热泵干燥装置的特性方程及其应用分析

陈 东 李建平 谢继红 项 永 曹雯莉 李玲俐

（1.天津科技大学机械工程学院 2.内蒙古包头东华热电有限公司）

热泵干燥装置的特性方程及其应用分析

陈 东*1李建平1,2谢继红1项 永1曹雯莉1李玲俐1

（1.天津科技大学机械工程学院 2.内蒙古包头东华热电有限公司）

以应用最广泛的封闭式热泵干燥装置为例，建立了其SMER计算方程。在此基础上，对SMER随干燥器进口空气温度、干燥器出口空气温度和蒸发器出口空气温度而变化的规律进行了计算和分析。结果表明，其他两个参数一定时，SMER随干燥器出口空气温度上升而降低，随蒸发器出口空气温度上升而增加，但当干燥器进口空气温度取适宜值时，SMER存在最大值。

热泵 干燥 特性方程 干燥介质参数

0 引言

热泵干燥装置具有节能、物料干燥质量好、干燥介质可在装置内封闭循环、便于采用惰性干燥介质处理易氧化热敏物料或易燃易爆物料等特点，适于多种物料的干燥处理[1-3]。

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）。 SMER 与热泵干燥装置的结构、干燥介质的工作参数、热泵制冷剂的工作参数等均有关，干燥介质工作参数与热泵制冷剂工作参数之间又有内在关联，掌握SMER与装置工作参数之间的变化规律对热泵干燥装置的设计、调控等均有重要意义[4]。

本文以应用最广泛的封闭式热泵干燥装置为例，建立其特性方程 （SMER与装置工作参数之间的关系方程），并以此为基础，对封闭式热泵干燥装置的变工况性能及工作参数优化进行计算分析。

1 热泵干燥装置特性方程的建立

1.1 热泵制冷剂和干燥介质循环

封闭式热泵干燥装置的结构如图1所示。

图1 封闭式热泵干燥装置的结构

图1 中压缩机、冷凝器、节流阀与蒸发器组成热泵，其中充注制冷剂，出压缩机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。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。

热泵干燥装置由热泵和干燥器组成，并由风道耦合为一个整体。高温、低含湿量干燥介质 （图中点1）进入干燥器，与物料进行传热传质后，吸收物料中的水分，变为中温、高含湿量干燥介质 （图中点2），进入除湿器 （即热泵蒸发器）；在除湿器中，干燥介质被热泵制冷剂吸热而冷却至露点温度以下，干燥介质中的水蒸气凝结析出，干燥介质变为低温饱和状态 （图中点3），并进入加热器 （即热泵冷凝器）；在加热器中，干燥介质被热泵制冷剂加热为高温、低含湿量状态 （和图中点1状态相同），再进入干燥器开始下一个循环。热泵干燥装置中干燥介质的状态变化如图2所示 （为表述方便，图中等焓线画为水平线，工程用焓-湿图中等焓线应为135°斜线）。

1.2 热泵干燥装置的主要工作参数

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，出蒸发器的热泵制冷剂状态为饱和蒸气状态，则热泵制冷剂循环的主要工作参数为冷凝温度T4和蒸发温度T5。

设热泵干燥装置中的干燥介质为空气，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，则干燥介质循环的主要工作参数为进干燥器空气温度T1，出干燥器空气温度T2，出除湿器空气温度T3。

1.3 SMER与主要工作参数之间的特性方程建立

干燥空气在干燥器中加热物料，物料中水分气化进入空气，空气降温放出的热量近似等于水分气化所需的热量，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：

图2 干燥介质在热泵干燥装置中的状态变化

式中 Δd——干燥空气在干燥器中含湿量的增加量， g(水蒸气)/kg(干空气)；

Cpa——空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）；

T1——进干燥器的空气温度，K；

T2——出干燥器的空气温度，K；

r——水蒸气的凝结潜热，kJ/g。

每1 kg干空气在热泵干燥装置中循环一次从热泵冷凝器中吸收的热量为：

式中qC——空气在冷凝器中的吸热量，

kJ/kg(干空气)；

T3——出热泵蒸发器的空气温度，K。

干燥器稳定运行时，空气在热泵蒸发器中的放热量等于空气热泵冷凝器中的吸热量，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℃，则热泵制冷剂冷凝温度T4为[5]：

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℃，则热泵制冷剂蒸发温度T5为[5]：

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，热泵压缩机的耗电量为：

取空气的定压比热容Cpa=1.0 kJ/（kg·℃），水蒸气的凝结潜热为2.4 kJ/g[6]，不计风机能耗时，热泵干燥装置的特性方程 （即SMER计算方程）为：

2 封闭式热泵干燥装置的变工况性能分析

当空气进干燥器温度T1变化时，封闭式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图3所示（空气出干燥器温度T2=40℃，空气出除湿器温度T3=20℃）。

图3 SMER和COP随干燥器进口空气温度的变化

由图3可见，当其他参数一定时，随空气进干燥器温度的升高，热泵COP下降，但由于空气在干燥器中吸纳水蒸气的能力增强，SMER存在极大值。当空气出干燥器温度为40℃、出除湿器温度为20℃，且空气进干燥器温度约为58℃时，SMER取最大值。

当空气出干燥器温度T2变化时，封闭式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图4所示（空气进干燥器温度T1=60℃，空气出除湿器温度T3=20℃） 。

由图4可见，其他参数一定时，空气出干燥器温度上升，SMER降低，这是由于此时热泵COP基本不变，而空气在干燥器中吸纳水蒸气的量减少所致。因此，实际应用时，应强化空气在干燥器中与物料的传热传质，降低空气出干燥器温度，提高其含湿量。

当空气出除湿器温度T3变化时，封闭式热泵干燥装置的SMER的变化规律如图5所示 （空气进干燥器温度T1=60℃，空气出干燥器温度T2=40℃）。

图4 SMER随干燥器出口空气温度的变化

图5 SMER和COP随蒸发器出口空气温度的变化

由图5可见，其他参数一定时，空气出蒸发器温度上升，SMER增加。这是由于此时空气在干燥器中的吸湿量基本不变，而热泵COP上升的缘故。因此，在满足物料干燥速度要求的前提下，应尽量采用较高的空气出蒸发器温度。

3 结论

当干燥介质一定时，封闭式热泵干燥装置的SMER主要取决于空气进干燥器温度、空气出干燥器温度和空气出蒸发器温度三个参数。其中两个参数一定时，SMER随干燥器出口空气温度升高而下降，随蒸发器出口空气温度升高而增加，但随干燥器进口空气温度不单调，在某一温度下存在SMER的最大值。上述规律可为装置的变工况调控及优化设计提供有益参考。

[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,et al.Drying of guava and papaya:Impact of different drying methods[J].Drying Technology,2006,24(1):77-87.

[4]谢继红.热泵干燥装置的优化与应用研究 [D].天津：河北工业大学，2005.

[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 Performance Equation and Its Applications for Heat Pump Dryers

Chen Dong Li Jianping Xie Jihong Xiang Yong Cao WenliLi Lingli

The SMER equation is deduced for the most widely used close-circuit heat pump dryers,and based on the equation,the changes of SMER with air temperatures changes at the dryer inlet,the dryer outlet and the evaporator outlet are calculated and analyzed.It shows that when the other two parameters are given,SMER descends with the ascending of air temperatures at the dryer outlet,ascends with the ascending of air temperatures at the evaporator outlet,but a maximum SMER exists for a suitable air temperature at the dryer inlet.

Heat pump； Drying； Performance equation； Drying medium parameters

TQ 051.8

*陈东，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）