空氣源熱泵烘干機(jī)組研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

蔡志敏，李 凡，李春來

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.廣東紐恩泰新能源科技有限公司，廣東 廣州 511300）

《中國制造2025》提出綠色制造、制定了綠色企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。中國綠色發(fā)展的重點(diǎn)工作之一是推動資源的節(jié)約。當(dāng)前，政府對散煤燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染愈加重視，對改善大氣質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)，空氣源熱泵作為一種利用空氣能將熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的新節(jié)能裝置，目前已被廣泛應(yīng)用于采暖、生活熱水及工農(nóng)業(yè)烘干等多個領(lǐng)域。

物料的干燥烘干過程在整個耗能過程中占了很大一部分比例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，烘干所消耗的能量占全國總能耗的10%左右，而熱量的有效利用率不足總熱量的一半。我國是全世界水果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量最高的國家之一，大多農(nóng)產(chǎn)品非常重要的一個處理環(huán)節(jié)就是烘干處理。相比于一些發(fā)達(dá)國家，我國農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)落后，2015 年之前，大部分烘干機(jī)械使用的熱源以煤為主，經(jīng)粗略估算，干燥過程一年消耗0.15～0.3 億噸標(biāo)煤，煤炭燃燒后排放含硫氮?dú)怏w過高，干燥過程中的能耗高，烘干品質(zhì)卻不高；烘干室內(nèi)的熱濕環(huán)境不容易被控制，溫濕度均勻性較差，而且不斷補(bǔ)入的新空氣中含有大量的氧氣，從而使得烘干產(chǎn)品發(fā)生氧化及酶促反應(yīng)，導(dǎo)致被烘干的物料的色澤、香氣及營養(yǎng)物質(zhì)等被破壞和流失，從而使烘干產(chǎn)品的品質(zhì)不能得到保證。相比于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥，熱泵烘干技術(shù)具有能源消耗少（1 kW 最高可以產(chǎn)生5 kW 以上的熱量）、不污染環(huán)境、烘干品質(zhì)高、適用范圍廣、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，熱泵烘干技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速，尤其在農(nóng)產(chǎn)品加工、藥材、茶葉等烘干領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

在全世界能源越來越緊張，石油、天然氣等燃料價格不斷創(chuàng)歷史新高的形勢下，物料烘干的熱能利用率如何提高，在確保物料烘干質(zhì)量的前提下，如何降低烘干成本，已成為物料烘干行業(yè)研究的重要課題和方向，因此熱泵干燥技術(shù)的研究對減少能源消耗和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

1 空氣源熱泵烘干機(jī)組工作原理

空氣源熱泵是以周圍的空氣作為低溫?zé)嵩矗ㄟ^制冷劑吸收空氣中的熱量，把熱量搬運(yùn)到被加熱物體中的一種節(jié)能加熱設(shè)備，常見的空氣源熱泵工作形式是將裝置產(chǎn)生的熱量用來加熱空氣或水，如空氣源熱泵供暖設(shè)備、空氣源熱泵熱水器、空氣源熱泵烘干機(jī)以及空氣源熱泵中央空調(diào)等。空氣能熱泵作為一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，在人們的日常生產(chǎn)生活中廣泛被應(yīng)用。空氣源熱泵系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、風(fēng)機(jī)以及循環(huán)的制冷劑、電控系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 空氣源熱泵原理圖

空氣源熱泵烘干機(jī)組具有除濕效率高、節(jié)能、體積小、不污染環(huán)境、烘干品質(zhì)高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合于果蔬、種子、食品、藥材等低溫干燥領(lǐng)域。現(xiàn)有的閉式烘干機(jī)組采用如下回路：來自于烘房的濕熱空氣首先經(jīng)過回?zé)崞鳎責(zé)崞魑諠駸峥諝庵械臒崃浚档蜐駸峥諝獾臏囟龋禍睾蟮臐駸峥諝膺M(jìn)入蒸發(fā)器降溫除濕，經(jīng)過蒸發(fā)器降溫除濕后的低溫干空氣再經(jīng)過回?zé)崞魃郎兀郎睾蟮母煽諝膺M(jìn)入到冷凝器進(jìn)一步加熱升溫，空氣的相對濕度進(jìn)一步降低，形成相對濕度很低的干熱空氣，這些高溫干熱空氣再進(jìn)入烘房帶走被烘干物品中的水分，形成濕熱空氣，再進(jìn)入回?zé)崞餮h(huán)。具體過程如圖2 所示。

圖2 常規(guī)空氣源熱泵烘干機(jī)組原理圖

空氣源熱泵系統(tǒng)的工作原理是制冷劑在熱泵系統(tǒng)各設(shè)備間不斷進(jìn)行氣液轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩粗械臒崃哭D(zhuǎn)移至被加熱介質(zhì)中的過程。首先在（1→2）過程中低溫冷媒在蒸發(fā)器中通過液態(tài)轉(zhuǎn)氣態(tài)，吸收外界低溫?zé)崮埽缓筮M(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓氣態(tài)冷媒，在（2→3）過程中再經(jīng)過冷凝器與低溫介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，制冷劑由氣態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后在（3→4）過程中經(jīng)過膨脹閥變成低溫低壓液態(tài)冷媒，最后再由（4→1）的過程進(jìn)入蒸發(fā)器開始下一個循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)熱泵的連續(xù)制熱，具體如圖3 所示。

圖3 熱泵烘干過程工質(zhì)狀態(tài)變化

2 產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品及市場對烘干技術(shù)的需求

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時，政府也在不斷加強(qiáng)節(jié)能減排的力度，改造高污染的熱源，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，在這樣的相關(guān)政策和背景下，近幾年，我國空氣源熱泵行業(yè)得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)BSRIA 的數(shù)據(jù)顯示，空氣源熱泵在2013 年銷量為100.4 萬臺，而2015 年已增長至到139.5 萬臺，在北方“煤改電”項(xiàng)目大力推行下，空氣源熱泵2016 年比2015 年銷量增長了約45.8%，增加了大約64 萬臺，總體銷量已達(dá)到203 萬臺。2017 年中國空氣源熱泵同比增長約43.7%，銷量達(dá)到292 萬臺。2018 年同比增長約34.5%，總銷量更是達(dá)到了393 萬臺，具體如圖4 所示。這5 年數(shù)據(jù)表明，空氣源熱泵市場都以超過20%的增幅繼續(xù)發(fā)展。

圖4 空氣源熱泵歷年銷量統(tǒng)計(jì)表

目前我國食品、茶葉、藥材、污泥等行業(yè)烘干率平均水平比較低，熱泵烘干具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿Γ?010年，熱泵烘干機(jī)全國銷售量大約1 500 臺，2017 年，銷量已突破2.8 萬臺，7 年間烘干機(jī)銷量增長了將近18 倍。2015 年，烘干機(jī)銷售額約為2.3 億元，2017 年，銷售額已增至6.3 億元，2017 年內(nèi)銷同比增加70.3%，烘干機(jī)占整個熱泵產(chǎn)業(yè)的比例逐年增加。目前我國農(nóng)產(chǎn)品烘干機(jī)存量基礎(chǔ)非常低，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，預(yù)期熱泵烘干國內(nèi)市場剛性需求和驅(qū)動力非常強(qiáng)勁。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的環(huán)保和節(jié)能意識日益加強(qiáng)，其優(yōu)異的節(jié)能效果使熱泵烘干技術(shù)顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

空氣源熱泵是替代燃煤、燃油等采暖、烘干設(shè)備的最佳途徑之一，隨著各行業(yè)對產(chǎn)品能耗、自動化、安全性等需求的提高，空氣源熱泵市場需求量還在不斷的增加。空氣源熱泵既是傳統(tǒng)行業(yè)，同時在新技術(shù)的引領(lǐng)下，也是朝陽行業(yè)，全球市場前景十分廣闊。

3 相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

3.1 國外研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，全球爆發(fā)能源危機(jī)，對能源的開發(fā)、有效利用尤為重要，在此背景下，在歐美等發(fā)達(dá)國家，空氣源熱泵技術(shù)也得到快速的發(fā)展，在土木建筑、供暖制冷和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域熱泵技術(shù)被廣泛應(yīng)用，熱泵烘干技術(shù)也逐漸開始在各行業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用與發(fā)展。日本、俄羅斯、西歐、美國等國外的一些發(fā)達(dá)國家，也較早地對熱泵烘干技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究，研究的方向總結(jié)歸納主要有以下幾方面。

（1）對空氣源熱泵制冷劑工質(zhì)及烘干介質(zhì)本身特性的研究，熱泵干燥系統(tǒng)中最為常見的制冷工質(zhì)是R134a 等。

（2）對熱泵烘干系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)及策略的研究。熱泵烘干系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各個設(shè)備之間的匹配程度，對整個烘干系統(tǒng)的性能影響很大。

（3）對熱泵干燥系統(tǒng)性能及品質(zhì)等方面的研究。

總之，歐美等發(fā)達(dá)國家對空氣源熱泵烘干技術(shù)的研究起步較早，主要對烘干過程中的制冷劑工質(zhì)、干燥介質(zhì)、熱泵系統(tǒng)改進(jìn)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，在生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)及關(guān)鍵工藝技術(shù)上有一定的優(yōu)勢。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

跟歐美等發(fā)達(dá)國家相比較，我國熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展相對比較晚，20 世紀(jì)80 年代初，我國才逐步開始進(jìn)行熱泵烘干技術(shù)相關(guān)的研究，近些年來，經(jīng)過國內(nèi)眾多學(xué)者的不斷努力，我國熱泵烘干技術(shù)也已得到了較快的發(fā)展。研究方向主要有：（1）空氣源熱泵烘干除濕效率方面的研究；（2）空氣源熱泵系統(tǒng)控制方面的研究；（3）烘干介質(zhì)特性的研究。

國內(nèi)研究人員針對熱泵烘干技術(shù)開展了相關(guān)的技術(shù)研究，在提高空氣源熱泵效率、開發(fā)輔助熱源及提高物料干燥品質(zhì)等方面取得了較大的成效，也逐步證明了熱泵技術(shù)應(yīng)用于烘干行業(yè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但在具體的熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電氣控制技術(shù)等方面的研究尚待提高，如何設(shè)計(jì)合理的干燥系統(tǒng)及控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、高質(zhì)的干燥目的是今后研究的重點(diǎn)。

4 空氣源熱泵發(fā)展趨勢研究

目前的閉式干燥機(jī)組采用的回?zé)崞黧w積大，除濕效果差，導(dǎo)致機(jī)組能耗高。熱管式空氣源熱泵閉式烘干機(jī)組采用熱管技術(shù)取代傳統(tǒng)的回?zé)崞鳎岣叱凉裥剩喕Y(jié)構(gòu)，降低機(jī)組成本和機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。

4.1 解決換熱器效率低、體積大的問題

傳統(tǒng)熱泵干燥系統(tǒng)加入換熱器可以降低濕空氣相對濕度和含濕量并提高干燥效率，目前常規(guī)機(jī)組采用氣-氣換熱器用于熱泵干燥系統(tǒng)，氣-氣換熱器的體積較大，在閉式結(jié)構(gòu)中會占據(jù)大量空間，循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)置不方便，也會影響閉式結(jié)構(gòu)內(nèi)濕空氣流通性。

比如采用重力式熱管作為熱泵冷凝器和蒸發(fā)器之間的傳熱裝置，重力式熱管是一種十分高效的傳熱元件，在較小溫差內(nèi)就能正常工作，而且體積很小，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選用單根或多根熱管，應(yīng)用靈活。相比氣-氣換熱器熱泵干燥機(jī)組，結(jié)合重力式熱管研制的空氣源閉式熱泵烘干機(jī)組具有效率更高、體積更小的優(yōu)勢。回?zé)崞鲗Ρ热鐖D5 所示。

圖5 回?zé)崞鲗Ρ葓D

4.2 解決除濕中后期除濕能耗高的問題

在干燥的中后期，物料中的含水率顯著降低，需要花費(fèi)較長的時間，消耗較多的能量去除這些水分。并且由于物料含水率降低，回風(fēng)的含濕量降低，使得干燥室送回風(fēng)空氣狀態(tài)變化很小，從而出現(xiàn)濕空氣只降溫卻不除濕的現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸發(fā)器降溫除濕效率降低，除濕能耗升高。針對以上問題主要通過三個方面技術(shù)解決。

（1）模擬研究。對閉式熱泵干燥系統(tǒng)室內(nèi)溫度場及氣流組織進(jìn)行分析模擬與研究，通過CFD 軟件對烘干室溫度場及氣流組織進(jìn)行仿真模擬，分析不同送風(fēng)方式的干燥室溫度及速度場分布情況，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理。

（2）控制過程優(yōu)化。根據(jù)不同烘干產(chǎn)品（中藥材、種子、水果、水產(chǎn)品等）的烘干工藝要求，對熱泵烘干機(jī)組的電控部分進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其控制過程更加合理。

（3）實(shí)驗(yàn)對比研究。對閉式熱泵干燥系統(tǒng)，進(jìn)行烘干實(shí)驗(yàn)研究，研究在實(shí)際除濕過程中回風(fēng)的旁通率、循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)速、系統(tǒng)送回風(fēng)的溫濕度等參數(shù)變化對于除濕性能的影響，確保回風(fēng)在蒸發(fā)器內(nèi)溫度降至露點(diǎn)溫度以下。針對問題進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高除濕效率的目的。

5 結(jié)束語

空氣源熱泵是替代燃煤、燃油等采暖、烘干設(shè)備的最佳途徑之一，隨著各行業(yè)對產(chǎn)品能耗、自動化、安全性等需求的提高，空氣源熱泵市場需求量還在不斷增加。空氣源熱泵既是傳統(tǒng)行業(yè)，同時在新技術(shù)的引領(lǐng)下，也是朝陽行業(yè)，全球市場前景十分廣闊。

目前空氣源熱泵需要解決的關(guān)鍵是換熱器效率低、體積大以及除濕中后期能耗高的問題。