熱泵烘干箱流場空載試驗

張靜峰,趙海波,喬玲敏,,劉 純

(1. 煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005;2. 煙臺大學海洋學院,山東 煙臺 264005;3. 煙臺艾克倫特新能源科技有限公司,山東 煙臺 264006)

干燥是工農業(yè)生產中一個至關重要的環(huán)節(jié),其中以熱泵作為熱源的干燥技術因其節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點應用較為廣泛。熱泵烘干箱可干制產品種類眾多[1-4],在干燥加工產業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮?。熱泵干燥原理是熱空氣在風機驅動下進入干燥區(qū)域加熱物料,使得物料的水分蒸發(fā),實現(xiàn)脫水[5-8]。物料在烘干箱內的干燥過程與干燥空氣的流動特性緊密相關,箱內氣流分布均勻性是影響干燥特性及品質優(yōu)劣的重要因素。由于物料干燥是一個復雜的熱質耦合傳遞過程,提高風速可以縮短干燥時間但效果有限,且過高的風速會破壞烘干室內流場的均勻性,影響干燥品質[9-10]。此外,提高風速需要增加風機功率,直接導致干燥能耗增加。

國內外學者對不同干燥對象的烘干箱內部流場進行研究,通過模擬仿真方法對各類烘房進行分析,提出改進設計方案和優(yōu)化工藝參數(shù)[11-14]。張仲欣等[15]對食品廠的橫流循環(huán)式烘干機進行氣流優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)影響干燥均勻性的主要因素是物料通風層內氣流分布不均勻,出現(xiàn)風速梯度引起溫度差增加,導致干燥不均勻。嚴平等[16]在木材箱中應用風機正反轉產生不同方向氣流調控送風系統(tǒng),提高木材干燥質量。

在熱泵干燥方面,對烘干箱進行流場模擬和數(shù)值計算的研究較多[17-20],但對烘干箱內流場均勻性的試驗研究相對較少。為此,本文以一熱泵烘干箱為研究對象,通過試驗方法研究烘干室內流場分布,探究物料架布置方式、風機正轉或反轉、風機數(shù)量等因素對烘干箱內空氣流動速度及均勻性的影響,對比分析試驗結果,找出最佳的優(yōu)化方案,進一步提高干燥品質和干燥效率,為烘干室氣流優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 熱泵干燥試驗臺

圖1為所用熱泵烘干箱試驗臺原理。該烘干箱由烘干室、空氣靜壓區(qū)、熱泵裝置區(qū)和頂部回風通道等四部分組成。烘干箱箱體采用泡沫保溫彩鋼板,整體尺寸為4000 mm×2000 mm×3000 mm(長×寬×高),其中烘干室、空氣靜壓區(qū)和熱泵裝置區(qū)長度分別為2500 mm、500 mm和1000 mm。烘干室中間有隔板將干燥區(qū)域分為左右兩側,隔板末端與門之間有空氣通道。頂部回風通道左端和空氣靜壓區(qū)上方的隔板上各裝有2臺型號為GKF/FB3S-2D的循環(huán)風機,空氣靜壓區(qū)上方設有冷凝器。烘干室與空氣靜壓區(qū)的隔墻上安裝有型號為GKT/FB5S-4D的雙向軸流風機,左右兩側各有三臺。為敘述方便,下文將安裝風機一二三的一側稱為左側,風機四五六的一側為右側。實驗時,烘干室內左右兩側各放置兩組物料托盤架,尺寸為800 mm×600 mm×2000 mm(長×寬×高)。

1.壓縮機;2.冷凝器一;3.冷凝器二;4.蒸發(fā)器;5.顯熱交換器;6.頂部風閥;7.風機一;8.風機二;9.風機三;10.風機四;11.風機五;12.風機六;13.頂部循環(huán)風機一;14.頂部循環(huán)風機二;15.底部離心風機。

該實驗臺可以實現(xiàn)風機的正轉、反轉以及運行臺數(shù)控制。工作時,如果風機一二三正轉,四五六反轉,則在風機的作用下,靜壓區(qū)內的干燥空氣經風機一二三送入烘干室,流動到隔板末端時,一部分繞過隔板末端,從烘干室的另一側經風機四五六流回靜壓區(qū),另一部分空氣進入頂部回風通道后又分成兩部分,一部分經冷凝器二進入空氣靜壓區(qū),另一部分經風閥后向下從顯熱交換器左側進入,放熱后從右側流出,再進入蒸發(fā)器除濕后,向上繞回,從熱交換器上側進入,吸熱后從下側流出,進入冷凝器一加熱后經離心風機進入空氣靜壓區(qū)。與經冷凝器二進入的空氣以及烘干室流回的空氣混合后再經風機一二三進入烘干室。改變風機轉動方向,讓風機一二三反轉,四五六正轉,則烘干室內空氣可實現(xiàn)反向流動。

1.2 試驗方法

1.2.1 托盤架與托盤擺放 托盤架的布置會直接影響烘干箱內部流場分布,為了分析托盤架與托盤擺放對流場的影響并得到最合理的物料托盤布置方式,設計如下4種實驗方案:

(1)滿載對齊方式如圖2(a):左右兩側物料托盤架前后對齊擺放且均滿載托盤。

(2)滿載錯開方式如圖2(b):左右兩側托盤架前后錯開擺放且均滿載托盤。

(3)半滿載對齊方式一如圖2(c):左右兩側物料托盤架前后對齊擺放,左側靠近風機的物料托盤架上滿載托盤,遠離風機的物料托盤架上放一半托盤,右側靠近風機的物料托盤架上放一半托盤,遠離風機的物料托盤架上滿載托盤。

(4)半滿載對齊方式二如圖2(d):左右兩側物料托盤架前后對齊擺放,左右兩側均在靠近風機的物料托盤架上滿載托盤,而遠離風機的物料托盤架上放一半托盤。

圖2 烘干室內物料架的四種布置方式

1.2.2 風機數(shù)量與運轉方式 為了研究風機數(shù)量以及風機正轉、反轉對箱內流場的影響,設計如下試驗方案:

(1)兩送兩回:一側兩臺風機送風、另一側兩臺風機回風。

(2)三送三回:一側三臺風機送風、另一側三臺風機回風。

對兩種方案進行風機正轉和反轉試驗。

在上述方案基礎上,結合托盤架與托盤擺放、風機運行數(shù)量與方式等不同變量組合得到最終的試驗方案如表1。試驗時,物料架上未放置干燥物料,利用PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 min記錄一次風速數(shù)據(jù),每組實驗至少進行30 min,重復測試3次。

1.2.3 風速測定方法 在烘干室一側中間截面居中自上而下均勻地布置5個熱線風速傳感器,型號為JY-GD2,量程為0～15 m/s,風速傳感器的測頭位于物料架上下相鄰托盤中間位置,左側自上而下編號為測點1—5,右側則為測點6—10。試驗時,待穩(wěn)定運行后,利用PLC采集各測點風速數(shù)據(jù),每隔1 min記錄一次,試驗時間30 min。

表1 試驗方案及序號

1.2.4 速度均勻性評價 為了定量分析熱泵烘干室內的速度均勻特性,定義速度不均勻系數(shù):

由于熱泵干燥中,經常采用正反轉交替運行來保證干燥的均勻性,為此本文又定義正反轉交替運行速度不均勻系數(shù):

2 結果與分析

對測得的風速數(shù)據(jù)進行處理,先算出各測點風速的平均值和方差,繪制帶誤差棒的各測點風速圖,再用各測點的平均風速算出單側截面的平均風速,繪制單側截面平均風速圖,分析可得到不同托盤架與托盤布置方式以及不同風機運轉數(shù)量和方式情況下的風速特征和同一縱向平面內的風速分布規(guī)律。

2.1 風速分布

圖3是風機兩送兩回情況下的各測點風速。可以看出,風機兩送兩回正轉時,從五個測點的速度相對大小來看,四種布置方式的縱向風速分布是測點1和2的風速高于測點3—5。其原因是試驗時開啟的風機位于送風側上部,故烘干室頂部風速相對偏大。對于烘干室右側的測點6—10,四種布置方式的縱向風速分布總體呈現(xiàn)中間測點8風速最高,兩側測點風速逐漸降低的趨勢。風機兩送兩回反轉時,烘干室左側平面內的縱向風速分布也呈中間風速高,上下兩側低的趨勢。對于烘干室右側的測點6—10,四種布置方式的測點風速相差不大且都較高。在縱向風速分布方面,烘干室右側平面內風速分布相對均勻且都較高,各點風速均在2.5m/s以上。

圖3 風機兩送兩回各測點風速

圖4是風機三送三回情況下的各測點風速。可以看出,風機三送三回時,布置方式對各測點風速的影響以及縱向風速分布規(guī)律與風機兩送兩回方案類似。不同的是,風機三送三回正轉時,在烘干室左側平面內,大致呈現(xiàn)中間測點3風速略低,其余測點風速稍高的特征。

圖4 風機三送三回各測點風速

2.2 平均風速

由圖5和圖6可看出,除錯開方式外,正轉時其余三種方式的送風平均速度大于回風,而反轉時則是送風平均速度小于回風,其原因可能是這種風機試驗方案中烘干室內部氣流存在回流。比較不同布置方式的平均風速大小可知,風機兩送兩回正轉時,滿載對齊和錯開方式的平均風速基本大于半滿載對齊方式;反轉時,半滿載對齊方式的平均風速大于滿載錯開方式,但是小于滿載對齊方式。另外,半滿載對齊方式一的送回風風速一般都大于半滿載對齊方式二的送回風風速,原因可能是測點布置在遠離風機的貨架上,對齊方式一的靠近風機的貨架上半布滿托盤,更有利于干燥空氣流動。風機三送三回方案的平均風速規(guī)律與風機兩送兩回方案一致。

圖5 風機兩送兩回單側截面平均風速

圖6 風機三送三回單側截面平均風速

由圖5和圖6還可看出,無論風機兩送兩回還是三送三回,滿載對齊和半滿載對齊方式反轉的送風和回風的平均風速均大于正轉。對于滿載錯開方式而言,正反轉的送風風速相差不大,正轉回風風速顯著大于反轉。因為傳感器測點布置在物料架左右方向上的中心處,則對齊擺放方式的左右兩側物料托盤架上的傳感器位置均比錯開擺放方式相對偏左。對比結果說明,送風通道內風速左右分布均勻,在回風通道內遠離風機的物料架處,越靠近箱體外側,風速越大。另外,對于滿載對齊和滿載錯開兩種方式,三送三回方式下的平均風速范圍為2.3～5.0 m/s,大于兩送兩回方式的平均風速(范圍為2.0～3.9 m/s)。三送三回方式比兩送兩回方式高15%～28%。

2.3 速度均勻性評價

計算得到A1—D4試驗方案下左側與右側的速度不均勻系數(shù)如表2。

表2 不同試驗方案的速度不均勻系數(shù)

由不均勻性定義可知,這兩個系數(shù)越小則速度均勻性越好。

由表2可知,風機兩送兩回正轉方案(A1、A4)的左右兩側不均勻系數(shù)都較小且相差不大,表示其兩側速度分布較均勻,而風機三送三回正轉(C1)和三送三回反轉(D1)的右側系數(shù)較小,但左側系數(shù)較大,左側速度均勻性較差,風機兩送兩回反轉B1的左右兩側系數(shù)都較大。因此,風機兩送兩回正轉,滿載對齊和半滿載對齊方式二的速度均勻性較好,分別適合干燥不同風速要求的物料。

計算得到的正反轉交替運行速度不均勻系數(shù)M′如表3。

表3 四種布置方式的速度不均勻系數(shù)

由表3可以看出,無論是風機兩送兩回還是三送三回,滿載錯開方式的速度不均勻系數(shù)都比滿載對齊方式的大,而半滿載對齊方式一和半滿載對齊方式二的系數(shù)較小,結合圖3和圖4可知后兩種布置方式對應的風速較小,不利于干燥效率的提高,但卻適合要求小風速的干燥物料。滿載對齊方式風速會大,適合要求大風速的物料干燥。

3 總 結

熱泵烘干箱的內部結構對物料干燥均勻性有重要影響,物料堆積密度不合理會造成烘干房內風速、風量分布不均勻,導致同一時間烘干房內不同截面物料的干燥程度差別較大。風速快、風量大的地方物料干燥速度快,導致整體物料干燥程度不均勻,進而影響最終物料的干燥品質[22-24]。用速度不均勻系數(shù)定義均勻性指標,研究物料架和托盤布置方式、風機正轉或反轉、風機數(shù)量等因素對烘干箱內空氣流動速度及均勻性的影響,結果表明,風機反轉風速大于正轉,但正轉的速度均勻性相對更好,風機正反轉交替運行,氣流正反向循環(huán)可使干燥均勻,有利于保證干燥品質。托盤布置方式對烘干箱內風速均勻性有較大影響。滿載對齊方式的風速相對較大且速度均勻性較好,可滿足要求風速較大的物料干燥;滿載錯開布置方式風速稍小,速度分布均勻性較差;半滿載對齊布置方式,速度分布較均勻,但是風速較小,適合于風速要求低的物料干燥。烘干室左右兩側通道平面內的縱向風速分布均呈現(xiàn)中間風速高,自中間向上下兩側風速逐漸降低的趨勢。烘干室送風通道內的橫向流速均勻性較好,在回風通道內遠離風機的物料架處,越靠近箱體外側,風速越大。

由于物料大小、品質等因素的限制,物料對干燥空氣流速的要求是不一樣的。為保證干燥的均勻性,風機可采用正反轉交替運行。如果物料干燥要求風速較大,則可采用滿載對齊布置方式,正反轉風速都較大;如果要求風速稍小,則可采用滿載錯開布置方式,正轉風速較大,反轉風速稍小;如果要求風速更小,則可采用半滿載對齊布置方式,但一次干燥量小。熱泵烘干箱內氣流分布直接影響干燥效果,研究其內部流場分布規(guī)律可為物料干燥工藝、貨架擺放方式和烘干室結構的優(yōu)化設計提供技術方案和理論參考,研究結果對改進生產實踐具有重要意義。