混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)及工程應(yīng)用

左希桐 雷 波

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混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)及工程應(yīng)用

左希桐 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

提出一種混流式蚊香熱泵干燥系統(tǒng)，搭建系統(tǒng)仿真模型，以系統(tǒng)能效比COP與單位能耗除濕量SMER作為評價(jià)指標(biāo)，主要分析了送風(fēng)溫度、截面風(fēng)速、回風(fēng)位置以及干燥室長度對系統(tǒng)性能的影響，確定了干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)，與傳統(tǒng)干燥形式進(jìn)行了能耗對比。研究結(jié)果對蚊香熱泵干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考意義。

熱泵干燥；蚊香；仿真；工程應(yīng)用

0 引言

蚊香在生產(chǎn)時一般將原料混合加水?dāng)嚢杈鶆蚝髩撼蓾衽鞑_模成型，然后送入干燥室進(jìn)行干燥。傳統(tǒng)的蚊香干燥采用燃煤或燃?xì)庾鳛槟茉醇訜峥諝?，具有能耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。熱泵干燥作為一種高效節(jié)能的干燥技術(shù)，單位能耗除濕量一般在1.0～4.0kg/kWh之間[1]。

傳統(tǒng)蚊香干燥室一般建為長條形，長度不等。實(shí)際生產(chǎn)中，將蚊香濕坯放置于格柵式貨架上，通過簡易運(yùn)輸車送至烘房內(nèi)進(jìn)行干燥。將流經(jīng)冷凝器加熱后的高溫低濕空氣送入干燥室內(nèi)，與物料運(yùn)動方向逆向流動，逐漸吸收蚊香濕坯內(nèi)部水分，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏馗邼竦目諝?，最終返回至蒸發(fā)器中進(jìn)行冷卻除濕。

本文提出一種混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)，通過建立熱泵干燥系統(tǒng)仿真模型，分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)合工程實(shí)際確定適用于生產(chǎn)的工藝參數(shù)，為蚊香熱泵干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 混流式熱泵干燥系統(tǒng)工作原理

在實(shí)際空氣循環(huán)中，回風(fēng)處的空氣內(nèi)部水分含量較多，除濕能力較弱，而回風(fēng)處為新送入干燥室的蚊香濕坯，內(nèi)部水分含量最大。若要保證回風(fēng)處循環(huán)空氣仍然具有較強(qiáng)除濕能力，必須提高送風(fēng)溫度或加大送風(fēng)量。但在實(shí)際生產(chǎn)中，送風(fēng)溫度與送風(fēng)量并非越大越好，送風(fēng)溫度過高會使蚊香表面起殼或龜裂，送風(fēng)量過大會將蚊香吹至變型甚至掉落地面。通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行傳統(tǒng)蚊香干燥時，送風(fēng)溫度需要達(dá)到80℃以上或者送風(fēng)量達(dá)到40000kg/h才能保證所需生產(chǎn)量，而該工況已超過蚊香干燥工藝參數(shù)的安全范圍，熱泵機(jī)組也不能保證在較好性能下運(yùn)行。

針對以上問題，提出一種混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)，即分別從干燥室兩端送風(fēng)，從中部統(tǒng)一回風(fēng)，其中出料端送入與蚊香運(yùn)動方向逆流的空氣，進(jìn)料端送入高溫低濕空氣對濕坯蚊香進(jìn)行預(yù)熱處理，可加快干燥效率，提高蚊香產(chǎn)量。送回風(fēng)流程圖見圖1。

圖1 混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)送回風(fēng)流程圖

2 仿真計(jì)算方法

將蚊香干燥過程分解為微元模型，通過微元組合完成整體模型建立。微元模型示意圖如圖2所示，具體建模策略為：將干燥室整體劃分為個虛擬微元段，通過已知條件（設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度0，設(shè)計(jì)送風(fēng)相對濕度0，干燥室截面風(fēng)速）求出微元入口含濕量0，根據(jù)蚊香干燥特性建立干燥速率與送風(fēng)溫度，風(fēng)速，含水量的關(guān)系式，利用擬合關(guān)系式計(jì)算微元段內(nèi)總除濕量及含濕量增量，進(jìn)而計(jì)算出微元出口含濕量1，將出口狀態(tài)參數(shù)傳遞給下一微元，作為其進(jìn)口狀態(tài)，重復(fù)此過程，直至干燥模型計(jì)算完畢。

圖2 微元模型示意圖

蚊香干燥質(zhì)量守恒關(guān)系式見式（3）。在蚊香干燥過程中，蚊香內(nèi)部失去的水分轉(zhuǎn)化為循環(huán)空氣吸收的水分，即為除濕量。

式中：0為蚊香初始重量，g；為微元段內(nèi)蚊香干燥速率，%/h；m為空氣流量，kg/h；Δ為含濕量增量，g/kg。

式（3）中的干燥速率可通過蚊香干燥實(shí)驗(yàn)獲得，表示為送風(fēng)溫度、風(fēng)速、含水率的關(guān)系式，見式（4）；其中含水率可由送風(fēng)溫度、風(fēng)速以及干燥時間計(jì)算，見式（5）。

蚊香干燥能量守恒方程見式（6）。干燥過程中的熱量分別由蚊香內(nèi)部水分蒸發(fā)吸收的熱量與蚊香溫度升高所需熱量組成。蚊香內(nèi)部水分蒸發(fā)吸收大部分熱量，剩余熱量用于蚊香本身溫度的升高，若考慮干燥過程中蚊香本身溫度變化，則空氣與水換熱過程為減焓過程。

式中：為空氣干燥前后焓差，kJ/kg；m、m分別表示空氣流量、蚊香內(nèi)部水分蒸發(fā)量，kg/h；m、m分別表示蚊香干重及蚊香內(nèi)部水分剩余量，kg；c、c分別表示蚊香干重比熱以及水比熱，J/kg℃；γ表示水汽化潛熱，kJ/kg；Δt表示蚊香溫升，℃。

由于實(shí)驗(yàn)條件有限，不能準(zhǔn)確測試干燥過程中蚊香溫度變化，故無法通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到蚊香溫度與影響因素的關(guān)系式。因此，利用實(shí)際測試數(shù)據(jù)對蚊香溫度變化對干燥過程的影響作修正，設(shè)置系數(shù)作為蚊香溫升修正系數(shù)，修正后的能量守恒關(guān)系式見式（7）。

圖3為混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)仿真流程圖。熱泵系統(tǒng)利用LMS AMEsim軟件建立模型，冷凝器和蒸發(fā)器采用翅片管換熱器，節(jié)流元件為毛細(xì)管，制冷工質(zhì)為R22，熱泵系統(tǒng)具體數(shù)學(xué)模型參見文獻(xiàn)[4]，這里不再累述。

圖3 混流式熱泵蚊香干燥系統(tǒng)仿真流程圖

Fig.3 Simulation flow chart of mixed-flow heat pump mosquito coil drying system

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

本文以系統(tǒng)能效比（COP）與單位能耗除濕量（SMER）作為干燥性能評價(jià)指標(biāo)，分析進(jìn)、出料端送風(fēng)溫度、截面風(fēng)速、回風(fēng)位置以及干燥室長度對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，確定干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

3.1 進(jìn)料端送風(fēng)參數(shù)

溫度作為干燥過程中被干物料內(nèi)部濕分向外擴(kuò)散的主要動力，干燥溫度的高低在影響干燥速率的同時，也影響產(chǎn)量及成品質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，干燥溫度并不是越高越好，被干物料的干燥特性以及壓縮機(jī)和制冷劑的工作范圍成為送風(fēng)溫度的約束條件，過低或者過高的干燥溫度都不利于干燥的順利進(jìn)行，而截面風(fēng)速也直接影響系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量，風(fēng)量過大或者過小都可能造成能量浪費(fèi)[5]。采用混流送回風(fēng)方式需要從干燥室兩邊同時送風(fēng)，中部回風(fēng)，兩端送風(fēng)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能存在一定影響。

在出料端送風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為65℃，截面風(fēng)速為1.1m/s條件下，得到進(jìn)料端送風(fēng)參數(shù)對日生產(chǎn)量和性能評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，見圖4和圖5。

圖4 進(jìn)料端送風(fēng)溫度對系統(tǒng)COP及SMER影響

圖5 進(jìn)料端截面風(fēng)速對系統(tǒng)COP及SMER影響

從圖4可知，當(dāng)進(jìn)料端送風(fēng)溫度升高時，日生產(chǎn)量增加，性能評價(jià)指標(biāo)COP與SMER先增大后減小，送風(fēng)溫度為50℃時，性能評價(jià)指標(biāo)最大，當(dāng)送風(fēng)溫度小于50℃時，日生產(chǎn)量與評價(jià)指標(biāo)同時增加；當(dāng)送風(fēng)溫度大于50℃時，日生產(chǎn)量增加，評價(jià)指標(biāo)減小。綜合考慮，在同時保證較高日生產(chǎn)量與較優(yōu)評價(jià)指標(biāo)前提下，進(jìn)料端送風(fēng)溫度范圍為50℃～60℃。

從圖5可知，當(dāng)進(jìn)料端截面風(fēng)速增加時，日生產(chǎn)量增加，性能評價(jià)指標(biāo)COP增加，SMER減少，但兩者變化幅度均不大。在滿足日生產(chǎn)量及送風(fēng)射流要求條件下，進(jìn)料端截面風(fēng)速范圍為1.0m/s～1.3m/s。

3.2 出料端送風(fēng)參數(shù)

在進(jìn)料端送風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為50℃，截面風(fēng)速為1.1m/s條件下，得到出料端送風(fēng)溫度和截面風(fēng)速對日生產(chǎn)量和評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，見圖6和圖7。

圖6 出料端送風(fēng)溫度對系統(tǒng)COP及SMER影響

圖7 出料端截面風(fēng)速對系統(tǒng)COP及SMER影響

圖6表示，當(dāng)出料端送風(fēng)溫度升高時，日生產(chǎn)量與性能評價(jià)指標(biāo)變化趨勢與進(jìn)料端類似，即日生產(chǎn)量增加，性能評價(jià)指標(biāo)COP與SMER先增大后減小，送風(fēng)溫度為60℃時，評價(jià)指標(biāo)最大，當(dāng)送風(fēng)溫度小于60℃時，日生產(chǎn)量與評價(jià)指標(biāo)同時增加；當(dāng)送風(fēng)溫度大于60℃時，日生產(chǎn)量增加，評價(jià)指標(biāo)減小。綜合考慮，在同時保證較高日生產(chǎn)量與較優(yōu)評價(jià)指標(biāo)前提下，出料端送風(fēng)溫度范圍為65℃～75℃。

圖7所示，當(dāng)出料端截面風(fēng)速增加時，日生產(chǎn)量增加，性能評價(jià)指標(biāo)COP與SMER同時減小，總體變化幅度不大。在滿足日生產(chǎn)量及送風(fēng)射流要求條件下，出料端截面風(fēng)速范圍為1.2m/s～1.5m/s。

3.3 回風(fēng)位置

混流送回風(fēng)方式可看作兩股反向氣流同時送入干燥室，與蚊香換熱后分別返回至熱泵機(jī)組內(nèi)。回風(fēng)位置不同，返回機(jī)組蒸發(fā)器的空氣參數(shù)則不同，對整體系統(tǒng)性能存在影響。

圖8表示在干燥室進(jìn)料端送風(fēng)溫度50℃，相對濕度30%，截面風(fēng)速1.1m/s，出料端送風(fēng)溫度65℃，相對濕度15%的條件下，得到回風(fēng)位置對性能評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，其中橫軸表示回風(fēng)位置為與進(jìn)料端的距離，單位為m。

圖8 回風(fēng)位置對COP與SMER的影響

從圖8可知，隨著回風(fēng)位置與進(jìn)料端距離增大，性能評價(jià)指標(biāo)COP與SMER呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)出料端送風(fēng)截面風(fēng)速變化時，該趨勢仍然存在。從進(jìn)料端送入的低濕空氣，通過吸收濕坯蚊香內(nèi)部水分逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼窨諝猓敝两咏柡蜁r失去除濕能力。圖8顯示在與進(jìn)料端距離6m處出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時循環(huán)空氣狀態(tài)近似飽和，該點(diǎn)可作為在此工況下最佳的回風(fēng)位置。

最佳回風(fēng)位置為進(jìn)料端送風(fēng)介質(zhì)變化至近似飽和狀態(tài)時所對應(yīng)的位置，針對不同送風(fēng)工況，具體回風(fēng)位置不是固定值，該值隨著送風(fēng)狀態(tài)變化會發(fā)生改變。因此，在進(jìn)行蚊香干燥室設(shè)計(jì)時，需根據(jù)送風(fēng)參數(shù)確定對應(yīng)的最佳回風(fēng)位置，提高整體系統(tǒng)性能。

3.4 干燥室長度

為提高生產(chǎn)效率，干燥室大多設(shè)計(jì)為長條型，干燥室的長度影響著蚊香干燥所需時間，也與前期投資有關(guān)。若干燥室長度較短，在固定送風(fēng)參數(shù)情況下達(dá)不到生產(chǎn)要求；若干燥室長度過長，則會造成干燥時間及經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

圖9表示在進(jìn)料端送風(fēng)溫度為55℃，相對濕度為25%，截面風(fēng)速為1.1m/s時，出料端送風(fēng)溫度對干燥室長度的變化情況，以及在出料端送風(fēng)溫度為70℃，相對濕度為12%，截面風(fēng)速為1.3m/s時，進(jìn)料端送風(fēng)溫度對干燥室長度的變化情況。

圖9 進(jìn)出料端送風(fēng)溫度變化對干燥室長度的影響

從圖9可知，隨著進(jìn)、出料端送風(fēng)溫度增加，干燥室長度減小，減小幅度逐漸降低，其中出料端減小幅度大于進(jìn)料端。當(dāng)進(jìn)出料端送風(fēng)溫度分別為55℃和70℃時，干燥室最優(yōu)長度為25m。在對蚊香干燥系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，進(jìn)出料端采用不同送風(fēng)參數(shù)，最優(yōu)干燥室長度會發(fā)生變化。

3.5 生產(chǎn)工況確定

根據(jù)前文對影響因素的分析，在保證日生產(chǎn)量為1000件的條件下，混流式蚊香干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

選取一條蚊香生產(chǎn)線，對蚊香干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測試，表2為干燥系統(tǒng)性能參數(shù)和評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際測試值與仿真值的對比結(jié)果。

結(jié)果表示，干燥系統(tǒng)除濕量滿足生產(chǎn)要求，仿真計(jì)算的除濕量、制熱量及日產(chǎn)量均大于實(shí)測結(jié)果，能耗小于實(shí)測結(jié)果，相對誤差小于6%，系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)COP、SMER仿真結(jié)果大于實(shí)測結(jié)果，相對誤差小于10%。

表2 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件下實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

3.6 能耗分析

傳統(tǒng)的蚊香干燥采用直流式，一般使用燃煤或燃?xì)庾鳛闊嵩?，現(xiàn)將本文提出的混流式熱泵干燥方式與傳統(tǒng)直流干燥方式進(jìn)行能耗對比。

由于燃煤、燃?xì)饧半娔艿膯挝慌c評價(jià)指標(biāo)均不相同，為便于對比，現(xiàn)將不同能源統(tǒng)一化為標(biāo)準(zhǔn)煤。其中燃?xì)庹蹣?biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為1.2143kgce/m3，電能折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.404kgce/kwh[6]。

表3 不同熱源干燥形式能耗對比

備注：表中能耗單位kgce為標(biāo)準(zhǔn)煤。

采用傳統(tǒng)直流式系統(tǒng)進(jìn)行干燥消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤是熱泵干燥系統(tǒng)的1.57倍（燃煤）和1.90倍（燃?xì)猓稍餆嵩从扇济夯蛉細(xì)飧臑殡娔芨稍锏墓?jié)能率可達(dá)36.21%（燃煤）和47.47%（燃?xì)猓岜酶稍锵到y(tǒng)在節(jié)約較大能耗的同時，單位能耗除濕量SMER也較高。

4 結(jié)論

根據(jù)傳統(tǒng)蚊香干燥技術(shù)的缺陷與局限，提出一種混流式蚊香熱泵干燥系統(tǒng)。

通過對不同影響因素進(jìn)行分析，劃分較優(yōu)運(yùn)行參數(shù)范圍。結(jié)果表明，送風(fēng)溫度對系統(tǒng)性能的影響大于截面風(fēng)速，隨著送風(fēng)溫度升高，系統(tǒng)性能評價(jià)指標(biāo)COP與SMER呈先增大后減小趨勢。

綜合實(shí)際生產(chǎn)要求，確定進(jìn)料端送風(fēng)溫度為55℃，截面風(fēng)速為1.1m/s，出料端送風(fēng)溫度為70℃，截面風(fēng)速為1.3m/s，確定合理的干燥室結(jié)構(gòu)參數(shù)，干燥室長度為25m，回風(fēng)位置為距離進(jìn)料端7m處。

實(shí)測結(jié)果顯示，采用熱泵干燥方式比傳統(tǒng)燃煤干燥節(jié)能36.21%，比燃?xì)飧稍锕?jié)能47.47%。

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Mixed-flow Heat Pump Mosquito Coil Drying System and Engineering Application

Zuo Xitong Lei Bo

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

This paper proposed a mixed-flow mosquito heat pump drying system and established a system simulation model, using the system energy efficiency ratio COP and the unit energy consumption dehumidification capacity SMER as evaluation indicators. The influences of air temperature, cross-section wind speed, return air position and the length of the drying chamber on the system performance were analyzed. The structural parameters and operating parameters of the drying system were determined, and the energy consumption was compared with the traditional drying method. The results are of reference significance for mosquito heat pump drying system design.

Heat pump drying; mosquito coils; simulation; engineering application

1671-6612（2019）01-069-5

U453.5

A

左希桐（1992.12-），女，在讀碩士研究生，E-mail：464744806@qq.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2018-04-23