内加热式热泵干燥装置的结构与性能分析

陈东孔德雨谢继红项永曹雯莉陈文放

（1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)

内加热式热泵干燥装置的结构与性能分析

陈东*1孔德雨1，2谢继红1项永1曹雯莉1陈文放1

（1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)

内加热式热泵干燥装置可提高干燥器出口空气的温度和相对湿度，增加空气从物料中吸纳水蒸气的能力。介绍了内加热式热泵干燥装置的结构和工作原理，建立了其SMER计算方程，并对干燥器进口空气温度、干燥器出口空气温度和相对湿度、除湿器出口空气温度对SMER的影响进行了计算和分析。

热泵干燥内加热结构性能

0 引言

热泵干燥装置具有能源效率高、产品质量好、适用物料广等优点，在食品、药品、农副产品、化学品和能源产品的干燥等领域均得到了广泛的应用[1-3]。

热泵干燥装置的性能受干燥介质在干燥器出口处温度和相对湿度的影响很大[4]。以干燥介质采用空气为例，干燥器出口处空气相对湿度和含湿量较高时，热泵从物料中除去单位质量水分所消耗的能量则越少。

传统热泵干燥装置的干燥器中空气与物料的传热传质过程通常近似为等焓过程，物料中水分气化所需的热量来自空气降温放热。由于受物料耐温限制，干燥器进口空气温度不能太高，其在干燥器中放热给物料后，到干燥器出口处温度更低；由于要求物料有适宜的干燥速度，出干燥器的相对湿度不能太高；这两个因素导致其出干燥器空气含湿量较低，进入热泵蒸发器中冷却除湿时的冷量有效利用率低，制约了热泵干燥装置能源效率的提高。

改进传统热泵干燥装置这一不足的较好措施是在干燥器中引入内加热器，改善干燥器中空气与物料的传热传质过程，使干燥器内的物料中水分气化所需的热量主要由内加热器提供，进入干燥器的循环空气主要起携带物料中排出水蒸气载体的作用，从而使干燥器出口处空气具有高的含湿量，使热泵干燥装置的能源效率得到大幅度提高。

本文首先介绍内加热式热泵干燥装置的结构及工作原理，在此基础上建立装置的性能方程，对装置性能随空气参数的变化规律进行计算分析。

1 内加热式热泵干燥装置的结构与工作原理

内加热式热泵干燥装置的基本结构如图1所示。

图1 内加热式热泵干燥装置的基本结构

图1中压缩机、冷凝器（含冷凝器A、冷凝器B及辅助冷凝器）、节流阀与蒸发器组成热泵，其中充注制冷剂。压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气在冷凝器中凝结放热变为液态（图中点4），高压中温液体制冷剂经节流阀降压后产生低温低压液体制冷剂并进入蒸发器（图中点5），在蒸发器中液体制冷剂蒸发吸热变为低压低温制冷剂蒸气，进入压缩机再被压缩为高压高温蒸气开始下一个循环。装置中的辅助冷凝器用于热泵干燥装置稳定运行时排出装置中的富余热量；冷凝器A用于加热空气，使其以适宜的干燥温度进入干燥器；冷凝器B用于加热干燥器中的物料，提供物料中水分气化所需的大部分热量。

热泵和内加热式干燥器通过风道连接构成内加热式热泵干燥装置，空气通过风道在内加热式干燥器、除湿器和加热器中循环流动，其中内加热式干燥器中的加热器即为热泵冷凝器B，除湿器即为热泵蒸发器，加热器即为热泵冷凝器A。干燥器中的内加热器加热物料，使其升温而使水分气化排出；低含湿量空气（图中点1）进入干燥器后，吸收物料排出的水分，其含湿量增加而温度可基本不变，出干燥器时变为高含湿量空气（图中点2），并进入除湿器；在除湿器中，高含湿量空气被热泵制冷剂吸热而冷却至露点温度以下，空气中的水蒸气凝结析出而变为低温低含湿量状态（图中点3），并进入加热器；在加热器中，低含湿量空气被热泵制冷剂加热至满足物料干燥要求的适宜温度（和图中点1状态相同），再进入干燥器开始下一个循环。内加热式热泵干燥装置中空气的状态变化如图2所示（为表述方便，图中等焓线为水平线，工程用焓-湿图中等焓线应为135°斜线）。

图2 空气在内加热式热泵干燥装置中的状态变化

当干燥器中空气与物料之间的传质速率较小（如在降速干燥阶段，或物料干燥温度较低等导致物料表面水蒸气压力较低）时，可采用空气再循环方法实现空气从物料中的充分吸湿，其结构如图3所示。

图3 具有空气再循环的内加热式热泵干燥装置结构

图3中干燥器排出的部分空气通过再循环风道重新返回干燥器从物料中再吸收水分，再循环空气的比例可通过控制主风道和再循环风道中的风量进行调节，满足不同的物料干燥要求。

2 内加热式热泵干燥装置的性能方程

热泵干燥装置的基本性能指标是SMER，其定义为物料中除去的水分量与装置能耗之比，常用单位为kg（水蒸气）/（kW·h）。

设热泵制冷剂为纯制冷剂，制冷剂在冷凝器和蒸发器中等压相变；进节流阀的热泵制冷剂为饱和液状态，温度为冷凝温度T4；出蒸发器的热泵制冷剂状态为饱和蒸气状态，温度为蒸发温度T5。

设干燥介质为空气，干空气及含水蒸气的湿空气均可作为理想气体处理，且不计风道向环境中的散热损失；空气进干燥器空气温度T1，含湿量为d1；出干燥器空气温度T2，相对湿度为φ2，含湿量为d2；出除湿器空气温度T3，相对湿度为100%，含湿量为d3。

饱和湿空气中水蒸气的含湿量计算方程为：

式中d——含湿量，g（水蒸气）/kg（干空气）；T——温度，K。

式（1）的适用范围为0～80℃。

出干燥器空气的含湿量d2为：

出除湿器空气的含湿量d3为：

进干燥器空气的含湿量d1与d3相同，即：

取热泵冷凝器中制冷剂冷凝温度比空气出冷凝器温度T1高5℃［5］，则热泵制冷剂冷凝温度T4为：

取热泵蒸发器中制冷剂蒸发温度比空气出蒸发器温度T3低5℃[5]，则热泵制冷剂蒸发温度T5为：

热泵干燥装置中单级压缩式热泵的制冷系数（热泵蒸发器吸热量与热泵压缩机耗电量之比）的近似计算式为：

该式适用范围为20℃＜T4-T5＜60℃。

每1 kg干空气在热泵干燥装置中循环一次从物料中吸收的水分量为：

每1 kg干空气在热泵干燥装置中循环一次在热泵蒸发器表面冷却时放出的热量为：

式中Cpa——空气的定压比热容，通常可取为1.0 kJ/（kg·K）；

r——水蒸气的凝结潜热，通常可取为2.4kJ/g[6]。

制取该热量所需的热泵压缩机耗电量为：

不计风机能耗，则内加热式热泵干燥装置的SMER为：

将式（2）、式（3）、式（7）、式（9）代入式（11），即得内加热式热泵干燥装置的SMER与空气的工作参数（T1、T2、T3、φ2）之间的关系方程。

3 内加热式热泵干燥装置的性能随空气工作参数的变化规律

当空气进干燥器温度T1变化时，内加热式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图4所示（空气出干燥器温度T2=50℃，相对湿度φ2=50%；空气出除湿器温度T3=20℃）。

图4 SMER和COP随干燥器进口空气温度的变化

由图4可见，当其他参数不变，干燥器进口空气温度升高时，热泵制冷性能系数COP下降，导致从物料中除去单位质量水分所需的能耗SMER也相应下降；当干燥器进口空气温度由50℃上升至70℃时，其SMER下降近一倍，因此，除非出于提高物料干燥速度的需要，干燥器进口空气温度不宜太高。

当空气出干燥器温度T2变化时，内加热式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图5所示（空气进干燥器温度T1=70℃，空气出干燥器相对湿度φ2=50%；空气出除湿器温度T3=20℃）。

图5 SMER随干燥器出口空气温度的变化

由图5可见，当其他参数一定时，SMER随干燥器出口空气温度增加而上升。这是由于干燥器出口空气温度增加时，单位质量空气从物料中吸纳水蒸气的能力增加，热泵COP基本不变，故装置的SMER上升。因此，在物料干燥温度允许时，应尽量提高干燥器中内加热器的加热强度，使出干燥器空气具有较高的含湿量。

当空气出除湿器温度T3变化时，内加热式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图6所示（空气进干燥器温度T1=60℃，空气出干燥器温度T2=50℃，相对湿度φ2=50%）。

由图6可见，其他参数不变时，空气出蒸发器（即除湿器）温度上升，热泵的冷凝温度和蒸发器温度之差减少，其COP上升，装置SMER上升。因此，当干燥器内空气与物料传质速度允许时，可适当提高空气出蒸发器温度，以使装置具有较高的能源效率。

图6 SMER和COP随蒸发器出口空气温度的变化

当空气出干燥器相对湿度φ2变化时，内加热式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图7所示（空气进干燥器温度T1=60℃，空气出干燥器温度T2=50℃；空气出除湿器温度T3=20℃）。

图7 SMER随干燥器出口空气相对湿度的变化

由图7可见，当其他参数不变时，SMER随干燥器出口空气相对湿度增加而上升。这时由于空气温度不变而相对湿度上升时，其从物料中吸湿量增加，单位质量空气在装置中循环一次的除湿量增加，而热泵COP基本不变。因此，当干燥器内空气与物料之间的干燥速度允许时，宜尽量提高空气出干燥器的相对湿度。

4 结论

内加热式热泵干燥装置通过干燥器中内置加热器提供物料中水分气化所需热量，可使干燥器进口空气温度、干燥器出口空气温度和相对湿度、除湿器出口空气温度均为可控量，增加了对装置性能的调控空间。计算分析表明，降低空气进干燥器温度，提高空气出干燥器温度和相对湿度，提高空气出除湿器温度，均可使装置的SMER得到大幅度提高。

与无内加热式热泵干燥装置相比，内加热式热泵干燥装置结构较复杂，调控要求也较高，适于中大型热泵干燥装置。

[1] 陈东，谢继红.热泵干燥装置[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 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.

[3] Hawlader M N A,Perera C O,Tian M.Properties of modified atmosphere heat pump dried foods[J].Journal of Food Engineering,2005(3):392-401.

[4] 谢继红，陈东，朱恩龙，等.热泵干燥装置循环空气的参数优化研究[J].化工装备技术，2006，27（3）：18-22.

[5] 吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备[M].西安：西安交通大学出版社，1997.

[6] 任泽霈，蔡睿贤.热工手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

Analysis of the Structures and Performance of an Inner-heating Heat Pump Dryer

Chen DongKong Deyu Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Chen Wenfang

The air temperature and relative humidity at the dryer outlet can be increased in an inner-heating heat pump dryer,so the air can absorb more water vapor from materials to be dried.The structures and working principle of inner-heating heat pump dryer are introduced,and the SMER equation is given.Based on the equation,the influences of air temperature at the dryer inlet,air temperature and relative humidity at the dryer outlet,air temperature at the evaporator outlet on SMER are calculated and analyzed.

Heat pump;Drying;Inner-heating;Structure;Performance

TQ 051.8

*陈东，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）