熱式熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)分析

劉 林 王 強(qiáng)

?

熱式熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)分析

劉 林 王 強(qiáng)

（山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101）

熱泵干燥裝置與傳統(tǒng)烘干裝置（燃煤、電加熱等）相比更加節(jié)能環(huán)保，適應(yīng)更多烘干工藝的要求。設(shè)計(jì)了加回?zé)崞鏖]式熱泵干燥裝置，并以花椒為干燥對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并與普通熱泵干燥裝置進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，增加回?zé)嵫h(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上。

回?zé)崾剑粺岜酶稍镅b置；除濕能耗比

0 引言

熱泵是一種從低溫?zé)嵩次崃?，使其在較高溫度下作為可以利用的有用能源的裝置。熱泵和常規(guī)的干燥設(shè)備一起組成熱泵干燥裝置。熱泵干燥系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：制冷劑回路和干燥介質(zhì)回路。制冷劑回路由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，熱泵壓縮機(jī)做功并利用蒸發(fā)器回收低品位熱能，在冷凝器中則使之升高為高品位熱能。熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收干燥室排出的熱空氣中的部分余熱，蒸發(fā)變成蒸氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入冷凝器中冷凝，并將熱量傳給空氣。由冷凝出來(lái)的熱空氣再進(jìn)入干燥室，對(duì)濕物料進(jìn)行干燥出干燥室的濕空氣再經(jīng)蒸發(fā)器將部分顯熱和潛熱傳給工質(zhì)，達(dá)到回收余熱的目的；同時(shí)，濕空氣的溫度降至露點(diǎn)析出冷凝水，達(dá)到除濕的目的。

圖1 熱泵干燥機(jī)工作原理

1 裝置的方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)說(shuō)明

1.1 設(shè)計(jì)的主要說(shuō)明

本文對(duì)熱泵干燥機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)干燥熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)主要針對(duì)高溫高濕氣體排放時(shí)的熱損失以及空氣經(jīng)過(guò)冷凝器進(jìn)行再次加熱的熱損失問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，主要增加了回風(fēng)熱回收、冷卻除濕環(huán)節(jié)和變頻除濕環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)裝置變工況連續(xù)式烘干，變頻除濕烘干，能精確滿(mǎn)足物料的烘干工藝。

1.2 回?zé)崾綗岜酶稍镅b置的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

本熱泵干燥裝置在設(shè)計(jì)上增加了熱回收器，從冷凝器加熱后的熱空氣先經(jīng)過(guò)熱回收器，進(jìn)行收集熱量，然后濕空氣經(jīng)蒸發(fā)器降溫排濕，其中排濕增加了變頻除濕裝置，在除濕負(fù)荷比較大時(shí)，通過(guò)變頻裝置，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，使得蒸發(fā)器制冷溫度更低，加大除濕量，除濕負(fù)荷較小時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉?？諝庠诮?jīng)熱回收器回溫，使空氣在進(jìn)入冷凝器時(shí)溫差縮小，從而減小了熱量損失。在排濕工況下，使新風(fēng)先進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行排濕，提高了工作效率。

2 設(shè)計(jì)研究

本文以花椒為干燥對(duì)象進(jìn)行除濕干燥，該干燥過(guò)程包括制冷介質(zhì)流程和干燥介質(zhì)流程。所述制冷介質(zhì)流程包括壓縮機(jī)、冷凝器、換熱器、為換熱器提供冷風(fēng)的外風(fēng)機(jī)、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和控制器等。所述干燥介質(zhì)流程包括回風(fēng)口、熱回收器、蒸發(fā)器、送風(fēng)機(jī)、冷凝器和出風(fēng)口等。

圖2 干燥設(shè)備空氣循環(huán)圖

如圖2所示為干燥設(shè)備空氣循環(huán)圖。-為空氣在回?zé)崞髦械牡葷窦訜徇^(guò)程，為空氣在冷凝器中的等濕加熱過(guò)程，該過(guò)程下干燥空氣的相對(duì)濕度降低；過(guò)程表示空氣在干燥室中的等焓加濕過(guò)程；過(guò)程表示空氣在熱回收器中等濕降溫過(guò)程；過(guò)程表示干燥空氣在蒸發(fā)器中的降溫除濕過(guò)程，該過(guò)程中干燥空氣首先由，等濕降溫至飽和狀態(tài)，點(diǎn)表示空氣冷卻到露點(diǎn)，然后由除去一部分水分。

圖3 熱泵循環(huán)logP-h圖

如圖3所示為工質(zhì)在熱泵循環(huán)中的log圖。因?yàn)樵趯?shí)際循環(huán)中會(huì)很復(fù)雜，所以為了便于計(jì)算，我們可簡(jiǎn)單認(rèn)為，從1點(diǎn)到2點(diǎn)是等熵壓縮過(guò)程。2點(diǎn)到3點(diǎn)到4點(diǎn)是等壓放熱過(guò)程，4點(diǎn)到5點(diǎn)是絕熱等焓過(guò)程。

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和已知條件

每批花椒原料為500kg，初始含水率為80%，終了含水率為8%。干燥時(shí)間14小時(shí)，選用新型環(huán)保制冷工質(zhì)R134a。

首先要確定工質(zhì)的工作溫度。假定干燥溫度為60℃，傳熱溫差為5℃，則制冷劑冷凝溫度為65℃。假設(shè)從冷凝器出來(lái)進(jìn)入干燥室的空氣溫度60℃，空氣的相對(duì)濕度1=10%，由公式=0.622×φP/(0-φP)，計(jì)算可得出進(jìn)入干燥室空氣的絕對(duì)含濕量為1=0.0126kg水分/kg絕干氣。

從干燥室出來(lái)的空氣溫度為40℃，空氣相對(duì)濕度為65％，從熱回收器出來(lái)進(jìn)入蒸發(fā)器前溫度為35℃，空氣相對(duì)濕度3=85%，由公式=0.622×φP/(0-φP)，計(jì)算出絕對(duì)濕含量2=3=0.0308kg水分/kg絕干氣。查飽和水蒸汽壓表，計(jì)算得露點(diǎn)溫度為32℃，空氣經(jīng)降溫結(jié)露，再降溫至25℃，4=0.0201kg水分/kg絕干氣，則取制冷劑蒸發(fā)溫度為5℃。本設(shè)計(jì)選用HFC-134a制冷劑，過(guò)冷度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5℃，如圖3所示，查lg圖，得1=404kJ/kg，2=440kJ/kg，4=5=280kJ/kg。

2.2 熱泵系統(tǒng)熱力計(jì)算及設(shè)備選型

熱力計(jì)算的目的是要算出熱泵循環(huán)的性能指標(biāo)、壓縮機(jī)的容量、功率以及各熱交換器的熱負(fù)荷，為設(shè)計(jì)和選擇壓縮機(jī)和熱交換器提供原始數(shù)據(jù)。

則花椒在干燥過(guò)程中的水份蒸發(fā)量=27.95kg/h。

其中，為一次放入干燥倉(cāng)的濕物料重量，kg；1為濕物料含水率，%；2為物料干燥完成后含水率，%；Δ為物料干燥所用的時(shí)間，h。

2.2.1 壓縮機(jī)選型

熱力計(jì)算：

（1）根據(jù)濕空氣焓公式

=1.01×+(2500+1.84×)×

計(jì)算得出蒸發(fā)器入口空氣焓3=114.33kJ/kg絕干氣，出口空氣焓4=77.47kJ/kg絕干氣。

（2）單位時(shí)間通風(fēng)量

=/（2-1）=27.95/(0.0308-0.0126)

=1535.71kg絕干氣/hr

濕空氣的比容：=0.8m3濕空氣/kg絕干氣

活塞式定量風(fēng)泵的風(fēng)量：

=×=1228.57m3濕空氣/hr

（3）蒸發(fā)器單位時(shí)間吸熱量

Q=×（3-4）+×=165777.8kJ/h=46.05kW

（4）單位制熱量

0=2-5=440-280=160kJ/kg

（5）單位時(shí)間制冷劑流量

=Q/(1-4)=1336.91kg/hr

（6）理論制熱系數(shù)

0=0/0=4.4

（7）壓縮機(jī)理論功率

=（2-1）=48128.76kJ/hr=13.37kW

（8）單位實(shí)際壓縮功

設(shè)指示效率η=0.9，機(jī)械效率η=0.9。

W=0/0.81=44.4kJ/kg

（9）實(shí)際制熱系數(shù)

=4.4×0.81=3.56

（10）壓縮機(jī)軸功率

=/0.81=16.51kW

（11）制熱量

Q=×0=213905.6kJ/hr=59.42kW

（12）冷凝器排熱量

Q=×(2-4)=213905.6kJ/hr=59.42kW

（13）單位軸功率制熱量

’=Q/=4.4

具體可參看表1。

表1 壓縮機(jī)選型參考參數(shù)

2.2.2 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算

F=Q/(×Δt)

式中：F為冷凝器面積；Q為冷凝器熱負(fù)荷；為冷凝器傳熱系數(shù)，取24W/m2·K；Δt為冷凝器中制冷劑與冷卻介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差。

取冷凝溫度65℃，0=30℃，1=60℃，計(jì)算得出F=32.4m2。

2.2.3 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

F=Q/(×Δt)

式中：F為蒸發(fā)器面積；Q為蒸發(fā)器熱負(fù)荷；為蒸發(fā)器傳熱系數(shù)；Δt為蒸發(fā)器中制冷劑與冷卻介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差。

取蒸發(fā)溫度25℃，0=30℃，2=35℃，計(jì)算得出得出F=37.5m2。

2.3 回?zé)崾綗岜酶稍镅b置除濕能耗比

回?zé)崾綗岜酶稍镅b置除濕能耗比等于消耗單位能量時(shí)從物料中除去的水分質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算為2.1kg/kWh。

3 回?zé)崾綗岜酶稍镅b置與普通熱泵干燥裝置對(duì)比分析

同理可得普通熱泵干燥裝置經(jīng)計(jì)算除濕能耗比為1.47kg/kWh，經(jīng)計(jì)算分析可得，增加回?zé)嵫h(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了加回?zé)崞鏖]式熱泵干燥裝置，并以花椒為干燥對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算分析，增加回?zé)嵫h(huán)的熱泵干燥裝置比普通節(jié)能30%以上，有效提高了單位功耗的水分去除量?？稍谳斎胂嗤β实那闆r下，除去更多的水分，提高了干燥設(shè)備單位功耗的出水率。通過(guò)熱回收器對(duì)回風(fēng)進(jìn)行熱量收集，減小熱量損失，提高了干燥效率。

[1] 陳嘉澍,呂金虎,張平湖,等.熱泵干燥裝置型式分析與新型裝置探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2017,(2):58-64.

[2] 吳耀森,劉軍.小黃魚(yú)熱泵干燥工藝及設(shè)備選型分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2015,(2):37-41.

[3] 孫芳.甘薯原料預(yù)處理及壓差膨化工藝研究[D].西安:陜西科技大學(xué),2014.

[4] 張宏飛,張聯(lián)英.熱泵干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2009,(3):120-124.

[5] 張振濤.兩級(jí)壓縮高溫?zé)岜酶稍锬静牡难芯縖D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2008.

[6] 胡傳坤,高建民,付翔,等.熱泵除濕干燥系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)旁通率的試驗(yàn)[J].木材工業(yè),2008,22(5):8-10.

[7] 劉圣春,李雪強(qiáng),鄒文思.帶輔助冷凝器的封閉式熱泵干燥系統(tǒng)理論分析[J].制冷與空調(diào),2014,14(12):59-62.

[8] 戰(zhàn)劍峰.熱泵干燥技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用展望[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)計(jì),2003,(2):31-33.

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

[10] 謝英柏,宋蕾娜,楊先亮.熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006,(4):12-15.

[11] M Aghbashlo, J Müller, H Mobli, et al. Modeling and Simulation of Deep-Bed Solar Greenhouse Drying of Chamomile Flowers[J]. Rafiee Drying Technology, 2015,33(6):684-695.

[12] M R Manikantan, P Barnwal, R K Goyal. Drying characteristics of paddy in an integrated dryer[J]. Journal of Food Science and Technology, 2014,51(4):813-819.

[13] Z Erbay, A Hepbasli. Advanced exergoeconomic evaluation of a heat pump food dryer[J]. Biosystems Engineering, 2014,124(4):29-39.

Design and Analysis of Regenerative Heat PumpDrying Device

Liu Lin Wang Qiang

( Shandong Jianzhu University, Jinan,250101 )

Compared to traditional drying device (coal burning, electrical heating, etc.), heat pump drying device is more energy saving and meet more requirements of drying process. In this paper, the closed heat pump drying device is designed and the pepper is used as the drying object to design and calculate, and has a comparison with the ordinary heat pump drying device. The results show that the heat pump drying device with heat recovery cycle saves more than 30% energy than ordinary.

Regenerative; Heat pump drying device; SMER

TK523

A

劉 林（1992-），男，在讀研究生，E-mail：liun0817@163.com

王 強(qiáng)（1971-），男，博士后，教授，E-mail：xjdwq@163.com

2017-10-10

1671-6612（2018）05-520-04