低溫熱泵干燥裝置的技術方案分析

陳東郝建華謝繼紅項永曹雯莉王春虎

（1.天津科技大學機械工程學院2.內蒙古達拉特發電廠)

低溫熱泵干燥裝置的技術方案分析

陳東*1郝建華1，2謝繼紅1項永1曹雯莉1王春虎1

（1.天津科技大學機械工程學院2.內蒙古達拉特發電廠)

低溫熱泵干燥裝置在化學品、食品、藥品、農副產品的干燥中具有廣泛需要。給出了基本型、真空型和吸附劑型三類低溫熱泵干燥裝置，對其結構、工作原理和特性進行了簡要分析。分析表明，在初投資方面，基本型最低，真空型最高；在能源效率方面，真空型最高，基本型最低；吸附劑型在初投資和能源效率方面均居中。上述工作可為低溫熱泵干燥裝置的設計提供較好的參考。

熱泵干燥低溫技術方案干燥裝置

0 引言

熱泵干燥裝置具有節能、易實現低溫干燥、易進行無氧干燥等優點，適于食品、藥品、農副產品、化學品、能源產品等物料的干燥[1-2]。

物料采用低溫熱泵干燥可取得很好的產品質量[3-4]。但當物料采用低于30℃的低溫干燥時，熱泵蒸發器中熱泵制冷劑的蒸發溫度可能會低于0℃，需考慮裝置連續運行時的除霜問題[5]；此外，由于低溫下物料內水蒸氣壓力低，干燥介質的飽和含濕量較小，物料的干燥速度和干燥介質除濕能力均相對較低，需采取適當技術措施進行強化。

本文給出了低溫熱泵干燥裝置的三種技術方案，對其結構、工作過程及性能進行了介紹和分析。

1 基本型低溫熱泵干燥裝置的結構及其特性

基本型低溫熱泵干燥裝置的結構如圖1所示。

圖中壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器1、蒸發器2構成熱泵，高溫制冷劑在冷凝器中加熱干燥介質，在蒸發器中對干燥介質進行降溫除濕。裝置開始工作時，閥1打開，閥2關閉，制冷劑進入蒸發器1中對干燥介質進行冷卻；當蒸發器1表面霜結到一定厚度需除霜時，閥2打開，閥1關閉，制冷劑進入蒸發器2冷卻干燥介質，同時對蒸發器1進行除霜；當蒸發器2表面霜也結到一定厚度時，再打開閥1，關閉閥2，蒸發器1工作而蒸發器2除霜。如此交替運行，實現裝置的連續運行和干燥器中物料的連續干燥。

當蒸發器1工作時，風道閥1打開，風道閥2關閉，干燥介質在除濕器1（即熱泵蒸發器1）中被降溫除濕，再進入加熱器（即熱泵冷凝器）中升溫到適宜溫度（0～30℃），進入干燥器干燥物料；當蒸發器2工作時，風道閥2打開，風道閥1關閉，干燥器在裝置中沿干燥器-除濕器2-加熱器-干燥器流程進行循環。

普通干燥器中干燥介質與物料傳熱傳質過程為等焓過程（物料中水分氣化所需的熱量全部由干燥介質提供）時，低溫干燥時干燥介質流經干燥器攜帶水蒸氣的能力較低，導致裝置的能源效率也較低。為此，可采用有內加熱器的干燥器，如圖2所示。

干燥器內設內加熱器后，物料中水分氣化所需的熱量主要由內加熱器提供，進入干燥器的干燥介質主要起吸納物料中氣化出的水蒸氣的作用，這樣可使干燥介質從物料中攜帶水蒸氣的能力大幅度提高。

以進干燥器干燥介質（如空氣）溫度25℃，出干燥器干燥介質溫度15℃，出蒸發器干燥介質溫度-8℃時為例，1 kg干燥介質流經普通干燥器只能從物料中帶出約4 g水蒸氣；采用內加熱式干燥器后，干燥介質出干燥器溫度可與進干燥器溫度相近，1 kg干燥介質流經內加熱式干燥器可從物料中帶出約10 g水蒸氣，比普通干燥器提高一倍以上。

此外，當物料低溫干燥時，物料內水蒸氣壓力低，傳質推動力小，干燥速度較慢。為此，可采用氫或含氫不可燃混合氣體作為干燥介質，可明顯提高物料的干燥速度[6-7]。

圖1 基本型低溫熱泵干燥裝置的結構

圖2 干燥器中帶內加熱器的低溫熱泵干燥裝置

2 真空型低溫熱泵干燥裝置的結構及其特性

真空型低溫熱泵干燥裝置的結構如圖3所示。

圖3 真空型低溫熱泵干燥裝置的結構

裝置中物料加熱器即為熱泵冷凝器，熱泵制冷劑加熱物料使其中水分氣化，水蒸氣從物料中逸出后被除濕器（即熱泵蒸發器）冷卻凝結或冷凍結霜。當水蒸氣在除濕器表面結霜時，需兩個除濕器交替工作，即閥1、真空閥1打開，蒸發器1、真空泵1工作（閥2、真空閥2關閉，蒸發器2、真空泵2不工作），將干燥器中的水蒸氣除去；當蒸發器1表面結霜到一定厚度需除霜時，閥2、真空閥2打開，蒸發器2、真空泵2工作（閥1、真空閥1關閉，蒸發器1融霜、真空泵1不工作）；當蒸發器2表面也結霜到一定厚度時，再切換為蒸發器1工作。通過蒸發器1和蒸發器2的交替工作，可使壓縮機、冷凝器連續工作，物料連續干燥。

由于真空型低溫熱泵干燥裝置中無干燥介質，省去了加熱或冷卻干燥介質所需的能量，盡管真空泵也需少量耗能，其總體能源效率高于基本型低溫熱泵干燥裝置，但其干燥器需為真空容器，初投資要高于基本型低溫熱泵干燥裝置。

3 吸附劑型低溫熱泵干燥裝置的結構及其特性

吸附劑型低溫熱泵干燥裝置的結構如圖4所示。

圖4 吸附劑型低溫熱泵干燥裝置的結構

圖中吸附器1和吸附器2中放置硅膠、分子篩等吸附劑，吸附劑顆粒之間布置制冷劑管路。裝置運行開始時，風道閥1和風道閥3關閉，四通閥1、3端連通，2、4端連通；干燥介質（如空氣等）進入干燥器，吸收物料中氣化出的水蒸氣，水分氣化所需熱量由熱泵冷凝器提供；出干燥器的濕空氣進入吸附器2，其所攜帶的水蒸氣被吸附劑吸收，又變為干燥空氣進入干燥器開始下一個循環。熱泵制冷劑從壓縮機排出后，先進入干燥器內冷凝器放熱加熱物料，再通過四通閥流過吸附器1，并經節流閥降溫后進入咐附器2吸收吸附熱，最后通過四通閥返回壓縮機。

待吸附器2達飽和時，風道閥2和風道閥4關閉，四通閥1、2端連通，3、4端連通，出干燥器的濕空氣進入吸附器1被除去其中的水蒸氣；熱泵制冷劑從干燥器中的冷凝器出來后，經四通閥進入吸附器2，加熱其中的吸附劑使其將所吸附的水分解吸排出，并經節流閥降溫后進入吸附器1吸收其吸附熱，最后通過四通閥返回壓縮機。

通過吸附器1和吸附器2交替吸附干燥介質中的水蒸氣和被解吸再生，實現干燥器中物料的連續干燥。

吸附劑型低溫熱泵干燥裝置中由于干燥介質只起攜帶水蒸氣的作用，對其進行的無效加熱和冷卻很少，故裝置的能源效率可高于基本型；但由于吸附劑被加熱和冷卻時需消耗一定的冷量和熱量，裝置的能源效率低于真空型。

4 結論與建議

基本型、真空型和吸附劑型熱泵干燥裝置均可實現熱敏物料的低溫干燥（干燥溫度可低至0℃）。就初投資而言，真空型最大，基本型最小，吸附劑型居中；就能源效率而言，真空型最高，基本型最低，吸附劑型也居中。具體選用時可根據物料特性和裝置規模基于技術經濟分析進行優選。

進一步宜就三種低溫熱泵干燥裝置的操作參數、部件及結構優化等進行更深入的研究。

[1] 陳東，謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2] Chua K J,Chou S K，Ho J C，et al.Heat pump drying:Recent developments and future trends[J].Drying Technology,2002,20(8):1579-1610.

[3] Sosle V,Raghavan G S V,Kittler R.Low-temperature drying using a versatile heat pump dehumidifier[J].Drying Technology,2003,21(3):539-554.

[4] 田曉亮，孫暉，王兆俊.熱泵系統干燥軟膠丸的工藝[J].中國醫藥工業雜志，1998（9）：418-419.

[5] 龔建英，袁秀玲.空氣源熱泵蒸發器結霜過程數值模擬[J].低溫與超導，2010，38（5）：53-57.

[6] 謝繼紅，周紅，陳東，等.熱泵干燥裝置中干燥介質的物性及其應用分析[J].化工裝備技術，2007，28（3）：1-5.

[7] 陳東，謝繼紅.氫氣作為熱泵干燥裝置干燥介質的分析[J].化工裝備技術，2008，29（5）：5-8.

Analysis of Technical Schemes for Low-temperature Heat Pump Dryers

Chen DongHao Jianhua Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Wang Chunhu

Low-temperature heat pump dryers are widely needed in drying of chemical products,foods,medicines and agricultural products.Three kinds of low-temperature heat pump dryers known as basic type,vacuum type and adsorbent type are introduced,and their structures,working principles and characteristics are briefly analyzed.It shows that the basic type low-temperature heat pump dryers has the least initial cost while the vacuum type has the most,and the vacuum type low-temperature heat pump dryers has the highest energy efficiency while the basic type has the lowest,the adsorbent type low-temperature heat pump dryers are moderate both in initial cost and energy efficiency.The above results could provide good reference for the design of low-temperature heat pump dryers.

Heat pump;Drying;Low-temperature;Technical schemes;Dryer

TQ 051.8

*陳東，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）