毕业论文-用于干燥列车空调机组的热泵装置研制05461.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 用于干燥列车空调机组的热泵装置研制 姓名：勾姝云 申请学位级别：硕士 专业：动力工程 指导教师：谢军龙 2011-05-23 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 干燥装置在人民生活和生产中有着广泛的应用， 热泵技术应用于干燥过程不仅可 以有效降低电能消耗，而且能提高干燥质量和效率。 本文根据热泵干燥技术存在的主要问题，以单元式列车空调机组的干燥为例，在 合理设计热泵干燥循环参数的基础上，结合回热技术对经过蒸发器前后空气的热量进 行综合利用，进行热泵干燥系统的整体设计，确定了热泵干燥系统的结构形式,同时进 行了系统各部件的设计计算。针对被干燥物单元式列车空调机组的特殊结构，干燥室 设计成了一个闭式、带有可自动调节卷帘门升降的维护结构，为了使物体表面水分尽 快蒸发，须保证干燥室内被干燥物的断面风速在 5 m/s 以上，为此设置了用于面干燥 的室内负压风机和用于点干燥的射流风机。由于设计工况与现实情况的差距，整个干 燥室不能保证为绝热条件，尤其是在冬天室外温度低于 10时，外界环境的影响会降 低除湿装置的除湿效能，因此加装了 15kw 的电加热器作为辅助加热装置。 通过实验， 结果表明干燥后的采用热泵干燥系统来干燥清洗后的单元式列车空调 机组具有较好的干燥效果，是一种可行的干燥方式。另外，通过对比真空干燥可发现 热泵干燥能大大降低电能的消耗，具有更好的经济效益，因此这也是一种值得推广的 干燥方式。 关键词：关键词： 热泵，干燥，实验，系统设计，回热，系统能耗 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract drying plant production has a wide use in peoples life,heat pump technology application in drying process can not only effectively reduce the power consumption, but also improve the drying quality and efficiency. according to the heat pump main problems of drying technology, take the unit train air conditioning with dry as an example, the heat cycle parameters reasonable design on the basis of dry, combined with the back of thermal technology before and after the quantity of heat of air through the evaporator, comprehensive utilization on the integral design of the pump drying system. for the integral design of the pump drying system, confirm the structure of heat drying system and have a calculation of the various components. according to the special structure of dried thing,drying room is designed as a closed maintenance structure with auto-rolling-shutter door. in order to make the object surface water evaporate as soon as possible, we must ensure that the cross section wind velocity of the dried thing above 5 m/s . therefore, istalled the negative pressure fan for surface drying and jet fan for point drying. as there are some differerces between the design conditions and reality that cant guarantee the dry room become adiabatic conditions,so add electric heater of 15kw as auxiliary heater,especially the low temperature in winter may have some impact on the drying effect. according to the experiment, on the one hand, the results show that the heat pump drying system to dry the cleaned unit train air-conditioning has a good drying effect, it is a feasible way to dry. in addition, comparing the vacuum drying with heat pump drying , it is recommendable as a drying method, because compared to the vacuum drying, the heat pump drying can decreased the energys consumption enormously, and has better economy benefits. keywords：heat pump; drying; test; system design; heat regeneration; system energy consumption 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 干燥工艺是我国最古老的单元操作之一，干燥装置在日常生活中都有着广泛的作 用1。如衣物、织物等家庭及宾馆用品的干燥，洗衣粉、颜料、塑料、化肥、催化剂、 纸张等化工制品干燥，谷物、干果、蔬菜、茶叶、香菇、木耳等农副产品干燥，奶粉、 食盐、香料、饮料、方便食品及其调料等食品干燥，中药原材料、药物制剂等药品干 燥，血浆、生物组织、酶、酵母、抗生素、疫苗等生物制品干燥，蛋清、肉类等动物 产品干燥，藻类、海带、鱼类、虾类、扇贝、海参等水产品及海产品干燥，陶瓷、隔 热材料、过滤材料、吸附材料等材料制品干燥，木材等林产品干燥，煤炭等能源产品 干燥，以及生活与工业废品干燥等2。伴随着人民生活水平、消费水平的提高，工业、 农业、服务业及各新兴产业的迅速发展，干燥装置的应用领域越来越广泛，因此人们 对于干燥产品的要求也越来越高。 干燥是一项耗能较高的操作，据统计，在各种工业部门总能耗中，干燥能耗大约 为 4%(化学工业)35%(造纸工业)之间3。 在西方发达国家的工业耗能中， 有 10%20% 用于干燥工艺4。因此，降低干燥过程中能源的消耗，对于减缓当今世界日益紧张的 能源局势具有十分重要的现实意义。 热泵装置可以达到节约部分煤、油、燃气、电等高位能的目的5，研究表明，在 同等条件下干燥，热泵干燥可节能20%50% 6。热泵干燥装置是结合利用热泵技术 和干燥技术而产生的一种新型的干燥装置，热泵可以吸收干燥器出口处排出废气中的 低温热能，经过热泵系统循环后将干燥器废气中的水分降温冷却成凝结水排出，并且 同时将循环空气温度提升再来加热进入干燥器的被干燥物。 采用热泵干燥技术是近年来新兴的一种方法，它的节能效果显著，并且操作切实 可行。 1943 年 sulzer 公司在德国建成的地下室除湿装置中首次采用热泵技术7。 其后, 热泵干燥技术便逐渐开始真正意义上的应用。美国在 1950 年取得热泵干燥的专利权 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 8。法国在 1970 年 1977 年间开始大量使用热泵干燥装置干燥木材, 到 1980 年大约 有 3000 家木材干燥厂采用热泵干燥技术9。加拿大的安大略省 45%的木材采用热泵 干燥技术, 节能高达 60% 10。 1.2 热泵干燥技术的国内外研究现状 1.2.1 热泵干燥技术国外研究状况 关于热泵技术的基本原理，在 19 世纪早期卡诺的著作以及他在 1824 年发表的 卡诺循环的论文中就有所阐述11。 采用热泵干燥技术则是近些年来发展起来的一种节 能效果明显、操作切实可行的方法。 总体来说，国外热泵干燥技术的研究一直领先于我国12，国外对于热泵干燥的 研究主要在以下几个方面： （1） 热泵干燥装置的结构优化设计 热泵干燥系统运行时的循环空气参数、 旁通率以及系统结构型式对系统装置的性 能有很大的影响。jolly、jia 等人认为： 空气的质量流量是影响热泵干燥装置性能的 一个主要因素13。 xi guo等人对实验干燥装置进行模拟得出：依赖蒸发器空气旁通，smer 值只 能提高20左右，且smer的最大值对旁通率并不敏感；对简单热泵除湿设备和开式 热泵干燥装置，在冷凝器进口处设置旁通效果更好14。 shane等人认为：热泵干燥装置运行时存在一个最佳风速，而且要维持进入蒸发 器的空气的相对湿度，空气旁通率对smer值影响较小15。对于他们研究的系统，依 赖改变旁通率对smer最大值的提高仅有916。 （2） 热泵干燥装置的模拟仿真 伴随计算机模拟的越来越广泛的应用， 通过这一方式来研究热泵干燥装置的的干 燥过程模型已经成为了一个研究方向。joly等人对闭式热泵连续干燥装置建立了一个 的数学模型，分别对热泵制冷剂循环系统和干燥室空气循环系统建立详细的传热、传 质数学模型，通过质量、能量守恒定律将两个系统模型联系起来。 sivaachariyaviriya 等人通过对水果干燥过程的模拟，研究了旁通率、环境因 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 素、干燥介质温度对热泵干燥系统装置性能的影响17。 prasersan等人对4 个热泵干燥装置（1个闭式、3个开式）做了详细研究，并在模 拟中采用有限差分法分析工质状态和传热、传质过程18。 （3） 对热泵干燥工质的研究 对于热泵干燥装置的研究在热泵工质上较常用的有 r22、 r134a、 r142b、 r123、 r744 等。其中，r22、r134a 一般用于低温热泵干燥装置；r142b 具有可燃性，不适 宜用于大型机组；r123 有一定毒性，最高制热温度可达到 150；r744 是天然工质， 工作压力较高，可用于变温低温热源和高温热源。鉴于 cfcs 制冷剂对臭氧层的破坏 作用，国际社会对于很多制冷剂也给予了很多限制和禁用，因此近年来，国外也在研 究将不同工质按一定配比混合以实现更好的效果19。 sivakumar 等人将混合工质（r32 和 r134a）与 r134a 这两种工质用于热泵干 燥装置中进行比较。结果表明：使用混合工质的热泵干燥装置比比使用 r134a 的系 统节能 8，干燥时间减少 3320。 （4） 对采用其他辅助热源干燥的研究 marshall mg认为：在降速干燥阶段，采用声频能加速干燥过程，能够提 高能量利用率和传质的速率。比较试验数据和模拟结果，分析认为基本一致21。 hawlader mna.等人采用太阳能辅助热泵干燥装置对绿豆进行干燥试验,试验结果 表明： 影响系统效率 3 个重要因素是、太阳能辐射量，以及干燥产品的产量22。 1.2.2 热泵干燥技术国内研究状况 我国在 20 世纪 80 年代开始热泵干燥技术方面的研究，虽然起步比较晚，但近年 来随着国内学者对热泵干燥的深入研究， 相关技术领域已有了迅猛的进展， 总的来说， 目前国内对热泵干燥技术的研究仍然还是落后于一些发达国家。 1989年 1993年, 北京林业大学与北京冷冻机厂联合研制了一系列用于木材干燥 的除湿机，并获得国家专利,取得了较好的经济效益和社会效益 23。 天津大学热能研究所马一太、张嘉辉等用当量温度法对热泵干燥的最佳工况进 行了详细的分析计算,同时建立了模拟干燥系统运行时的数学模型，通过模拟结果与 试验结果的比较，验证了模拟程序的可靠性。并对除湿过程有旁通的干燥装置进行模 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 拟，对影响结果的各参数进行了理论研究24。 浙江大学的王剑锋、欧阳应秀等人相变材料在热泵干燥中的效果进行了实验，通 过回收相变材料相变时产生的热效应，将贮存的能量在装置需热时释放给干燥空气。 实验结果证明：在干燥后期，相变材料应用于热泵干燥具有较好的节能效果。针对不 同的干燥物料,可于适当的干燥时刻放置相变材料, 这样不仅可以保持一定的干燥除 湿速度而且能节省系统耗费电能25。 另外，在木材干燥的领域，北京林业大学一直致力于采用热泵干燥技术，积累了 丰富的试验数据和实际经验。 1.3 热泵干燥的发展趋势 目前对于热泵干燥技术的研究与发展，主要集中在以下几个方面： （1）提高干燥温度。 提高热泵的干燥温度是研究的主要目的。 目前广泛采用的方式之一是加装辅助加 热系统以提高流经冷凝器的空气温度26。 （2）采用新型环保绿色热泵工质。 由于热泵干燥工作时的特殊性，要求设备能在较低的冷凝压力、较高的冷凝温度 下工作，因此要求热泵干燥工质需要具备较高的冷凝温度、较高的单位容积制冷量、 较高的热稳定性和化学稳定性，以保证设备安全温度的运行。这也是目前很多学者研 究的一个热点27。 （3）联合热泵干燥。 热泵干燥主要是采用干燥介质热对流的方式对干燥对象进行干燥，在干燥系统 中，加装高频电磁波或红外加热源等装置作为辅助加热，可以较大地升干燥速率。 （4）其他热源或驱动力的热泵干燥。 常用的热泵驱动能源为电力，由于我国目前较不平衡的能源状况，开发其他驱动 力的热泵干燥装置具有重要意义28。目前，可以用燃料发动机(柴油机、汽油机、或 燃气轮机等)作为热泵的驱动装置。 燃气发动机驱动的燃气热泵可减少污染物排放， 而 且燃气发动机的效率一般均高于发电机的效率。用燃气热泵代替能量利用系数不高的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 锅炉房供热和电器空调，是保护环境、减少电能消耗的有效措施29。 （5） 热泵干燥装置的自动控制。 自动控制、模拟技术、信息技术等的应用为热泵干燥机组性能的提升和进一步优 化创造了条件。干燥过程是一个复杂多变的过程，可将现代检测、传感及控制技术结 合起来应用于热泵干燥加工，实现对干燥过程各参数的实时控制，以制定出更好的干 燥要求参数从而提高干燥效率。 （6） 改进热泵性能。 主要通过提高效换效率的方法来提高热泵的综合性能30。另外，采用多级蒸发 技术可满足同种物料或不同物料在不同干燥时段的温度要求，可有效改变干燥系统的 温度和相对湿度，并能提高热泵系统的cop31。 （7）干燥室优化设计。 物料干燥的效果还要受到干燥室形式的影响，干燥室内空气动力参数、空气的热 力过程可以借助计算机来进行模拟计算，设计不同结构形式的干燥室对干燥的效果会 产生很大的不同。 1.4 研究目的及意义 热泵干燥作为一种新型干燥技术， 与传统干燥技术相比， 它具有很显著的技术优势， 其良好的节能效果已被各种实验所证明，但其应用和推广还面临很大的难度和问题。 （1） 认知度 热泵干燥装置在干燥设备行业及物料加工用户方面的认知度实际上并不高， 大部 分的企业还不能较好的理解热泵干燥技术的优势，因此工程实际运用能力还不够，另 外高技术、高素质的技术员也相对缺乏。基于此，让更多的用户、企业了解热泵干燥 技术，让更多的同行共同发展热泵干燥技术，让更多的人员共同开拓热泵干燥技术的 应用领域，是一项任重道远的事32。 热泵干燥这一高效节能、环境友好、干燥效果好的新型干燥技术的若能得到更好 的发展，则需要各级政府主管部门、产业界、学术界的共同努力。 （2） 热泵干燥技术的潜力有待挖掘 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 目前，人们对热泵干燥装置优势的认识主要集中在节能上，但实际上热泵干燥的 技术潜力还有很多，主要有以下几个方面。 物料干燥质量。当干燥特殊物料时，可以采用惰性气体作为热泵干燥装置的干 燥介质。 干燥温度。热泵干燥这种干燥方式比较温和，可进行低温干燥，但并不局限于 低温干燥，当热泵机组的cop值较高时干燥装置的干燥温度也可以到达100以上。 干燥速度。干燥过程主要是干燥介质与物料进行热对流方式的热量交换，现实 中，热泵干燥装置不但可以通过提高干燥温度获得较高的干燥速度，即使因工艺需要 必须采用低温干燥也可采用新的干燥介质（如氢气）和多种干燥模式（如热泵厢式干 燥模式）这两个技术途径来提高干燥速度。 能源效率。理论和实际均已证明热泵干燥装置制热效率cop是大于1的，但在 实际中，热泵装置的热效率可提升。如通过模拟优化热泵工质和热泵循环；采用混合 干燥介质；加装辅助加热系统；在热泵干燥装置中采用热管、蓄热技术等。 （3） 深层次的合作有待加强 主要指两方面的合作：一是学科间的合作，二是部门间的合作。 热泵干燥装置是一个技术集成型的装置，涉及多学科、各人员的合作与交流， 但现实中往往合作不够，因此，只有各方通力加大力度合作才能共同开拓热泵干燥的 市场。 （4） 装置初投资 基本观点均认为热泵干燥装置的初投资较高，但实际并非完全如此。在低温干燥 领域，相比传统干燥方式热泵干燥装置的初投资并不高；非低温干燥领域，热泵干燥 装置的初投资可能高于常规干燥装置。伴随后期的使用成本，热泵干燥装置也现实出 其更好的经济性，因此完善热泵干燥装置将有更广泛的社会经济效应。 1.5 本文的主要研究内容 本文结合热泵干燥的基础理论，以单元式列车空调机组作为干燥对象，采用热 泵干燥技术对其进行干燥，主要进行以下内容的研究: 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 （1）热泵干燥系统的选择 热泵干燥系统的形式较多，按照干燥介质(空气)的循环情况可分为开路式、半开 路式和闭路式三种。分析这三种循环的特性，根据干燥对象，确定系统形式。 （2）热泵干燥系统的设计 根据干燥对象的特点，对系统的工作介质和主要构成部件（压缩机、蒸发器、冷 凝器和节流阀）进行设计。 （3）为提高热泵干燥系统的传热效率，对蒸发器和冷凝器进行再回热处理，并设计 计算回热条件下系统各部件的参数。 （4）热泵干燥室的设计 以单元式列车空调机组为实验干燥对象，确定适合干燥部位要求的干燥室布置， 并对干燥房内各风机进行设计、选择、和模拟。 （5）物料干燥的实验研究 以单元式列车空调机组为实验对象， 对实验各项参数进行研究分析以确定干燥最 终的效果，以确定热泵干燥装置干燥效果的可行性。另外，对热泵干燥方式的能耗、 效果与传统真空干燥方式进行实验对比分析。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 用于干燥列车空调机组的热泵干燥除湿系统 2.1 热泵干燥系统构成及工作原理 针对被干燥对象为单元式列车空调机组，要求出风要达到 60，由于热泵是一种 高效制热装置，制热时其出风温度比较适合本实验干燥要求，是理想的干燥装置。热 泵干燥技术又是热泵技术和干燥技术的有机结合33。 热泵干燥装置可根据物料特性具 有不同的流程和结构，按照干燥介质的循环方式划分，热泵干燥装置可分为开式、半 开式和封闭式34，以封闭式热泵干燥装置为例，其工作原理如图 2-1 所示。 图 2-1 热泵干燥装置的系统工作原理 由图2 1可见，热泵干燥系统是由两个子系统构成：热泵系统和干燥系统。在热 泵系统中，热泵工质按照1234 1 路径循环；在干燥系统中，干燥介质（图中干 燥介质为空气）按照5675路径循环。 热泵系统是由基本的制冷循环装置压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀组成一个闭 式回路，热泵工质在其中循环流动。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 热泵按照理论循环工作时， 工质在热泵中的状态变化如图22所示， 图中1 2为 等熵压缩过程，23为等压冷凝过程，34为节流过程 （节流过程前后焓值相等） ，4 1 为等压蒸发吸热过程。工质在热泵中的循环过程为：低压低温的气态饱和工质（状态 点1）进入压缩机，在压缩机内被等熵压缩为高温高压的过热气体（状态点2） ，然后 进入冷凝器，在冷凝器中工质放热给干冷空气，自身相变为高压中温的饱和液体（状 态点3） 并进入节流阀， 经过节流阀之后变为低温低压的饱和气与饱和液的混合物 （状 态点4）并进入蒸发器，在蒸发器中工质吸收温湿空气的热量而自身变为低压低温的 饱和气（状态点1） ，然后进入压缩机开始下一个循环。 图 2-2 热泵工质的状态变化 干燥系统则由干燥室、蒸发器空气侧、冷凝器空气侧、组成一个闭式回路，空气 在其中循环流动。 干燥系统是由干燥器（或干燥室） 、蒸发器（空气侧） 、冷凝器（空气侧）组成的 封闭循环回路，空气（或其他干燥介质）在其中循环流动，以热对流的方式干燥物料。 理论循环时，空气的状态变化如图23所示，图23中的5、6、7各点与图2 1中的 5、6、7各点对应。此外，为便于说明，此处焓-湿图中的等焓线为水平线。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 图 2-3 空气在热泵干燥装置中的状态变化 图23中，56为热干空气在干燥器中等焓吸收物料中水分的过程，67为湿 空气在流经蒸发器时的水分凝结除湿过程， 其中6 6 是湿空气空气先降温变为饱和的 湿空气，67 是在饱和湿空气状态下再降温除湿，75是冷却除湿后的冷干空气在 流经冷凝器时的等湿加热过程。 空气在干燥系统中的具体工作过程为：热干空气（状态点5）进入干燥器，加热 物料并使得物料中的水分蒸发进入空气中，空气自身降温加湿，出干燥器时变为温湿 空气（当忽略干燥器漏热及干燥过程的热损失时，该过程中进干燥器前热干空气的焓 约等于出干燥器的温湿空气的焓） ，出干燥器的温湿空气（状态点6）再进入蒸发器， 在蒸发器中首先被等湿降温冷却至饱和湿空气6的状态，再沿着饱和湿空气（相对湿 度100%的线）进一步被降温，空气中的水蒸气不断凝结为液态水析出，直至变为7 点温度较低、含水量极少的干冷空气状态。然后进入冷凝器，在冷凝器中热泵工质将 热量传给干冷空气变为为满足干燥要求的热干空气，再进入干燥器进行下一个循环。 如此，空气便在干燥器中不断把湿物料中的水分汽化带走，在蒸发器中不断把水蒸气 凝结排出，从而实现对湿物料的连续干燥35。 2.2 热泵干燥过程的特性曲线 干燥的对象不同干燥效果就会有很大差异， 由于本文干燥的对象是单元式列车空 调机组， 空调机组在干燥过程中的含湿量于时间之间的关系用数轴表示出来,所形成的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 曲线就是干燥曲线。 干燥过程一般可分为三个阶段:干燥的预热阶段、恒速干燥段和降速干燥段。 刚开始干燥时，将含水分的单元式列车空调机组放入干燥室，干燥介质通过对流将 方式热量传递给机组使温度上升，并且使得机组表面的液态水汽化，导致机组的湿含量 下降，当列车空调机组表面温度近似等于干燥介质对应的湿球温度时，第一阶段干燥的 预热阶段结束。在这个阶段，干燥介质对列车空调机组进行预热并将热量传递给机组， 而物料中的水分变化却很少，升温时间短。 当列车空调机组表面温度基本保持恒定时，其表面呈现完全的饱和润湿状态36。 列车空调机组的含湿量快速下降，这一阶段在整个过程中干燥速率最快。由于列车空 调机组的温度不变，水分蒸发速率为定值，因此，干燥速率为也维持恒定，故此阶段 叫做恒速干燥段。当列车空调机组内部水分不再蒸发出来，表面汽化的水分逐渐降低 以致于不能维持物料表面的润湿状态，这一阶段结束。 降速干燥段又可以分为两个阶段。从第二阶段结束，开始出现不能维持列车空调 机组表面饱和润湿的点，随着干燥的进行，物料中的湿含量越来越低，列车空调机组 表面不能维持饱和润湿的部分越来越多，直至列车空调机组表面全部都不能被水所饱 和润湿36。随着干燥的进行当干燥无限长时，列车空调机组的含湿量可达到与干燥介 质所对应的平衡状态湿含量 me x，实际生产中干燥结束时列车空调机组的含湿量只要 达到检测要求的含湿量即可。 2.3 热泵干燥系统的结构与流程 2.3.1开式、半开式和闭式热泵干燥系统 按照干燥介质与外界环境的连通程度热泵干燥系统可以分为开式、半开式和闭式30。 如图2-4，在开式热泵干燥系统中，环境中的新鲜空气全部作为干燥介质，在干 燥器中干燥物料后的气体全部排入环境37。开式热泵干燥系统结构简单、操作方便， 但缺点是干燥介质只能是空气，而且进入干燥室的冷空气较多，干燥室冷负荷较大， 另外，干燥废气可能会带走有挥发性的物料，不仅对干燥效果不好而且对环境还可能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 有污染。 图 2-4 开式热泵干燥示意图 在半开式的热泵干燥系统中，如图2-5，进入用于干燥列车空调机组的干燥室的 干燥介质一部分是新鲜空气，还有一部分是干燥器出口处排出的废气，这种系统方式 利用部分废气的能量使得干燥装置对干燥室内空气的温度、含湿量的控制更易于开式 热泵干燥装置，但缺点是：半开式的热泵干燥系统的循环通道和控制系统比较复杂， 进入干燥室的空气温度仍然在一定程度上要受到环境的影响。 图 2-5 半开式热泵干燥示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 在闭式热泵干燥系统中，装置运行中不需要从环境吸入新鲜空气，最终也不会向环 境排入废气，因此，就可以采用更适合物料的干燥介质，例如，可以采用惰性气体干燥。 基本形式的闭式热泵干燥系统如图2-6所示。 图 2-6 基本型闭式热泵干燥系统 2.3.2 直接式、间接式热泵干燥系统 热泵干燥系统中，热泵子系统与干燥子系统之间热量传递的方式可以通过干燥 介质循环通道进行耦合，叫做直接耦合，例如图2-6所示即为直接耦合的方式；也可 以通过载冷剂或者是载热剂的循环进行耦合，这种方式叫做间接耦合2。 对于间接式热泵干燥系统， 当热泵工质的蒸发温度高于0， 进入干燥器的干燥 介质温度不高（如低于80）时，可以用水作为载热剂和载冷剂；当进干燥器的干燥 介质温度要求较高（如80150）时，可用导热油等作为载热剂；当热泵工质的蒸发 温度低于0时，可用乙二醇水溶液、盐水溶液等作为载冷剂。 当假定干燥器进口处干燥介质的温度与湿含量相同时，直接式热泵干燥系统与 间接式热泵干燥系统相比，间接式热泵干燥系统中热泵工质的蒸发温度要低些，而冷 凝温度要高些，根据制热系数cop的计算公式可计算得其热泵的制热系数比直接耦 合式热泵干燥系统要低，但由于间接式热泵干燥装置在预热过程中不需要开动热泵， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 故在整个干燥过程中两种热泵干燥装置的总耗能接近。 2.4 热泵干燥装置的性能指标 热泵干燥装置的性能指标主要包括： 热泵的制热系数coph、 干燥器的热效率t、 干燥装置的能源利用效率e、热泵干燥装置的除湿能耗比smer。 （1）热泵的制热系数coph 热泵的制热系数定义为热泵制取的热泵与所消耗的驱动能量 （压缩机等驱动热泵 运动部件消耗的电能或燃料能）之比，一般用coph表示，写成公式形式为： c c h w q cop = (2-1) 式中: qc热泵的制热量，kw； wc热泵的耗功,kw 热泵的coph一般在1.4-8.0之间，即热泵消耗1j的燃料能或电能时通常可制取 1.4-8.0j的热能。 （2）干燥器的热效率t 干燥器热效率定义为干燥过程中物料内水分汽化所需的热量与提供给物料的总 热量之比，一般用t表示，写成公式形式为： t de t q q = (2-2) 式中：qde干燥物料中水分汽化所需的热量，kw； qt热源提供的热量，kw 常规干燥器的热效率大概数据为：热风式对流干燥器的热效率为30%-60%，当 采用部分废气循环时，约为50%-75%，导热式干燥器的热效率一般为70%-80%，辐 射式干燥器热效率一般为30% （3）干燥装置的能源利用效率e 干燥装置的能源效率定义为脱去水分所需的能量与提供给干燥装置的总能量之 比，可用e表示。对热力干燥装置，写成公式形式为： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 t de e e q = (2-3) 式中：e1提供给干燥装置的总能量，kw； 通常e1为热源提供的热量q1与风机、料液泵、进出料装置等辅助装置的功率消 耗wf之和。 (4)热泵干燥装置的除湿能耗比smer 热泵干燥装置的除湿能耗比定义为物料中的水分除去量与热泵干燥装置消耗的 能量之比。该指标是反映热泵干燥装置综合性能的主要指标，一般用smer表示，写 成公式形式为: tot de w w w m smer tot de = (2-4) 式中：smer除湿能耗比，kg/（kw.h） ； mde从物料中除去的水分的质量，kg； 干燥时间，h；wde为热泵干燥装置的水分蒸发速率，kg/h； wtot总耗能功率，kw。 热泵干燥装置的smer一般在1.0-4.0 kg/（kw.h）之间。常规干燥装置的理论 smer约为1.6 kg/（kw.h） ，实际的smer为理论值的20%-80%。当连续式对流干燥 器的热效率为50%时，其实际smer约为0.8 kg/（kw.h）38。 2.5 本章小结 本章主要介绍了热泵干燥系统的相关概况，概述了热泵干燥系统主要由热泵系统 和干燥系统构成，并概述了两个系统的工作原理，对系统循环的主要部件和干燥过程 中干燥介质的状态进行了分析介绍，另外，针对不同的干燥要求还介绍了不同形式的 干燥方式与其流程， 例如开式、 半开式和闭式干燥系统,并比较了三种不同干燥形式的 优缺点和适用性。针对本文所干燥对象是单元式列车空调机组，因此闭式、直接式热 泵干燥机组较更适于干燥，由于干燥温度不高、被干燥对象对干燥温度的要求不大， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 因此可直接选择空气作为干燥介质。对干燥装置的性能还给出了不同的评定标准，比 如cop是评价热泵制热性能好坏的一个指标，smer则是评价干燥装置除湿性能的 指标。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3 闭式、带回热结构的热泵干燥系统的结构分析 3.1 用于干燥列车空调机组的热泵干燥系统形式的确定 本干燥系统是针对清洗后的单元式列车空调机组进行干燥，整个机组是一个整 体，重700kg，电子元件较多，需要干燥的表面积较大，要求机组表面要无水滴附着， 尤其是局部金属的绝缘电阻在2500 之间，因此采用干燥室内空气强制对流方式 进行干燥是一种比较合适的方式。由于系统对干燥室温度有一定的要求，另外还要满 足一定的干燥时间要求，以保证后续使用的连续进行，因此设计本系统为采用热泵干 燥的系统，另外，为了达到更好的节能效果，采用具有回热装置的热泵干燥，将为空 气作为干燥介质，系统为闭式循环。系统由热泵与干燥两个单元组成，结构如图3-1 所示。在整个系统中有两个回路，即制冷剂循环回路与空气循环回路。 图 3-1 闭式带回热结构的热泵干燥系统原理图 来自干燥过程排放废气进入热泵蒸发器， 热泵工质吸收其热量后液态工质蒸发为 气态，然后气态工质经压缩机绝热压缩成为高温高压状态进入冷凝器，在冷凝器中高 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 温高压热泵工质液化冷凝放出冷凝潜热加热来自经蒸发器降温除湿后的冷干空气，把 冷干空气加热到要求的温度后引入干燥器内作干燥介质循环使用。 如图3-1所示， 将蒸发器前后的空气进行热交换( 即回热)， 使干燥室出口处的温 湿空气在进入蒸发器之前先与蒸发器出口处经过冷凝除湿后的冷干空气流过回热器 进行热交换， 使进入蒸发器的温湿空气温度下降,同时由于热量的交换， 使从热泵蒸发 器冷凝除湿后的冷干空气升温,从而实现空气的回热39。由于对循环空气进行了回热 处理,蒸发器在吸热量不变的情况下，降低了蒸发器的显热负荷,增加了吸收湿空气潜 热负荷，从而提高系统的除湿能力40。另外，循环空气经过回热后，使进入热泵冷凝 器的空气的温度提高,减小了冷凝温差，加速了物料的干燥。 热泵干燥系统中制冷剂的理想循环工作原理如图3-2所示。 图 3-2 热泵工质理想循环压焓图 制冷工质状态沿着12345 1 而变化。热泵工质从蒸发器出来在1点被吸 入压缩机等熵压缩至2点，热泵工质的压力从 1 p 上升到 2 p ，焓值从 1 h 增加到 2 h ，压缩 机的耗功则为 21 hh。然后热泵工质进入冷凝器中放热到达状态点3，在冷凝器中向 循环空气放出热量 23 hh。经膨胀阀节流后，可认为节流前后焓值不变但温度、压力 均降低，达到状态点4，然后再进入蒸发器。制冷剂在蒸发器中从外部吸收的热量为 15 hh。因此，向外界多放出的热量就为 21 hh，这多余的热量将干燥室的温度不断提 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 高，直至达到干燥温度要求。 3.2 系统设计参数确定 3.2.1 已知条件 本系统被干燥的对象为单元式列车空调机组。每个单元式列车空调机组尺寸约 为3.5m2m0.65m（长宽高） ，重700kg。要求最大除湿量要达到wde=10kg/h，热 泵除湿机回风温度为t1=48，回风相对湿度为50%；进入干燥器的热干燥空气的循 环风量为v=1500 m3/h。热泵干燥系统的工作原理如图3-1。 3.2.2 热泵部分计算 取热泵工质的冷凝温度tc比冷凝器出口处空气的温度高10，热泵工质的蒸发 温度te比蒸发器出口处空气的温度ta低10。 液体过冷度和气体过热度一般取为5。 （1）热泵蒸发器的确定 蒸发器进口处空气的参数等于干燥室出口处的空气经过会热气后的参数， 即： 蒸 发器进口处空气的干球温度 1aein tt= 令，蒸发器出口处的空气为饱和湿空气，则其露点温度为 aeout =tt露 则，热泵工质的蒸发温度 10 eaeout tt= 蒸发器传热量qe为（取冷凝水排除蒸发器的温度为twe）: wewdeaeoutaeiname tcwhhvq=)( （3-1） vam干燥空气的质量流量，kg/h haein空气进入蒸发器的焓，kj/kg.干 haeout空气出蒸发器的焓，kj/kg.干 蒸发器的平均传热温差tem41为: aeinaeout em aeine aeoute tt t tt ln tt = （3-2） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 aein t蒸发器进口处空气的干球温度， aeout t蒸发器出口处饱和湿空气的温度， 蒸发器可选用翅片管式换热器，设空气的迎风面风速为2.5m/s时，根据经验数 据，其传热系数可取为 kevap=30w/. m 2 蒸发器的传热面积（翅片面积与管外表面积）fevap为： evap f evap evapevap q kt = （3-3） （2）热泵冷凝器的确定 冷凝器进口处的空气参数等于蒸发器出口处的空气经过回热后的参数，冷凝器 出口处空气的参数等于干燥室进口处空气的参数。 热泵冷凝器的传热量qc为： )( acinacoutamc hhvq= （3-4） hacin冷凝器入口处空气的焓，kj/kg.干 hacout冷凝器出口处空气的焓，kj/kg.干 冷凝器的平均传热温差tcm为: acoutacin cm cacin cacout tt t tt ln tt = （3-5） taein冷凝器器进口处空气的温度， taeout蒸发器出口处空气的温度， 冷凝器也选用翅片管式换热器，设空气的迎风面风速为2.5m/s时，其传热系数 也可取为 kevap=30w/. m2 冷凝器的传热面积fcond为： f cond cond evapcond q kt = （3-6） （3）热泵回热器的确定 将进出蒸发器的空气进行回热处理，使干燥室出口处的温湿空气在进入蒸发器之 前先与蒸发器出口处经过冷凝除湿后的冷干空气流过回热器进行热交换，使进入蒸发 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 器的温湿空气温度下降,同时由于热量的交换， 使从热泵蒸发器冷凝除湿后的冷干空气 升温,从而实现空气的回热42。 加装回热器后，使得蒸发器入口处的温度下降，冷凝器入口处的温度上升，直接 导致了蒸发器及冷凝器的平均传热温差减小，即减小了蒸发器和冷凝器的热交换量， 使得这两器的传热面积减小，不仅提高了系统的除湿能力还减小了两器的制造费用。 经过计算得知：湿空气的进口温度：t1= t1=50 干空气的进口温度 t2=twe=36.47 空气经过板式换热器进行显热换热，假定换热器的换热效率 hx =0.9 112 () hx tttt = （3-7） 21 “ 22 () hx tttt=+ （3-8） 换热器传递的热量q为： )( 111 =ttmcq p （3-9） 回热器的对数平均温差tm为： maxmin max min m tt t t ln t = （3-10） 取传热系数为k=238 w.m2 换热器的表面积a为： m tk q a = （3-11） （5） 热泵压缩机的确定 考虑热泵工质良好的热力学特性、环境友好性和经济性，选取热泵工质为r22。 这是一种应用比较广泛的热泵工质，市场上与之配套的设备部件和材料齐全，制热温 度为中低温时是目前较适宜的工质，其购买价格较低。 设热泵工质在蒸发器出口处为饱和气， 在冷凝器出口为饱和液。 压缩机的等熵效 率为0.8。 则热泵理论循环在t-s图上的表示如下图所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 图 3-3 热泵工质理论循环温熵图 r134a的物性数据如下表： 表 3-1 r134a 各状态点参数 温度 t（） 饱和气的焓 h （kj/kg） 饱和气的熵 s kj/kg. 饱和液的焓h （kj/kg） 1 点 19.7 411.52 1.736 2 点 79.86 447.63 1.7567 3 点 65 427.84 4 点 65 295.6 4点 60 287.33 5 点 14.7 287.33 6 点 14.7 406.77 单位质量热泵工质在蒸发器中的吸热量为： 15evap qhh= （3-12） 热泵中热泵工质的质量流量mr为： e r evap q m q = （3-13） 压缩机的理论输气量vr为43： 1rr vm v= （3-14） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 理论循环等熵压缩时压缩机的耗电量为： 21 () cr wmhh = （3-15） 设实际压缩机的等熵效率=74.6%，则压缩机的实际耗电功率为： c c w w = （3-16） 因此，利用压缩机输气量和耗电功率数据即可选定压缩机。 （6） 节流阀的确定 节流装置的作用是将处于冷凝压力下的冷凝器或贮液器中饱和液体(或过冷液体) 节流降至蒸发压力和蒸发温度， 同时根据负荷的变化， 调节进入蒸发器制冷剂的流量。 若节流装置向蒸发器的供液量与蒸发器负荷相比过大， 部分液态制冷剂就会随