热泵干燥装置空气循环对比分析

郑伟芳

江西省农业机械研究所,南昌330000

热泵干燥装置是利用工质在低温热源处吸收能量,在较高的温度下释放能量的热力装置。热泵干燥装置是由热泵部分和介质(一般为空气)循环部分组成,热泵部分主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等部件组成封闭回路,热泵工质在其回路循环流动。空气循环系统由干燥室、冷凝器、蒸发器等部件组成,空气在其中循环流动,其功能是通过循环将干燥室中湿物料的水分带走,流经蒸发器时将水分凝集排出。根据干燥物料的特性与实际应用条件(即干燥介质循环中介质与外界的连通程度)的不同,可把热泵干燥装置分为开式、部分乏气循环式、封闭式等不同类型[1-2],本文即针对上述的热泵干燥装置中干燥介质的循环进行分析。

1 热泵干燥装置的类型

按干燥介质与外界的连通程度可以将热泵干燥系统结构形式分为开式、部分乏气循环式及封闭式3种结构形式。相同的结构类型,因应用场合的不同,其中的干燥介质循环路线也不一样。由于干燥介质一般都为空气,下面提到的介质都指空气。6种典型的热泵干燥系统结构形式的空气循环,如图1A、图1B、图2A 、图2B及图3A 、图 3B所示[3]。

1.1 开式空气干燥循环

开式热泵干燥装置中,进入干燥器的空气全部来自环境,干燥完后也全部排入环境。图1A中空气循环为：环境→蒸发器(E)→冷凝器(C)→干燥器(D)→环境;图1B中空气循环为：环境→冷凝器(C)→干燥器(D)→蒸发器(E)→环境。

图1A和图1B是2种不同形式的开式热泵干燥系统介质循环。图1A是低温外界环境空气首先进入热泵蒸发器降温除湿,变得近似饱和再流过冷凝器,在冷凝器中空气等湿升温变为温度约等于环境温度热空气,此时的空气吸湿能力很强,进入干燥室吸收干燥室中含湿物料中的水分。出干燥器后废气排入环境。当物料需在低温下干燥、外界环境空气湿度较高时,采用这种循环形式较好。

图1 开式热泵空气循环

在图1B中的外界空气首先进入冷凝器,在冷凝器中空气加热后进入干燥室,干燥吸湿后的空气流过蒸发器后排入外界环境。这种结构形式适合需从蒸发器排出温度高而湿度低的空气的场合,目的是为了回收其中的热量。国内大量研究及实践表明采用蒸发器回收排放的空气中水分的部分潜热比将干燥后的废气直接排空的开路式(图1A)循环效率高。

在开式热泵干燥装置中干燥介质只能是空气,进入干燥器的空气温度受环境影响大,当干燥废气含有粉尘、有毒有害气体时直接排入环境对环境有污染。但开式热泵干燥装置具有结构简单、操作方便、单位时间除湿量(MER)高等优点,因此在经济性上占有一定的优势,适合干燥高湿度的物料或者批量干燥的初期阶段。

1.2 部分乏气式空气干燥循环

在部分乏气循环式热泵干燥装置中,进入干燥器的干燥介质(空气)一部分来自环境,另一部分来自干燥器排出的废气。典型的部分乏气式热泵干燥装置介质循环如图2A、图2B中箭头所示。

图2 部分乏气式热泵空气循环

如图2A所示,进入系统的外界空气与从干燥室排出的一部分被旁通进入蒸发器除湿后的空气混合进入冷凝器,混合空气经冷凝器升温后进入干燥室吸收干燥室中含湿物料的水分,干燥后废气一部分直接排入环境,另一部分被旁通进入蒸发器进入下一个循环。

图2B是另一种形式的部分乏气式热泵干燥系统结构形式。在这个结构系统中,干燥室排出的一部分空气经过2次旁通。一部分空气进入蒸发器降温除湿后与进入系统中的外界空气混合,另一部分不经蒸发器降温除湿而直接与进入系统的外界空气混合,3种空气混合后经过冷凝器升温后进入干燥室干燥物料。部分乏气循环热泵干燥系统中一般设置了蒸发器旁路,干燥室排出空气的旁通率(BAR)及经过蒸发器的空气2次旁通率是非常重要的设定量,对热泵干燥系统的性能有较大的影响。

在部分乏气式热泵干燥装置中乏气的循环位置一般在热泵的冷凝器入口,这样既使用了这部分废气的余热,又可提高热泵系统的性能系数COP值。但由于干燥废气中的含湿量较大,在回收废气余热的同时,也增加了干燥介质中的含湿量,影响干燥效果,而且受环境的影响也较大。与开式干燥装置对比,部分乏气式干燥装置对进入干燥室空气的温度、湿度的调控性好,但空气循环通道及调控均较复杂,干燥介质也只能是空气,从环境中引入的部分新鲜空气的净化负荷较大,部分废气直接排入环境同样对环境有污染。

1.3 典型封闭式空气循环

在封闭热泵干燥装置中,干燥介质(一般为空气)在完全封闭的循环通道中循环。热泵干燥装置运行时不从环境中引进新鲜的空气,也不向环境中排放废气。典型的封闭式热泵干燥装置循环如图3A所示,其介质的循环方式为①→②→③→①封闭循环。

图3 典型封闭式热泵空气循环

图3A为全封闭式热泵干燥系统结构形式。在这种结构形式中,干燥系统运行时外界空气不进入系统中,干燥介质在干燥室、蒸发器、冷凝器组成的封闭通道中按①→②→③→①循环,干燥介质通过冷凝器加热到干燥温度进入干燥室吸收物料的水分,在蒸发器中被降温并使得水分凝结排出。在外界环境温度低而湿度高的情况下,此种结构形式较好。

图3B与图3A的空气循环主要区别是,图3B中有部分废气没有经过蒸发器降温除湿,而是直接被旁通进入冷凝器,这与上述部分乏气式中的旁通蒸发器的空气循环相似。在封闭式循环热泵干燥系统中,不同的空气旁通率对系统的单位能耗除湿量(SMER)的影响是比较明显的。张绪坤等[4]设计了一套压缩机为3.73 kw,制冷工质为R22的热泵干燥装置,并在此试验装置上进行了热泵干燥系统的性能试验。试验结果表明,随着 BAR的增加SMER也增加,但是BAR不能超过0.6,当BAR超过0.6后SMER的值反而下降,说明空气旁通率不是越高越好,有最佳旁通率。

在热泵干燥中,干燥空气的温度和相对湿度决定了除湿率。空气离开干燥室带走水分,经过蒸发器时的状态对蒸发器回收显热有很大影响。在干燥初期,产品湿度很高,所以进入蒸发器的空气湿度大且温度低,蒸发器在除湿时又起到了回收部分显热作用。同时空气以相对低的温度进入冷凝器,因而在冷凝器中提高了热交换效率和增加了系统性能系数COP值。与部分乏气式空气循环对比,从对干燥机组的能耗和换热效果来考虑,封闭式空气循环的效果更好。

2 封闭式的改进式

在实际应用中,封闭式热泵干燥循环中介质与环境没有任何交换,具有环保性、干燥温度可以任意调节不受环境的限制、干燥介质选择多样等优点,得到了广泛的使用。但基本型封闭式热泵干燥装置往往不能完全满足实际干燥的需要,因此在生产中所用的封闭热泵干燥装置通常要进行改进。因不同目的在介质循环中加以改进的封闭式循环有3种,如图4A 、图4B、图4C所示。

在图4A中空气循环回路中加装了辅助加热器,当干燥介质空气经过冷凝器加热后再经过辅助加热器(CH),目的是为了缩短热泵干燥装置的启动过程。

图4 封闭式改进式热泵空气循环

在基本型热泵干燥装置的启动阶段中,整个热泵装置的温度较低,对环境的热损失较小,驱动热泵及风机消耗的能量明显大于对环境损失的能量,因此热泵干燥装置的富余热能大于0。热泵干燥装置的温度不断升高。随着热泵干燥装置温度的升高,对环境的损失能量逐渐变大,而驱动热泵及风机消耗的能量不变,热泵干燥装置富余的热量不断减小,直到富余的热量减为0时,热泵干燥装置才处于稳定运行状态。然而基本型热泵干燥装置所达到的稳定工作温度不一定恰好是物料干燥所需要的最佳温度。同时,由于驱动热泵及风机消耗的能量一般较小,在启动阶段热泵干燥装置富余热量数值不大,使得装置的启动过程较缓慢,启动时间长[5]。在启动阶段,空气在冷凝器中加热后再通过辅助电加热器(CH)加热才进入干燥器,使空气循环升温速度加快,缩短了启动过程的时间。为达到缩短启动过程的目的还可以加装辅助蒸发器,优点是比电加热能源效率高,但是不如电加热方法简单灵活。

图4B中空气循环回路中加装了辅助冷却器(ACR),干燥介质空气经过干燥器干燥物料后,在通过蒸发器冷却除湿之前先通过辅助冷凝器,目的是控制干燥器进气温度。

在基本型封闭式空气循环过程中,当干燥温度达到预设值后,热泵干燥装置中干燥温度将一直上升,使装置工况不稳定、干燥条件恶化,影响干燥物料的品质及干燥质量,为了维持系统工况稳定必须从装置中排掉部分热能。

在空气循环回路中,在通过蒸发器前设置辅助冷却器,既可以移走这部分热能,又可以对进入蒸发器的空气预冷却,除去其中大部分显热和部分潜热,同时又减少了蒸发器的显热负荷,使蒸发器的热负荷主要为潜热负荷,这样可以增强蒸发器的除湿能力,提高干燥室进口空气的吸湿能力,加快干燥速度,缩短干燥时间和减少干燥能耗。在蒸发器前设置辅助冷却器也减小了闭式热泵干燥系统中的传热温差,减少了系统的不可逆性损失,使干燥温度易于调节和控制。为达到控制干燥器进气温度的目的还可以使用辅助冷凝器,但是能源效率和除水效率均没有使用辅助冷却器的高。李阳春等[6]研制了一套热泵干燥实验机组,并针对加装辅助冷凝器和辅助冷却器做了试验,干燥空气由离心风机驱动、干燥物品为马铃薯、干燥室共分2层、每层大约放置10片马铃薯,试验结果表明：加装辅助冷却器的热泵干燥系统具有除湿快、节约干燥时间以及减少干燥能耗等优点,并且可以完全取代辅助冷凝器。

图4C空气循环回路中加装了热管(HP),当干燥介质空气在进入蒸发器之前先进入热管的吸热端冷却,空气在通过蒸发器之后又进入热管的放热端加热,其目的是为了提高能源的效率。

在基本型的封闭式循环中,进入热泵蒸发器前需冷却除湿的介质和出蒸发器后需进入冷凝器加热的干燥介质之间有很大的温度差,若使其进行热交换则可降低热泵蒸发器和冷凝器的负荷,提高热泵干燥装置的效率。热管本身不需要任何能量,如图4C干燥器出口处干燥介质温度高于热管工质温度,干燥介质在吸热端热管工质由液态变为气态,在放热端由气态变为液态,在重力和毛细力的作用下,热管工质在热管内进行循环流动,连续把热干燥介质的热量传递给冷干燥介质[7]。为达到提高能源效率的目的还可以在上述加装热管同样的位置使用液态载热剂循环的方法,此方法对各种干燥介质循环通道的布置适应性强,制作安装技术难度小,但是驱动这个循环本身需要消耗一定的能量。

3 结论与建议

不同介质循环形式的热泵干燥装置,其能源效率、适用的物料、生产成本等均有很大不同。没有哪种循环形式是最好的,3种典型形式的循环在实际应用中往往会交叉使用。在实际生产中,干燥领域涉及的物料种类很多,根据物料的特性和现场条件,设计价格适中、物料干燥质量好、能源效率高、干燥速度快、操作方便的热泵干燥装置是今后热泵干燥技术研究的方向。

[1] 谢继红,陈东,朱恩龙,等.热泵干燥装置的结构分析[J].轻工机械,2006,24(3)：49-52.

[2] 杨先亮,谢英柏,王亚瑟.热泵干燥系统的研究设计[J].农机化研究,2008(9)：93-96.

[3] 陈东,谢继红.热泵干燥装置[M].北京：化学工业出版社,2006：90-95.

[4] 张绪坤,李华栋,徐刚,等.热泵干燥系统性能试验研究[J].农业工程报,2006,22(4)：94-97.

[5] BILGEN E,T AKAHASHI H.Exergy analysis and experimental study of heat pump sy stems[J].Exergy,An International Journal,2002,2(4)：259-265.

[6] 李阳春,王剑锋,陈光明,等.热泵干燥系统几种循环的对比分析与研究[J].农业机械学报,2003,34(6)：84-86.

[7] 许树学,陈东,乔木.热泵干燥装置的结构及应用特性分析[J].化工装备技术,2005,26(5)：1-4.