熱泵干燥裝置空氣循環對比分析

鄭偉芳

江西省農業機械研究所,南昌330000

熱泵干燥裝置是利用工質在低溫熱源處吸收能量,在較高的溫度下釋放能量的熱力裝置。熱泵干燥裝置是由熱泵部分和介質(一般為空氣)循環部分組成,熱泵部分主要由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器等部件組成封閉回路,熱泵工質在其回路循環流動。空氣循環系統由干燥室、冷凝器、蒸發器等部件組成,空氣在其中循環流動,其功能是通過循環將干燥室中濕物料的水分帶走,流經蒸發器時將水分凝集排出。根據干燥物料的特性與實際應用條件(即干燥介質循環中介質與外界的連通程度)的不同,可把熱泵干燥裝置分為開式、部分乏氣循環式、封閉式等不同類型[1-2],本文即針對上述的熱泵干燥裝置中干燥介質的循環進行分析。

1 熱泵干燥裝置的類型

按干燥介質與外界的連通程度可以將熱泵干燥系統結構形式分為開式、部分乏氣循環式及封閉式3種結構形式。相同的結構類型,因應用場合的不同,其中的干燥介質循環路線也不一樣。由于干燥介質一般都為空氣,下面提到的介質都指空氣。6種典型的熱泵干燥系統結構形式的空氣循環,如圖1A、圖1B、圖2A 、圖2B及圖3A 、圖 3B所示[3]。

1.1 開式空氣干燥循環

開式熱泵干燥裝置中,進入干燥器的空氣全部來自環境,干燥完后也全部排入環境。圖1A中空氣循環為：環境→蒸發器(E)→冷凝器(C)→干燥器(D)→環境;圖1B中空氣循環為：環境→冷凝器(C)→干燥器(D)→蒸發器(E)→環境。

圖1A和圖1B是2種不同形式的開式熱泵干燥系統介質循環。圖1A是低溫外界環境空氣首先進入熱泵蒸發器降溫除濕,變得近似飽和再流過冷凝器,在冷凝器中空氣等濕升溫變為溫度約等于環境溫度熱空氣,此時的空氣吸濕能力很強,進入干燥室吸收干燥室中含濕物料中的水分。出干燥器后廢氣排入環境。當物料需在低溫下干燥、外界環境空氣濕度較高時,采用這種循環形式較好。

圖1 開式熱泵空氣循環

在圖1B中的外界空氣首先進入冷凝器,在冷凝器中空氣加熱后進入干燥室,干燥吸濕后的空氣流過蒸發器后排入外界環境。這種結構形式適合需從蒸發器排出溫度高而濕度低的空氣的場合,目的是為了回收其中的熱量。國內大量研究及實踐表明采用蒸發器回收排放的空氣中水分的部分潛熱比將干燥后的廢氣直接排空的開路式(圖1A)循環效率高。

在開式熱泵干燥裝置中干燥介質只能是空氣,進入干燥器的空氣溫度受環境影響大,當干燥廢氣含有粉塵、有毒有害氣體時直接排入環境對環境有污染。但開式熱泵干燥裝置具有結構簡單、操作方便、單位時間除濕量(MER)高等優點,因此在經濟性上占有一定的優勢,適合干燥高濕度的物料或者批量干燥的初期階段。

1.2 部分乏氣式空氣干燥循環

在部分乏氣循環式熱泵干燥裝置中,進入干燥器的干燥介質(空氣)一部分來自環境,另一部分來自干燥器排出的廢氣。典型的部分乏氣式熱泵干燥裝置介質循環如圖2A、圖2B中箭頭所示。

圖2 部分乏氣式熱泵空氣循環

如圖2A所示,進入系統的外界空氣與從干燥室排出的一部分被旁通進入蒸發器除濕后的空氣混合進入冷凝器,混合空氣經冷凝器升溫后進入干燥室吸收干燥室中含濕物料的水分,干燥后廢氣一部分直接排入環境,另一部分被旁通進入蒸發器進入下一個循環。

圖2B是另一種形式的部分乏氣式熱泵干燥系統結構形式。在這個結構系統中,干燥室排出的一部分空氣經過2次旁通。一部分空氣進入蒸發器降溫除濕后與進入系統中的外界空氣混合,另一部分不經蒸發器降溫除濕而直接與進入系統的外界空氣混合,3種空氣混合后經過冷凝器升溫后進入干燥室干燥物料。部分乏氣循環熱泵干燥系統中一般設置了蒸發器旁路,干燥室排出空氣的旁通率(BAR)及經過蒸發器的空氣2次旁通率是非常重要的設定量,對熱泵干燥系統的性能有較大的影響。

在部分乏氣式熱泵干燥裝置中乏氣的循環位置一般在熱泵的冷凝器入口,這樣既使用了這部分廢氣的余熱,又可提高熱泵系統的性能系數COP值。但由于干燥廢氣中的含濕量較大,在回收廢氣余熱的同時,也增加了干燥介質中的含濕量,影響干燥效果,而且受環境的影響也較大。與開式干燥裝置對比,部分乏氣式干燥裝置對進入干燥室空氣的溫度、濕度的調控性好,但空氣循環通道及調控均較復雜,干燥介質也只能是空氣,從環境中引入的部分新鮮空氣的凈化負荷較大,部分廢氣直接排入環境同樣對環境有污染。

1.3 典型封閉式空氣循環

在封閉熱泵干燥裝置中,干燥介質(一般為空氣)在完全封閉的循環通道中循環。熱泵干燥裝置運行時不從環境中引進新鮮的空氣,也不向環境中排放廢氣。典型的封閉式熱泵干燥裝置循環如圖3A所示,其介質的循環方式為①→②→③→①封閉循環。

圖3 典型封閉式熱泵空氣循環

圖3A為全封閉式熱泵干燥系統結構形式。在這種結構形式中,干燥系統運行時外界空氣不進入系統中,干燥介質在干燥室、蒸發器、冷凝器組成的封閉通道中按①→②→③→①循環,干燥介質通過冷凝器加熱到干燥溫度進入干燥室吸收物料的水分,在蒸發器中被降溫并使得水分凝結排出。在外界環境溫度低而濕度高的情況下,此種結構形式較好。

圖3B與圖3A的空氣循環主要區別是,圖3B中有部分廢氣沒有經過蒸發器降溫除濕,而是直接被旁通進入冷凝器,這與上述部分乏氣式中的旁通蒸發器的空氣循環相似。在封閉式循環熱泵干燥系統中,不同的空氣旁通率對系統的單位能耗除濕量(SMER)的影響是比較明顯的。張緒坤等[4]設計了一套壓縮機為3.73 kw,制冷工質為R22的熱泵干燥裝置,并在此試驗裝置上進行了熱泵干燥系統的性能試驗。試驗結果表明,隨著 BAR的增加SMER也增加,但是BAR不能超過0.6,當BAR超過0.6后SMER的值反而下降,說明空氣旁通率不是越高越好,有最佳旁通率。

在熱泵干燥中,干燥空氣的溫度和相對濕度決定了除濕率。空氣離開干燥室帶走水分,經過蒸發器時的狀態對蒸發器回收顯熱有很大影響。在干燥初期,產品濕度很高,所以進入蒸發器的空氣濕度大且溫度低,蒸發器在除濕時又起到了回收部分顯熱作用。同時空氣以相對低的溫度進入冷凝器,因而在冷凝器中提高了熱交換效率和增加了系統性能系數COP值。與部分乏氣式空氣循環對比,從對干燥機組的能耗和換熱效果來考慮,封閉式空氣循環的效果更好。

2 封閉式的改進式

在實際應用中,封閉式熱泵干燥循環中介質與環境沒有任何交換,具有環保性、干燥溫度可以任意調節不受環境的限制、干燥介質選擇多樣等優點,得到了廣泛的使用。但基本型封閉式熱泵干燥裝置往往不能完全滿足實際干燥的需要,因此在生產中所用的封閉熱泵干燥裝置通常要進行改進。因不同目的在介質循環中加以改進的封閉式循環有3種,如圖4A 、圖4B、圖4C所示。

在圖4A中空氣循環回路中加裝了輔助加熱器,當干燥介質空氣經過冷凝器加熱后再經過輔助加熱器(CH),目的是為了縮短熱泵干燥裝置的啟動過程。

圖4 封閉式改進式熱泵空氣循環

在基本型熱泵干燥裝置的啟動階段中,整個熱泵裝置的溫度較低,對環境的熱損失較小,驅動熱泵及風機消耗的能量明顯大于對環境損失的能量,因此熱泵干燥裝置的富余熱能大于0。熱泵干燥裝置的溫度不斷升高。隨著熱泵干燥裝置溫度的升高,對環境的損失能量逐漸變大,而驅動熱泵及風機消耗的能量不變,熱泵干燥裝置富余的熱量不斷減小,直到富余的熱量減為0時,熱泵干燥裝置才處于穩定運行狀態。然而基本型熱泵干燥裝置所達到的穩定工作溫度不一定恰好是物料干燥所需要的最佳溫度。同時,由于驅動熱泵及風機消耗的能量一般較小,在啟動階段熱泵干燥裝置富余熱量數值不大,使得裝置的啟動過程較緩慢,啟動時間長[5]。在啟動階段,空氣在冷凝器中加熱后再通過輔助電加熱器(CH)加熱才進入干燥器,使空氣循環升溫速度加快,縮短了啟動過程的時間。為達到縮短啟動過程的目的還可以加裝輔助蒸發器,優點是比電加熱能源效率高,但是不如電加熱方法簡單靈活。

圖4B中空氣循環回路中加裝了輔助冷卻器(ACR),干燥介質空氣經過干燥器干燥物料后,在通過蒸發器冷卻除濕之前先通過輔助冷凝器,目的是控制干燥器進氣溫度。

在基本型封閉式空氣循環過程中,當干燥溫度達到預設值后,熱泵干燥裝置中干燥溫度將一直上升,使裝置工況不穩定、干燥條件惡化,影響干燥物料的品質及干燥質量,為了維持系統工況穩定必須從裝置中排掉部分熱能。

在空氣循環回路中,在通過蒸發器前設置輔助冷卻器,既可以移走這部分熱能,又可以對進入蒸發器的空氣預冷卻,除去其中大部分顯熱和部分潛熱,同時又減少了蒸發器的顯熱負荷,使蒸發器的熱負荷主要為潛熱負荷,這樣可以增強蒸發器的除濕能力,提高干燥室進口空氣的吸濕能力,加快干燥速度,縮短干燥時間和減少干燥能耗。在蒸發器前設置輔助冷卻器也減小了閉式熱泵干燥系統中的傳熱溫差,減少了系統的不可逆性損失,使干燥溫度易于調節和控制。為達到控制干燥器進氣溫度的目的還可以使用輔助冷凝器,但是能源效率和除水效率均沒有使用輔助冷卻器的高。李陽春等[6]研制了一套熱泵干燥實驗機組,并針對加裝輔助冷凝器和輔助冷卻器做了試驗,干燥空氣由離心風機驅動、干燥物品為馬鈴薯、干燥室共分2層、每層大約放置10片馬鈴薯,試驗結果表明：加裝輔助冷卻器的熱泵干燥系統具有除濕快、節約干燥時間以及減少干燥能耗等優點,并且可以完全取代輔助冷凝器。

圖4C空氣循環回路中加裝了熱管(HP),當干燥介質空氣在進入蒸發器之前先進入熱管的吸熱端冷卻,空氣在通過蒸發器之后又進入熱管的放熱端加熱,其目的是為了提高能源的效率。

在基本型的封閉式循環中,進入熱泵蒸發器前需冷卻除濕的介質和出蒸發器后需進入冷凝器加熱的干燥介質之間有很大的溫度差,若使其進行熱交換則可降低熱泵蒸發器和冷凝器的負荷,提高熱泵干燥裝置的效率。熱管本身不需要任何能量,如圖4C干燥器出口處干燥介質溫度高于熱管工質溫度,干燥介質在吸熱端熱管工質由液態變為氣態,在放熱端由氣態變為液態,在重力和毛細力的作用下,熱管工質在熱管內進行循環流動,連續把熱干燥介質的熱量傳遞給冷干燥介質[7]。為達到提高能源效率的目的還可以在上述加裝熱管同樣的位置使用液態載熱劑循環的方法,此方法對各種干燥介質循環通道的布置適應性強,制作安裝技術難度小,但是驅動這個循環本身需要消耗一定的能量。

3 結論與建議

不同介質循環形式的熱泵干燥裝置,其能源效率、適用的物料、生產成本等均有很大不同。沒有哪種循環形式是最好的,3種典型形式的循環在實際應用中往往會交叉使用。在實際生產中,干燥領域涉及的物料種類很多,根據物料的特性和現場條件,設計價格適中、物料干燥質量好、能源效率高、干燥速度快、操作方便的熱泵干燥裝置是今后熱泵干燥技術研究的方向。

[1] 謝繼紅,陳東,朱恩龍,等.熱泵干燥裝置的結構分析[J].輕工機械,2006,24(3)：49-52.

[2] 楊先亮,謝英柏,王亞瑟.熱泵干燥系統的研究設計[J].農機化研究,2008(9)：93-96.

[3] 陳東,謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學工業出版社,2006：90-95.

[4] 張緒坤,李華棟,徐剛,等.熱泵干燥系統性能試驗研究[J].農業工程報,2006,22(4)：94-97.

[5] BILGEN E,T AKAHASHI H.Exergy analysis and experimental study of heat pump sy stems[J].Exergy,An International Journal,2002,2(4)：259-265.

[6] 李陽春,王劍鋒,陳光明,等.熱泵干燥系統幾種循環的對比分析與研究[J].農業機械學報,2003,34(6)：84-86.

[7] 許樹學,陳東,喬木.熱泵干燥裝置的結構及應用特性分析[J].化工裝備技術,2005,26(5)：1-4.