排潮風余熱回收循環(huán)利用及空氣源熱泵掛面干燥研究*

王保法 ，陳 潔 ，李興書 ，楊德亮 ，張 欣 ，呂瑩果 ，李雪琴

（1.河南海弗星換熱科技有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000；2.河南工業(yè)大學糧油食品學院，鄭州 450052）

我國是小麥生產(chǎn)大國，而糧食轉(zhuǎn)化是提高農(nóng)業(yè)收入的主要途徑，其中掛面是以小麥粉為主要原料加工的工業(yè)化食品[1]。掛面是以小麥粉添加鹽、堿、水制做的濕面條，后經(jīng)懸掛干燥后切制成一定長度的干面條，它是人們喜愛的主要面食之一。掛面之所以可以長期存放，是因為它通過干燥脫水的過程，其水分含量處于安全范圍內(nèi)，保存時間得以延長[2-3]。干燥工序是掛面加工過程中一道非常關(guān)鍵的程序，它不僅會影響掛面的質(zhì)量，更影響著干燥的效率[4-5]。掛面干燥就是合理調(diào)控干燥通道中作為傳遞介質(zhì)的空氣的溫度、濕度和流動的速度。不同干燥階段采取不同應對措施，使掛面中水分擴散汽化、轉(zhuǎn)移到空氣中形成濕空氣被帶走，并最終得到質(zhì)量優(yōu)良產(chǎn)品[6]。

傳統(tǒng)掛面干燥熱源供給是燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能，燃煤單位熱值價格低，掛面的干燥成本較低，但是散煤燃燒污染嚴重。國家自2014年以來逐步取締燃煤小鍋爐，個別掛面企業(yè)改用區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠蒸汽管網(wǎng)進行掛面干燥，大部分中小企業(yè)采用了天然氣鍋爐進行供熱，由于天然氣單位熱值價格相對燃煤來說比較昂貴，掛面干燥成本大幅增加，甚至翻倍，由于成本增高使中小企業(yè)的產(chǎn)品市場競爭力大幅下降。采取新技術(shù)進行綠色干燥，并降低掛面干燥成本成為行業(yè)關(guān)注的重要課題[5,7]。

1 掛面不同干燥工藝

1.1 掛面干燥工藝

掛面干燥一般都采用對流熱力干燥法，即利用一次能源（煤或天然氣等）通過鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱能給導熱介質(zhì)提供熱量，加熱干燥車間的空氣，借助風力使熱空氣對流，用以加熱濕掛面，同時帶走濕掛面的水分，達到供熱干燥的目的[8]。

1.2 傳統(tǒng)鍋爐掛面干燥工藝

濕面條進入烘房后，煤、燃氣、電等能源通過鍋爐燃燒或發(fā)熱產(chǎn)生的熱能加熱導熱介質(zhì) （導熱油、水），導熱介質(zhì)通過管道進入干燥室加熱上部空氣，在上部風扇向下排風的作用下將熱風向下吹加熱濕掛面，烘干室形成的高溫高濕的空氣在排潮風機的作用下直接排到室外空氣中，掛面干燥后進入下一工序，完成掛面干燥過程，干燥工藝如圖1所示。

該工藝為傳統(tǒng)的掛面干燥工藝，高溫高濕的氣體直接排空，造成能源浪費，產(chǎn)生兩個污染源，其一為黑色污染：鍋爐燃燒化石能源通過煙囪的排放物，其二為白色污染：高溫高濕的排潮風形成的白霧。

1.3 空氣源熱泵供熱掛面干燥工藝

該干燥工藝與傳統(tǒng)的鍋爐加熱掛面干燥對比，最大的特點是，空氣源熱泵替代鍋爐，真正實現(xiàn)了無煙工廠，高溫高濕的排潮風通過熱泵實現(xiàn)了余熱回收循環(huán)再利用，達到了節(jié)能效果，比傳統(tǒng)的燃氣鍋爐節(jié)能40%左右[9]。烘房的排潮風通過管道匯集在一起，通過空氣源熱泵翅片蒸發(fā)器，翅片蒸發(fā)器內(nèi)管道的冷媒蒸發(fā)吸熱，排潮風被吸熱后變成冷凝水與冷空氣，冷凝水匯集后再利用，冷空氣夏季可以通過專用管道排到操作間與包裝間降低室內(nèi)溫度，改善工人工作環(huán)境，減少制冷設(shè)備的投資及運行費用，其它季節(jié)直接排空，冬季減少白煙排放，可降低白色污染。吸熱后的冷媒通過壓縮機壓縮變成高溫氣體，高溫氣體通過冷凝器加熱介質(zhì)（水或空氣），加熱后的介質(zhì)輸送到烘房加熱干燥濕掛面，濕掛面水分蒸發(fā)變?yōu)楦蓲烀?，形成的排潮風進入下一個循環(huán)，達到節(jié)能的效果，工藝如圖2所示。

圖2 余熱回收空氣源熱泵掛面干燥工藝

2 空氣源熱泵工作原理

熱泵是一種將低溫熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高溫熱源的裝置[10]?？諝庠礋岜脽崴骰驹恚核饕怯蓧嚎s機、熱交換器、軸流風扇、保溫水箱、水泵、儲液罐、過濾器、節(jié)流裝置和電子自動控制器等組成[11]。接通電源后，軸流風扇開始運轉(zhuǎn)，室外空氣通過蒸發(fā)器進行熱交換，溫度降低后的空氣被風扇排出系統(tǒng)，同時，蒸發(fā)器內(nèi)部的介質(zhì)吸熱汽化被吸入壓縮機，壓縮機將這種低壓介質(zhì)氣體壓縮成高溫、高壓氣體送入冷凝器，被水泵強制循環(huán)的水也通過冷凝器，被介質(zhì)加熱后送去供用戶使用，而介質(zhì)被冷卻成液體，該液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后再次流入蒸發(fā)器，如此反復循環(huán)工作，空氣中的低位熱能被不斷吸收利用而加熱介質(zhì)，空氣源熱泵熱水機組的基本工作原理[12]如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵工作原理

空氣源熱泵現(xiàn)在廣泛應用在供暖、生活洗浴熱水、農(nóng)產(chǎn)品干燥上，隨著國家政策煤改電的實施，尤其是北方地區(qū)大力推廣空氣源熱泵供暖，空氣源熱泵技術(shù)得到快速發(fā)展。

3 空氣源熱泵供熱掛面干燥不同空氣焓值對比

空氣源熱泵的熱源主要是空氣中的能量，空氣中的能量與空氣焓值相關(guān)，焓值越高熱能越高，熱泵的工作效率就越高，但由于一年四季天氣溫差較大，尤其是我國北方地區(qū)，冬季室外環(huán)境溫度低，空氣焓值低，不利于熱泵能量轉(zhuǎn)換。結(jié)合掛面干燥工藝實際情況，掛面中低溫烘干技術(shù)干燥室排潮風始終處于30～35℃之間，濕度在80%左右，濕空氣焓值高，正好適合空氣源熱泵的正常工作，且能效比高，避免結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。鄭州地區(qū)2019年全年不同月份平均溫濕度如圖4所示，以此為例計算出一年四季不同月份空氣中平均焓值與排潮風焓值對比，如圖5所示。

圖4 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣溫濕度

圖5 鄭州地區(qū)2019年各月份空氣焓值對比

4 掛面干燥所需能耗分析

掛面干燥的能耗主要與掛面的四個因素有關(guān)：濕掛面的脫水量，主要由濕掛面的初始水分及干掛面的終末水分所決定，新風升溫所需的熱量，根據(jù)不同地區(qū)不同季節(jié)的室外空氣溫濕度，結(jié)合掛面室內(nèi)溫度，計算出新風升溫所需的熱量；結(jié)構(gòu)散熱所需的熱量，即根據(jù)干燥房四壁的材料、厚度、面積及室內(nèi)外的溫差計算出散熱所需的熱量；濕掛面及掛面桿升溫所需的熱能，綜合以上四種因素精確計算出所需的熱量[13]。應根據(jù)干燥房最大熱量需求，按照不同能源的熱值及鍋爐的能效比計算出匹配的功率數(shù)去配備熱源。輸出熱源的價值與能源的單位熱值價格、熱源設(shè)備的能效比有關(guān)系，不同能源及制熱設(shè)備的能效比計算的各設(shè)備輸出單位熱值價格見表1。

表1 不同能源噸掛面干燥耗能表

5 熱泵系統(tǒng)設(shè)計

本實例針對某廠的掛面進行熱泵干燥設(shè)備的設(shè)計及實驗，實驗時間為冬季。該廠屬于溫帶大陸季風性氣候，冬季盛行偏北風，寒冷干燥，夏季盛行偏南風，炎熱多雨，季風區(qū)氣候明顯。本次熱泵干燥設(shè)備采用余熱回收式熱泵系統(tǒng)，其主要利用烘房中的排濕余熱作為熱泵主機的低位熱源，既能保證系統(tǒng)在冬季正常運行，也可提高系統(tǒng)的運行效率。同時為結(jié)合原有的烘房條件及掛面干燥工藝要求，熱泵干燥系統(tǒng)采用高溫熱水間接干燥模式。即熱泵干燥機以水為傳熱介質(zhì)，將水加熱后，通入烘房；并通過調(diào)節(jié)水盤管熱水流量和風機轉(zhuǎn)速，對物料進行干燥。本實驗的掛面干燥系統(tǒng)由熱泵干燥供熱裝置和隧道式烘房組成。烘房采用隧道式，需移行300 m，干燥時間為3h，干燥溫度為30～45℃。以冷風定條、保溫出汗、升溫降潮、降溫散熱四道工序完成，濕掛面的含水率為30%～32%，干燥后成品掛面的含水率為12%～13%。

熱泵干燥系統(tǒng)分為A、B兩組，采用聯(lián)合供熱模式，每組系統(tǒng)是以四個30 HP的壓縮機組成的120HP的熱泵機組，每組的總功率為105 kW，額定制熱量為320 kW，輔助電加熱的額定功率為3×10kW。其中 A （B）1 的制冷介質(zhì)為 R22、A（B）2、A（B）3、A（B）14 的制冷工質(zhì)為 R134a，如圖6和圖7所示。

圖6 A組熱泵機組干燥示意圖

圖7 B組熱泵干燥系統(tǒng)示意圖

5.1 烘房內(nèi)的溫濕度分布

由于A組B組的熱泵系統(tǒng)工作條件相同，因此選取易測量的B組熱泵系統(tǒng)為測試對象分別在B4蒸發(fā)器前B4～B1蒸發(fā)器后布置一個溫濕度探頭；并設(shè)置PT100測量熱泵系統(tǒng)的回水溫度和出水溫度并在開機狀態(tài)時定時記錄B1～B4系統(tǒng)的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、烘房間各區(qū)中的溫濕度。具體干燥參數(shù)見表2。

表2 掛面干燥過程各區(qū)溫濕度設(shè)定值

在本次實驗的烘房中，共分為四區(qū)，如圖8所示。按照掛面干燥工藝的要求，一區(qū)為冷風定條，保持常溫在30℃左右的環(huán)境下進行；二區(qū)為保溫出汗要求控制溫度不要太高，濕度低于80%，使面條處于預熱保潮，水分慢慢蒸發(fā)。三區(qū)是升溫降潮階段，這個階段要進一步升溫，逐步降低相對濕度，進行去濕。四區(qū)為降溫散熱，在這個階段散發(fā)面條的熱量，逐步達到接近或略高于室內(nèi)的常溫；同時繼續(xù)蒸發(fā)一小部分水分，達到規(guī)定標準的含水量，并使面條各部分的水分平衡。各區(qū)之間的溫度均是通過調(diào)節(jié)水流量進行調(diào)溫的，并通過調(diào)節(jié)隧道上部的風機轉(zhuǎn)速，控制干燥速率。

圖8 烤房掛面烘干路線圖

實際干燥過程中，在掛面進入烘房干燥之前要對烘房進行預熱，以達到濕掛面進入烘房后的溫度要求。實驗過程中，熱泵系統(tǒng)于6：00開機預熱，7：00時濕掛面從烘房出口進入，開始進行干燥。干燥全程長度300 m，干燥時間為3 h，濕掛面的輸送量為14掛/min，每掛掛面的平均凈重為2.7 kg。

由圖8可知從早上7:00濕掛面進入烘房后，風機開啟，烘房中的溫度、濕度逐漸上升。可以看出，一區(qū)、二區(qū)整體相對濕度較大，掛面中的水分主要在一區(qū)和二區(qū)去除，其熱負荷較大。而三區(qū)溫度最高，用以去除面條中最里部較難出去的水分。四區(qū)主要進行降溫散熱，相對熱負荷最小。以實際效果來看，熱泵供給熱水可以滿足烘房面條干燥的要求，取得了良好的效果。

5.2 熱泵機組的出回水溫度變化

為滿足烘房間斷性干燥的需求，系統(tǒng)設(shè)置儲水罐，夜間干燥設(shè)備停止工作時，將熱水儲存在儲水罐中進行保溫，同時在烘房熱負荷較小時，關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，可充分將儲水罐中熱水的熱量進行循環(huán)利用。以實驗日為例，儲水罐的出水溫度為32℃左右。預熱階段，溫度上升。烘房滿載干燥期間，平均出回水溫差為11℃，當濕掛面停止輸送后，熱泵熱負荷減少，出回水溫差逐漸減小。

5.3 熱泵設(shè)備的性能分析

根據(jù)熱泵機組的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分布，計算熱泵干燥系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP，根據(jù)物料的除濕情況和熱泵的系統(tǒng)能耗得出系統(tǒng)的單位能耗除濕量，計算數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱泵設(shè)備的性能分析

由表3可知，熱泵干燥系統(tǒng)對掛面進行干燥的成本為68.79元/t，其熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP平均為2.40，單位能耗除濕量平均為2.825 kg水/(kW·h)。干燥過程中，充分利用烘房中干燥產(chǎn)生的濕空氣，將其進行余熱回收利用，在實驗廠冬季環(huán)境溫度相對較低時，依舊可以進行正常高效的工作。傳統(tǒng)的熱泵干燥設(shè)備工作主要利用室外環(huán)境中的空氣能，通過熱泵將低位熱源轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶豢衫脽嵩?。在冬季寒冷的室外環(huán)境下，若只利用室外環(huán)境中的空氣能會造成蒸發(fā)溫度相對較低，壓縮機的壓比增大，降低機組的運行效率，增加運行能耗。而熱泵干燥系統(tǒng)采用余熱回收的方法，有效地解決了冬季熱泵運行困難的短板，并提高了物料的干燥質(zhì)量。

綜上所述，本次實驗設(shè)備采用余熱回收式的熱泵干燥設(shè)備，可更好地應對冬季寒冷的天氣；相比單一的從室外環(huán)境取熱，該余熱回收式熱泵干燥設(shè)備的運行更加高效、穩(wěn)定。本次實驗時間為12月下旬，正值寒冷冬季，充分證明了系統(tǒng)的可靠性。干燥房采用熱水盤管式干燥，更好地保證了烘房內(nèi)溫度的均勻性，溫度穩(wěn)定，保證了干燥品質(zhì)。本實例設(shè)計的熱泵干燥設(shè)備的制熱系數(shù)COP最大達2.46，熱泵干燥設(shè)備的單位能耗除濕量最大為2.88 kg水/(kW·h)。在國家大規(guī)模推行煤改電的大政策下，熱泵干燥設(shè)備的溫度控制精度較高，無有害物質(zhì)排放，不僅保證物料的干燥品質(zhì)，且不污染物料、運行成本低、節(jié)能環(huán)保、具有較大的推廣價值。經(jīng)過三年多的運行，各項指標達到預期值，各月份每噸干產(chǎn)品干燥電耗如圖9所示。

圖9 不同月份掛面烘干電耗

全年各月份平均干品掛面電耗不超70 kW·h/t，電費按 0.7元/（kW·h）計算，平均成本為 49 元/t，耗能低，節(jié)能及環(huán)保效果明顯。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益分析

采用余熱回收熱泵技術(shù)進行掛面干燥，按目前平均噸掛面用天然氣30 m3計算，每方燃氣費為3.0元左右，平均噸掛面干燥成本為90元左右，改用熱泵噸掛面干燥按節(jié)約30元，目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面，按50%產(chǎn)能進行熱泵烘干技術(shù)改造，400萬t掛面一年節(jié)約干燥成本1.2億元，相當為行業(yè)增加約1.2億元的凈利潤。

6.2 社會效益分析

目前國內(nèi)掛面行業(yè)年產(chǎn)能800萬t掛面，按50%產(chǎn)能進行熱泵烘干技術(shù)改造，按噸干品掛面30m3天燃氣計算，400萬t掛面全年減少1.2億m3天燃氣燃燒，每方燃氣燃燒產(chǎn)生的二氧化碳為1.76 kg排放，相當于減少二氧化碳排放量21.12萬t，相當于每年多栽15.64萬棵樹（1棵普通的樹每天可吸收5 kg二氧化碳，一年按三個季節(jié)光合作用，每年可吸收1.35 t二氧化碳）。

7 結(jié)論及建議

通過實際案例分析，余熱回收循環(huán)利用及空氣源熱泵掛面烘干技術(shù)，達到了綠色、環(huán)保、高效及節(jié)能的效果，是未來替代傳統(tǒng)燃燒化石能源為主的鍋爐供熱掛面干燥的發(fā)展方向。

盡管該技術(shù)比傳統(tǒng)鍋爐節(jié)能40%左右，投資回報率高，運行成本低等優(yōu)勢，但先進技術(shù)的前瞻性與客戶認知度滯后的矛盾，加上熱泵技術(shù)一次性固定投資相對傳統(tǒng)的鍋爐投資高，為鍋爐投資的3～4倍，客戶接受率低。

應加大節(jié)能新技術(shù)宣傳推廣力度，如實際案例參觀、行業(yè)會議推介等；也可通過行業(yè)協(xié)會向政府主管部門建議，參考類似北方供暖煤改電補助、農(nóng)產(chǎn)品及煙葉熱泵改造專項財政補貼政策，出臺掛面干燥熱泵改造建設(shè)補貼制度，減輕企業(yè)投資負擔，加快新技術(shù)的推廣應用；制造企業(yè)加快新技術(shù)的研發(fā)，降低新技術(shù)中設(shè)備制造成本，減少掛面企業(yè)熱泵干燥技改的一次性投資，如此可起到雙贏的結(jié)果。