排潮风余热回收循环利用及空气源热泵挂面干燥研究*

王保法 ，陈 洁 ，李兴书 ，杨德亮 ，张 欣 ，吕莹果 ，李雪琴

（1.河南海弗星换热科技有限公司,河南 新乡 453000；2.河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052）

我国是小麦生产大国，而粮食转化是提高农业收入的主要途径，其中挂面是以小麦粉为主要原料加工的工业化食品[1]。挂面是以小麦粉添加盐、碱、水制做的湿面条，后经悬挂干燥后切制成一定长度的干面条，它是人们喜爱的主要面食之一。挂面之所以可以长期存放，是因为它通过干燥脱水的过程，其水分含量处于安全范围内，保存时间得以延长[2-3]。干燥工序是挂面加工过程中一道非常关键的程序，它不仅会影响挂面的质量，更影响着干燥的效率[4-5]。挂面干燥就是合理调控干燥通道中作为传递介质的空气的温度、湿度和流动的速度。不同干燥阶段采取不同应对措施，使挂面中水分扩散汽化、转移到空气中形成湿空气被带走，并最终得到质量优良产品[6]。

传统挂面干燥热源供给是燃煤锅炉燃烧产生的热能，燃煤单位热值价格低，挂面的干燥成本较低，但是散煤燃烧污染严重。国家自2014年以来逐步取缔燃煤小锅炉，个别挂面企业改用区域内发电厂蒸汽管网进行挂面干燥，大部分中小企业采用了天然气锅炉进行供热，由于天然气单位热值价格相对燃煤来说比较昂贵，挂面干燥成本大幅增加，甚至翻倍，由于成本增高使中小企业的产品市场竞争力大幅下降。采取新技术进行绿色干燥，并降低挂面干燥成本成为行业关注的重要课题[5,7]。

1 挂面不同干燥工艺

1.1 挂面干燥工艺

挂面干燥一般都采用对流热力干燥法，即利用一次能源（煤或天然气等）通过锅炉燃烧产生的热能给导热介质提供热量，加热干燥车间的空气，借助风力使热空气对流，用以加热湿挂面，同时带走湿挂面的水分，达到供热干燥的目的[8]。

1.2 传统锅炉挂面干燥工艺

湿面条进入烘房后，煤、燃气、电等能源通过锅炉燃烧或发热产生的热能加热导热介质 （导热油、水），导热介质通过管道进入干燥室加热上部空气，在上部风扇向下排风的作用下将热风向下吹加热湿挂面，烘干室形成的高温高湿的空气在排潮风机的作用下直接排到室外空气中，挂面干燥后进入下一工序，完成挂面干燥过程，干燥工艺如图1所示。

该工艺为传统的挂面干燥工艺，高温高湿的气体直接排空，造成能源浪费，产生两个污染源，其一为黑色污染：锅炉燃烧化石能源通过烟囱的排放物，其二为白色污染：高温高湿的排潮风形成的白雾。

1.3 空气源热泵供热挂面干燥工艺

该干燥工艺与传统的锅炉加热挂面干燥对比，最大的特点是，空气源热泵替代锅炉，真正实现了无烟工厂，高温高湿的排潮风通过热泵实现了余热回收循环再利用，达到了节能效果，比传统的燃气锅炉节能40%左右[9]。烘房的排潮风通过管道汇集在一起，通过空气源热泵翅片蒸发器，翅片蒸发器内管道的冷媒蒸发吸热，排潮风被吸热后变成冷凝水与冷空气，冷凝水汇集后再利用，冷空气夏季可以通过专用管道排到操作间与包装间降低室内温度，改善工人工作环境，减少制冷设备的投资及运行费用，其它季节直接排空，冬季减少白烟排放，可降低白色污染。吸热后的冷媒通过压缩机压缩变成高温气体，高温气体通过冷凝器加热介质（水或空气），加热后的介质输送到烘房加热干燥湿挂面，湿挂面水分蒸发变为干挂面，形成的排潮风进入下一个循环，达到节能的效果，工艺如图2所示。

图2 余热回收空气源热泵挂面干燥工艺

2 空气源热泵工作原理

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置[10]。空气源热泵热水器基本原理：它主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、节流装置和电子自动控制器等组成[11]。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的介质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压介质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被介质加热后送去供用户使用，而介质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的低位热能被不断吸收利用而加热介质，空气源热泵热水机组的基本工作原理[12]如图3所示。

图3 空气源热泵工作原理

空气源热泵现在广泛应用在供暖、生活洗浴热水、农产品干燥上，随着国家政策煤改电的实施，尤其是北方地区大力推广空气源热泵供暖，空气源热泵技术得到快速发展。

3 空气源热泵供热挂面干燥不同空气焓值对比

空气源热泵的热源主要是空气中的能量，空气中的能量与空气焓值相关，焓值越高热能越高，热泵的工作效率就越高，但由于一年四季天气温差较大，尤其是我国北方地区，冬季室外环境温度低，空气焓值低，不利于热泵能量转换。结合挂面干燥工艺实际情况，挂面中低温烘干技术干燥室排潮风始终处于30～35℃之间，湿度在80%左右，湿空气焓值高，正好适合空气源热泵的正常工作，且能效比高，避免结霜现象发生。郑州地区2019年全年不同月份平均温湿度如图4所示，以此为例计算出一年四季不同月份空气中平均焓值与排潮风焓值对比，如图5所示。

图4 郑州地区2019年各月份空气温湿度

图5 郑州地区2019年各月份空气焓值对比

4 挂面干燥所需能耗分析

挂面干燥的能耗主要与挂面的四个因素有关：湿挂面的脱水量，主要由湿挂面的初始水分及干挂面的终末水分所决定，新风升温所需的热量，根据不同地区不同季节的室外空气温湿度，结合挂面室内温度，计算出新风升温所需的热量；结构散热所需的热量，即根据干燥房四壁的材料、厚度、面积及室内外的温差计算出散热所需的热量；湿挂面及挂面杆升温所需的热能，综合以上四种因素精确计算出所需的热量[13]。应根据干燥房最大热量需求，按照不同能源的热值及锅炉的能效比计算出匹配的功率数去配备热源。输出热源的价值与能源的单位热值价格、热源设备的能效比有关系，不同能源及制热设备的能效比计算的各设备输出单位热值价格见表1。

表1 不同能源吨挂面干燥耗能表

5 热泵系统设计

本实例针对某厂的挂面进行热泵干燥设备的设计及实验，实验时间为冬季。该厂属于温带大陆季风性气候，冬季盛行偏北风，寒冷干燥，夏季盛行偏南风，炎热多雨，季风区气候明显。本次热泵干燥设备采用余热回收式热泵系统，其主要利用烘房中的排湿余热作为热泵主机的低位热源，既能保证系统在冬季正常运行，也可提高系统的运行效率。同时为结合原有的烘房条件及挂面干燥工艺要求，热泵干燥系统采用高温热水间接干燥模式。即热泵干燥机以水为传热介质，将水加热后，通入烘房；并通过调节水盘管热水流量和风机转速，对物料进行干燥。本实验的挂面干燥系统由热泵干燥供热装置和隧道式烘房组成。烘房采用隧道式，需移行300 m，干燥时间为3h，干燥温度为30～45℃。以冷风定条、保温出汗、升温降潮、降温散热四道工序完成，湿挂面的含水率为30%～32%，干燥后成品挂面的含水率为12%～13%。

热泵干燥系统分为A、B两组，采用联合供热模式，每组系统是以四个30 HP的压缩机组成的120HP的热泵机组，每组的总功率为105 kW，额定制热量为320 kW，辅助电加热的额定功率为3×10kW。其中 A （B）1 的制冷介质为 R22、A（B）2、A（B）3、A（B）14 的制冷工质为 R134a，如图6和图7所示。

图6 A组热泵机组干燥示意图

图7 B组热泵干燥系统示意图

5.1 烘房内的温湿度分布

由于A组B组的热泵系统工作条件相同，因此选取易测量的B组热泵系统为测试对象分别在B4蒸发器前B4～B1蒸发器后布置一个温湿度探头；并设置PT100测量热泵系统的回水温度和出水温度并在开机状态时定时记录B1～B4系统的冷凝温度、蒸发温度、烘房间各区中的温湿度。具体干燥参数见表2。

表2 挂面干燥过程各区温湿度设定值

在本次实验的烘房中，共分为四区，如图8所示。按照挂面干燥工艺的要求，一区为冷风定条，保持常温在30℃左右的环境下进行；二区为保温出汗要求控制温度不要太高，湿度低于80%，使面条处于预热保潮，水分慢慢蒸发。三区是升温降潮阶段，这个阶段要进一步升温，逐步降低相对湿度，进行去湿。四区为降温散热，在这个阶段散发面条的热量，逐步达到接近或略高于室内的常温；同时继续蒸发一小部分水分，达到规定标准的含水量，并使面条各部分的水分平衡。各区之间的温度均是通过调节水流量进行调温的，并通过调节隧道上部的风机转速，控制干燥速率。

图8 烤房挂面烘干路线图

实际干燥过程中，在挂面进入烘房干燥之前要对烘房进行预热，以达到湿挂面进入烘房后的温度要求。实验过程中，热泵系统于6：00开机预热，7：00时湿挂面从烘房出口进入，开始进行干燥。干燥全程长度300 m，干燥时间为3 h，湿挂面的输送量为14挂/min，每挂挂面的平均净重为2.7 kg。

由图8可知从早上7:00湿挂面进入烘房后，风机开启，烘房中的温度、湿度逐渐上升。可以看出，一区、二区整体相对湿度较大，挂面中的水分主要在一区和二区去除，其热负荷较大。而三区温度最高，用以去除面条中最里部较难出去的水分。四区主要进行降温散热，相对热负荷最小。以实际效果来看，热泵供给热水可以满足烘房面条干燥的要求，取得了良好的效果。

5.2 热泵机组的出回水温度变化

为满足烘房间断性干燥的需求，系统设置储水罐，夜间干燥设备停止工作时，将热水储存在储水罐中进行保温，同时在烘房热负荷较小时，关闭热泵系统，可充分将储水罐中热水的热量进行循环利用。以实验日为例，储水罐的出水温度为32℃左右。预热阶段，温度上升。烘房满载干燥期间，平均出回水温差为11℃，当湿挂面停止输送后，热泵热负荷减少，出回水温差逐渐减小。

5.3 热泵设备的性能分析

根据热泵机组的蒸发温度和冷凝温度分布，计算热泵干燥系统的制热系数COP，根据物料的除湿情况和热泵的系统能耗得出系统的单位能耗除湿量，计算数据见表3。

表3 热泵设备的性能分析

由表3可知，热泵干燥系统对挂面进行干燥的成本为68.79元/t，其热泵干燥设备的制热系数COP平均为2.40，单位能耗除湿量平均为2.825 kg水/(kW·h)。干燥过程中，充分利用烘房中干燥产生的湿空气，将其进行余热回收利用，在实验厂冬季环境温度相对较低时，依旧可以进行正常高效的工作。传统的热泵干燥设备工作主要利用室外环境中的空气能，通过热泵将低位热源转变为高位可利用热源。在冬季寒冷的室外环境下，若只利用室外环境中的空气能会造成蒸发温度相对较低，压缩机的压比增大，降低机组的运行效率，增加运行能耗。而热泵干燥系统采用余热回收的方法，有效地解决了冬季热泵运行困难的短板，并提高了物料的干燥质量。

综上所述，本次实验设备采用余热回收式的热泵干燥设备，可更好地应对冬季寒冷的天气；相比单一的从室外环境取热，该余热回收式热泵干燥设备的运行更加高效、稳定。本次实验时间为12月下旬，正值寒冷冬季，充分证明了系统的可靠性。干燥房采用热水盘管式干燥，更好地保证了烘房内温度的均匀性，温度稳定，保证了干燥品质。本实例设计的热泵干燥设备的制热系数COP最大达2.46，热泵干燥设备的单位能耗除湿量最大为2.88 kg水/(kW·h)。在国家大规模推行煤改电的大政策下，热泵干燥设备的温度控制精度较高，无有害物质排放，不仅保证物料的干燥品质，且不污染物料、运行成本低、节能环保、具有较大的推广价值。经过三年多的运行，各项指标达到预期值，各月份每吨干产品干燥电耗如图9所示。

图9 不同月份挂面烘干电耗

全年各月份平均干品挂面电耗不超70 kW·h/t，电费按 0.7元/（kW·h）计算，平均成本为 49 元/t，耗能低，节能及环保效果明显。

6 效益分析

6.1 经济效益分析

采用余热回收热泵技术进行挂面干燥，按目前平均吨挂面用天然气30 m3计算，每方燃气费为3.0元左右，平均吨挂面干燥成本为90元左右，改用热泵吨挂面干燥按节约30元，目前国内挂面行业年产能800万t挂面，按50%产能进行热泵烘干技术改造，400万t挂面一年节约干燥成本1.2亿元，相当为行业增加约1.2亿元的净利润。

6.2 社会效益分析

目前国内挂面行业年产能800万t挂面，按50%产能进行热泵烘干技术改造，按吨干品挂面30m3天燃气计算，400万t挂面全年减少1.2亿m3天燃气燃烧，每方燃气燃烧产生的二氧化碳为1.76 kg排放，相当于减少二氧化碳排放量21.12万t，相当于每年多栽15.64万棵树（1棵普通的树每天可吸收5 kg二氧化碳，一年按三个季节光合作用，每年可吸收1.35 t二氧化碳）。

7 结论及建议

通过实际案例分析，余热回收循环利用及空气源热泵挂面烘干技术，达到了绿色、环保、高效及节能的效果，是未来替代传统燃烧化石能源为主的锅炉供热挂面干燥的发展方向。

尽管该技术比传统锅炉节能40%左右，投资回报率高，运行成本低等优势，但先进技术的前瞻性与客户认知度滞后的矛盾，加上热泵技术一次性固定投资相对传统的锅炉投资高，为锅炉投资的3～4倍，客户接受率低。

应加大节能新技术宣传推广力度，如实际案例参观、行业会议推介等；也可通过行业协会向政府主管部门建议，参考类似北方供暖煤改电补助、农产品及烟叶热泵改造专项财政补贴政策，出台挂面干燥热泵改造建设补贴制度，减轻企业投资负担，加快新技术的推广应用；制造企业加快新技术的研发，降低新技术中设备制造成本，减少挂面企业热泵干燥技改的一次性投资，如此可起到双赢的结果。