分氣化，裝置中的循環(huán)空氣主要用于帶走物料中蒸發(fā)出的水蒸氣，因此干燥器進口空氣溫度相對較低，而單位質(zhì)量空氣在干燥器中帶走的水蒸氣量則較多，使內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置具有較高的能源效率和除濕能耗比[4-5]。

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置中的內(nèi)加熱式干燥器可根據(jù)物料特性有多種選擇，如內(nèi)加熱流化床式干燥器、盤式干燥器、轉鼓式干燥器等，熱泵則一般采用單級蒸氣壓縮式。本文著重給出內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置設計所需的物料衡算、能量衡算和主要部件選型參數(shù)計算方法。

1 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的基本結構及原理

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的基本結構如圖1所示。圖1中壓縮機、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，熱泵蒸發(fā)器用于回收干燥器排氣余熱，熱泵冷凝器A用于加熱循環(huán)空氣，熱泵冷凝器B用于加熱物料并提供物料中水分氣化所需的熱能。

圖1 內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的基本結構

含濕量很低的干燥空氣進入干燥器，近似等溫吸收物料中排出的水蒸氣，到干燥器出口處變?yōu)楹瑵窳枯^高的濕空氣，經(jīng)除濕器降溫除濕后，再經(jīng)加熱器加熱升溫后回到干燥器。循環(huán)空氣通過風道在干燥器、除濕器、加熱器之間循環(huán)流動，從物料中吸收水分，通過除濕器將水分凝結排出。

2 物料衡算

（1）水分蒸發(fā)量

物料干燥過程中的水分蒸發(fā)量計算式為：

式中W——水分蒸發(fā)量，kg/s；

GD——物料中絕干物料的產(chǎn)量，kg/s；

xd1——干燥器進口處物料的干基含水量，kg/kg；

xd2——干燥器出口處物料的干基含水量，kg/kg；

xw1——干燥器進口處物料的濕基含水量，kg/kg；

xw2——干燥器出口處物料的濕基含水量，kg/kg；

G1——干燥器進口處濕物料的進料量，kg/s；

G2——干燥器出口處產(chǎn)品的產(chǎn)量，kg/s。

（2）干空氣循環(huán)量

干燥器中從濕物料中蒸發(fā)出的水分由空氣帶走，故干空氣循環(huán)量計算式為：

單位空氣循環(huán)量為：

式中L——干空氣循環(huán)量，kg/s；

xa1——進干燥器空氣的濕含量，kg(水蒸氣)/kg(干空氣)；

xa2——出干燥器空氣的濕含量，kg(水蒸氣)/kg(干空氣)；

l——單位空氣循環(huán)量 （物料中蒸發(fā)1 kg水分所消耗的干空氣量），kg。

（3） 風機風量

風機風量計算式為：

式中VF——風機的風量，m3/s；

xaf——風機進口處空氣的濕含量，kg(水蒸氣)/kg(干空氣)；

taf——風機進口處空氣的溫度，℃；

L——干空氣循環(huán)量，kg/s。

3 能量衡算

設空氣僅用于帶走干燥器中從物料中蒸發(fā)出的水分，物料的加熱及其中水分氣化所需熱量均由內(nèi)加熱器提供，此時干燥過程為等溫干燥，即圖1中點1和點2的溫度t1=t2。

（1）系統(tǒng)能量平衡

設系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，干燥產(chǎn)品和凝結水出干燥器溫度約等于濕物料進干燥器溫度，且不計系統(tǒng)熱損失和風機功耗，根據(jù)系統(tǒng)能量平衡，有：

根據(jù)空氣循環(huán)能量平衡，有：

式中PCOM——熱泵壓縮機的功率，kW；

QCF——輔助冷凝器的傳熱量，kW；

QE——熱泵蒸發(fā)器傳熱量，kW；

QCA——熱泵冷凝器A傳熱量，kW；

QCB——熱泵冷凝器B傳熱量，kW。

（2）加熱器和除濕器傳熱量

加熱器 （冷凝器A、冷凝器B）和除濕器 （蒸發(fā)器）的傳熱量計算式為：

式中x3——出除濕器近似飽和濕空氣的濕含量，kg(水蒸氣)/kg(干空氣)；

t1——循環(huán)空氣進干燥器的溫度，℃；

t2——循環(huán)空氣出干燥器的溫度(t1≈t2），℃；

t3——循環(huán)空氣出除濕器的溫度，℃；

x2——出干燥器濕空氣的濕含量，kg(水蒸氣)/kg(干空氣)；

rwd——干燥溫度下物料中水分的氣化潛熱，kJ/kg；

rwe——除濕器中水蒸氣平均凝結溫度下水蒸

氣的凝結潛熱，kJ/kg。

（3）內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的除濕能耗比

內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的除濕能耗比（Specific Moisture Extraction Rate）SMER的計算式為：

式中SMER——熱泵壓縮機每消耗1度電 （即1 kW·h）從物料中除去的水分量，kg （水蒸氣） /（kW·h）。

4 主要部件選型參數(shù)確定

干燥器型式參數(shù)與具體物料特性有關，可參考專業(yè)資料確定。本文在此著重給出熱泵壓縮機、空氣加熱器 （冷凝器A）、干燥器中的內(nèi)加熱器 （冷凝器B）、空氣除濕器 （蒸發(fā)器）選型及關鍵參數(shù)的確定方法。

（1）熱泵壓縮機

對小型內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置，熱泵壓縮機可采用渦旋式或活塞式；對中大型裝置，可考慮螺桿式或離心式壓縮機。

中小型熱泵壓縮機的功率計算式為[5]：

（2）空氣加熱器

空氣加熱器 （熱泵冷凝器A）可采用翅片管式換熱器，其空氣側傳熱面積計算式為：

式中FCA——傳熱面積，m2；

QCA——傳熱量，kW；

kCA——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；迎面風速為2.5～3.5 m/s時，傳熱系數(shù)約為[6]30～ 40 W/（m2·℃）；

△tCAM——空氣與熱泵工質(zhì)之間的平均傳熱溫差，℃。

（3）干燥器中內(nèi)加熱器

干燥器中內(nèi)加熱器 （熱泵冷凝器B）可為平板式、管式或與干燥器及物料相匹配的其他異型表面，其物料側傳熱面積計算式為：

式中FCB——傳熱面積，m2；

QCB——傳熱量，kW；

kCB——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；以內(nèi)加熱式流化床干燥器為例，流態(tài)化物料與內(nèi)加熱器表面的傳熱系數(shù)約為[7-8]250～350 W/（m2·℃）；

△tCBM——物料與熱泵工質(zhì)之間的平均傳熱溫差，℃。

（4） 除濕器

除濕器 （熱泵蒸發(fā)器）可采用翅片管式換熱器，由于空氣中水分要在除濕器表面凝結析出，除濕器下方需設置接水盤及凝水排出管。除濕器空氣側傳熱面積計算式為：

式中FE——傳熱面積，m2；

QE——傳熱量，kW；

kE——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；迎面風速為2.5～3.0 m/s時，傳熱系數(shù)約為 30～40 W/（m2·℃）； 為防止穿過翅片管的空氣夾帶凝結水，風速不宜過高[6]；

△tEM——空氣與熱泵工質(zhì)之間的平均傳熱溫差，℃。

5 結論與建議

物料衡算、能量衡算和主要部件選型參數(shù)計算是內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置設計計算的基本內(nèi)容，文中所給公式可為內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的設計和分析提供較好的基礎。

建議對內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置中物料與空氣及內(nèi)加熱器表面之間的傳熱傳質(zhì)過程、內(nèi)加熱器結構優(yōu)化、內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的系統(tǒng)調(diào)控、典型物料專用內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置研制及其應用測試等進行進一步系統(tǒng)研究。

[1] 陳東，謝繼紅.熱泵干燥裝置 [M].北京：化學工業(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.熱泵干燥裝置的優(yōu)化與應用研究 [D].天津：河北工業(yè)大學，2005.

[5] 陳東，孔德雨，謝繼紅，等.內(nèi)加熱式熱泵干燥裝置的結構與性能分析 [J].化工裝備技術，2012，33（3）： 1-5.

[6] 陳東.熱泵技術手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[7] 楊阿三，程榕，孫勤，等.內(nèi)加熱流化床在草甘膦干燥中的應用 [J].浙江化工，2003（10）：18-20.

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