閉式熱泵干燥系統(tǒng)的除濕特性試驗

曾文良 陳柏霖 陳 萱 揭雪飛

(廣東輕工職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510300)

干燥普遍存在于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活之中，是一項較高能耗的單元操作過程，在工業(yè)過程中約占過程能耗的4%～35%(化學工業(yè)約4%，造紙工業(yè)約35%)[1-2]，在西方發(fā)達國家中占全社會總能耗的9%～25%[2-3]，因此對干燥系統(tǒng)及其節(jié)能的研究具有十分重要的社會和經(jīng)濟價值。

早在20世紀40年代，德國工程師就提出熱泵干燥技術并獲得相應專利，但真正應用始于20世紀的第二次石油危機之后。相比于傳統(tǒng)的熱風干燥，熱泵干燥具有節(jié)能、綠色環(huán)保和干燥溫度低等特點，促使其應用范圍廣泛且形式多樣。近些年隨著節(jié)能與環(huán)保要求的提高，開式和半開半閉熱泵干燥循環(huán)系統(tǒng)將逐步退出應用，而閉式熱泵干燥系統(tǒng)即將成為主流，特別是在農(nóng)林產(chǎn)品、食品加工、環(huán)境保護和生物制藥等領域表現(xiàn)尤為突出。

熱泵干燥系統(tǒng)的研究主要在兩個方面，一是應用基礎理論研究，主要通過熱力學分析[4-5]和數(shù)值模擬[6-7]的方法，探索熱泵干燥中的參數(shù)優(yōu)化等[8-9]，為熱泵應用設計提供適當?shù)睦碚撘罁?jù)；二是具體的應用研究，主要通過試驗，探索適用不同干燥物料的工藝參數(shù)[10-12]、操作條件[13-14]、優(yōu)化控制與設計方案[15-16]等。前期研究盡管有大量有益的研究成果，為熱泵干燥技術應用提供眾多有益的參考。但由于閉式熱泵系統(tǒng)中物料在干燥過程中的狀態(tài)參數(shù)(溫度、濕度、含濕量)變化較大，對于如何優(yōu)化閉式干燥系統(tǒng)的整體參數(shù)，最大限度同時滿足干燥工藝條件和干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量(SMER)，迫切需要尋找熱泵干燥系統(tǒng)在不同的工作參數(shù)條件下的SMER的變化規(guī)律，從而實現(xiàn)閉式熱泵干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設計及系統(tǒng)控制。研究擬通過試驗方法來探索閉式熱泵干燥過程中空氣流量、相對濕度、熱管回熱器等對系統(tǒng)SMER的變化規(guī)律，以期達到對閉式熱泵干燥性能優(yōu)化設計、控制和應用提供有力的支撐。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置與流程如圖1所示，設計了一個4 000 mm×2 500 mm×2 700 mm(長×寬×高)的干燥室，干燥室設置有獨立的內(nèi)置循環(huán)風道和相應的循環(huán)風機，系統(tǒng)設計參照曾文良等[17]的方法，試驗過程中將熱泵冷凝器作為分機單獨安裝在循環(huán)風道內(nèi)，冷媒通過連管直接連通主機，并由循環(huán)風機供風，風機的主要參數(shù)見表1。

熱泵主機(帶獨立控制的風機)設置在干燥區(qū)域的回風區(qū)域，采用谷輪熱泵專用壓縮機，其型號為ZR61KC-PFJ，排氣量為14.37 m3/h，ARI工況下的制冷量和輸入功率分別為14.60，4.43 kW；系統(tǒng)采用熱力膨脹閥為主，并輔以手動截止閥進行蒸發(fā)溫度的調(diào)節(jié)；熱管為重力自返回熱管，傳熱介質(zhì)為R22，在熱管中間設置獨立的手動截止閥，以便控制熱管使用，進行試驗對比。

1. 回風口 2. 熱管沸騰段(高溫) 3. 蒸發(fā)器 4. 壓縮機系統(tǒng) 5. 熱管冷凝段(低溫) 6. 主機風機 7. 主機分機連管 8. 冷凝器(分機) 9. 循環(huán)風機 10. 循環(huán)風道 11. 排熱排濕風門 12. 干燥物料及支架 ①～⑤. 溫濕度測量位置與編號

表1 風機的主要參數(shù)

1.2 試驗方法

1.2.1 測量控制方法

(1) 溫濕度的測量：干燥介質(zhì)溫度和濕度采用TH10R-EX溫濕度測試儀在線測量，分別在主機回風口、熱管沸騰段與蒸發(fā)器之間、蒸發(fā)器之后、熱管冷凝段之后、冷凝器(分機)之后5個位置檢測空氣的溫濕度，具體位置見圖1中的①～⑤。

(2) 空氣流量的測定與控制：① 主機流量。系統(tǒng)正常，不同風機電機頻率下，在回風口均勻布置了6個測量位置，用熱線風速儀測量其風速并取平均值，處理轉化為頻率—流量曲線，試驗中通過控制風機的頻率來控制空氣的流量。② 冷凝器流量。冷凝器的流量測試方法與主機流量一致，試驗中冷凝器空氣質(zhì)量流量(干基)維持在2.0～2.2 kg/s。

(3) 電功率的測量：直接用功率表測量讀數(shù)而得，該數(shù)據(jù)不包含循環(huán)風扇的電機功率。

(4) 濕度的控制：在物料區(qū)域設置由廢舊紙板代替濕物料，通過加飽和水蒸氣來控制濕度的濕源。蒸汽來自于電熱鍋爐，壓力控制在0.01 MPa(表)。

(5) 溫度的控制：通過控制排熱排濕風門的開度實施，在干燥室的兩側設置有多個均勻的小孔，以便外界空氣進入系統(tǒng)，干燥箱內(nèi)維持其壓強控制在5～-5 Pa(表)。

(6) 蒸發(fā)溫度的控制：手動截止閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和過熱度。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法 試驗中空氣的壓力維持在101.3 kPa 不變，故空氣的濕度和焓可以分別計算為：

(1)

Hi=(1.01+1.88hi)×ti+2 500×hi，

(2)

式中：

hi——該狀態(tài)下空氣的絕對濕度，kg/kg干空氣；

Hi——該狀態(tài)下空氣的焓，kJ/kg干空氣；

φi——空氣的相對濕度，%；

ti——空氣的溫度，℃。

空氣的質(zhì)量流量(干基)，SMER的計算：

(3)

SMER=[3 600×(h1-h3)×qm]/P，

(4)

式中：

qm——該狀態(tài)下空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

qV——該狀態(tài)下空氣的體積流量，m3/s；

SMER——單位能耗除濕量，kg/(kW·h)；

ρh——濕空氣的密度，kg/m3；

P——主機功率(不含循環(huán)風扇)，kW。

2 結果與討論

2.1 空氣流量的影響

恒定空氣溫度為50 ℃，且分別保持相對濕度為30%，50%，70%的條件下，改變不同的空氣流量，熱泵干燥系統(tǒng)在無熱管和有熱管條件下的SMER的變化關系曲線分別見圖2、3。從圖2可以看出，在沒有熱管回熱作用的情況下，系統(tǒng)的SMER隨流量的增加而減小，當φ=70%，流量為0.15 kg/s時，系統(tǒng)的SMER最高約為3.3，而當流量升高至0.8 kg/s時，SMER降低至2.5，φ=50%和φ=30%的SMER變化趨勢與上述基本一致；至于進一步降低空氣流量，系統(tǒng)的SMER值是否會出現(xiàn)最大值，由于當空氣流量降低至0.15 kg/s以下時，對應換熱器的迎面風速將降至0.3 m/s以下，此時傳熱效果將急劇惡化，因此試驗未進一步探索更低流量下的SMER性能參數(shù)變化；比較圖2中3條曲線，可以發(fā)現(xiàn)φ越小，SMER的變化曲線的斜率越大，也就是SMER減小的幅度越大；在φ=30%且流量接近0.70 kg/s時，系統(tǒng)的SMER值接近于0，說明如果繼續(xù)加大空氣流量，將無法除濕。

理論上，空氣進入熱泵系統(tǒng)，首先是溫度降低，其放出的是顯熱，只有當溫度降低至空氣露點溫度以下時，才開始有液態(tài)水析出，總體上說熱泵的制冷量是一定的，如果空氣顯熱過多，其潛熱就不足，除濕量自然減小，因此采用除濕效率[8]能夠更好解釋上述試驗結果。除濕效率(ε)的定義為：ε=除濕潛熱量/總制冷量，通過簡化可表達為：

(5)

圖2 干空氣流量對無熱管熱泵干燥系統(tǒng)單位

圖3 干空氣流量對有熱管熱泵干燥系統(tǒng)單位

由圖3可以看出，在具有熱管回收余冷的前提下，隨著空氣流量的增大，系統(tǒng)的SMER先增大，達到最大值以后將逐漸減小，因此其具有一個最佳的空氣流量值，從而使得系統(tǒng)的SMER達到最大，而且φ越低，SMER的最大趨勢越明顯；隨著流量的增大，SMER值經(jīng)歷了最大之后是一直下降的，且下降的趨勢與無熱管情況下基本一致，當φ=70%時，流量對SMER的影響較小，流量為0.15 kg/s 和0.80 kg/s，SMER分別為3.90和3.55，僅僅下降8.9%，而在φ=30%時，對應的SMER分別為2.50和0.82，SMER下降達79.2%，說明若要提高閉式熱泵干燥系統(tǒng)的除濕效率，干燥操作時的相對濕度不能過低。

比較圖3與圖2可以看出，在相同的工況下，熱管的應用將使得SMER大幅提高，在φ=70%，流量為0.15 kg/s，SMER比無熱管提高了18.8%，而在φ=30%，流量為0.6 kg/s，SMER提高了約2倍以上，隨著流量的增大，提高更加明顯，說明采用熱管回收系統(tǒng)余冷，對節(jié)能價值非常明顯，特別是在較低的相對濕度條件下，這種節(jié)能效果更加突出。綜合來說，采用熱管換熱器的前提下，維持熱泵的空氣流量在0.2～0.4 kg/s比較合適，但是應該綜合考慮溫度和相對濕度的共同影響，尤其是相對濕度的影響。

2.2 相對濕度的影響

根據(jù)前述的研究結果，恒定空氣流量為0.35 kg/s，且分別恒定t=45 ℃和t=55 ℃條件下，閉式熱泵干燥系統(tǒng)在有、無熱管的條件下，φ的變化對SMER的影響曲線分別見圖4、5。比較圖4和圖5看出，無論是有、無熱管情況下，系統(tǒng)的SMER是隨著相對濕度升高而增大的，且基本是呈線性上升；比較不同溫度下φ對SMER的影響，無熱管時，φ從25%升高至75%，t=45 ℃和t=55 ℃，SMER升高幅度基本一致且維持在260%～270%，而有熱管時，SMER大約提高了220%～240%，說明φ的變化對無熱管系統(tǒng)更加敏感。

圖4 空氣相對濕度對無熱管熱泵干燥系統(tǒng)

圖5 空氣相對濕度對有熱管熱泵干燥系統(tǒng)

3 結論

(1) 文章系統(tǒng)地對空氣流量、相對濕度及有無熱管對閉式熱泵干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量的影響進行了試驗，結果亦與部分文獻數(shù)值模擬結果相吻合，并揭示出在恒定溫度和相對濕度且有熱管條件下，系統(tǒng)的單位能耗除濕量將隨著流量變化有一個最大值，最佳空氣流量大約在0.2～0.4 kg/s。

(2) 相同的工況下，熱管的應用使系統(tǒng)單位能耗除濕量大幅提高，提高幅度在20%～200%，流量越大，單位能耗除濕量的提高幅度越大，相對濕度越小，單位能耗除濕量的提高幅度越大，溫度對單位能耗除濕量的提高幅度相對較小。

(3) 恒定空氣流量(干基)為0.35 kg/s，系統(tǒng)的單位能耗除濕量隨著相對濕度的升高而增大，在試驗范圍內(nèi)，單位能耗除濕量的提高幅度在220%～280%。盡管相對濕度的變化對系統(tǒng)單位能耗除濕量的影響大，但在實際干燥過程中，如何選擇合適的相對濕度應根據(jù)物料脫濕的內(nèi)在物理機制而定，如何使得干燥速度和系統(tǒng)能效達到最佳匹配將對閉式熱泵干燥系統(tǒng)具體應用起到重要的作用，有待在后續(xù)論文中進一步分析。