用于海苔烘干的濕冷雙效回收型高效熱泵系統(tǒng)

成家豪 曹 祥,2 葛美才 張春路

(1 同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 制冷與低溫工程研究所 上海 201804；2 同濟大學(xué)機械工程博士后工作站 上海 201804；3 南通華信中央空調(diào)有限公司 南通 226014)

海苔富含抗氧化劑、膳食纖維、維生素等，是一種高營養(yǎng)價值的水產(chǎn)品[1]。海苔由條斑紫菜烘制而成，采集后要及時烘干，便于后續(xù)加工[2]。傳統(tǒng)海苔烘干采用自然晾曬，受氣候影響較大，烘干過程溫度不可控，成品不合格率較高[3-4]。目前工業(yè)生產(chǎn)中采用干燥熱風(fēng)進行烘干，耗時短、生產(chǎn)效率高，但能耗大[5]。整個工業(yè)都面臨干燥高能耗的問題，烘干行節(jié)占工業(yè)總能耗的10%～25%[6]。因此，對于海苔烘干在內(nèi)的眾多工農(nóng)業(yè)烘干工藝，提升熱風(fēng)干燥方式中加熱設(shè)備的能效，是解決烘干高能耗問題的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的海苔烘干設(shè)備，直接使用煤、柴油、電等能源加熱室外新風(fēng)，效率較低[7]。此外，干燥熱風(fēng)從海苔中蒸出的大量水蒸氣潛熱直接排至室外。烘干過程的能源利用率僅有約35%[8]。若采用蒸氣壓縮式空氣源熱泵從室外取熱來加熱新風(fēng)(開式熱泵系統(tǒng)如圖1所示)，可節(jié)約50%以上的一次能源[9-10]。但由于系統(tǒng)為開式，仍存在潛熱耗散的問題[11]。而且熱泵的蒸發(fā)端從室外取熱，工況不穩(wěn)定。海苔烘干又多在冬季，熱泵系統(tǒng)能效低，有結(jié)霜隱患[12]。

圖1 開式熱泵烘干系統(tǒng)Fig.1 Open-type heat pump dryer

基于熱泵自身的特性構(gòu)建閉式空氣回路，將烘房排風(fēng)重新引回蒸發(fā)端降溫，使其中水蒸氣冷凝，實現(xiàn)除濕目的后，再通過冷凝端再熱[13-15]。由此，排風(fēng)始終在烘房/風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，回收原來排風(fēng)中的水蒸氣潛熱，大幅提升了烘干過程的能源利用率。

本文從閉式熱泵烘干系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，針對海苔烘干工藝進行創(chuàng)新設(shè)計：1)對海苔烘干的大風(fēng)量需求，引入混風(fēng)形式，保證對水蒸氣潛熱(即濕效潛熱)的順利回收；2)引入過冷器回收蒸發(fā)器后回風(fēng)中的低溫冷能(即冷效顯熱)。基于仿真設(shè)計并制作樣機，對關(guān)鍵性能參數(shù)進行了研究。

1 系統(tǒng)原理

濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)流路和空氣循環(huán)流路，其原理及壓焓圖分別如圖2、圖3所示。空氣循環(huán)中，烘制完海苔后的排風(fēng)部分流經(jīng)蒸發(fā)器除濕后再和未處理的旁通回風(fēng)混合。目的是為了匹配蒸發(fā)器的最優(yōu)風(fēng)量/迎面風(fēng)速，實現(xiàn)閉式系統(tǒng)對排風(fēng)中濕效潛熱的回收。海苔烘干風(fēng)量大，烘干風(fēng)速需大于3 m/s，以保證海苔的平整度。若回風(fēng)全部流經(jīng)蒸發(fā)器，風(fēng)速過高，導(dǎo)致蒸發(fā)器中以顯熱換熱為主，除濕能力反而降低[16]；同時蒸發(fā)溫度過高，壓縮機不易選配。這些原因?qū)е卢F(xiàn)有簡單熱泵除濕機無法直接應(yīng)用于海苔烘干。

圖2 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

在制冷劑循環(huán)中，除四大基本部件外，引入過冷器(也可視作冷凝器拆分的一部分)，將其置于混風(fēng)前，利用蒸發(fā)器后降至露點溫度的低溫回風(fēng)，增大了系統(tǒng)過冷度(圖3：狀態(tài)點3→3′)及除濕能力，回收冷能的同時還降低了大溫差混風(fēng)損失。結(jié)合上述對水蒸氣濕效潛熱的利用，為濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)。

2 基于仿真的可行域設(shè)計

考慮設(shè)計參數(shù)受擾動帶來的不確定性，采用基于仿真的可行域設(shè)計，確保機組在圍繞典型工況的較大范圍內(nèi)穩(wěn)健運行。

2.1 仿真設(shè)計

基于仿真平臺GREATLAB[17]搭建部件及系統(tǒng)仿真模型(圖4)。

Ts制冷劑飽和溫度，℃；T制冷劑溫度，℃；p制冷劑壓力，kPa；dTsh制冷劑過熱/過冷度，℃；Tdb空氣溫度，℃；RH空氣相對濕度，%。圖4 基于GREATLAB的系統(tǒng)仿真模型Fig.4 System model in GREATLAB

按表1所示的海苔烘干工藝要求[18]計算系統(tǒng)的設(shè)計工況參數(shù)，并基于仿真模型完成系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，各部件選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 海苔烘干工藝及設(shè)計參數(shù)Tab.1 Process and design parameters of seaweed drying

表2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Tab.2 Specifications of system optimum design

2.2 可行域評價

為了揭示系統(tǒng)中引入混風(fēng)及過冷器的必要性，并衡量系統(tǒng)設(shè)計在變化工況下運行的魯棒性，在回風(fēng)溫度20 ～50 ℃、相對濕度20%～80%范圍內(nèi)，以壓縮機安全運行范圍(蒸發(fā)溫度-25～14 ℃，冷凝溫度25～56 ℃)為約束邊界，繪制簡單閉式系統(tǒng)、混風(fēng)系統(tǒng)和混風(fēng)過冷系統(tǒng)(即本文的濕冷雙效回收型系統(tǒng))的可行域，如圖5所示。

可行域的對比結(jié)果表明，簡單系統(tǒng)形式受到蒸發(fā)溫度上限的約束，回風(fēng)溫度為40 ℃以上有運行風(fēng)險，不適合海苔烘干。引入混風(fēng)后，拓寬了系統(tǒng)在高溫高濕回風(fēng)工況下的可行域。引入過冷器后，除濕能力增強，蒸發(fā)溫度可進一步減小。由圖5可知，海苔烘干典型工況(46 ℃/40%)位于混風(fēng)系統(tǒng)及過冷混風(fēng)系統(tǒng)的可行域中。

圖5 熱泵烘干系統(tǒng)的可行域Fig.5 Working domains of various heat pump dryers

3 模型驗證

上述可行域評價表明了本系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，按表2的系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，制備了濕冷雙效回收熱泵烘干系統(tǒng)的樣機，如圖6所示。

圖6 海苔烘干熱泵系統(tǒng)樣機Fig.6 Prototype of heat pump dryer

在焓差實驗室完成樣機的測試。海苔烘干多采用傳送帶式系統(tǒng)，因此回風(fēng)狀態(tài)可近似視作穩(wěn)態(tài)。為了全面地驗證模型，選取3個工況進行測試，分別為35 ℃/55%、46 ℃/40%和50 ℃/40%(回風(fēng)溫度/相對濕度)。各測點的布置參見圖2。

基于實測的3組數(shù)據(jù)，標定并驗證仿真模型，模擬和實測結(jié)果的對比如表3所示。其中溫度偏差在-0.7～0.9 ℃，壓力值的相對誤差在-5.0%～2.0%，吻合良好。

表3 模擬和實測數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of simulation and test data

4 性能分析

基于驗證后的仿真模型，對系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)進行深入分析。

4.1 混風(fēng)比優(yōu)化

圖7所示為系統(tǒng)各性能參數(shù)隨混風(fēng)比的變化，包括循環(huán)能效COP、蒸發(fā)器換熱潛熱比LHR(潛熱量占總換熱量的比值)以及單位能耗除濕量SMER(kg/kWh)。本文混風(fēng)比定義為旁通風(fēng)量和總風(fēng)量的比值，在0～1范圍變化。

圖7 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)的最優(yōu)混風(fēng)比Fig.7 Optimum bypass air ratio of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

由圖7可知，COP和LHR隨混風(fēng)比的增大呈相反的變化趨勢。增大混風(fēng)比，相當(dāng)于流經(jīng)蒸發(fā)器的風(fēng)量減小，迎面風(fēng)速降低，使LHR更大；但與此同時，蒸發(fā)溫度降低，循環(huán)COP減小。

由各參數(shù)的定義可以推導(dǎo)出式(1)，即SMER同時受到LHR和COP的影響，而水蒸氣潛熱hlat,w在回風(fēng)工況穩(wěn)定時變化較小。因此，在LHR和COP的相反變化趨勢下，系統(tǒng)存在最優(yōu)混風(fēng)比0.77，達到最佳SMER，為2.61 kg/kWh。

(1)

4.2 過冷度優(yōu)化

同一般的蒸氣壓縮式系統(tǒng)類似[19]，本系統(tǒng)也存在最優(yōu)過冷度，如圖8所示。本系統(tǒng)中過冷器和冷凝器拆分后，入口的風(fēng)溫狀態(tài)存在差異。當(dāng)過冷器中不完全是制冷劑過冷液體時，增大過冷度提升了蒸發(fā)器側(cè)的制冷量，而對冷凝溫度影響較小，可使循環(huán)能效COP增加，進而提升除濕能效SMER。然而，一旦過冷器中完全充滿制冷劑液體，繼續(xù)增大過冷度將導(dǎo)致冷凝器末端也出現(xiàn)過冷區(qū)，會導(dǎo)致冷凝溫度快速上升，系統(tǒng)性能加速衰減。本系統(tǒng)的最優(yōu)過冷度為25 ℃，對應(yīng)的制冷劑充注量為12.7 kg。

圖8 濕冷雙效回收型熱泵烘干系統(tǒng)的最優(yōu)過冷度Fig.8 Optimum refrigerant subcooling of heat pump dryer with latent heat and cooling energy recovery

4.3 回風(fēng)工況擾動

機組的設(shè)計工況為回風(fēng)溫度/相對濕度46 ℃/40%，但實際應(yīng)用中由于海苔含水量變化、新風(fēng)滲透或控制偏差等干擾因素，可能會出現(xiàn)一定范圍的偏移。因此在回風(fēng)溫度46 ℃±3 ℃、相對濕度40%±10%范圍內(nèi)，進行系統(tǒng)性能的敏感性分析。

仍以蒸發(fā)溫度、冷凝溫度作為壓縮機長期安全運行的界限，回風(fēng)工況擾動的影響如圖9所示。系統(tǒng)在偏離設(shè)計工況的較大范圍內(nèi)均可穩(wěn)健運行(圖中陰影區(qū)，近似線性邊界如式(2)所示)，僅當(dāng)回風(fēng)溫度和濕度同時增加時會有一定風(fēng)險。在該正常運行范圍內(nèi)，系統(tǒng)除濕能效SMER始終保持在1.88 kg/kWh以上，且對濕度變化更敏感，當(dāng)回風(fēng)工況往濕度提升的方向偏移時，有助于除濕能效的提升。

圖9 回風(fēng)工況對系統(tǒng)性能的影響Fig.9 Effect of return air state on system performance

RHRA≤min{-0.03TRA+1.83,-0.05TRA+2.76}

(2)

5 結(jié)論

本文針對海苔烘干的大風(fēng)量特殊工藝，提出一種濕冷雙效回收型的高效熱泵系統(tǒng)，并完成了該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。得到如下結(jié)論：

1)本熱泵烘干系統(tǒng)相較簡單形式，在運行范圍和性能上具備優(yōu)勢。引入混風(fēng)后，可匹配蒸發(fā)器的最優(yōu)風(fēng)量/迎面風(fēng)速，拓寬系統(tǒng)應(yīng)用范圍，充分回收水蒸氣濕效潛熱；引入過冷器后，可回收蒸發(fā)器后回風(fēng)的冷效顯熱，增大過冷度，提升循環(huán)能效。

2)基于可行域方法，完成系統(tǒng)的仿真優(yōu)化設(shè)計。基于樣機測試數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準確性。

3)仿真性能分析及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，海苔烘干典型工況(46 ℃/40%)的除濕能效SMER達2.61 kg/kWh，在最優(yōu)混風(fēng)比0.77和最優(yōu)過冷度25 ℃處取得。敏感性分析表明，回風(fēng)在溫度46 ℃±3 ℃及相對濕度40%±10%工況內(nèi)擾動，機組仍能在較大范圍穩(wěn)定運行，并保持除濕能效在1.88 kg/kWh以上。

符號說明

COP——熱泵循環(huán)能效

LHR——潛熱比(latent heat ratio)

hlat,w——水汽化潛熱，J/kg

RHRA——回風(fēng)相對濕度

SMER——單位能耗除濕量，kg/kWh

Tevap——蒸發(fā)溫度，℃

Tcond——冷凝溫度，℃

TRA——回風(fēng)溫度，℃