開式吸收式熱泵型真空干燥系統建模及性能分析

潘永坤，馬素霞，王玉坤，李豐澤

(太原理工大學熱能工程系，太原 030024)

目前，中國三大糧食作物水稻、小麥和玉米產后綜合損失率分別高達6.9%、7.8%和9%[1]，主要原因是糧食在收獲季節干燥不及時或干燥方法不當而引起霉變、發芽等損失。目前，中國谷物干燥機主要使用機型為連續式、批式循環谷物干燥機，干燥方式不溫和，且干燥能耗高達5 280 kJ/(kg·H2O)左右[2]；干燥方式主要采用熱風快速干燥，干燥過程中會產生粉塵和廢熱污染，干燥后品質較差，裂紋率和爆腰率高，這些因素嚴重制約著中國糧食干燥業的發展，迫切需要研制節能高效的新型糧食干燥設備。

真空干燥能降低干燥能耗，且是低溫干燥，能夠有效避免蛋白質、糖分等營養物質遭到破壞[3]；同熱風干燥相比，真空干燥速度快，更易達到安全水分[4]；真空干燥易于回收干燥過程中產生的飽和水蒸氣。目前，應用于糧食領域的真空干燥系統研究較少，前人研究大多集中在真空干燥箱。張志軍[3]、尹麗妍[4]等進行了玉米在真空干燥箱中的干燥特性研究；程長青等[5]提出的滾筒式真空干燥設備也只能實現批式干燥，操作復雜；鄭州飛機裝備有限責任公司完成了20 t/d玉米連續真空低溫干燥中試生產性相關試驗，實測降水幅度10%，單位熱耗低于5 000 kJ/(kg·H2O)，較熱風干燥節能28.6%，達到了預期指標[3]。但是沒有對干燥過程產生的水蒸氣進行回收利用。

研發基于開式吸收式熱泵(open absorption heat punp，OAHP)的連續型真空干燥系統，采用開式吸收式熱泵將谷物干燥出的水蒸氣潛熱回收利用，升溫升壓后重新加熱物料，提升節能效果，減少廢熱污染。研制滾筒真空干燥機，實驗獲得基本性能參數。依據基本性能參數，設計開式吸收式熱泵+滾筒真空干燥機系統。

Aspen Plus具有最完備的物性系統[6]，被應用于多個工業流程模擬。Somers等[7]和Bi等[8]應用Aspen plus軟件對熱泵和吸收式制冷機進行了模擬，并分析了模擬結果；車德勇等[9]采用Aspen Plus軟件對LiBr吸收式熱泵回收循環水余熱進行了模擬研究。基于此，采用Aspen Plus軟件對整個系統流程進行建模，分析了干燥壓力、加熱溫度、稀溶液濃度及溶液熱交換器效率等對熱泵系統性能系數(coefficient of performance, COP)和干燥能耗的影響，以此為系統的建設及運行提供技術數據。

1 系統簡介

1.1 系統流程

基于開式吸收式熱泵的連續型真空干燥系統工作流程如圖1所示，主要部件有：連續型真空干燥滾筒、發生器、吸收器、溶液熱交換器、閃蒸罐、節流閥、集水箱、水泵及溶液泵組成。連續型真空干燥滾筒作為糧食干燥的場所，為物料提供真空干燥環境，實現連續進出物料；干燥產生的飽和蒸汽出口與開式吸收式熱泵吸收器連接，穩定流動的水蒸氣被吸收器中的溴化鋰溶液吸收；從發生器產生高溫高壓的水蒸氣通入干燥機內外筒體的環形空腔繼續加熱物料，實現了干燥蒸汽的再利用；加熱蒸汽的冷凝水通入閃蒸罐閃蒸部分蒸汽補充到吸收器，以達到谷物干燥所需的熱量需求，剩余的熱水同吸收器的冷卻水一并匯入儲水箱，可作為生活用水供給熱用戶。系統中發生器加熱熱源的形式不做限制，可以是就地取材的生物質鍋爐提供的高壓蒸汽也可以是其他形式，發生器熱負荷用Qg表示，發生器加熱蒸汽流量和溫度的變化最終體現在發生壓力和發生溫度的變化上。

1為滾筒干燥機；2為閃蒸罐；3為集水箱；4為吸收器；5為濃溶液節流閥；6為溶液熱交換器；7為發生器；P1為真空泵；P2、P3均為水泵；P4為溶液泵；P5為熱源泵

1.2 連續型真空滾筒干燥機

連續型真空滾筒干燥機是物料干燥的場所，在溴化鋰吸收式熱泵循環中既充當冷凝器又充當蒸發器的角色，具體結構如圖2所示。在該設備中(圖2)，儲料倉、給料裝置、內筒體、成品倉和干燥蒸汽出口貫通連接，內部保持密封，提供真空的干燥環境；外筒體固定，外敷保溫層，與內筒體同軸心安裝，與內筒體形成的環形空腔便于通入來自熱泵的加熱蒸汽，將熱量通過內筒體傳遞給被干燥物料；內筒體在驅動裝置帶動下旋轉，內壁焊有螺旋葉片和揚料板，可以一邊加熱物料，一邊將物料均勻的輸送到成品倉。

1為儲料倉；2為給料機；3動密封結構；4為軸承；5為外筒體；6為內筒體；7為螺旋葉片；8為加熱蒸汽入口；9為干燥蒸汽出口；10為成品倉

經試驗，連續型真空滾筒干燥機運行穩定且密封性良好，能夠滿足玉米干燥后要求的含水率和裂紋率標準[10]。在20 kg/h干燥量、80 ℃的加熱條件下，玉米含水率由25%降低至13.5%，以此為干燥機性能基本參數，對開式吸收式熱泵真空干燥系統進行建模分析。

2 系統模型與設計參數

2.1 系統模型

系統建模時作如下假設：①吸收器和發生器始終處于相平衡；②谷物干燥產生的水蒸氣和干燥機內外筒體之間的冷凝水均為飽和狀態；③熱損失、壓力損失和流動阻力忽略不計；④工質在節流裝置前后焓不變。在以上假設條件下，可得到系統及各部件的能量、質量守恒方程式。

發生器中LiBr質量、能量守恒方程為

mgs1xgs1=mgs2xgs2

(1)

mgs1hgs1+Qg=mgs2hgs2+mgvhgv

(2)

式中：mgs1和mgs2分別為發生器進口和出口溶液質量流量(即吸收器出口和進口溶液質量流量)，kg/h；xgs1和xgs2分別為發生器進口和出口溶液質量分數，%；hgs1和hgs2分別為發生器進口和出口溶液焓，kJ/kg；Qg為發生器熱負荷，kJ/h；mgv為發生器產生蒸汽的質量流量，kg/h；hgv為發生器出口蒸汽的焓，kJ/kg。

吸收器中水質量、能量守恒方程為

mgs2+mdv+mf=mgs1

(3)

mgs1hgs1+Qa=mgs2hgs2+mdvhdv+mfhf

(4)

式中：mdv和mf分別為干燥蒸汽和閃蒸罐補氣質量流量，kg/h；hdv和hf分別為干燥蒸汽和閃蒸罐補氣焓值，kJ/kg；Qa為吸收器熱負荷，kJ/h。

溶液熱交換器能量守恒方程為

mgs1(hgs1-has2)=mgs2(hgs2-has1)

(5)

QAHX=mgs1(hgs1-has2)

(6)

式中：has1和has2分別為吸收器進口和出口溶液焓，kJ/kg；QAHX為溶液熱交換器熱流量，kJ/h。

溶液熱交換器的換熱效率會對系統的性能產生較大影響，換熱器有效度為

εSHX=QAHX/Qmax

(7)

式(7)中：Qmax為理論最大換熱量，即假設熱流體出口溫度等于冷流體進口溫度。

干燥滾筒中的能量守恒方程為

mgv(hc1-hc2)=Qc

(8)

式(8)中：hc1和hc2分別為來自發生器加熱蒸汽在冷凝器進口和出口的焓，kJ/kg；Qc為干燥所需熱量，包括固體顆粒及內部水分升溫吸收的熱量及水分蒸發需要的熱量，kJ/h。

系統性能系數COP計算公式如式(9)所示：

COP=(Qa+Qc)/Qg

(9)

干燥能耗計算公式如式(10)所示：

W=Qg/mw

(10)

式(10)中：mw為玉米中干燥水分的速率，kg/h。

2.2 設計參數

以玉米顆粒為干燥對象，基于以上假設，吸收器壓力近似等于滾筒內的的干燥壓力和閃蒸罐的補氣壓力；發生器壓力近似等于蒸汽在內外筒體間的冷凝壓力，是冷凝溫度對應下的飽和壓力；稀溶液濃度根據吸收器壓力和吸收溫度確定，取放氣范圍為4%，系統設計參數如表1所示。

表1 干燥系統設計參數

3 系統流程模擬與結果分析

3.1 系統流程建模

使用Aspen Plus軟件中的Heater、HeatX、Mixer、Flash2、Pump及Valve模塊對整個系統進行建模，系統循環流程如圖3所示，模型中的模塊說明如表2所示，模型中實線為物質流，虛線為熱流。建模后，水及LiBr溶液的各狀態參數和物性參數可直接從軟件中調用，系統運行后可以方便地獲得各部件的熱負荷，便于進行性能分析。

圖3 開式吸收式熱泵真空干燥系統模型

表2 模型中單元操作模塊說明

3.2 計算結果

系統在設計參數下運行，計算結果如表3、表4所示。設計工況下：給料速率為20 kg/h、初溫為25 ℃的玉米顆粒在6 kPa、內筒壁溫度80 ℃的干燥環境下，含水率由25%降低至13.5%，干燥過程中產生的水蒸氣流量為2.66 kg/h，系統COP為1.726 7，干燥能耗為3 357.42 kJ/kg，并能產生數量可觀的50～60 ℃的生活用水。

表3 系統循環中各典型狀態點參數

表4 各關鍵模塊熱負荷

3.3 系統性能分析

在干燥速率及干燥含水率不變的情況下，分析干燥壓力、溶液熱交換器效率、加熱溫度和稀溶液濃度對熱泵系統COP及干燥能耗的影響。

3.3.1 干燥壓力

圖4為干燥壓力對熱泵COP及干燥能耗的影響，隨著干燥壓力的提高，熱泵COP和干燥能耗均上升。干燥壓力越低，水蒸發的溫度越低，所需的干燥能耗越少，但降低干燥壓力會使吸收壓力降低，吸收器稀溶液出口溫度降低，在發生溫度不變的情況下使系統COP降低。從圖4可以看出，干燥壓力從4 kPa升高到8 kPa，干燥能耗從3 280.98 kJ/(kg·H2O)升高到3 401.77 kJ/(kg·H2O)，增幅僅為3.68%，但干燥滾筒要維持4 kPa的絕對壓力，其加工難度將大幅提高，因此在合理干燥溫度的范圍內，可適當提高干燥壓力，既可提高系統COP又能降低設備運行和維護成本。

圖4 干燥壓力對系統COP及干燥能耗的影響

3.3.2 溶液熱交換器效率

圖5為溶液熱交換器效率對系統COP及干燥能耗的影響，由圖5可知，隨著熱交換器效率的提高，系統COP提高，干燥能耗降低。對于開式吸收式熱泵，溶液換熱器性能的高低將直接影響系統的整體性能，換熱器效率的提高可使進入發生器的稀溶液溫度更加接近發生溫度，減少發生過程中用于加熱溶液而消耗的能量，從而降低發生器能耗，提高系統COP，同時干燥能耗也會下降。

圖5 溶液熱交換器效率對系統COP及干燥能耗的影響

3.3.3 加熱溫度

加熱溫度近似等于冷凝溫度，發生器熱源的改變會引起發生器壓力和溫度的變化，最直接體現在加熱溫度的變化，因此加熱溫度也是考察系統性能的重要變量。由圖6可以看出，隨著加熱溫度的提高，系統COP逐漸降低并且干燥能耗逐漸升高。單效溴化鋰吸收式熱泵循環可以看成是由一個制冷循環和一個動力循環構成，提高加熱溫度會相應的提高冷凝壓力，導致發生溫度明顯提高，使得動力循環耗能明顯增加，系統COP降低。

圖6 加熱溫度對系統COP及干燥能耗的影響

3.3.4 稀溶液濃度

在設計工況下改變稀溶液濃度，結果如圖7所示。由圖7可知，隨著稀溶液濃度的提高，系統COP降低，同時干燥能耗升高。因為在放氣范圍保持一致的情況下，提高稀溶液濃度，發生器濃溶液的濃度也會相應提高，發生過程所需的能量就越高，因此導致系統COP降低而干燥能耗升高。

圖7 稀溶液濃度對系統COP及干燥能耗的影響

4 結論

基于開式吸收式熱泵的連續型真空干燥系統既能發揮低溫真空干燥的優勢，提高谷物干燥品質，又能體現熱泵節能的特點，在理論上具有可行性，設計工況下，該干燥系統COP為1.728 5，干燥能耗為3 346.92 kJ/(kg·H2O)，并能產生50～60 ℃的生活用水；適當提高干燥壓力會稍許增加干燥能耗，但有利于提高系統COP，也會降低設備的制造和維護成本；溶液熱交換器效率從70%升高到90%，系統COP可提高5%，干燥能耗下降10%；降低加熱溫度、降低稀溶液濃度均有利于提高系統COP、降低干燥能耗。