干燥介質(zhì)旁通及回熱對閉式熱泵干燥系統(tǒng)除濕率影響的分析

田中君，肖人源，李巍，沈陽，童水光

（浙江大學自貢創(chuàng)新中心，四川自貢643000）

目前，市面上廣泛采用的干燥方法仍然是熱風干燥技術(shù)[1-2]，為了達到較高的干燥速率，干燥介質(zhì)溫度普遍較高，高溫條件容易造成物料變形嚴重、有效成分或者營養(yǎng)成分流失過多、顏色變化過大等不良后果，由此，該技術(shù)將逐漸淡出干燥領(lǐng)域。其他如真空冷凍干燥[3]、微波干燥[4]、遠紅外輻射干燥[5]等方式能夠獲得較好的干燥品質(zhì)，但是各自的應用領(lǐng)域還比較窄，有待于進一步拓寬應用范圍。熱泵干燥技術(shù)[6-9]是近十年來得到快速發(fā)展的一項先進干燥技術(shù)，其工作介質(zhì)通過節(jié)流效應可在蒸發(fā)器處釋放可觀冷量，利用這些冷量可以對干燥介質(zhì)進行預先除濕，因此，與常規(guī)熱風干燥技術(shù)相比，可以提供同溫度下濕度更低的干燥介質(zhì)，既加快了干燥速率，又能夠保證干燥品質(zhì)，尤其適用于干燥食品、藥材、煙葉、木材等大多數(shù)熱敏性物料，可作為熱風干燥部分應用領(lǐng)域的替代技術(shù)，市場十分巨大。由于干燥介質(zhì)除濕所需的冷量由熱泵蒸發(fā)器提供，提高蒸發(fā)器除濕能力可以減輕蒸發(fā)器運行負荷，減少除濕過程對于熱泵機組的依賴，對提升機組整體性能具有重要的實際意義。

閉式熱泵干燥機是目前應用較廣的一種熱泵干燥機型，其蒸發(fā)器對干燥介質(zhì)進行預先除濕后循環(huán)利用，因此行業(yè)上習慣稱其為熱泵除濕機。干燥介質(zhì)旁通以及干燥介質(zhì)回熱是應用于閉式熱泵干燥設備的兩項技術(shù)手段，二者均與蒸發(fā)器的除濕能力有密切關(guān)系，對其進行研究有助于提高機組整體除濕性能。學者們對于上述兩項技術(shù)的研究主要集中在其對閉式熱泵干燥系統(tǒng)整體節(jié)能率的提升上[10-14]，對于系統(tǒng)單位冷量除濕能力改善的研究則很少。馬一太等[15]210學者結(jié)合焓濕圖對熱泵干燥系統(tǒng)的除濕性能進行了研究，認為熱泵干燥系統(tǒng)存在最佳干燥溫度，干燥介質(zhì)濕度對于系統(tǒng)除濕性能有重要的影響，干燥介質(zhì)回熱能夠提高系統(tǒng)除濕性能。在此基礎(chǔ)之上，本文對干燥介質(zhì)旁通與回熱應用于閉式熱泵干燥系統(tǒng)進行了較為深入的分析，借助焓濕圖分析了其對于系統(tǒng)降溫除濕過程的影響，得出了干燥介質(zhì)回熱、干燥介質(zhì)旁通以及兩者聯(lián)合應用時在干燥整個過程中均能夠有效提高閉式熱泵干燥系統(tǒng)除濕率的結(jié)論。

1 常規(guī)閉式熱泵干燥系統(tǒng)單位冷量除濕效果分析

圖1為閉式熱泵干燥系統(tǒng)中不同部位干燥介質(zhì)焓濕圖，通過繪制干燥介質(zhì)狀態(tài)圖可以直觀地了解系統(tǒng)不同部位干燥介質(zhì)所處的狀態(tài)。閉路熱泵干燥系統(tǒng)中干燥介質(zhì)之所以能夠形成回路，根本原因在于熱泵機組本身能夠?qū)崿F(xiàn)對干燥介質(zhì)降溫除濕的重復利用：線1-2對應于干燥箱內(nèi)物料定焓干燥過程，線2-3對應蒸發(fā)器內(nèi)降溫過程，線3-4對應蒸發(fā)器內(nèi)降溫除濕過程，線4-1對應冷凝器內(nèi)定濕度加熱過程。

圖1 干燥介質(zhì)在熱泵干燥系統(tǒng)內(nèi)的焓濕狀態(tài)變化

對于熱泵干燥系統(tǒng)，馬一太等[15]211提出除濕率Ω的概念——單位冷量ΔH條件下的除濕量Δd，并給出如下定義式：

蒸發(fā)器輸出冷量全部作用于干燥介質(zhì)的降溫除濕，從總的效果看，過程2-3-4相當于過程2-4，前者可由后者代替，后者對應于圖1中的實線2-4。蒸發(fā)器輸出的冷量表達式為

干燥介質(zhì)的焓值H與比焓值h的關(guān)系與其絕干流量F有如下關(guān)系：

根據(jù)式（2）和式（3），有

此時，所對應的干燥介質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器前后的除濕量表示如下：

根據(jù)對除濕率的定義，給出除濕率計算式如下：

焓濕圖上通常給出的是單位質(zhì)量流量介質(zhì)的參數(shù)，即比參數(shù)，因此，式（6）約去F，進一步得到除濕率為

觀察式（7）的右邊，應為焓濕圖上實線2-4的斜率k的倒數(shù)，即

由式（8）得到，判斷閉式熱泵干燥系統(tǒng)不同除濕過程除濕率大小如何，只需對焓濕圖上的實線2-4的斜率進行比較，即斜率越大，則除濕率越小，斜率越小，則除濕率越大。如圖1所示，采用閉式熱泵干燥系統(tǒng)對無恒定干燥速率的物料以及有恒定干燥速率但干燥后期干燥速率不斷下降的物料進行干燥時，隨著干燥過程的進行，由于干燥速率逐漸下降，水蒸氣析出量越來越低，導致干燥介質(zhì)濕度降低，使得干燥箱出口干燥介質(zhì)狀態(tài)沿著等焓線2-1由點2向點1移動到點2′，降溫除濕過程所對應的過程線2′-4′的斜率將進一步增大，說明隨著干燥介質(zhì)濕度的降低，蒸發(fā)器提供的冷量將越來越難以對干燥介質(zhì)進行有效除濕，系統(tǒng)除濕效果將越來越差，在干燥的最后階段甚至出現(xiàn)只降溫不除濕的狀況，這一結(jié)論與實際情況是符合的，這種狀況在物料干燥溫度較高時尤為嚴重。

焓濕圖的優(yōu)點是可以直觀地觀察干燥介質(zhì)焓值和濕度值的變化過程軌跡，進而得到過程線對應的斜率相對大小，最終判定改變除濕條件后除濕率是否得到提高，因此，本文將運用此方法對閉式熱泵干燥系統(tǒng)采用干燥介質(zhì)旁通、干燥介質(zhì)回熱以及兩項技術(shù)相結(jié)合對于除濕率的影響。

2 干燥介質(zhì)旁通對除濕率的影響

對于干燥介質(zhì)溫度越來越高、濕度越來越低的狀況，嘗試采用干燥介質(zhì)旁通的方式加以緩解。干燥介質(zhì)旁通是使干燥介質(zhì)的一部分流經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕，另一部分則直接繞過蒸發(fā)器。采用焓濕圖對旁通技術(shù)條件下的降溫除濕過程進行分析，如圖2所示，開始干燥時，干燥箱出口干燥介質(zhì)處于狀態(tài)點2，并沿曲線2-3-S變化。由于流經(jīng)蒸發(fā)器的干燥介質(zhì)量減少，而要求除濕量不變，則流經(jīng)蒸發(fā)器的干燥介質(zhì)將降至更低的焓值，那么點S將位于點4的左側(cè)，然后，這部分干燥介質(zhì)與旁通的狀態(tài)點為2的干燥介質(zhì)相匯于點5，狀態(tài)點5與點4的濕度相同。根據(jù)除濕率的定義式（1），其中的冷量Δh應該是圖3中虛線2-5所對應的干燥介質(zhì)焓差。觀察圖2，很明顯地得到虛線2-5的斜率明顯小于實線2-4的斜率，根據(jù)斜率與除濕率互為倒數(shù)的關(guān)系式（8）得出，采用干燥介質(zhì)旁通后，系統(tǒng)整體除濕率得以提升。從能量守恒角度分析，采用旁通技術(shù)后，不必將全部干燥介質(zhì)冷卻至露點溫度以下再除濕，避免了蒸發(fā)器吸收大量的干燥介質(zhì)顯熱，其所提供的冷量只需滿足一部分干燥介質(zhì)的降溫除濕要求，干燥介質(zhì)與蒸發(fā)器交換的冷量越少，干燥介質(zhì)旁通流和主流混合后的焓值應越大，所以混合后狀態(tài)點5的焓值大于未采用旁通技術(shù)的狀態(tài)點4的焓值，從而相應的斜率減小。

圖2 旁通條件下干燥介質(zhì)焓濕值的變化過程

隨著過程的進行，當干燥箱出口干燥介質(zhì)狀態(tài)移動到點2′時，與在點2時經(jīng)歷相似的過程，即流經(jīng)蒸發(fā)器的干燥介質(zhì)狀態(tài)將沿曲線2′-3′-S′變化，且與旁通的干燥介質(zhì)相匯于點5′。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，混合后狀態(tài)點5′的焓值大于未采用旁通技術(shù)的狀態(tài)點4′的焓值，虛線2′-5′的斜率仍小于實線2′-4′。也就是說，采用旁通技術(shù)在干燥的整個過程中均可以提高系統(tǒng)除濕率。

由于降溫除濕過程線的斜率與除濕率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系，最大除濕率應出現(xiàn)在點劃線2-S或2′-S′與相對濕度φ=100%的等相對濕度線相切時，其相切的狀態(tài)點分別為點St或點St′，降溫除濕過程線對應于圖2中的點劃線2-5t或2′-5t′。為了提高除濕率，應盡可能地使點S或點S′分別落在具有更低濕度的點St或點St′附近，混合后狀態(tài)點5或點5′應分別落在具有更高焓值的點5t或點5t′附近。

Chua等[16]給出了采用干燥介質(zhì)旁通方式時的熱泵干燥系統(tǒng)部件布置，在此基礎(chǔ)上，基于對除濕率的控制要求，本文給出如圖3所示旁通閥控制策略：為使一部分干燥介質(zhì)繞過蒸發(fā)器，通常是將一段風管與蒸發(fā)器并聯(lián)，并通過其上閥門控制流經(jīng)該風管的干燥介質(zhì)流量。由于干燥介質(zhì)濕度越來越低，為了保證蒸發(fā)器總是能夠有效析出水分，旁通閥開度在整個過程中應逐漸增大，降溫除濕過程每一時刻都對應著一個最佳旁通閥開度，其值取決于系統(tǒng)獲得最大除濕率時旁通管道與主管道交匯處的狀態(tài)值，即對應于圖2中的點5t或點5t′的狀態(tài)值，此時交匯處達到最高焓值。根據(jù)干燥介質(zhì)焓值與溫度和濕度的相互關(guān)系，濕度確定后，溫度越高，其焓值也就越大，因此，采用以下策略確定最大除濕率條件下的旁通閥最佳開度：在管道交匯處的下游設置干燥介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)傳感器，將檢測信號傳遞給控制器，通過后者發(fā)出指令給執(zhí)行器調(diào)節(jié)旁通閥開度，以調(diào)節(jié)干燥介質(zhì)旁通流量，在滿足干燥介質(zhì)濕度的同時，通過微調(diào)盡量提高干燥介質(zhì)旁通流和主流混合后的溫度，從而除濕率趨近于最大值，旁通閥開度也調(diào)節(jié)至最佳，由于其實現(xiàn)了自動化，可以在整個干燥過程中方便地實現(xiàn)對旁通閥開度的連續(xù)控制。

圖3 旁通閥開度控制方法

3 干燥介質(zhì)回熱對除濕率的影響

為了應對干燥箱出口干燥介質(zhì)溫度較高、濕度較低造成的蒸發(fā)器難以實施有效除濕的狀況，在干燥介質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器之前設置回熱部件，預先降低干燥介質(zhì)焓值，并將所減少的焓通過回熱部件傳遞到已經(jīng)經(jīng)過蒸發(fā)器降溫除濕的干燥介質(zhì)中，這一方法稱之為干燥介質(zhì)回熱。

借助焓濕圖對干燥介質(zhì)在采用回熱技術(shù)后的除濕情況進行分析，如圖4所示。干燥箱出口干燥介質(zhì)依次流經(jīng)回熱器→蒸發(fā)器→回熱器后，其狀態(tài)變化過程為2→2A→3→4→5，如果忽略掉回熱器的熱損失，則線2-2A對應的焓差與線4-5對應的焓差應相等，即線2-5與線2A-4相平行，圖4中虛線2-5所對應的焓差即為蒸發(fā)器實際消耗的冷量，從圖4上可以看出，線2-5的斜率明顯小于線2-4的斜率。這是因為，干燥介質(zhì)經(jīng)過回熱器降溫后，在狀態(tài)點2A的基礎(chǔ)上進入蒸發(fā)器降溫除濕過程，顯然，蒸發(fā)器可以消耗更少的冷量來獲得同等的除濕量；與此同時，干燥介質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器后從狀態(tài)點4又被回熱器加熱到狀態(tài)點5，導致虛線2-5對應的冷量要小于實線2-4對應的冷量，從而使回熱技術(shù)能夠提高系統(tǒng)除濕率。

圖4 回熱條件下干燥介質(zhì)焓濕值的變化過程

當干燥過程繼續(xù)進行，狀態(tài)點2向狀態(tài)點1方向移動到點2′，此時，回熱器的換熱量相當于線2′-2A′或者線4′-5′的焓差，即線2′-5′與線2A′-4′相平行，蒸發(fā)器實際消耗的冷量則對應于虛線2′-5′的焓差，該線的斜率明顯小于未采用回熱技術(shù)時降溫除濕過程對應的實線2′-4′的斜率，因此，其除濕率更高?？梢酝茢啵诟稍锏恼麄€過程中，回熱器總是能夠起到提高系統(tǒng)除濕率的作用。

干燥介質(zhì)回熱可以采用全熱換熱回熱或者熱管換熱回熱兩種方式實現(xiàn)，其部件布置形式如圖5所示。兩種回熱方式的工作原理不同，前者采用間壁式換熱器，后者采用熱管式換熱器，但作用效果相同，均為使蒸發(fā)器前后的干燥介質(zhì)進行熱量交換，可以將兩種不同的回熱裝置統(tǒng)稱為回熱器。

圖5 熱泵干燥系統(tǒng)回熱方式

4 干燥介質(zhì)旁通與回熱聯(lián)合應用對除濕率的影響

圖6給出對應于干燥介質(zhì)旁通與回熱共同應用時干燥介質(zhì)焓濕值在系統(tǒng)中的變化情況，干燥介質(zhì)自干燥箱流出后，經(jīng)主流閥和旁通閥分流后，其中的一部分將依次流經(jīng)回熱器-蒸發(fā)器-回熱器，其狀態(tài)變化為點2→2A→3→S→SA→5，如果忽略回熱器的熱損失，則線2-2A對應的比焓差與線S-SA對應的焓差應相等，即線2A-S與線2-SA相平行。蒸發(fā)器實際消耗的冷量對應于圖6中虛線2-5所對應焓差，可以明顯看出該線的斜率與未采用旁通和回熱聯(lián)合應用技術(shù)的實線2-4的斜率相比更小，其原因可以用單獨采用兩項技術(shù)時的原因來解釋，這里不再贅述。這說明，在同時采用干燥介質(zhì)旁通和回熱后，系統(tǒng)除濕率得到進一步增大。當干燥過程繼續(xù)進行（狀態(tài)點2向狀態(tài)點1方向移動到點2′），可以得到：蒸發(fā)器實際輸出冷量對應于虛線2′-5′的焓差明顯小于未采用聯(lián)合應用技術(shù)時降溫除濕過程對應的實線2′-4′對應的焓差。也就是說，在干燥的整個過程中，干燥介質(zhì)旁通管道和回熱器的同時引入總是能夠起到提高系統(tǒng)除濕率的作用。

圖6 干燥介質(zhì)旁通與回熱聯(lián)合應用時干燥介質(zhì)狀態(tài)的變化過程

與單獨采用旁通技術(shù)時類似，對于系統(tǒng)獲得最大除濕率的情況：在干燥箱出口干燥介質(zhì)狀態(tài)點2和2′條件下，點劃線2A-St和2A′-St′與相對濕度φ=100%分別相切于點St和St′，并分別平行于點劃線2-SAt和2′-SAt′，對應于降溫除濕過程的點劃線2-5t和2′-5t′均達到其斜率的最小值，過程的除濕率則達到最大值。

圖7給出干燥介質(zhì)旁通與回熱同時應用時熱泵干燥系統(tǒng)蒸發(fā)器處回熱器與旁通管道及閥門的布置，此時，將旁通管道同時與蒸發(fā)器與回熱器并聯(lián)，即旁通的干燥介質(zhì)將同時繞過回熱器與蒸發(fā)器，其余部分干燥介質(zhì)則既流經(jīng)回熱器，又流經(jīng)蒸發(fā)器，在更大程度上起到降溫除濕的作用。當干燥介質(zhì)溫度提高而濕度下降時，與只采用旁通技術(shù)時相同，應適當減小干燥介質(zhì)旁通流量，從而降低降溫除濕過程對回熱器與蒸發(fā)器的冷量需求。此外，如圖7所示，與單獨采用旁通技術(shù)時相同，通過檢測干燥介質(zhì)主流和旁通流混合后的狀態(tài)參數(shù)值，并借助控制器發(fā)出指令給執(zhí)行器，實現(xiàn)對旁通閥開度的調(diào)節(jié)，從而在整個干燥過程中系統(tǒng)除濕率均能達到最大值。

圖7 干燥介質(zhì)旁通與回熱在熱泵干燥裝置上的聯(lián)合應用

干燥介質(zhì)旁通使部分干燥介質(zhì)繞開蒸發(fā)器，干燥介質(zhì)回熱使干燥介質(zhì)的部分焓繞開蒸發(fā)器，而二者同時應用不但使部分干燥介質(zhì)繞開蒸發(fā)器，而且也使其余干燥介質(zhì)的部分焓也繞開蒸發(fā)器，所以能夠同樣起到降低蒸發(fā)器除濕冷量、增大系統(tǒng)除濕率的作用。

5 結(jié)論

本文根據(jù)除濕率的定義，通過比較實際降溫除濕過程所對應的干燥介質(zhì)焓濕圖上焓值和濕度值變化過程線的斜率，其在數(shù)值上等于除濕率的倒數(shù)，對干燥介質(zhì)旁通、干燥介質(zhì)回熱以及兩項技術(shù)聯(lián)合應用對閉式熱泵干燥系統(tǒng)烘干具有干燥速率下降段的物料時的除濕率的影響進行了定性分析，并給出了系統(tǒng)采用以上技術(shù)手段時可供選擇的部件布置形式，以及采用干燥介質(zhì)旁通時系統(tǒng)達到最大除濕率的控制策略，最后，得出如下結(jié)論：干燥介質(zhì)旁通、干燥介質(zhì)回熱以及兩項技術(shù)聯(lián)合應用均能夠提高閉式熱泵干燥系統(tǒng)的除濕率，并且隨著干燥過程的進行，干燥介質(zhì)溫度升高、濕度降低后，仍然能夠促進除濕過程的進行?？梢酝ㄟ^改變干燥介質(zhì)旁通流量對除濕率大小進行調(diào)節(jié)，其最大除濕率所對應的降溫除濕過程線與100%等相對濕度線相切。

本論文由四川省科技廳重點研發(fā)項目《熱敏性熱泵干燥關(guān)鍵技術(shù)研究（項目編號：2018FZ0003）》支持完成。