制冷系统循环风量对热泵干燥除湿性能的影响*

吕东阳 姜志宏

（浙江农林大学化学与材料工程学院，浙江 杭州 311300）

在木材加工过程中，木材干燥是保障和改善木材品质，减少木材损失，提高木材利用率的重要环节[1-2]。热泵干燥因节能、环保等特点近年来备受关注[3]。目前有关热泵干燥的研究在基础理论方面，主要通过热力学等理论分析[4]和建立数值模拟[5-6]的方法，探索优化热泵干燥工艺参数[7]。张璧光[8]从理论上分析了湿空气的临界除湿状态，并指出可以通过减少回风量，提高热泵系统的除湿效率。胡传坤[9]分析了循环湿空气在除湿前后温度的变化和除湿能耗比的变化规律，提出了最佳旁通率的调节方法。黄佳兵[10]分析了回风旁通率对热泵干燥系统除湿性能的影响，结果表明，在一定工况下系统中具有一个旁通率使得系统除湿效果最好。Chua等[11-12]通过建立数学模型对干燥性能进行分析，结果表明，在系统中增加一个蒸发器热回收率可提高35%。在应用研究方面，主要通过试验探索适用于不同物料的干燥工艺参数[13-15]、操作条件[16-17]、优化控制、设计方案[18-19]和高效环保制冷剂[20]等。Aktas等[21]采用PLC控制热泵干燥系统的温湿度、循环风速。Yang等[22]采用2种不同隶属函数方法和调节规则的模糊控制器提高制冷剂过热度和干燥温度的控制精度。范海亮[23]针对热泵干燥系统的特点，研究设计了一种独立的、不依靠被调节对象的PID模糊复合控制器，极大地提高了热泵干燥过程的稳定性。李晓君[24]针对基于ABB PLC的热泵干燥控制系统设计了PLC控制程序和触摸屏界面，使热泵干燥装置工作更加理想化，能更好地实时监测热泵干燥的工作状况。Singh等[25]对R32、R152a、R134a 3种制冷剂进行比较分析，结果显示，用R32和R134a制冷剂的系统，前者SMER（除湿能耗比）比后者平均高出8%。Comaklik等[26]将2种制冷剂R404a和R22以1∶1比例混合应用于热泵干燥系统，发现该混合制冷可以使系统获得更高的能源利用率。

以上研究成果为热泵干燥技术应用提供众多有益的参考。然而，在干燥过程中湿空气的状态参数（温度、湿度、含湿量）变化较大，为在满足干燥工艺条件的同时，最大限度提高热泵干燥系统的除湿性能，需要寻找在不同工作参数条件下热泵干燥系统除湿性能的变化规律，以实现系统的优化控制。本研究通过在木材干燥实际生产中采用自行设计的双蒸发器空气能干燥设备，研究在木材干燥的不同阶段，制冷系统循环风量对系统除湿性能的影响，以期为热泵干燥的应用与性能优化提供有力的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

黑酸枝（Dalbergia cultrate Grah）锯材，规格为长（顺纹方向）1 500 mm ×宽 150～200 mm ×厚 15 mm，材积约为22 m3，初含水率50%，产地印尼。

1.2 设备

双蒸发器空气能干燥设备由制冷剂循环系统及干燥室两部分组成。干燥室内有独立的风机，用于保证干燥室内空气的循环流速，保证木材干燥的均匀性。制冷剂循环系统原理如图1所示，制冷剂循环系统中有2个蒸发器和1个冷凝器以实现供热或除湿。升温阶段，通过外蒸发器6吸收干燥室外空气中的能量为干燥室供热；在达到干燥基准温度要求，需要除湿时，通过内蒸发器5对干燥室内的湿空气进行除湿，并回收水蒸气冷凝时的汽化潜热为干燥室供热。该设备在设计计算完成后，委托合作企业完成设备的生产与组装，其中制冷系统压缩机和循环风机的主要参数如下：

图1 双蒸发器空气能干燥系统制冷剂循环原理图Fig.1 Schematic diagram of the dual evaporator air energy wood drying system

压缩机参数：谷轮涡旋 ZW150KBE-TFP-522，制冷剂种类R134a，制热量为30.12 kW，功率为10.31 kW。

循环风机参数：离心通风机 DWF355M2-4H，流量为10 000 m3/h，转速为1 350 r/min，功率为3.00 kW，额定频率为50 Hz。

该设备的控制系统可以实时检测干燥过程中干燥室内湿空气的温湿度、压缩机电流、内蒸发器盘管温度和压缩机排气温度等。

1.3 试验方案

在木材干燥实际生产条件下测试双蒸发器空气能干燥系统除湿性能。根据木材干燥原则，在不同干燥阶段，木材含水率不同时，所对应的湿空气温、湿度也不同。在干燥前期，木材含水率较高，此时干燥室内湿空气温度较低、相对湿度较高。在干燥中期，在温度基本不变的情况下降低干燥室内湿空气的相对湿度。随着干燥的进行，在干燥中后期和后期，木材含水率降低至30%左右时，升高干燥室的温度，并降低干燥室内湿空气相对湿度。在除湿过程中，随着干燥室内湿空气相对湿度的降低，当制冷系统循环风机风量过高时，可能出现冷凝水很少甚至无冷凝水析出，因此在不同湿空气状态下，试验中调节制冷系统循环风机的风量范围也不同。鉴于循环风机的风量不方便测取，但循环风机的输入电源频率可以从变频器中直接读取，依据循环风量与转速的关系可计算不同频率下的风量，因此本研究直接以频率分析循环风量与系统除湿性能的关系。随着湿空气相对湿度的降低，所调节的频率值范围也降低。试验方案如表1所示。

表1 试验方案Tab.1 Test scheme

1.4 数据测取

1）除湿量：用电子秤称取10 min冷凝水的出水量，即为除湿量。

2）压缩机输入功率：根据控制系统自动检测压缩机电流计算压缩机输入功率。

3）循环风量：由风量与转速的关系，依据制冷系统循环风机的参数，按公式（1）进行循环风量的理论计算。

式中：Q1为调频后风量，m3/h；Q为额定风量，m3/h；n1为调频后转速，r/min；n为额定转速，r/min。

1.5 性能评价指标

1）除湿量：10 min的冷凝水量。

2）除湿能耗比（SMER）：单位功率除去的水量。根据公式（2）计算：式中：M为测量时间段内冷凝水量，kg；W为压缩机输入功率，kW。

3）除湿制热性能系数（COP）：制热性能系数是评价热泵系统制热性能的指标，为热泵系统的制热量与压缩机输入功率之比。系统在除湿的同时回收冷凝水的汽化潜热为干燥室供热。除湿过程中系统为干燥室提供的热量为冷凝水的汽化潜热和压缩机输入功率之和的热量。本研究将冷凝水的汽化潜热和压缩机输入功率之和的热量与压缩机输入功率之比定义为除湿制热性能系数，以除湿制热性能系数评价除湿时系统的供热性能。除湿制热性能系数（COP）根据式（3）计算：

式中：Q1为除湿时的实际供热量，kW；W为压缩机输入功率，kW；Q2为冷凝水释放的热量，kW；M为测量时间段内冷凝水量，kg；hλ为水的汽化潜热，kJ/kg。

2 结果与分析

2.1 干燥前期循环风机频率对系统除湿性能的影响

图2所示为木材干燥前期，干燥室内湿空气温度较低、相对湿度较高时，制冷系统循环风机频率对除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的影响曲线。由图2a、b、c可以看出，在45 ℃、90%，50 ℃、85%和55 ℃、80% 3种状态下，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数随循环风机频率的降低均呈先增大后减小趋势。在频率为25 Hz时，系统的除湿量最大，依次分别为4.49、4.32 kg和4.16 kg；在频率为30 Hz时，系统的除湿能耗比最大，依次分别为2.80、2.70 kg/（kW·h）和2.63 kg/（kW·h）；除湿制热性能系数的最大值也在频率为30 Hz时出现，依次分别为2.86、2.78和2.72。

图2 干燥前期循环风机频率与除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的关系Fig.2 Dry early, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

2.2 干燥中期循环风机频率对系统除湿性能的影响

图3所示为木材干燥中期，在干燥室内湿空气相对湿度降低时，制冷系统循环风机频率对除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的影响曲线。由图3a、b、c可以看出，在45 ℃、75%，50 ℃、70%和55 ℃、65%3种状态下，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数随循环风机频率的降低均呈先增大后减小趋势。在频率为20 Hz时，系统的除湿量最大，依次分别为3.56、3.53 kg和3.22 kg。在45 ℃、75%和50 ℃、70%状态下，系统除湿能耗比的最大值在频率为25 Hz时出现，依次分别为2.13 kg/（kW·h）和2.08 kg/（kW·h），除湿制热性能系数的最大值也在频率为25 Hz时出现，依次分别为2.37和2.36。在55 ℃、65%状态下，系统除湿能耗比和除湿制热性能系数的最大值均在频率为20 Hz时出现，依次分别为1.92 kg/（kW·h）和2.27。

图3 干燥中期循环风机频率与除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的关系Fig.3 Dry medium, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

2.3 干燥中后期循环风机频率对系统除湿性能的影响

图4所示为木材干燥中后期，随着干燥室内湿空气温度升高，相对湿度降低时，制冷系统循环风机频率对系统除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的影响曲线。由图4a、b、c可以看出，在60 ℃、60%，65 ℃、50%和70 ℃、50% 3种状态下，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数随循环风机频率的降低均呈先增大后减小趋势。在频率为15 Hz时，系统的除湿量最大，依次分别为2.96、2.49 kg和2.61 kg。但60 ℃、60%状态下，系统除湿能耗比和除湿制热性能系数的最大值在频率为20 Hz时出现，依次分别为1.52 kg/（kW·h）和1.98。在65 ℃、50%和70 ℃、50%状态下，系统除湿能耗比和除湿制热性能系数的最大值在频率为15 Hz时出现，依次分别为1.32 kg/（kW·h）、1.85和1.39 kg/（kW·h）、1.89。

图4 干燥中后期循环风机频率与除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的关系Fig.4 Dry middle and late, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount,SMER and COP

2.4 干燥后期循环风机频率对系统除湿性能的影响

图5所示为木材干燥后期，干燥室内湿空气湿度进一步降低时，制冷系统循环风机频率对系统除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的影响曲线。由图5a、b、c可以看出，在60 ℃、40%，65 ℃、30%和70 ℃、20% 3种状态下，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数随循环风机频率的降低均呈先增大后减小趋势。在频率为10 Hz时，系统的除湿量最大，依次分别为1.78、1.08 kg和0.56 kg。系统除湿能耗比和除湿制热性能系数的最大值也在频率为10 Hz时出现，依次分别为0.89、0.55、0.33 kg/（kW·h）和1.59、1.36、1.21。

图5 干燥后期循环风机频率与除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的关系Fig.5 Dry later, the relationship between circulating fan frequency and dehumidification amount, SMER and COP

通过以上分析可知，降低制冷系统循环风机频率，即降低循环风机风量可以提高系统的除湿性能。在湿空气状态一定时，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数随循环风机频率的降低均呈先增大后减小趋势。在木材干燥的不同阶段，即不同的湿空气状态下，均存在一个频率，在该频率下，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数达到最大值。但三者的最大值并不是都在同一个频率值下出现。出现这种现象的原因是，在湿空气除湿过程中，湿空气流经蒸发器降低到露点温度后才会有冷凝水析出。湿空气状态一定时，其露点温度一定，在系统制冷量一定时，随着循环风机频率降低，流经蒸发器的湿空气量减少，湿空气降低到露点温度所用的冷量减少，剩余较多的冷量用于冷凝湿空气中的水蒸气，因此系统的除湿量增大，回收的冷凝水潜热增多，除湿能耗比和除湿制热性能系数也随之增大。然而，随着循环风机频率的进一步降低，系统中流经内蒸发器的湿空气量更少，导致减小空气流量所减少的冷凝水量大于减小空气流量所增加的冷凝水量，因此除湿量减小，回收的冷凝水潜热减少，除湿能耗比和除湿制热性能系数也随之减小。随着循环风机频率的降低，即系统的循环风量减少，导致压缩机排气温度升高，系统能耗增加，因此在除湿量达到最大时的频率值下，除湿能耗比并不一定是最大。

随着干燥的进行，干燥室内湿空气的相对湿度随之降低，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数及其达到最大值的循环风机频率也随之降低。这是因为在湿空气温度一定时，随着相对湿度降低，湿空气的露点温度也降低，除湿过程中，湿空气降低至露点温度就需要更多的冷量，除湿量就降低。降低循环风机频率，使流经内蒸发器的湿空气量减少，在制冷量一定时，同状态下循环湿空气降温至露点温度所需的冷量减少，系统剩余更多的冷量用于冷凝湿空气中的水蒸气。

3 结论

本研究采用自行设计的双蒸发器空气能干燥设备，通过改变制冷系统循环风机频率，研究在木材干燥的不同阶段，制冷系统循环风量对系统除湿性能的影响，主要得出以下结论：

1）降低制冷系统循环风机风量可以提高系统的除湿性能。在木材干燥的不同阶段，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数均随循环风机频率的降低，即循环风量的减小呈先增大后减小趋势。并且均存在一个频率值，使系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数达到最大值，但除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数的最大值并不是都在同一个频率值下出现。

2）在热泵干燥系统除湿过程中，随着干燥室内湿空气相对湿度降低，系统的除湿量、除湿能耗比和除湿制热性能系数及其达到最大值的循环风机频率也随之降低。