閉式熱泵干燥系統的除濕特性試驗

曾文良 陳柏霖 陳 萱 揭雪飛

(廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州 510300)

干燥普遍存在于工農業生產和日常生活之中，是一項較高能耗的單元操作過程，在工業過程中約占過程能耗的4%～35%(化學工業約4%，造紙工業約35%)[1-2]，在西方發達國家中占全社會總能耗的9%～25%[2-3]，因此對干燥系統及其節能的研究具有十分重要的社會和經濟價值。

早在20世紀40年代，德國工程師就提出熱泵干燥技術并獲得相應專利，但真正應用始于20世紀的第二次石油危機之后。相比于傳統的熱風干燥，熱泵干燥具有節能、綠色環保和干燥溫度低等特點，促使其應用范圍廣泛且形式多樣。近些年隨著節能與環保要求的提高，開式和半開半閉熱泵干燥循環系統將逐步退出應用，而閉式熱泵干燥系統即將成為主流，特別是在農林產品、食品加工、環境保護和生物制藥等領域表現尤為突出。

熱泵干燥系統的研究主要在兩個方面，一是應用基礎理論研究，主要通過熱力學分析[4-5]和數值模擬[6-7]的方法，探索熱泵干燥中的參數優化等[8-9]，為熱泵應用設計提供適當的理論依據；二是具體的應用研究，主要通過試驗，探索適用不同干燥物料的工藝參數[10-12]、操作條件[13-14]、優化控制與設計方案[15-16]等。前期研究盡管有大量有益的研究成果，為熱泵干燥技術應用提供眾多有益的參考。但由于閉式熱泵系統中物料在干燥過程中的狀態參數(溫度、濕度、含濕量)變化較大，對于如何優化閉式干燥系統的整體參數，最大限度同時滿足干燥工藝條件和干燥系統的單位能耗除濕量(SMER)，迫切需要尋找熱泵干燥系統在不同的工作參數條件下的SMER的變化規律，從而實現閉式熱泵干燥系統的優化設計及系統控制。研究擬通過試驗方法來探索閉式熱泵干燥過程中空氣流量、相對濕度、熱管回熱器等對系統SMER的變化規律，以期達到對閉式熱泵干燥性能優化設計、控制和應用提供有力的支撐。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置與流程如圖1所示，設計了一個4 000 mm×2 500 mm×2 700 mm(長×寬×高)的干燥室，干燥室設置有獨立的內置循環風道和相應的循環風機，系統設計參照曾文良等[17]的方法，試驗過程中將熱泵冷凝器作為分機單獨安裝在循環風道內，冷媒通過連管直接連通主機，并由循環風機供風，風機的主要參數見表1。

熱泵主機(帶獨立控制的風機)設置在干燥區域的回風區域，采用谷輪熱泵專用壓縮機，其型號為ZR61KC-PFJ，排氣量為14.37 m3/h，ARI工況下的制冷量和輸入功率分別為14.60，4.43 kW；系統采用熱力膨脹閥為主，并輔以手動截止閥進行蒸發溫度的調節；熱管為重力自返回熱管，傳熱介質為R22，在熱管中間設置獨立的手動截止閥，以便控制熱管使用，進行試驗對比。

1. 回風口 2. 熱管沸騰段(高溫) 3. 蒸發器 4. 壓縮機系統 5. 熱管冷凝段(低溫) 6. 主機風機 7. 主機分機連管 8. 冷凝器(分機) 9. 循環風機 10. 循環風道 11. 排熱排濕風門 12. 干燥物料及支架 ①～⑤. 溫濕度測量位置與編號

表1 風機的主要參數

1.2 試驗方法

1.2.1 測量控制方法

(1) 溫濕度的測量：干燥介質溫度和濕度采用TH10R-EX溫濕度測試儀在線測量，分別在主機回風口、熱管沸騰段與蒸發器之間、蒸發器之后、熱管冷凝段之后、冷凝器(分機)之后5個位置檢測空氣的溫濕度，具體位置見圖1中的①～⑤。

(2) 空氣流量的測定與控制：① 主機流量。系統正常，不同風機電機頻率下，在回風口均勻布置了6個測量位置，用熱線風速儀測量其風速并取平均值，處理轉化為頻率—流量曲線，試驗中通過控制風機的頻率來控制空氣的流量。② 冷凝器流量。冷凝器的流量測試方法與主機流量一致，試驗中冷凝器空氣質量流量(干基)維持在2.0～2.2 kg/s。

(3) 電功率的測量：直接用功率表測量讀數而得，該數據不包含循環風扇的電機功率。

(4) 濕度的控制：在物料區域設置由廢舊紙板代替濕物料，通過加飽和水蒸氣來控制濕度的濕源。蒸汽來自于電熱鍋爐，壓力控制在0.01 MPa(表)。

(5) 溫度的控制：通過控制排熱排濕風門的開度實施，在干燥室的兩側設置有多個均勻的小孔，以便外界空氣進入系統，干燥箱內維持其壓強控制在5～-5 Pa(表)。

(6) 蒸發溫度的控制：手動截止閥調節蒸發溫度和過熱度。

1.2.2 數據處理方法 試驗中空氣的壓力維持在101.3 kPa 不變，故空氣的濕度和焓可以分別計算為：

(1)

Hi=(1.01+1.88hi)×ti+2 500×hi，

(2)

式中：

hi——該狀態下空氣的絕對濕度，kg/kg干空氣；

Hi——該狀態下空氣的焓，kJ/kg干空氣；

φi——空氣的相對濕度，%；

ti——空氣的溫度，℃。

空氣的質量流量(干基)，SMER的計算：

(3)

SMER=[3 600×(h1-h3)×qm]/P，

(4)

式中：

qm——該狀態下空氣的質量流量，kg/s；

qV——該狀態下空氣的體積流量，m3/s；

SMER——單位能耗除濕量，kg/(kW·h)；

ρh——濕空氣的密度，kg/m3；

P——主機功率(不含循環風扇)，kW。

2 結果與討論

2.1 空氣流量的影響

恒定空氣溫度為50 ℃，且分別保持相對濕度為30%，50%，70%的條件下，改變不同的空氣流量，熱泵干燥系統在無熱管和有熱管條件下的SMER的變化關系曲線分別見圖2、3。從圖2可以看出，在沒有熱管回熱作用的情況下，系統的SMER隨流量的增加而減小，當φ=70%，流量為0.15 kg/s時，系統的SMER最高約為3.3，而當流量升高至0.8 kg/s時，SMER降低至2.5，φ=50%和φ=30%的SMER變化趨勢與上述基本一致；至于進一步降低空氣流量，系統的SMER值是否會出現最大值，由于當空氣流量降低至0.15 kg/s以下時，對應換熱器的迎面風速將降至0.3 m/s以下，此時傳熱效果將急劇惡化，因此試驗未進一步探索更低流量下的SMER性能參數變化；比較圖2中3條曲線，可以發現φ越小，SMER的變化曲線的斜率越大，也就是SMER減小的幅度越大；在φ=30%且流量接近0.70 kg/s時，系統的SMER值接近于0，說明如果繼續加大空氣流量，將無法除濕。

理論上，空氣進入熱泵系統，首先是溫度降低，其放出的是顯熱，只有當溫度降低至空氣露點溫度以下時，才開始有液態水析出，總體上說熱泵的制冷量是一定的，如果空氣顯熱過多，其潛熱就不足，除濕量自然減小，因此采用除濕效率[8]能夠更好解釋上述試驗結果。除濕效率(ε)的定義為：ε=除濕潛熱量/總制冷量，通過簡化可表達為：

(5)

圖2 干空氣流量對無熱管熱泵干燥系統單位

圖3 干空氣流量對有熱管熱泵干燥系統單位

由圖3可以看出，在具有熱管回收余冷的前提下，隨著空氣流量的增大，系統的SMER先增大，達到最大值以后將逐漸減小，因此其具有一個最佳的空氣流量值，從而使得系統的SMER達到最大，而且φ越低，SMER的最大趨勢越明顯；隨著流量的增大，SMER值經歷了最大之后是一直下降的，且下降的趨勢與無熱管情況下基本一致，當φ=70%時，流量對SMER的影響較小，流量為0.15 kg/s 和0.80 kg/s，SMER分別為3.90和3.55，僅僅下降8.9%，而在φ=30%時，對應的SMER分別為2.50和0.82，SMER下降達79.2%，說明若要提高閉式熱泵干燥系統的除濕效率，干燥操作時的相對濕度不能過低。

比較圖3與圖2可以看出，在相同的工況下，熱管的應用將使得SMER大幅提高，在φ=70%，流量為0.15 kg/s，SMER比無熱管提高了18.8%，而在φ=30%，流量為0.6 kg/s，SMER提高了約2倍以上，隨著流量的增大，提高更加明顯，說明采用熱管回收系統余冷，對節能價值非常明顯，特別是在較低的相對濕度條件下，這種節能效果更加突出。綜合來說，采用熱管換熱器的前提下，維持熱泵的空氣流量在0.2～0.4 kg/s比較合適，但是應該綜合考慮溫度和相對濕度的共同影響，尤其是相對濕度的影響。

2.2 相對濕度的影響

根據前述的研究結果，恒定空氣流量為0.35 kg/s，且分別恒定t=45 ℃和t=55 ℃條件下，閉式熱泵干燥系統在有、無熱管的條件下，φ的變化對SMER的影響曲線分別見圖4、5。比較圖4和圖5看出，無論是有、無熱管情況下，系統的SMER是隨著相對濕度升高而增大的，且基本是呈線性上升；比較不同溫度下φ對SMER的影響，無熱管時，φ從25%升高至75%，t=45 ℃和t=55 ℃，SMER升高幅度基本一致且維持在260%～270%，而有熱管時，SMER大約提高了220%～240%，說明φ的變化對無熱管系統更加敏感。

圖4 空氣相對濕度對無熱管熱泵干燥系統

圖5 空氣相對濕度對有熱管熱泵干燥系統

3 結論

(1) 文章系統地對空氣流量、相對濕度及有無熱管對閉式熱泵干燥系統的單位能耗除濕量的影響進行了試驗，結果亦與部分文獻數值模擬結果相吻合，并揭示出在恒定溫度和相對濕度且有熱管條件下，系統的單位能耗除濕量將隨著流量變化有一個最大值，最佳空氣流量大約在0.2～0.4 kg/s。

(2) 相同的工況下，熱管的應用使系統單位能耗除濕量大幅提高，提高幅度在20%～200%，流量越大，單位能耗除濕量的提高幅度越大，相對濕度越小，單位能耗除濕量的提高幅度越大，溫度對單位能耗除濕量的提高幅度相對較小。

(3) 恒定空氣流量(干基)為0.35 kg/s，系統的單位能耗除濕量隨著相對濕度的升高而增大，在試驗范圍內，單位能耗除濕量的提高幅度在220%～280%。盡管相對濕度的變化對系統單位能耗除濕量的影響大，但在實際干燥過程中，如何選擇合適的相對濕度應根據物料脫濕的內在物理機制而定，如何使得干燥速度和系統能效達到最佳匹配將對閉式熱泵干燥系統具體應用起到重要的作用，有待在后續論文中進一步分析。