循環(huán)風(fēng)量對(duì)串聯(lián)輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)的影響

王浩，武衛(wèi)東，呂婉豆，胡錕

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

烘干技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用制藥和科學(xué)研究等多種領(lǐng)域[1-2]，但是烘干操作本身也是一個(gè)復(fù)雜且高能耗的過(guò)程[3]。有數(shù)據(jù)顯示，許多國(guó)家主要能源的33%被用于工業(yè)干燥[4]，而工業(yè)生產(chǎn)中，12%以上的能源消耗來(lái)自于烘干過(guò)程產(chǎn)生的能耗[5]。近年來(lái)隨著我國(guó)“煤改電”和“煤改氣”政策的推廣和落實(shí)，熱泵烘干系統(tǒng)的研究成為烘干領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[6-10]。

現(xiàn)有的化工生產(chǎn)流水線上常用的是隧道式熱風(fēng)烘干[11]，熱風(fēng)的溫度通常要求在70 ℃左右，一般通過(guò)電加熱器實(shí)現(xiàn)，即在生產(chǎn)線中架設(shè)烘干通道，布置電加熱管、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，為干燥室提供高溫?zé)犸L(fēng)。這種烘干方式溫升快、使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本較低，但是其以電加熱的方式獲取干燥熱風(fēng)，空氣得到的熱量?jī)H為加熱量的70%～80%，能效比小于1[12]，運(yùn)行成本高；另外，干燥室排出的高溫潮濕廢氣會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成惡劣影響[13]。從能效比和規(guī)避廢氣排放的角度考慮，在化工生產(chǎn)流水線中，以閉式熱泵烘干系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的電加熱烘干系統(tǒng)是一種更優(yōu)的選擇[14]。

KIVEVELE等[15]提出封閉熱泵烘干系統(tǒng)比開(kāi)放系統(tǒng)有略高的性能系數(shù)（COP）和加熱能力。MINEA等[16]提出了一種雙蒸發(fā)器并聯(lián)烘干系統(tǒng)，包括兩個(gè)平行的干燥室且控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，該系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于蒸發(fā)器與兩股或多股氣流溫濕度的作用關(guān)系。CHUA等[17]對(duì)兩級(jí)蒸發(fā)熱泵烘干系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)從冷凝器流出的制冷劑分成兩路，一路經(jīng)高壓節(jié)流閥進(jìn)入高壓蒸發(fā)器，另一路經(jīng)低壓節(jié)流閥進(jìn)入低壓蒸發(fā)器，最終兩股制冷劑混合進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能有效提高干燥速率?？抡绽18]提出一種新的熱泵干燥裝置即雙壓縮機(jī)雙冷凝器熱泵干燥系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供不同的冷凝溫度，適用于需要不同熱源溫度的場(chǎng)合。周鵬飛等[19]從兩級(jí)壓縮系統(tǒng)出發(fā)提出了一種補(bǔ)熱干燥系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)主機(jī)室與干燥室進(jìn)行?損失分析，得出使用功率較大的蒸發(fā)風(fēng)機(jī)可減少冷凝水帶走的?。在理論研究方面，劉圣春等[20]介紹了帶輔助冷凝器的封閉式熱泵干燥系統(tǒng)，理論分析計(jì)算了系統(tǒng)中的變量(如干燥室進(jìn)出口空氣溫度和濕度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過(guò)熱度和過(guò)冷度等)對(duì)除濕能耗量(SMER)的影響。縱觀各類相關(guān)文獻(xiàn)，雖然學(xué)者們不斷嘗試在熱泵子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做一些改造，以提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，但是總體上系統(tǒng)較為復(fù)雜，初投資成本較大，不利于其在化工領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用推廣。

本文在前人基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的帶有串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)，并搭建了相應(yīng)性能試驗(yàn)臺(tái)。由于該系統(tǒng)運(yùn)行工況及烘干性能與循環(huán)風(fēng)量的大小存在緊密的耦合關(guān)系，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)著重研究了循環(huán)風(fēng)量對(duì)冷凝器出風(fēng)溫度、COP、單位時(shí)間除濕量和單位功耗除濕量的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為閉式熱泵烘干在工業(yè)方面的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供一定參考。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

圖1所示為本文設(shè)計(jì)的帶有串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)。系統(tǒng)以R134a作為制冷劑，壓縮機(jī)采用渦旋壓縮機(jī)，排氣量為14.4 m3/h，蒸發(fā)器和主冷凝器均為翅片式換熱器，節(jié)流機(jī)構(gòu)為熱力膨脹閥，風(fēng)機(jī)為軸流式風(fēng)機(jī)。由于制冷劑的循環(huán)過(guò)程中制熱量要大于其產(chǎn)生的制冷量，造成干燥介質(zhì)空氣在封閉循環(huán)中所吸收與排出的熱量不平衡，熱量積累和溫度不斷升高，因此本系統(tǒng)在主冷凝器的下游（空氣循環(huán)系統(tǒng)外部）串聯(lián)設(shè)置了一個(gè)輔助冷凝器（采用板式換熱器），將多余的熱量及時(shí)排出系統(tǒng)。該熱泵烘干系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上在單級(jí)壓縮基礎(chǔ)上只串聯(lián)了一個(gè)輔助冷凝器，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單且便于控制，干燥介質(zhì)完全封閉在循環(huán)通道中，運(yùn)行時(shí)不從環(huán)境中吸入空氣也不向環(huán)境排放高溫高濕的廢氣，既降低了環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，又改善了操作環(huán)境，同時(shí)因采用串聯(lián)輔助冷凝器還可為其它生產(chǎn)工藝提供熱水，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。

圖1 串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理：該系統(tǒng)分為熱泵子系統(tǒng)制冷劑循環(huán)和烘干子系統(tǒng)空氣循環(huán)兩個(gè)回路。對(duì)于制冷劑循環(huán)子系統(tǒng)：制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮增壓升溫，在主冷凝器內(nèi)與外界干燥介質(zhì)空氣進(jìn)行熱交換；制冷劑流經(jīng)輔助冷凝器與水進(jìn)行熱交換，排出系統(tǒng)多余熱量，并可產(chǎn)生一定溫度的熱水；制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后，到蒸發(fā)器中與干燥介質(zhì)進(jìn)行熱交換；之后又進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，形成循環(huán)。在烘干子系統(tǒng)中，干燥介質(zhì)空氣完全封閉在循環(huán)通道中，流經(jīng)主冷凝器時(shí)被加熱成70 ℃左右的高溫低濕空氣，之后進(jìn)入烘干室內(nèi)加熱物料使其脫去水分；吸收水分的循環(huán)空氣再經(jīng)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器降溫除濕，同時(shí)熱泵系統(tǒng)回收了水蒸汽的汽化潛熱，之后低溫低濕的空氣再次流經(jīng)主冷凝器被加熱成高溫空氣重新進(jìn)入烘干室烘干物料。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

圖1也為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置圖。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分兩部分：制冷劑側(cè)數(shù)據(jù)采集和空氣側(cè)數(shù)據(jù)采集。制冷劑側(cè)數(shù)據(jù)采集主要包括：壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓力和溫度，主冷凝器出口、蒸發(fā)器進(jìn)出口、節(jié)流閥進(jìn)出口的溫度和壓縮機(jī)功率?？諝鈧?cè)數(shù)據(jù)采集主要包括蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣的溫度和濕度，主冷凝器進(jìn)出口空氣的溫度，風(fēng)機(jī)功率以及循環(huán)風(fēng)的風(fēng)速；通過(guò)測(cè)量所得的風(fēng)速與系統(tǒng)風(fēng)道通風(fēng)面積即可求得循環(huán)風(fēng)量。所有的測(cè)量信號(hào)通過(guò)安捷倫數(shù)據(jù)采集儀導(dǎo)入電腦，并進(jìn)行采集記錄。系統(tǒng)所用的主要測(cè)量?jī)x器參數(shù)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與工況

實(shí)驗(yàn)方法如下：首先在烘干室內(nèi)放置待烘干的物料，關(guān)閉箱門(mén)，然后開(kāi)啟壓縮機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)蒸發(fā)器下方的水箱中不再有水排出時(shí)，且蒸發(fā)器出口的濕度傳感器數(shù)值不再變化時(shí)，表示系統(tǒng)中的空氣不再析濕，即被烘干的物品已被烘干。為了精確測(cè)量烘干過(guò)程中單位時(shí)間除濕量，在蒸發(fā)器下方安裝的水箱出口放置接水量具，并使用高精度電子秤稱量冷凝水量。

本文所有實(shí)驗(yàn)均是在保證烘干室進(jìn)風(fēng)濕度一定以及輔助冷凝器的冷卻水量和冷卻水的進(jìn)水溫度一定、只改變循環(huán)風(fēng)量的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)利用恒溫水槽控制進(jìn)水溫度，利用高精度計(jì)量泵控制進(jìn)水量，以確保實(shí)驗(yàn)工況條件的一致性。循環(huán)風(fēng)量的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率旋鈕，進(jìn)而控制循環(huán)風(fēng)風(fēng)速實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)初試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量小于640 m3/h時(shí)，排氣壓力超過(guò)3 MPa，排氣溫度超過(guò)115 ℃，這對(duì)于系統(tǒng)而言是不利的。為了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，本文選定723.3 m3/h、683.1 m3/h、642.6 m3/h這3組風(fēng)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表2為本文實(shí)驗(yàn)工況條件。

表1 測(cè)量?jī)x表具體信息

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2.3 主要性能指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)帶有串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)的性能，本文采用下述三個(gè)指標(biāo)。

1）單位時(shí)間除濕量G

單位時(shí)間除濕量是指單位時(shí)間內(nèi)，從密閉空間的空氣中，除去的水分的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)稱重法測(cè)量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的排水量，以此換算得以kg/h為單位的單位時(shí)間除濕量。

2）系統(tǒng)能效比COP

系統(tǒng)COP是評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，本系統(tǒng)的收益包括來(lái)自于冷凝器排放于循環(huán)空氣的熱量以及蒸發(fā)器向循環(huán)風(fēng)吸收的熱量（制冷量），系統(tǒng)功率消耗包括壓縮機(jī)耗功和循環(huán)風(fēng)機(jī)功耗。COP計(jì)算如式(1)：

式中：

P0——系統(tǒng)功耗，kW；

QX——系統(tǒng)換熱量，kW，包括主冷凝器的制熱量Qcr和蒸發(fā)器的制冷量Qer。

式中：

wr——系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)速，m/s；

ρr——空氣密度，kg/s；

qf——循環(huán)風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；

hAr——蒸發(fā)器出口/冷凝器進(jìn)口空氣焓值，kJ/kg；

hBr——冷凝器出口空氣焓值，kJ/kg；

hCr——蒸發(fā)器進(jìn)口空氣焓值，kJ/kg；

0.47 ×0.2375——風(fēng)道截面尺寸，m2；

ps——飽和水蒸氣壓力，Pa；

Pa——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；

d——空氣中絕對(duì)含濕量，g/kg；

h——空氣的焓值，kJ/kg。

3）單位能耗除濕量SMER

單位能耗除濕量SMER是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的另一重要指標(biāo)，其定義為每消耗1 kW…h(huán)的輸入能量所除去的系統(tǒng)內(nèi)濕量。

2.4 主要性能指標(biāo)的誤差分析

系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有單位時(shí)間除濕量、COP和單位能耗除濕量SMER，這些指標(biāo)的誤差可以由誤差傳遞公式來(lái)計(jì)算，如公式(9)和(10)[21]。式中R表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果與各儀器直接測(cè)量的數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系，Xi表示第i個(gè)誤差分量，δR/R表示最大相對(duì)誤差。

根據(jù)式(1)～式(10)可計(jì)算出，單位時(shí)間除濕量的最大相對(duì)誤差為0.03%，COP的最大相對(duì)誤差為2.27%，SMER的最大相對(duì)誤差為0.57%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)風(fēng)量對(duì)冷凝器出風(fēng)溫度的影響

圖2顯示了不同循環(huán)風(fēng)量下蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口空氣溫度和冷凝溫度的變化。圖中主冷凝器進(jìn)口空氣溫度與蒸發(fā)器出口空氣溫度為同一溫度測(cè)點(diǎn)，兩條溫度曲線重合?？梢钥闯?，當(dāng)循環(huán)風(fēng)量為642.6 m3/h時(shí)，冷凝器出風(fēng)溫度為70.0 ℃，而隨著循環(huán)風(fēng)量的增大，冷凝器出風(fēng)溫度逐漸降低。這是因?yàn)殡S著循環(huán)風(fēng)量的增加，強(qiáng)化了蒸發(fā)器與空氣的換熱，提高了蒸發(fā)器換熱系數(shù)，蒸發(fā)器的制冷量增加，導(dǎo)致蒸發(fā)器出口風(fēng)溫降低，即主冷凝器進(jìn)口空氣溫度隨風(fēng)量的增加而降低。同時(shí)隨著循環(huán)風(fēng)量的增加，主冷凝器空氣側(cè)的換熱能力增強(qiáng)，則主冷凝器制熱量有所增加，冷凝溫度降低。但由于制熱量增加的幅度小于風(fēng)量增加的幅度，導(dǎo)致主冷凝器出口風(fēng)溫差變小，進(jìn)而導(dǎo)致主冷凝器出口風(fēng)溫隨風(fēng)量增加而呈降低趨勢(shì)。

3.2 循環(huán)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)能效比COP的影響

圖3顯示了不同循環(huán)風(fēng)量下系統(tǒng)功耗、系統(tǒng)換熱量和COP的變化?？梢钥闯觯S著循環(huán)風(fēng)量增大，系統(tǒng)功耗略有上升，系統(tǒng)的換熱量和COP都呈增大趨勢(shì)。壓縮機(jī)功耗基本不變（壓縮機(jī)功耗由功率計(jì)測(cè)量所得），而循環(huán)風(fēng)量的增加導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率變大，因此系統(tǒng)總功耗略有上升。系統(tǒng)的換熱量包括主冷凝器的制熱量和蒸發(fā)器的制冷量，隨著循環(huán)風(fēng)量的增加，空氣側(cè)的傳熱系數(shù)變大，導(dǎo)致蒸發(fā)器的制冷量和系統(tǒng)制熱量均有所增加。由圖3可以看出，換熱量的增幅明顯大于系統(tǒng)功耗的增幅，因此COP隨循環(huán)風(fēng)量增加呈增大趨勢(shì)。

圖2 不同循環(huán)風(fēng)量下蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出風(fēng)溫度和 冷凝溫度的變化

圖3 不同循環(huán)風(fēng)量下系統(tǒng)功耗、系統(tǒng)換熱量和COP的變化

3.3 循環(huán)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)單位時(shí)間除濕量和單位能耗除濕量的影響

圖4顯示了不同循環(huán)風(fēng)量下單位時(shí)間除濕量和單位能耗除濕量（SMER）的變化。可以看出，系統(tǒng)的單位時(shí)間除濕量隨著循環(huán)風(fēng)量的增加先增加后減小，在中間風(fēng)量683.1 m3/h時(shí)取得最大值，為3.59 kg/h。這是因?yàn)橐婚_(kāi)始增加風(fēng)量，循環(huán)介質(zhì)與物料的熱濕交換變好，物料表面更多的液滴汽化成水蒸氣而隨循環(huán)介質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器表面析出，因此系統(tǒng)單位時(shí)間除濕量上升；進(jìn)一步增加風(fēng)量，由于風(fēng)速過(guò)大，部分從蒸發(fā)器表面析出的冷凝水在滴入接水盤(pán)之前便被循環(huán)風(fēng)帶走而在經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)受熱變?yōu)樗魵庠俅芜M(jìn)入循環(huán)空氣，從而導(dǎo)致系統(tǒng)單位時(shí)間除濕量下降。系統(tǒng)SMER隨著風(fēng)量的增加而減小，系統(tǒng)在風(fēng)量642.6 m3/h時(shí)取得最大的SMER為0.5170 kg/(kW…h(huán))。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間除濕量雖然先增大后減小，但其變化幅度并不是很大，而因系統(tǒng)總功耗有所增加，系統(tǒng)的SMER呈減小趨勢(shì)。

圖4 不同循環(huán)風(fēng)量下單位時(shí)間除濕量和SMER的變化

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種帶有串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)，以冷凝器出風(fēng)溫度、系統(tǒng)能效比COP、單位時(shí)間除濕量和單位能耗除濕量為指標(biāo)，研究了循環(huán)風(fēng)量對(duì)串聯(lián)式輔助冷凝器的閉式熱泵烘干系統(tǒng)的影響，得出以下結(jié)論：

1）隨著循環(huán)風(fēng)量的增加，空氣側(cè)換熱能力增強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)換熱量增加，蒸發(fā)器制冷量變大；蒸發(fā)器出口空氣溫度（即冷凝器進(jìn)口空氣溫度）降低，冷凝溫度降低，冷凝器出口風(fēng)溫減??；

2）在一定范圍內(nèi)，隨著循環(huán)風(fēng)量的增加，壓縮機(jī)功耗基本不變，但風(fēng)機(jī)功耗上升，導(dǎo)致系統(tǒng)總功耗略有上升，而系統(tǒng)換熱量的增幅大于系統(tǒng)功耗的增幅，系統(tǒng)能效比COP呈增大趨勢(shì)；

3）在本文工況下，系統(tǒng)的單位時(shí)間除濕量隨著風(fēng)量的增加先增大后減小，在風(fēng)量為683.1 m3/h時(shí)，單位時(shí)間除濕量取得最大值，為3.59 kg/h；系統(tǒng)單位能耗除濕量SMER隨著風(fēng)量的增加而減小，系統(tǒng)在風(fēng)量為642.6 m3/h時(shí)取得最大值。