一種新型熱泵在掛面干燥中的優(yōu)化研究

楊明佳 劉雄 鐘佳伶

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

目前我國(guó)掛面年產(chǎn)量約 330 萬噸，產(chǎn)生效益 108億元左右，有 生產(chǎn)線的企業(yè)超過 5000 家，并 且呈逐年上升趨勢(shì)，市 場(chǎng)規(guī)模很大[1]。掛面生產(chǎn)加工的能源消耗中掛面烘干的能耗占很大比例，約 為60%左右。因 此掛面烘干環(huán)節(jié)的能源節(jié)約是降低掛面成本的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的掛面干燥技術(shù)，供 熱設(shè)備熱效率低，熱 利用率不高[2]，探 究如何減少掛面干燥過程中的能量消耗對(duì)掛面加工生產(chǎn)過程中降低成本、節(jié) 能減排具有重要意義。

目前市場(chǎng)上存在的應(yīng)用于掛面烘干的熱泵干燥系統(tǒng)存在諸多問題，比 如：低 負(fù)荷條件下無法滿足制熱需求。制冷劑在冷凝器中存在積液現(xiàn)象。直接用輔助電加熱，浪 費(fèi)能源，降 低系統(tǒng)的性能。本文通過分析熱泵干燥系統(tǒng)的不足以及掛面烘干負(fù)荷的特點(diǎn)提出兩種優(yōu)化方案，并 對(duì)兩種優(yōu)化方案中的系統(tǒng)性能進(jìn)行計(jì)算、分 析、比 較，得 出更優(yōu)的應(yīng)用于掛面的熱泵干燥系統(tǒng)形式。

1 烘房負(fù)荷的確定

賈紅林[3]等 人對(duì)西安地區(qū)冬夏季的掛面烘干負(fù)荷進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算。掛面烘干分為三個(gè)干燥階段，各 階段參數(shù)如表1 所示[4-7]。

表1 掛面烘干各干燥階段參數(shù)要求

掛面烘房的設(shè)計(jì)以單次干燥 500 kg 濕掛面為例進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，掛 面烘房的尺寸為：8.25 m（長(zhǎng)）× 5 .55 m（寬）× 4 .2 m（高）。材 料為彩鋼板夾保溫材料。烘 房三個(gè)干燥階段的送風(fēng)量分別為 14113 m3/ h、16340 m3/ h、11761 m3/ h。使用 ANSYS 熱分析軟件，采 用有限元法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱情況進(jìn)行模擬分析，得 到冬夏季烘房負(fù)荷的變化曲線如圖1 所示。

圖1 冬夏季烘房負(fù)荷變化曲線圖

圖1 為冬夏季烘房負(fù)荷變化曲線，夏 季烘房負(fù)荷在 109 min 時(shí)最大，為 13.347 kW，在 第 259 min 時(shí)負(fù)荷最小為冷負(fù)荷，值 為 -6.839 kW。冬季烘房負(fù)荷在第109 min 時(shí)最大，為 15.378 kW。在 第259 min 時(shí)負(fù)荷最小為冷負(fù)荷，值 為-5.637 kW。

2 改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)形式與性能分析

優(yōu)化方案一是改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)形式，通 過優(yōu)化系統(tǒng)的流程來提高熱泵干燥系統(tǒng)的整體性能。

2.1 系統(tǒng)流程

如圖2 所示，系統(tǒng)中室外換熱器會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)行要求起到輔助冷凝器或者輔助蒸發(fā)器的作用。兩個(gè)四通換向閥可以根據(jù)需求靈活切換制冷劑的流向，具體可以實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)階段烘干要求。

圖2 改進(jìn)后的新型熱泵干燥系統(tǒng)圖

2.1.1 烘房預(yù)熱階段

冬季掛面干燥在預(yù)干燥階段之前，需 要將烘房?jī)?nèi)的空氣預(yù)熱，該 階段不除濕。此時(shí)再熱器是冷凝器，冷卻器不工作且處于蒸發(fā)壓力下，室 外換熱器是蒸發(fā)器。制冷劑流程為1-2-g-3-4-8-7-e-1。

2.1.2 烘房預(yù)冷階段

夏季掛面干燥在預(yù)干燥階段之前，需 要對(duì)烘房?jī)?nèi)的空氣進(jìn)行預(yù)冷，該 過程中再熱器、冷 卻器都是蒸發(fā)器，室 外換熱器是冷凝器。制冷劑流程如下：

第一路：1-2-b-7-8-6-5-1

第二路：1-2-b-7-8-4-3-d-1

2.1.3 正式干燥階段

掛面在進(jìn)入正式干燥階段，當(dāng) 系統(tǒng)放出的熱量多于掛面干燥所需要的熱量時(shí)，需 將系統(tǒng)運(yùn)行中多余熱量排向室外。此時(shí)，冷 卻器是蒸發(fā)器，用 于除濕。再熱器是冷凝器，室外換熱器也是冷凝器。制冷劑的流程如下：

第一路：1-2-b-7-8-6-5-1

第二路：1-2-g-3-4-6-5-1

當(dāng)系統(tǒng)的冷凝熱不能滿足掛面干燥所需要的熱量時(shí)，需 要從室外提取熱量，以 滿足工藝要求。此時(shí)，再熱器是冷凝器，冷 卻器是蒸發(fā)器，室 外換熱器處于蒸發(fā)壓力下，不工作或從室外空氣中吸熱。制冷劑流程如下：

第一路：1-2-g-3-4-6-5-1

第二路：1-2-g-3-4-8-7-e-1

2.2 優(yōu)化后的熱泵干燥系統(tǒng)性能分析

2.2.1 熱泵干燥系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文主要選擇熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP、單 位能耗除濕量SMER 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能[8,9]。

熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)為熱泵系統(tǒng)的制熱量和所消耗的驅(qū)動(dòng)能量之比，一 般用COP 表示，寫 成公式為

式中：Qc— 熱泵系統(tǒng)的制熱量，kW；W—熱泵的消耗功率，k W。

單位能耗除濕量定義為消耗單位能量所除去物料中的水分量，該 指標(biāo)是反映熱泵干燥裝置綜合性能的主要指標(biāo)，一 般用 SMER 表示，其 公式為：

式中：Md e— 從物料中除去水分的質(zhì)量，kg；τ— 干燥時(shí)間，h。

2.2.2 系統(tǒng)性能模擬結(jié)果分析

將各部件的系統(tǒng)仿真模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各個(gè)干燥階段的參數(shù)值輸入MATLAB 軟件運(yùn)行，得出數(shù)值進(jìn)行分析。

如圖 3 所示，熱 泵干燥掛面過程中，夏 季干燥階段的系統(tǒng) COP 都大于冬季干燥階段，夏季系統(tǒng)平均COP 為 4.31，冬季系統(tǒng)平均 COP 為 4.01。夏季平均COP 比冬季高7.5%。

圖3 冬夏季干燥階段的系統(tǒng)COP

如圖4 所示，夏 季干燥階段的系統(tǒng) SMER 都大于冬季干燥階段。夏季的平均 SMER 為2.89，冬 季平均SMER 為2.79。夏季平均SMER 比冬季高3.6%。

圖4 冬夏季干燥階段的系統(tǒng)SMER

3 定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)最優(yōu)組合方案確定

優(yōu)化方案二是使用定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)形式，根 據(jù)烘房負(fù)荷變化曲線，烘 房的負(fù)荷變化范圍大。如果使用最大負(fù)荷確定壓縮機(jī)的頻率，會(huì)造成系統(tǒng)能源浪費(fèi)而且很難滿足小負(fù)荷條件下系統(tǒng)高效運(yùn)行。通過變頻壓縮機(jī)，可以根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)整壓縮機(jī)的頻率，很 好的滿足不同負(fù)荷下烘房的干燥要求，并 減少能源浪費(fèi)。

3.1 一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)

根據(jù)冬夏季烘房負(fù)荷的變化曲線，進(jìn) 入正式干燥階段，只 有6%的時(shí)間段負(fù)荷值是大于7.5 kW 的。其 他負(fù)荷都在 7.5 kW 到 -6.84 kW 之間，所以考慮使用一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行模式。

3.1.1 一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)是由一個(gè)變頻系統(tǒng)和一個(gè)定頻系統(tǒng)組成。兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)荷變化，實(shí) 現(xiàn)單系統(tǒng)運(yùn)行和雙系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的模式。系統(tǒng)圖如圖5 所示。

圖5 一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)

3.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

設(shè)定的定頻系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷都為7.5 kW。當(dāng)烘房干燥掛面的負(fù)荷小于7.5 kW 時(shí)，只 運(yùn)行變頻系統(tǒng)。當(dāng)烘房干燥掛面負(fù)荷大于7.5 kW 時(shí)，定頻系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。定頻系統(tǒng)承擔(dān)烘房負(fù)荷的7.5 kW 部分，變頻系統(tǒng)承擔(dān)烘房負(fù)荷多于 7.5 kW的部分。

3.2 兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)

使用一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)，在 整個(gè)330 min 的干燥時(shí)間內(nèi)，只 有主干燥階段的夏季 94 min 到 112 min 之間，冬 季 93 min 到113 min 之間是定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行，剩下的都為變頻熱泵干燥系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，定 頻系統(tǒng)不工作，這 樣不能充分利用定頻系統(tǒng)。此外冬夏季烘房負(fù)荷60%以上的數(shù)值都是小于 4.5 kW，如果用 7.5 kW 來對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行選型，又 會(huì)造成能源浪費(fèi)，系 統(tǒng)性能偏低等問題。所以考慮用兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。

3.2.1 兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)是由兩個(gè)定頻系統(tǒng)和一個(gè)變頻系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，一個(gè)定頻和一個(gè)變頻系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行三種運(yùn)行模式。系 統(tǒng)圖如圖6 所示。

圖6 兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)圖

3.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案

兩個(gè)定頻熱泵干燥系統(tǒng)分別承擔(dān)4.5 kW 的負(fù)荷，變頻系統(tǒng)最大承擔(dān) 5 kW 的負(fù)荷。對(duì)于冬夏季整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)中負(fù)荷大于4.5 kW 且小于 9 kW 部分，聯(lián)合運(yùn)行一個(gè)定頻和一個(gè)變頻系統(tǒng)。對(duì)于負(fù)荷值大于9 kW 的部分聯(lián)合運(yùn)行兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻系統(tǒng)。對(duì) 于負(fù)荷值小于4.5 kW 的部分，則 只單獨(dú)運(yùn)行變頻系統(tǒng)。

3.3 定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)性能分析

當(dāng)變頻壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其 性能相當(dāng)于一個(gè)在相同頻率下運(yùn)行的定速壓縮機(jī)。因此，變 頻壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可以離散為無窮多個(gè)與不同頻率相對(duì)應(yīng)的定速壓縮機(jī)，本 文使用圖形法對(duì)變頻壓縮機(jī)進(jìn)行建模，圖 形法的基礎(chǔ)是壓縮機(jī)制造廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線。本 文選用三菱變頻壓縮機(jī)RHV207FEM，基 頻為60Hz，當(dāng) 質(zhì)量流量為0 時(shí)，對(duì) 應(yīng)的零頻率為8.06Hz，頻率可調(diào)節(jié)的范圍為 9.68～120Hz。冷凝的溫度則為54.4 ℃，蒸 發(fā)溫度為7.2 ℃。具體參數(shù)如表2[10]所示。

表2 壓縮機(jī)的仿真模擬系數(shù)

3.3.1 變頻壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型

已知特定的變頻壓縮機(jī)模擬參數(shù)，便 可以計(jì)算出壓縮機(jī)的基頻，以 及基頻下對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)的質(zhì)量流量和輸入功率，其 他頻率下的壓縮機(jī)質(zhì)量流量和輸入功率與基頻下的各量存在比列關(guān)系，且 比列關(guān)系僅與壓縮機(jī)的頻率有關(guān)，與 蒸發(fā)溫度冷凝溫度等都無關(guān)[11]。具體公式如下：

1）基 頻下制冷劑質(zhì)量流量和壓縮機(jī)輸入功率的計(jì)算公式

式中：M0*— 基頻下制冷劑的質(zhì)量流量，kg/h；P0*— 基頻下壓縮機(jī)輸入功率，W ；Tc— 基頻下系統(tǒng)的冷凝溫度，℃ ；Te— 基頻下系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，℃ 。

2）制 冷劑質(zhì)量流量與變頻壓縮機(jī)頻率之間的關(guān)系

式中：M0— 不同頻率下的制冷劑質(zhì)量流量，kg/h；f— 變頻壓縮機(jī)的頻率，H z；f0—變頻壓縮機(jī)的零頻率，值為9.68Hz；f*— 基頻，值 為60Hz；C—公式參數(shù)取7.85。

3）壓 縮機(jī)輸入功率與變頻壓縮機(jī)頻率之間的關(guān)系

式中：P0—— 不同頻率下的壓縮機(jī)輸入功率，W 。

3.3.2 定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

對(duì)兩種定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)分別編寫程序，區(qū) 分熱泵干燥系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行情況，分別用 MATLAB 模擬計(jì)算出系統(tǒng)的 COP 和SMER 的數(shù)值。因?yàn)?COP 只反映了熱泵系統(tǒng)性能，而單位能耗除濕量 SMER 綜合反映了熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)整體性能，是一個(gè)綜合性的指標(biāo)。所以通過比較兩個(gè)變頻熱泵干燥系統(tǒng)的 SMER 來確定最優(yōu)的組合方案。具體分析如下：

如圖7、圖 8 所示，冬 夏季干燥階段兩個(gè)變頻系統(tǒng)的SMER，兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)都大于一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。夏季兩個(gè)變頻系統(tǒng)的平均 SMER 分別為4.47、4.78，后 者比前者高6.9%。冬季兩個(gè)變頻系統(tǒng)的平均SMER 分別為4.57、4.85，后 者比前者高6.1%。

圖7 夏季干燥階段變頻系統(tǒng)SMER

圖8 冬季干燥階段變頻系統(tǒng)SMER

通過以上的比較分析，可 以確定定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案為：兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。

4 兩種優(yōu)化后的熱泵干燥系統(tǒng)的性能比較分析

通過對(duì)熱泵干燥掛面系統(tǒng)的分析比較，目 前有兩種優(yōu)化方案，一種是改進(jìn)后的新型熱泵干燥系統(tǒng)，通過對(duì)原有的新型熱泵干燥系統(tǒng)的不足進(jìn)行分析，優(yōu) 化了冬夏季熱泵干燥系統(tǒng)的流程，得 出更為節(jié)能的熱泵干燥系統(tǒng)。另一種是加入變頻熱泵干燥系統(tǒng)，通 過模擬分析出定頻和變頻熱泵干燥系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案，得出兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)這個(gè)最優(yōu)組合方案。以下對(duì)改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)與兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的性能進(jìn)一步比較。

4.1 熱泵干燥系統(tǒng)COP 的比較

由圖 9、圖 10 所示，冬 夏季三個(gè)干燥階段的兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的 COP 都大于改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)的COP。夏季兩個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)平均 COP 分別為 4.31，5.84。冬季分別為：4.01，5.62。兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)平均 COP 夏季比改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)大26.2%，冬 季大28.6%。

圖9 夏季干燥階段系統(tǒng)的COP

圖10 冬季干燥階段系統(tǒng)COP

4.2 熱泵干燥系統(tǒng)SMER 的比較

如圖 11、圖 12 所示，在 整個(gè)冬夏季干燥階段，兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的SMER都大于改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)。夏季兩個(gè)熱泵干燥系統(tǒng) 的 平 均 SMER 分 別 為 ：4.78，2.88。冬 季 為 ：4.85，2.76。兩個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的SMER 夏季比改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)高66%。冬季高75.7%。

圖11 夏季干燥階段的系統(tǒng)SMER

圖12 冬季干燥階段的系統(tǒng)SMER

通過分析，兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)。所以最終確定最優(yōu)的用于掛面烘干的熱泵干燥系統(tǒng)形式為：兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文以單次干燥 500 kg 濕掛面為例進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，掛 面烘房的尺寸為：8.25 m（長(zhǎng)）× 5 .55 m（寬）× 4 .2 m（高）。材料為彩鋼板夾保溫材料。烘房三個(gè)干燥階段的送風(fēng)量分別為 14113 m3/ h、16340 m3/ h、11761 m3/ h。通過分析計(jì)算兩種優(yōu)化方案中的熱泵干燥系統(tǒng)的COP 和SMER 得出如下結(jié)論：

1）對(duì) 于改進(jìn)方案一：改 進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)。整個(gè)干燥過程，夏季的平均 SMER 為 2.89，冬季平均SMER 為2.79。夏季平均SMER 比冬季高3.6%。

2）對(duì) 于改進(jìn)方案二：定 頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。兩個(gè)變頻熱泵干燥系統(tǒng)在整個(gè)冬夏季干燥階段，兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的 SMER 都大于一個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。所以確定出定頻和變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的最優(yōu)組合方案為：兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)。

3）對(duì) 于兩種優(yōu)化方案的系統(tǒng)進(jìn)行比較。冬夏季各干燥階段，兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)的平均 SMER 和 COP 都大于改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)。夏季兩個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)的平均 SMER 分別為：4.78，2.88，前 者比后者大 66%。冬季兩個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)的平均 SMER 分別為：4.85，2.76，前者比后者大75.7%。通過分析，兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于改進(jìn)后的熱泵干燥系統(tǒng)，所 以最終確定最優(yōu)的應(yīng)用于掛面烘干的熱泵干燥系統(tǒng)形式為：兩 個(gè)定頻和一個(gè)變頻聯(lián)合運(yùn)行的熱泵干燥系統(tǒng)形式。