陈东郝建华谢继红项永曹雯莉王春虎
(1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)
低温热泵干燥装置的技术方案分析
陈东*1郝建华1,2谢继红1项永1曹雯莉1王春虎1
(1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)
低温热泵干燥装置在化学品、食品、药品、农副产品的干燥中具有广泛需要。给出了基本型、真空型和吸附剂型三类低温热泵干燥装置,对其结构、工作原理和特性进行了简要分析。分析表明,在初投资方面,基本型最低,真空型最高;在能源效率方面,真空型最高,基本型最低;吸附剂型在初投资和能源效率方面均居中。上述工作可为低温热泵干燥装置的设计提供较好的参考。
热泵干燥低温技术方案干燥装置
热泵干燥装置具有节能、易实现低温干燥、易进行无氧干燥等优点,适于食品、药品、农副产品、化学品、能源产品等物料的干燥[1-2]。
物料采用低温热泵干燥可取得很好的产品质量[3-4]。但当物料采用低于30℃的低温干燥时,热泵蒸发器中热泵制冷剂的蒸发温度可能会低于0℃,需考虑装置连续运行时的除霜问题[5];此外,由于低温下物料内水蒸气压力低,干燥介质的饱和含湿量较小,物料的干燥速度和干燥介质除湿能力均相对较低,需采取适当技术措施进行强化。
本文给出了低温热泵干燥装置的三种技术方案,对其结构、工作过程及性能进行了介绍和分析。
基本型低温热泵干燥装置的结构如图1所示。
图中压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器1、蒸发器2构成热泵,高温制冷剂在冷凝器中加热干燥介质,在蒸发器中对干燥介质进行降温除湿。装置开始工作时,阀1打开,阀2关闭,制冷剂进入蒸发器1中对干燥介质进行冷却;当蒸发器1表面霜结到一定厚度需除霜时,阀2打开,阀1关闭,制冷剂进入蒸发器2冷却干燥介质,同时对蒸发器1进行除霜;当蒸发器2表面霜也结到一定厚度时,再打开阀1,关闭阀2,蒸发器1工作而蒸发器2除霜。如此交替运行,实现装置的连续运行和干燥器中物料的连续干燥。
当蒸发器1工作时,风道阀1打开,风道阀2关闭,干燥介质在除湿器1(即热泵蒸发器1)中被降温除湿,再进入加热器(即热泵冷凝器)中升温到适宜温度(0~30℃),进入干燥器干燥物料;当蒸发器2工作时,风道阀2打开,风道阀1关闭,干燥器在装置中沿干燥器-除湿器2-加热器-干燥器流程进行循环。
普通干燥器中干燥介质与物料传热传质过程为等焓过程(物料中水分气化所需的热量全部由干燥介质提供)时,低温干燥时干燥介质流经干燥器携带水蒸气的能力较低,导致装置的能源效率也较低。为此,可采用有内加热器的干燥器,如图2所示。
干燥器内设内加热器后,物料中水分气化所需的热量主要由内加热器提供,进入干燥器的干燥介质主要起吸纳物料中气化出的水蒸气的作用,这样可使干燥介质从物料中携带水蒸气的能力大幅度提高。
以进干燥器干燥介质(如空气)温度25℃,出干燥器干燥介质温度15℃,出蒸发器干燥介质温度-8℃时为例,1 kg干燥介质流经普通干燥器只能从物料中带出约4 g水蒸气;采用内加热式干燥器后,干燥介质出干燥器温度可与进干燥器温度相近,1 kg干燥介质流经内加热式干燥器可从物料中带出约10 g水蒸气,比普通干燥器提高一倍以上。
此外,当物料低温干燥时,物料内水蒸气压力低,传质推动力小,干燥速度较慢。为此,可采用氢或含氢不可燃混合气体作为干燥介质,可明显提高物料的干燥速度[6-7]。
图1 基本型低温热泵干燥装置的结构
图2 干燥器中带内加热器的低温热泵干燥装置
真空型低温热泵干燥装置的结构如图3所示。
图3 真空型低温热泵干燥装置的结构
装置中物料加热器即为热泵冷凝器,热泵制冷剂加热物料使其中水分气化,水蒸气从物料中逸出后被除湿器(即热泵蒸发器)冷却凝结或冷冻结霜。当水蒸气在除湿器表面结霜时,需两个除湿器交替工作,即阀1、真空阀1打开,蒸发器1、真空泵1工作(阀2、真空阀2关闭,蒸发器2、真空泵2不工作),将干燥器中的水蒸气除去;当蒸发器1表面结霜到一定厚度需除霜时,阀2、真空阀2打开,蒸发器2、真空泵2工作(阀1、真空阀1关闭,蒸发器1融霜、真空泵1不工作);当蒸发器2表面也结霜到一定厚度时,再切换为蒸发器1工作。通过蒸发器1和蒸发器2的交替工作,可使压缩机、冷凝器连续工作,物料连续干燥。
由于真空型低温热泵干燥装置中无干燥介质,省去了加热或冷却干燥介质所需的能量,尽管真空泵也需少量耗能,其总体能源效率高于基本型低温热泵干燥装置,但其干燥器需为真空容器,初投资要高于基本型低温热泵干燥装置。
吸附剂型低温热泵干燥装置的结构如图4所示。
图4 吸附剂型低温热泵干燥装置的结构
图中吸附器1和吸附器2中放置硅胶、分子筛等吸附剂,吸附剂颗粒之间布置制冷剂管路。装置运行开始时,风道阀1和风道阀3关闭,四通阀1、3端连通,2、4端连通;干燥介质(如空气等)进入干燥器,吸收物料中气化出的水蒸气,水分气化所需热量由热泵冷凝器提供;出干燥器的湿空气进入吸附器2,其所携带的水蒸气被吸附剂吸收,又变为干燥空气进入干燥器开始下一个循环。热泵制冷剂从压缩机排出后,先进入干燥器内冷凝器放热加热物料,再通过四通阀流过吸附器1,并经节流阀降温后进入咐附器2吸收吸附热,最后通过四通阀返回压缩机。
待吸附器2达饱和时,风道阀2和风道阀4关闭,四通阀1、2端连通,3、4端连通,出干燥器的湿空气进入吸附器1被除去其中的水蒸气;热泵制冷剂从干燥器中的冷凝器出来后,经四通阀进入吸附器2,加热其中的吸附剂使其将所吸附的水分解吸排出,并经节流阀降温后进入吸附器1吸收其吸附热,最后通过四通阀返回压缩机。
通过吸附器1和吸附器2交替吸附干燥介质中的水蒸气和被解吸再生,实现干燥器中物料的连续干燥。
吸附剂型低温热泵干燥装置中由于干燥介质只起携带水蒸气的作用,对其进行的无效加热和冷却很少,故装置的能源效率可高于基本型;但由于吸附剂被加热和冷却时需消耗一定的冷量和热量,装置的能源效率低于真空型。
基本型、真空型和吸附剂型热泵干燥装置均可实现热敏物料的低温干燥(干燥温度可低至0℃)。就初投资而言,真空型最大,基本型最小,吸附剂型居中;就能源效率而言,真空型最高,基本型最低,吸附剂型也居中。具体选用时可根据物料特性和装置规模基于技术经济分析进行优选。
进一步宜就三种低温热泵干燥装置的操作参数、部件及结构优化等进行更深入的研究。
[1] 陈东,谢继红.热泵干燥装置[M].北京:化学工业出版社,2006.
[2] Chua K J,Chou S K,Ho J C,et al.Heat pump drying:Recent developments and future trends[J].Drying Technology,2002,20(8):1579-1610.
[3] Sosle V,Raghavan G S V,Kittler R.Low-temperature drying using a versatile heat pump dehumidifier[J].Drying Technology,2003,21(3):539-554.
[4] 田晓亮,孙晖,王兆俊.热泵系统干燥软胶丸的工艺[J].中国医药工业杂志,1998(9):418-419.
[5] 龚建英,袁秀玲.空气源热泵蒸发器结霜过程数值模拟[J].低温与超导,2010,38(5):53-57.
[6] 谢继红,周红,陈东,等.热泵干燥装置中干燥介质的物性及其应用分析[J].化工装备技术,2007,28(3):1-5.
[7] 陈东,谢继红.氢气作为热泵干燥装置干燥介质的分析[J].化工装备技术,2008,29(5):5-8.
Analysis of Technical Schemes for Low-temperature Heat Pump Dryers
Chen DongHao Jianhua Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Wang Chunhu
Low-temperature heat pump dryers are widely needed in drying of chemical products,foods,medicines and agricultural products.Three kinds of low-temperature heat pump dryers known as basic type,vacuum type and adsorbent type are introduced,and their structures,working principles and characteristics are briefly analyzed.It shows that the basic type low-temperature heat pump dryers has the least initial cost while the vacuum type has the most,and the vacuum type low-temperature heat pump dryers has the highest energy efficiency while the basic type has the lowest,the adsorbent type low-temperature heat pump dryers are moderate both in initial cost and energy efficiency.The above results could provide good reference for the design of low-temperature heat pump dryers.
Heat pump;Drying;Low-temperature;Technical schemes;Dryer
TQ 051.8
*陈东,男,1968年生,博士,教授。天津市,300222。
2012-03-15)