輔助冷凝器冷卻水量對閉式熱泵干燥系統性能的影響

汪靜，武衛東，王浩，李振博，劉薈

（1 上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093；2 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海200093）

在制造工業領域，金屬件的清洗-干燥處理已經成為金屬件生產和使用過程中必不可少的步驟[1]。干燥是一項通過加熱將物料內部的水分分離并除去的技術，廣泛應用于農業、食品、醫藥、木工等領域[2]。同時干燥是一種耗能非常高的過程，在發達國家，有9%～25%的能源用于干燥過程；對于許多工業生產部門，15%以上的工業能源用于干燥過程[3-4]。因此，在工業干燥領域發展節能減排技術存在著巨大的空間，具有很高的經濟價值、社會價值。目前金屬件清洗干燥工藝中常用的是熱風干燥方式，其加熱方式主要包括電加熱、燃煤加熱和燃氣加熱[1,5-6]。這些加熱方式升溫快、使用方便，但從能源利用的角度來看，其能效比小于1，而且從干燥室排出的高溫高濕廢氣會影響周圍生態環境[7-8]。此外，金屬件還可以采用真空干燥技術進行干燥[9-10]，其工作原理為零件處于真空狀態，蒸汽壓力下降使零件表面的水分到達飽和狀態而蒸發，并由真空泵及時排出。這種干燥方式干燥徹底，特別適合用于形狀復雜的零件，但是存在能耗高、設備復雜和初期投資大等問題。熱泵干燥是利用熱泵原理將冷凝器處吹出的干熱空氣在干燥室內等焓加濕成濕熱空氣后，進入蒸發器進行降溫除濕過程從而除去空氣中的水分，并將除濕后的空氣重新加熱成干熱空氣后返回干燥室，實現對物料的干燥和脫水。熱泵干燥技術可通過回收干燥廢氣中大量的潛熱和顯熱，大大降低干燥能耗，在近十年來得到了快速的發展。熱泵干燥技術的優點可以概括為效率高、可控性強、干燥溫區廣和干燥質量高[11-12]。干燥介質空氣可在封閉的風道中循環流動，不存在向環境排出廢氣的問題[13]。綜合能量轉換率和環保的角度考慮，閉式熱泵干燥系統是金屬件干燥環節更佳的選擇。

熱泵干燥技術自20 世紀中葉發展至今，學者們在原理分析、結構設計方面取得了很大的進展。Rossi 等[14]設置了熱泵干燥裝置和傳統干燥器的對比組，結果顯示，熱泵干燥方式可節約能源約40%，且干燥時間能縮短40.7%。Xanthopoulos等[15]提出一種新型熱泵干燥系統，即將部分冷凝器的廢氣排出，并且向系統補入新風，實驗表明該方案可以提高系統的性能。Aktas 等[16]實驗研究了不同干燥室入口風速下帶回熱器開式熱泵干燥裝置的性能，空氣經冷凝器加熱后在回熱器處與蒸發器除濕后的低溫空氣進行熱交換，縮小冷凝器處換熱溫差，結果表明與普通的熱泵干燥裝置相比，可節能48%左右，而且最小風速下的氣流與余熱回收裝置內的排風換熱更加充分，回收的能量最高。Duan等[17]提出了5組熱泵循環并聯的熱泵干燥系統，該系統采用5個蒸發器小溫差吸熱和5個冷凝器小溫差放熱的熱量梯級回收熱泵機組，減小了換熱過程中的損失，提高了系統的制熱效率和能效比。Chua等[18]提出了雙蒸發器并聯的熱泵干燥系統，實驗表明該系統可提高系統的性能。張緒坤等[19]提出了一種能進行熱泵流化床干燥的裝置，實驗表明閉式熱泵干燥系統的單位能耗除濕量（specific moisture extraction rates, SMER） 和 性 能 系 數（coefficient of performance, COP）是優于開路式、半開路式熱泵干燥系統。Ma 等[20]從熱力學第一、第二定律對熱泵干燥系統進行了分析研究，提出采用輔助冷凝器是閉式熱泵干燥系統的理想方式。Coskun等[21]設計并搭建了含輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統，為滿足干燥室熱量平衡，該系統在主冷凝器與節流閥之間的液相管路并聯了含翅片式輔助冷凝器的旁通回路，其雖然可以控制干燥溫度穩定，但系統較為復雜、受干燥室溫度波動的影響較大，而且輔助冷凝器處的熱量直接排出未被利用。Liu 等[22]提出了并聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥裝置，研究了干燥室進風溫度和蒸發器處空氣旁通率對系統性能的影響，實驗結果表明提高干燥室進風溫度能夠明顯地加快干燥過程，而且合適的空氣旁通率可以有效地縮短物料的干燥時間。Tunckal等[23]和Aktas 等[24]研究了不同干燥溫度對閉式熱泵干燥系統性能的影響，結果表明干燥時間隨干燥溫度的升高而縮短。Taseri 等[25]研究了不同風速下閉式熱泵干燥系統的性能，實驗結果表明提高風速可以加快干燥過程，但對系統功耗影響較小。此外，學者們還對太陽能輔助熱泵[26-27]、遠紅外輔助熱泵[28]、超聲波輔助熱泵[29]等熱泵干燥裝置進行了相關研究。總結各類熱泵干燥技術相關文獻發現，學者們一直嘗試通過研究不同影響因素以優化熱泵結構來提高系統的性能，而輔助冷凝器作為閉式熱泵干燥系統的重要部件，目前對其系統及影響因素研究較少。

鑒于此，本文在前人研究的基礎上，針對目前工業生產中金屬件常用的干燥方式存在的能耗大且環境不友好的現狀，提出了一種采用直接串聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統并搭建了性能實驗平臺，研究了流經輔助冷凝器的冷卻水量這一關鍵因素對閉式熱泵干燥系統的冷凝器出風溫度、COP、單位時間除濕量（moisture extraction rates，MER）和SMER等性能參數的影響，為閉式熱泵干燥系統在工業生產中金屬件干燥環節的探索和應用提供參考。

1 直接串聯式輔助冷凝器閉式熱泵干燥系統與工作原理

本文提出的采用直接串聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統如圖1所示，主要由壓縮機、節流裝置、蒸發器、冷凝器、輔助冷凝器、經濟器、干燥室等部件組成。其中壓縮機選用渦旋式噴氣增焓壓縮機，可在增大系統制熱量、達到高出風溫度的同時，降低壓縮機的排氣溫度，采用R134a 制冷劑，理論排氣量為42.0mL/rev。主節流閥和輔助節流閥均采用熱力膨脹閥。蒸發器為翅片式換熱器，主冷凝器為微通道換熱器，輔助冷凝器和經濟器為板式換熱器。對于閉式熱泵干燥系統，干燥介質空氣在冷凝器處吸收的熱量大于其在蒸發器處釋放的熱量，若不把這部分多余的熱量及時排出，將會導致干燥系統熱量不斷累積、干燥室內溫度越來越高，對干燥系統是不利的。為確保干燥系統穩定運行，需要在制冷系統中安裝輔助冷凝器，而并聯式輔助冷凝器內制冷劑流速較低、傳熱系數小，因此在本文系統設計中采用直接串聯式輔助冷凝器，通過冷卻水和制冷劑的換熱，將多余的熱量及時排出，同時可以通過控制該部分的換熱量來調節干燥室的進風溫度。此外，加熱后的冷卻水可以為工業生產提供熱水，使能源得到充分地利用。

圖1 直接串聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥實驗系統

系統分為制冷劑循環子系統、空氣循環子系統和冷卻水子系統。對于制冷劑循環子系統：從壓縮機出來的高溫高壓制冷劑通過主冷凝器，與干燥介質空氣進行熱交換后，流經輔助冷凝器與冷卻水進行換熱，排出系統多余的熱量；從輔助冷凝器出來的制冷劑分為兩部分，一部分經輔助節流閥節流，其壓力降到中間壓力，在經濟器中吸熱汽化成中溫中壓氣態制冷劑后進入壓縮機的補氣口；另一部分直接進入經濟器過冷，增大系統的制冷量。過冷后的制冷劑經主節流閥節流后，流經蒸發器與干燥介質進行熱交換，之后進入壓縮機吸氣口進行壓縮，形成制冷劑回路的循環。對于空氣循環子系統：干燥介質空氣在封閉的通道里循環流動，經過主冷凝器被加熱后進入干燥室，脫去待干燥物料的水分，隨后經過蒸發器降溫除濕，之后再次進入主冷凝器完成加熱過程，形成熱空氣回路的循環。對于冷卻水子系統：冷卻水流經輔助冷凝器被加熱成可供工業生產的熱水，帶走系統多余的熱量。

2 實驗系統與方法

2.1 系統測點布置及數據采集

系統測點布置圖見圖1，分為制冷劑側數據采集、空氣側數據采集和冷卻水側數據采集。制冷劑側循環數據采集主要包括壓縮機吸排氣口及補氣口的溫度和壓力，主冷凝器進出口、輔助冷凝器進出口、蒸發器進出口、主節流閥進出口、輔助節流閥出口溫度以及壓縮機的功耗等。空氣側循環數據采集主要包括蒸發器進出口、主冷凝器出口的風溫和相對濕度，循環風的速度和風機功耗等。冷卻水側數據采集主要包括輔助冷凝器進出口的水溫、冷卻水的流量。壓縮機的功耗由功率計直接測得，循環風量由測得的風速和風速測點處截斷面積計算獲得。所有的傳感器信號均由Agilent 數據采集儀采集并由PC 端記錄。實驗中應用的儀器相關參數如表1所示。

表1 實驗儀器相關參數

2.2 實驗方法

本文提出的閉式熱泵干燥系統的干燥性能會受到制冷系統工作狀況的影響，而且輔助冷凝器的冷卻水流量和溫度是影響制冷系統工作狀況的關鍵因素。鑒于此，本文針對企業60℃以上的干燥室進口溫度（冷凝器出風溫度）要求，在冷卻水進水溫度為常溫條件下，主要研究了輔助冷凝器的冷卻水量變化對冷凝器出風溫度、制熱/制冷量、系統功耗、COP、MER和SMER的影響。

本文所有實驗均是在保持環境溫度、冷卻水進水溫度、循環風量和干燥室濕負荷（待干燥金屬件表面吸熱蒸發后進入空氣中的水分）不變，只改變冷卻水量的條件下進行。金屬件作為被干燥對象，清洗過后的水分以游離態形式存在于金屬件表面，所以去除金屬件的水分與烘干單獨的游離水在機理上并無區別。為保證干燥室濕負荷不變的實驗條件，本文以超聲波霧化器噴霧的形式模擬干燥室的濕負荷（其大小主要參照企業需求確定）。實驗通過恒溫水槽控制冷卻水進水溫度恒定，冷卻水量通過高精度蠕動泵調節。在實驗初試過程中發現，當冷卻水量小于30.0kg/h 時，排氣壓力超過3.6MPa，排氣溫度超過110℃，對于系統來說是不利的。為此，本文實驗具體工況條件如表2所示，其中冷卻水 量 按30.6kg/h、35.7kg/h、40.5kg/h、45.5kg/h、50.1kg/h 這5 個工況依次進行。此外，基于前期實驗，當循環風量為539.8m3/h 時，系統的SMER 相對最優，故本文實驗的循環風量保持為539.8m3/h。

表2 實驗工況條件

2.3 主要性能評價指標

用于評價直接串聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統的指標主要包括制熱/制冷量、系統功耗、COP、MER和SMER。

（1）制熱/制冷量按式(1)～式(3)計算。

由于空氣流經主冷凝器前后的絕對含濕量不變，則流經主冷凝器的循環風溫差可表示為式(4)。

式中，Qk為主冷凝器制熱量，kW；ρf為空氣密度，kg/m3；v 為風速，m/s；A 為風速測點處風道橫截面積，m2；hin為主冷凝器進口空氣焓值，kJ/kg；hout為主冷凝器出口空氣焓值，kJ/kg；t為空氣溫度，℃；d 為空氣的絕對含濕量，kg/kg干空氣；1.01為干空氣的平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)；2500為0℃時水的汽化潛熱，kJ/kg；1.84 為水蒸氣的平均定壓比熱容，kJ/(kg·K)；φ 為相對濕度；p 為當地大氣壓力，Pa；pq,b為同溫度下飽和水蒸汽分壓力，Pa。同理，可以計算出蒸發器處制冷量Q0，kW。

（2）系統性能系數（COP）

性能系數（COP）是指收益能數值與補償能數值之比，本系統的收益能量包括來自于冷凝器向循環空氣釋放的熱量和蒸發器向循環風吸收的熱量（制冷量），補償能量為壓縮機、水泵和風機三者的功耗之和，見式(5)。

式中，W為系統功耗，kW。

（3）單位時間除濕量（MER）

單位時間除濕量（MER）是指干燥過程中除去物料中水分的質量與干燥時間的比值，是反應干燥速率快慢的參數，見式(6)。

式中，m 為系統干燥工程蒸發器處冷凝水質量，kg；τ為系統干燥時間，h。

（4）單位能耗除濕量（SMER）

單位能耗除濕量（SMER）是衡量熱泵干燥系統除濕性能的另一重要指標，其定義為熱泵系統每消耗單位能量所能除去物料中水分的質量，見式(7)。

2.4 不確定度分析

本系統性能評價指標的不確定度主要由相關測量儀器的精確度引起，可通過不確定度計算，見式(8)和式(9)[30-31]。式(8)為間接被測參數R與各直接被測參數的函數表達式，Xi表示第i個直接被測參數。式(9)中δR/R表示間接被測參數R的相對不確定度，其中a,b,…,m 為式(8)中各直接被測參數的對應指數。

由公式計算得到，系統總功耗相對不確定度為0.92%，系統性能系數COP相對不確定度為2.15%，MER 相對不確定度為0.21%，SMER 相對不確定度為0.94%。

3 結果及分析

3.1 冷卻水量對冷凝器側工況參數的影響

圖2 不同冷卻水量下冷凝壓力和主冷凝器的進出口制冷劑溫度、風溫的變化

圖2為不同冷卻水量下冷凝壓力和主冷凝器進出口制冷劑溫度、風溫的變化。由圖可知，在本文實驗工況范圍內，當冷卻水量最小為30.6kg/h 時，冷凝壓力為3.6MPa，主冷凝器制冷劑進出口溫度分別為104.2℃和75.9℃，冷凝器進風溫度為35.4℃，冷凝器出風溫度達到72.8℃。隨著冷卻水量的增大，冷凝壓力逐漸降低，主冷凝器進出口的制冷劑溫度和風溫均逐漸降低，且流經主冷凝器的制冷劑進出口溫差逐漸增大，流經主冷凝器的循環風溫差逐漸減小。這是因為冷卻水量加大，輔助冷凝器側換熱能力增強，使得冷凝溫度下降，冷凝壓力隨之下降，忽略主節流閥節流效應的變化，蒸發壓力也呈下降趨勢，蒸發溫度隨之降低。蒸發壓力下降直接導致了壓縮機吸氣壓力和吸氣溫度的下降，而壓縮機的轉速保持不變，最終導致壓縮機的排氣壓力和排氣溫度下降，主冷凝器進口制冷劑溫度逐漸降低，主冷凝器出口制冷劑溫度隨之降低。同時，隨著蒸發壓力的下降，壓縮機的吸氣比容增大，而壓縮機定轉速情況下排氣量一定，則制冷系統的制冷劑質量流量減少。另外，計算可知主冷凝器側對數平均溫差逐漸減小，主冷凝器側換熱面積不變，忽略該處傳熱系數的變化，則主冷凝器側換熱量逐漸下降。盡管制熱換熱量和制冷劑質量流量均減小，但后者減小幅度更大，因此流經主冷凝器的制冷劑進出口溫差逐漸增大。主冷凝器出風溫度逐漸降低是因為主冷凝器側換熱量減小，并且蒸發溫度降低導致蒸發器的出風溫度（主冷凝器的進風溫度）降低。

圖3 為空氣在熱泵干燥系統內的焓濕狀態變化，其中1-2-3-4-1 和1’-2’-3’-4’-1’分別表示冷卻水量為30.6kg/h 和35.7kg/h 時空氣焓濕狀態變化過程。1-2為干燥室內空氣的等焓加濕過程（物料的干燥過程），2-3為蒸發器內降溫過程，3-4為蒸發器內降溫除濕過程，4-1為主冷凝器內等濕加熱過程。由上述分析可知，隨著冷卻水量的增大，主冷凝器的進風溫度降低，對應狀態點4向4’移動，則主冷凝器處進風絕對含濕量d逐漸減小。根據公式(4)，隨著冷卻水量的增大，主冷凝器制熱量Qk的減小幅度大于1.01+1.84d的減小幅度，因此在循環風量一定的情況下，流經主冷凝器的循環風溫差逐漸減小。

3.2 冷卻水量對蒸發器側工況參數的影響

圖3 空氣在熱泵干燥系統內的焓濕狀態變化

圖4為不同冷卻水量下蒸發壓力和蒸發器進出口制冷劑溫度、風溫的變化。可以看出，隨著冷卻水量的增大，蒸發壓力逐漸降低，蒸發器進出口制冷劑溫度和風溫均逐漸降低，且蒸發器進出口制冷劑溫差逐漸增大。這是因為隨著冷卻水量的加大，主冷凝器的出風溫度下降，干燥室的濕負荷不變，則蒸發器的進風溫度也逐漸下降，蒸發器的出風溫度（主冷凝器的進風溫度）隨之降低。由3.1 節分析也可知，隨著冷卻水量的加大，主節流閥閥后溫度即蒸發器進口制冷劑溫度逐漸下降，蒸發器出口制冷劑溫度隨之下降。另外，計算可知蒸發器側對數平均溫差逐漸減小，蒸發器側換熱面積不變，忽略該處傳熱系數的變化，可知蒸發器側換熱量也逐漸下降。盡管制冷換熱量和制冷劑質量流量均減小，但后者減小幅度更大，因此流經蒸發器的制冷劑進出口溫差逐漸增大。

圖4 不同冷卻水量下蒸發壓力和蒸發器進出口制冷劑溫度、風溫的變化

3.3 冷卻水量對輔助冷凝器側工況參數的影響

圖5為不同冷卻水量下輔助冷凝器換熱量、進出口制冷劑溫度和冷卻水出水溫度的變化。可以看出，冷卻水量從30.6kg/h增大到50.1kg/h的過程中，冷卻水出水溫度逐漸降低，最高出水溫度可達65.2℃，最低出水溫度為44.1℃。隨著冷卻水量的加大，輔助冷凝器的換熱量逐漸減小，這是因為制冷劑的質量流量降低，雖然輔助冷凝器處制冷劑的進出口溫差（由圖5可見）及相應比焓差增大，但是其增大的幅度小于制冷劑質量流量減小的幅度。在輔助冷凝器換熱量減小的情況下，而實驗過程中保持冷卻水進水溫度為17℃，所以冷卻水出水溫度隨著冷卻水量的加大而減小。

圖5 不同冷卻水量下輔助冷凝器換熱量、進出口制冷劑溫度和冷卻水出水溫度的變化

3.4 冷卻水量對制熱量、制冷量、系統功耗和COP的影響

制熱量、制冷量和COP 是一個制冷熱泵系統性能的重要評判依據。圖6為不同冷卻水量下系統功耗、系統制熱量、制冷量和COP 的變化。其中系統制熱量、制冷量隨著冷卻水量增加呈下降趨勢，這與上文分析相吻合。系統功耗主要包括壓縮機、水泵和風機三者的功耗，本文實驗工況下保持風量一定，循環風機功耗為恒定值；雖然隨著水量的調節，水泵的功耗略有變化，但對系統功耗影響較小，所以系統功耗的變化主要來自壓縮機功耗的改變。系統功耗下降的原因，一方面是因為壓縮機功率受到排氣溫度的影響較大，該品牌壓縮機推薦工作溫區為70～90℃，當水量為50.1kg/h 時，排氣溫度為99.8℃，排氣溫度隨著冷卻水量的增大而降低；另一方面，制冷劑質量流量隨著冷卻水量的增大而下降，所以系統功耗呈下降趨勢。此外，由圖6可知，冷卻水量的變化對COP的影響不大，原因是系統收益（冷凝器向循環空氣釋放的熱量和蒸發器向循環風吸收的熱量）與系統功耗下降速率相當，導致COP保持在5.6左右。

圖6 不同冷卻水量下系統功耗、系統制熱量和COP的變化

3.5 冷卻水量對MER和SMER的影響

圖7 為不同冷卻水量下MER 和SMER 的變化。由圖可知，隨著冷卻水量的增大，MER 逐漸減小而SMER逐漸增大，且MER的下降速率逐漸減小。由3.1節和3.2節分析可知主冷凝器的換熱量和蒸發器的制冷量均一直降低，而實驗過程中保持循環風量不變，故MER 隨著冷卻水量的增大而減小；MER 下降速率逐漸減小是因為蒸發器處的制冷量用于空氣的降溫和除濕，分別對應圖3中2-3過程和3-4 過程，蒸發器進風溫度越低，用于降溫（顯熱）的制冷量占比越少（2、3 兩點的比焓差減小），而用于除濕的制冷量占比越大；MER的下降幅度小于系統功耗的下降幅度，所以SMER隨著冷卻水量的增加而變大。可以看出，當冷卻水量為 30.6kg/h 時， MER 為 3.80kg/h， SMER 為1.26kg/(kW·h)；當冷卻水量為50.1kg/h時，MER為3.56kg/h，SMER為1.44kg/(kW·h)。

圖7 不同冷卻水量下MER和SMER的變化

4 結論

針對目前工業生產中金屬件清洗干燥工藝中常用干燥方式存在能耗高且環境不友好的現狀，提出并建立了一種采用直接串聯式輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統，并實驗研究了輔助冷凝器的冷卻水量對該干燥系統性能的影響，得出如下結論。

（1）本文實驗工況下，冷卻水量為30.6kg/h時，冷凝器出風溫度為72.8℃；隨著輔助冷凝器冷卻水量的增大，因冷凝壓力和蒸發壓力的降低，導致制冷系統的制冷劑質量流量降低，系統的制熱量和制冷量均減少，進而導致主冷凝器的出風溫度和蒸發器出風溫度（主冷凝器的進風溫度）均下降，冷卻水量是調節干燥室進口風溫的一個較好的方式。

（2）當輔助冷凝器的冷卻水量為30.6kg/h 時，冷卻水出水溫度可達65.2℃，可為工業生產提供可應用的熱水，使能源得到充分地利用；冷卻水量的變化對COP 的影響不大，這是因為系統收益和系統功耗下降速率相當。

（3）隨著輔助冷凝器冷卻水量的增大，單位時間除濕量（MER）逐漸減小而單位能耗除濕量（SMER） 逐 漸 增 大，MER 最 高 可 達3.80kg/h，SMER 最高可達1.44kg/(kW·h)，兩者變化趨勢相反，故生產實際中需要綜合考慮冷卻水量對MER和SMER的影響。