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热泵干燥系统的节能及循环改进研究 欧阳应秀 ( 浙江大学制冷及低温工程研究所，杭州) 摘要 ( 干燥是一种耗能较大的传统工艺过程，广泛应用于工农业等生产领域。加快 干燥除湿速度，缩短干燥时间和节约干燥能耗一直是干燥研究的重要课题。近年 来，全球温室效应、大气臭氧层破坏、环境污染等问题日益受到国际社会的关注。 使用清洁、卫生，对大气无污染和热效率高的工质成为亟待解决的问题。考虑到 干燥系统的运行方式和运行地点，也要求优先采用无毒、不燃、不爆、来源广泛 的介质作为干燥系统的工作介质。热泵干燥系统因其热效率高、节能，并且能较 、，一y 好地保持物料的品质而受到广泛重视。】本文就节约热泵干燥系统的能耗和减少干 燥过程对大气、环境污染及降低全球温室效应，使干燥活动对环境友好等方面开 展研究。主要研究内容如下： 1 本文在分析热泵干燥系统的结构形式和干燥过程传热传质特点的基础 上，提出了在干燥前期采用加装辅助冷却器的热泵干燥系统结构形式来加快干燥 进程，缩短干燥时间，节约热泵干燥系统的能耗，并与常规的加装辅助冷凝器的 热泵干燥进行对比实验研究。防果表明：与采用辅助冷凝器的热泵干燥系统相比， t 采用辅助冷却器的热泵干燥系统具有除湿快、缩短干燥时间、节约干燥能耗等优 点，可以取代辅助冷凝器。干燥温度为4 0 c 、4 5 、5 0 时，采用辅助冷却器 的热泵干燥系统比采用辅助冷凝器的热泵干燥系统干燥速度平均加快2 7 、 2 2 2 5 和4 1 。对于相同的干燥温度，加装辅助冷却器和加装辅助冷凝器的热 泵干燥过程的压缩机的输入功率相当：并且在整个干燥过程中，压缩机输入功率 、 ， 变化r e 4 。，。 2 探讨了相变材料储热用于热泵干燥系统的节能潜力。f 在干燥过程的中后 期，实验证实了相变材料储热用于热泵干燥系统具有明显的节能潜力。实验结果 +砖套蕾鬣譬； 艮整鏊甏 。矗霹馘蘸髦 ， l 浙江大学顾士学位论文 摘要 表明：干燥温度为4 5 时，干燥节能2 1 9 。相变材料储热与间断性开启压缩 机除湿相结合可以提前相变材料的放热时间，获得更大的节能效果；干燥温度为 5 0 * c 时，干燥节能4 2 1 ：压缩机间断性运转可以明显提高其工作寿命。? 。 ， 3为了减少大气污染和温室效应，使干燥活动对环境友好，本文探讨了空 气用作干燥系统的工作介质的优点，提出了一个采用空气为工作介质的单级压缩 空气闭式干燥循环；并对循环进行数值计算，讨论工况参数变化对循环性能的影 响。( 计算结果表明：压缩机等熵压缩效率循环除湿量影响很小，除湿能耗比变化 与压缩机等熵压缩效率变化几乎成正比：降低凝水器进口水温有利于提高循环的 除湿量和除湿能耗比；压缩机压缩过程压比变化对循环除湿能耗比变化影响较 大；循环除湿量和除湿能耗比随着干燥室出口低压侧温度升高而增大；随着压缩 机吸气压力的降低，循环的除湿量和除湿能耗比都增加，系统的性能提高。j 。 4 对除湿要求较为彻底的干燥物料，必须尽量降低干燥室进口空气的含湿 ， 量才能吸收含湿物料中的湿分。! 若采用单级压缩空气干燥循环，压缩机压比高、 耗功量较大干燥系统运行成本高。1 在单级压缩空气闭式干燥循环基础上，本文 提出了三级压缩空气干燥循环。循环的数值计算结果表明：随着压比的升高，循 环除湿量增大，但是循环的耗功量增大，除湿能耗比下降，这适合于一些要求对 干燥除湿较为彻底的场合。循环的性能随着凝水器进1 2 1 水温的增加而提高。干燥 室进口空气压力对循环的性能影响较大，循环系统在低压下运行更为有利；干燥 室出口空气温度越高，循环的除湿量和比除湿能耗比也越高。， 。 关键词：热泵干燥，节能，相变材料，压缩空气，干燥循环 i i i 1 j 塑坚查兰堡! ：兰些堡塞 垒! ! ! 坠! ! e n e r g ys a v i n g a n d h e a t p u m p c y c l ei m p r o v e m e n t o f d r y i n gs y s t e m o u y a n gy i n g x i u ( i n s t i t u t eo f 艇尹i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u ) a b s t r a c t d r y i n g ，o n e o ft h eo l d e s ta n dm o s te n e r g y - i n t e n s i v ei n d u s t r i a l p r o c e s s e s ，i s w i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r y ，a g r i c u l t u r ea n do t h e rp r o d u c t i o nf i e l d sc u r r e n t l y h o w t o s p e e du pm o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e ，s h o r t e nd r y i n gt i m er e q u i r e da n ds a v ee n e r g y d u r i n gd r y i n gp r o c e s s ，i sb e i n gh o ti s s u e so fb o t h r e s e a r c h e r sa n d e n g i n e e r s r e c e n t l y ， w i t ht h ew h o l ew o r l d sp a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n st oi s s u e ss u c ha st h eg l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l s ，t h ed e p l e t i o no fo z o n o s p h e r e a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，p e o p l e a r o u n da r ea p p e a l i n gt ou s ec l e a n ，s a f et ot h ee n v i r o n m e n ta n do f r e l a t i v e l yh i g h e r t h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c ys u b s t a n c e ，a sw o r k i n gf l u i di nd r y i n gs y s t e m c o n s i d e r i n g i t s o p e r a t i n gm o d ea n dp l a c e ，i t i s r e q u i r e dt h a td r y i n gs y s t e me m p l o y sn o n t o x i c ， n o n f l a m a b l ea n d e a s i l y a v a i l a b l em a t e r i a l sa s w o r k i n g f l u i d s d u et oi t s h i g h t h e r m o d y n a m i ce f f i c i e n c y ，e n e r g y s a v i n ga n do t h e rf e a t u r e s ，h e a tp u m ps y s t e mf i n d s m a n ya p p l i c a t i o n si nd r y i n gp r o c e s s e s t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t hs o m et o p i c s r e l a t i v et o s a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n g e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n a n dg l o b a l w a r m i n g p o t e n t i a l sd u r i n g d r y i n gp r o c e s s ，m a k i n gd r y i n g b e h a v i o r f r i e n d l y t o w a r d e n v i r o n m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fh e a tp u m pd r y i n gs y s t e ma n dm o i s t u r ee x t r a c t i o n p r o c e s s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sah e a tp u m pd r y i n gs y s t e me m p l o y i n g a na u x i l i a r yc o o l e r o t h e rt h a na n a u x i l i a r y c o n d e n s e ri no r d e rt oa c c e l e r a t e d r y i n gp r o c e s s ，t h u s s h o r t e n i n gd r y i n gt i m er e q u i r e da n ds a v ee n e r g yd u r i n gd r y i n gp r o c e s s e x p e r i m e n t a l 浙江大学倾l 学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c hw a sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ep r o p o s a l i ti ss h o w e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h a tb yc o m p a r i s o n s ，t h em o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e ( m e r ) o ft h ef o r m e ri sr e l a t i v e l y h i g h e rt h a nt h a to f t h el a t e r ，a n dt h a tt h ea u x i l i a r yc o n d e n s e ri nt h eh e a tp u m p d r y i n g s y s t e mc a nb er e p l a c e db yt h ea u x i l i a r yc o o l e r i nt h ec a s eo fd r y i n gt e m p e r a t u r e so f 4 0 。c ，4 5 a n d5 0 。c ，t h ea v e r a g em o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e a c c e l e r a t e da r e2 7 ， 2 2 5 a n d4 1 ，r e s p e c t i v e l y u n d e rt h es a l n ec o n d i t i o no fd r y i n gt e m p e r a t u r e ， p o w e rr e q u i r e db y t h ec o m p r e s s o ri sa l m o s tt h es a m ea n dr e m a i n s n e a r l yu n c h a n g e d 2 t h ee n e r g y s a v i n g p o t e n t i a lo fp h a s ec h a n g em a t e r i a l su s e di n h e a t p u m p d r y i n gs y s t e mi sd i s c u s s e di n t h i s p a p e r i t i sd e m o n s t r a t e dt h a t e m p l o y i n gp h a s e c h a n g em a t e r i a l si nh e a tp u m pd r y i n gs y s t e mc a ns a v eag r e a td e a lo fe l e c t r i ce n e r g y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tw h e n d r y i n gt e m p e r a t u r ei s4 5 ，e l e c t r i cp o w e rs a v e d i sa sm u c ha s21 9 t h eh e a td i s c h a r g eo fp h a s e c h a n g e m a t e r i a l s c o m b i n i n g d i s c o n t i n u o u s o p e r a t i o no ft h ec o m p r e s s o rm a ym a k ei tp o s s i b l e t h a tt h eh e a t d i s c h a r g eo fp h a s ec h a n g em a t e r i a l sc a nb ei m p l e m e n t e de a r l i e r ，l e a d i n gt os a v i n g e n e r g yf u r t h e r i ti sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l tt h a tw h e nd r y i n gt e m p e r a t u r e i s5 0 c e l e c t r i ce n e r g ys a v e di sa sm u c ha s4 2 1 3 i no r d e rt or e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dg l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l s d u r i n gd r y i n gp r o c e s s ，m a k i n gd r y i n gb e h a v i o rf r i e n d l yt oe n v i r o n m e n t ，as i n g l es t a g e d r y i n gc y c l eu s i n ga i ra sw o r k i n gf l u i db ya n a l y z i n gt h ea d v a n t a g eo fe m p l o y i n ga i r a s w o r k i n gf l u i d i n d r y i n gs y s t e mi sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h e c o m p r e s s i o n r a t i oa f f e c t ss m e rg r e a t l y ，b u tt h e i s e n t r o p i ce f f i c i e n c y o ft h e c o m p r e s s o ra f f e c t s t h em e rl i t t l e ，a n dt h a tt h e s p e c i f i c m o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e ( s m e r ) c h a n g e s w i t hi tl i n e a r l y b o t ht h ed e c r e a s eo fi n l e tw a t e r t e m p e r a t u r eo f t h e w a t e r c o o l i n gc o n d e n s e ra n dt h ei n c r e a s eo f t h eo u t l e ta i rt e m p e r a t u r eo ft h ed r y i n g c h a m b e ra sw e l la st h ei n c r e a s eo ft h ei n l e ta i rp r e s s u r eo ft h ec o m p r e s s o rb e n i f i tt o e n h a n c em e ra n ds m e r 4 a sf o rs o m es i t u a t i o n r e q u i r i n gm o i s t u r ee x t r a c t i o nf r o md r y i n gm a t e r i a l s m o r e t h o r o u g h l y ，i ti sn e c e s s a r yt od e c r e a s e t h ei n l e ta i rp r e s s u r ea n d h u m i d i t yo f t h e d r y i n g c h a m b e r f u r t h e r ，r e s u l t i n gh i g h e rc o m p r e s s i o n r a t i oo ft h e c o m p r e s s o r h o w e v e r ，t h ec o m p r e s s o rw i l lc o n s u m em o r ep o w e ri ft h es i n g l es t a g ec o m p r e s s i o n i v 塑兰查堂堡主堂堡堡苎 一一兰旦翌塑 a i rd r y i n gc y c l em e n t i o n e da b o v ei se m p l o y e d i nt h a tc a s e b a s i n go nt h es t u d yo f t h e s i n g l e s t a g ec o m p r e s s i o n a i r d r y i n g c y c l e t h i sp a p e rp r o p o s e s a t h r e 。s t 8 9 e c o m p r e s s i o na i rd r y i n gc y c l e n u m e r i c a lr e s u l t s s h o wt h a ta st h ec o m p r e s s i o nr a t i o i n c r e a s e s ，m e ri n c r e a s e s ，w h i l ep o w e rr e q u i r e df o rc o m p r e s s i o n i n c r e a s e sr e s u l t i n g t h ed e c r e m e n to fs m e r ，m e a n i n gt h a t t h e d r y i n gc y c l e i ss u i t a b l ef o r s p e c i a l c o n d i t i o n s r e q u i r i n gt h o r o u g h m o i s t u r e e x t r a c t i o nf r o m d r y i n g m a t e r i a l s t h e p e r f o r m a n c eo ft h ec y c l e i se n h a n c e da sb o t ht h ei n l e tw a t e rt e m p e r a t u r eo ft h e w a t e r c o o l i n g c o n d e n s e rd e c r e a s e sa n dt h eo u t l e t a i r t e m p e r a t u r e o ft h e d r y i n g c h a m b e ri n c r e a s e s m o r e o v e r ，b e c a u s et h ei n l e ta i rp r e s s u r eo ft h ed r y i n gc h a m b e r a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eg r e a t l y ，o p e r a t i n gt h ed r y i n gc y c l es y s t e ma tl o w a i rp r e s s u r e i sh i g h l ys u g g e s t e d k e yw o r d s ：h e a tp u m pd r y i n g ，e n e r g y s a v i n g ，p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，d r y i n g c y c l e v 浙江大学硕士学位论文 符弓表 符号表 c o p性能因子 d 空气含湿量吨k + a 或湿 空气含湿量函数关系式 d w 除湿量k g k 驴a h 空气焓k j k g + a 或湿空气 比焓函数关系式 k空气比热比 m e r 除湿率k g h p压力p a p 。空气总压力p a p 。空气中水蒸汽分压力p a q凝水器换热量k j 蚝+ a s m e r 除湿能耗比船k w + h t温度 t d空气干球温度或湿空气 干球温度函数关系式 t 。空气湿球温度或湿空气 湿球温度函数关系式 t 。凝水器进口水温度 出 凝水器出口空气与冷却介质 进口换热温差 w 压缩机耗功量k w k 矿a 希腊字母 t 时间m i n 口空气相对湿度 可，压缩机等熵压缩效率 j l 压缩机压比 角标 1 9 空气状态点，压缩机耗功 a空气 s绝热压缩过程 v水蒸汽 w水 浙江大学硕上学位论文 第一章 第一章绪论 本章首先介绍了干燥研究的意义、干燥方法和干燥原理，然后综述了干燥技 术的国内外研究进展，最后介绍了本文的主要研究内容。 1 1 干燥研究的意义和方法 1 1 1 干燥研究的意义 干燥通常用以描述将水从物料中除去的过程。干燥是种古老的工业过程， 广泛用于工农业生产领域，如农业、制革、林业、化工、食品、造纸、矿业、纺 织和建筑等生产过程【l u 。农产品的季节性强很，要长久地保存，需要去除其中 过多的水分，使其含水量达到定程度，这样既有利于保存，又能尽可能地保持 其营养成分并能抑制细菌的生长与繁殖。在林业方面，新鲜、潮湿的木材，由于 其含水量大，不能立即使用，且易变形，采用自然风干或太阳晒干，不仅时间长、 效率低，而且在工业上不可行，必须采用人工干燥方法加快干燥除湿过程。在工 业生产中，有些工艺过程对原材料的含湿量要求很严格，过多的含湿量会影响产 品的质量，甚至影响生产过程的进行。干燥耗能巨大，在美国制造行业需要的总 能量中，1 2 用于干燥口l 。如果能够提高干燥过程中的能量利用效率，则每年 节约的能量将是很可观的。总之，干燥与工农业生产与国民生活的联系越来越紧 密，在农业、工业生产中的作用也越来越明显，对干燥的研究也越来越引起人们 的注意。以前，由于人们普遍认为干燥过程是一个耗费能量的过程，所以过多地 考虑干燥的质量而忽视了节省干燥过程的能量。现在，干燥研究的方向是既要提 高干燥产量和质量，又要降低干燥过程消耗的能量，同时还要保证对环境友好和 安全。干燥的新方法、新过程和新产品是研究人员积极探索的方向。 浙江人学顾：l 学位论文 第一幸 1 1 2 干燥方法 工业上去湿的方法很多，大致可分为如下两类：1 、机械去湿法( 通过压榨、 离心分离、过滤来实现，或在湿物料直接同具有低迁移势的物质相接触时实现 接触传质) 。2 、热去湿法( 热干燥法) ，其除湿过程与相变和传热有关。在大多 数情况下，这些热量是从外部供给物料的，已有的干燥方法有传导、对流、和 辐射【】i 。 大多数加热器为对流加热，这是由于蒸发和带走湿份的热空气的温度和湿 度容易控制的缘故。因为物料温度不会超过干燥室进口空气温度，所以被干燥 的物料可以避免过热。当然，传统对流干燥器由于出口气体大量显热损耗，以 致其热效率不高，仅为3 5 左右【4 】。 假如被干燥的物料很薄或很湿时，则可采用传导加热。因为蒸发水分的热 量是从热表面经过物料的，所以热经济性好，但干燥温度比对流干燥高，不容 易控制温度。干燥能量也可以由电磁辐射源供给。适宜的辐射器包括低温用的 液体加热的金属嵌板和高温石英, 女3 - f ”。 热干燥法中按除湿方法与循环不同又可以分为：传统电加热干燥法、热泵 干燥法和冷冻干燥法。传统电加热干燥法是开式电加热干燥系统，空气经电加 热器加热后，加热干燥室中的物料并吸取其中的湿份，然后排入大气中。热泵 干燥法是利用制冷循环，从环境中吸取热量来加热空气、除湿。加热用的热量 多于系统外部输入的能量，故而热泵干燥系统的性能因子c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ) 大于1 ，热效率比较高。冷冻干燥是发生在低温下且被干燥物料 处于无氧环境，将水分通过由固态直接升华为气态而分离的过程。由于冷冻干 燥是在低温下进行，故能很好地保持物料的品质、形状和颜色【5 | 。 在于燥除湿费用方面，由于热干燥法在干燥过程中发生相变，耗能大，故 热干燥法比机械除湿法费用高，但是，热干燥法除湿较为彻底，可除去物料表 面以致内部的大部分湿份且干燥过程容易控制。热干燥法中，传统电加热干燥 法初投资少，但热效率低，长期运行费用和成本高，不经济。热泵干燥系统初 投资费用较传统电加热干燥系统高，但其热效率高，故长期运行费用低，在很 短时期内便能收回全部投资，具有很好的发展、推广和应用前景。冷冻干燥系 浙江大学硕士学位论文 第一章 统虽然干燥质量好，但系统设备造价高，运行费用高，干燥周期长，能耗大 致使其产品加工成本高，从而限制了冷冻干燥的进一步推广。 1 2 干燥原理 干燥过程中同时发生着热量、动量和质量传递，并且三者是高度非线性耦 合的，其数学描述干燥过程是十分困难和缺乏的。干燥是最复杂的技术之一， 它综合了科学、技术、工艺等多方面的知识。 1 2 1 干燥物料和空气的重要参数 描述干燥物料和空气的重要参数主要有： ( 1 ) 物料的湿量、温度； ( 2 ) 物料的有效湿扩散率； ( 3 ) 物料的有效导热系数： ( 4 ) 空气的状态参数； ( 5 ) 空气和含湿物料之间的传热、传质系数： ( 6 ) 物料的平衡含湿量： ( 7 ) 物料的临界含水量：临界含水量是干燥过程的一个重要的指标。临界 含水量受物料的性质，干燥器的种类和干燥操作条件三方面的影响。当物料的 含水量降至临界含水量以后，干燥过程由恒速干燥阶段进入降速干燥阶段，干 燥速度将大大降低。临界含水量越大，干燥过程转入降速干燥阶段越早，对于 相同的干燥要求，所需的干燥时间越长。另外，由于恒速干燥阶段和降速干燥 阶段的干燥机理及影响因素各不相同，过程的控制因素不同，强化措施就不一 样，因此，准确地确定临界含水量无论对设计计算，还是对确定强化措施都是 十分重要的。 1 2 2 干燥过程的主要参数 描述干燥过程的重要参数主要有： ( 1 ) 干燥时间：它指的是达到一定含湿状态所需的时间。干燥时间受物料 浙江人学硕士学位论文 第一章 的性质、结构、形状、干燥介质的温度和湿度、干燥操作条件、干燥系统的结 构形式等因素影响。 ( 2 ) 干燥速度：干燥速度反映了物料除湿速度的快慢。衡量干燥速度的指 标有物料质量百分比和干燥系统除湿率m e r ( m o i s t u r e e x t r a c t i o nr a t e ，k g ，h ) 。 ( 3 ) 除湿能耗比s m e r ( s p e c i f i cm o i s t u r e e x t r a c t i o n r a t e ，k g & j ) 。s m e r 是总除湿量与外部输入系统总能量的比值。它反映了干燥系统能量利用效率的 高低。 ( 4 ) 干燥系统的c o p ：它指的是用于干燥的热量与外部输入系统的能量的 比值。它反映了干燥系统的效率和不同种、同种能量之间转换程度。传统电加 热干燥系统的c o p 不大于1 ，热泵干燥系统的c o p 可以大于1 。 1 2 3 干燥过程 根据物料干燥过程进行的特点，可将干燥过程分为三个不同的阶段：预热 ( 或调整) 阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。其中降速干燥阶段又有第一 降速阶段和第二降速阶段之分。各个干燥阶段的干燥特点和干燥速度各不相同睁 7 1 。 ( 1 ) 预热阶段 干燥过程一般是在一定的温度下进行的。从系统开机到干燥室温度达到预 设值，这段时间是预热阶段，这一阶段主要是系统的温升过程。 ( 2 ) 恒速干燥阶段 干燥初期，通常水饱和度较高，水分主要以自由水的形式存在。这时物料 内部水分将处于连续状态( 细线态) ，内部水分向表面迁移。水分供给量与表面 水分蒸发量处于平衡状态，表面蒸发稳定、持续进行，物料温度逐渐升高，干 燥速度恒定，物料处于恒速干燥阶段。此阶段汽化的水为物料中的自由水，与 自由液面水的汽化相似，故干燥速度只取决于外部干燥条件，例如，干燥空气 的温度、湿度和流速，而与物料内部水分的存在形式和传输、流动方式无关。 在恒速干燥阶段，空气与物料表面间的传热和传质机理相似。在恒定干燥 条件下，若忽略辐射传热和重力的影响，物料表面的温度等于干燥空气的湿球 温度。物料表面的水蒸气分压力等于与同温度下水的饱和蒸汽压，物料表面处 4 浙江人学硕士学位论文 第一帝 干燥空气的湿含量为湿球温度下的饱和含湿量。 ( 3 ) 降速阶段 随着干燥过程的进行，物料表面的水分不断蒸发。当自由水量小于某- j l 自 界值( 对于二维多孔介质，临界值约为饱和自由水量的5 0 ；对于三维多孔介 质，其值约为3 0 r 7 1 ) 时，物料表面湿区随着表面湿量的不断下降而不断减少， 蒸发过程开始向物料内部不断深入。这时物料表面水层将不再保持其连续性， 连续的液膜层将变成一块块不连续的湿区，物料表面出现干区，表面的传热、 蒸发减弱，传质系数降低，干燥速度下降，物料干燥进入降速阶段。 降速阶段开始时，物料表面和内部的温度基本维持恒定，表面水分蒸发依 然存在，干燥处于第一降速阶段。在第一降速阶段，物料的温度会稍微上升。 此时，物料表面会形成新的传热、传质平衡。表面的传热和传质系数将是表面 水含量的函数。水蒸汽压力由克劳修斯克拉珀珑方程确定。 而进一步的干燥，干斑面积不断扩大。当物料表面湿量达最大吸附值时， 物料表面没有自由水存在。此时，水分的迁移将以边界水的形式进行，物料表 面温度升高很快。边界水对于吸附性多孔材料来说，是指吸附在细胞膜或多孔 薄膜中的水分：对于非吸附性多孔材料来说，边界水的迁移是由非常细的毛细 孔处的流动引起的，边界水的迁移具有毛细流的特征。在第二降速阶段，物料 中常会出现后退的蒸发前沿，它将物料分为两部分：在蒸发前沿内是湿的，如， 物料孔隙含有自由水，湿传递机制主要是毛细流；在蒸发前沿外没有自由水存 在，所有水分以吸附或边界水存在，湿传递机制主要是边界水移动或汽化传递。 水蒸汽流过吸附区向物料表面流动时，汽化在蒸发前沿和整个吸附区同时进行。 多孔介质暴露在干燥介质中，在物料内部有三种湿度传递机理，即自由水的 毛细管流动、边界水的传递和蒸发转化。关于物料内部水分的移动机理，目前 已提出了各种不同的理论，主要有液体扩散理论和毛细管理论等。这些理论各 能说明一定类型物料的干燥规律，有的还提出了相应的传递速率关系式，但由 于物料性质和结构很复杂，各种理论都有很大的局限性，难于建立传递速率关 系式和干燥速率的统一关系。因此，一般都要通过实验确定降速阶段干燥速率 和达到一定干燥程度所需要的干燥时间。 浙江大学硕：b 学位论文 第一章 1 3 热泵干燥原理 热泵进行制冷循环。它是利用水、空气、余热或工业废热等低温热源的一 种清洁、节能装置。热泵可以从自然环境或余热热源吸收热量，从而获得比输 入能量更多的输出热能，因此它可以节省采暖空调、供热和工业加热所需的初 级能源。许多国家以推广热泵作为减少二氧化碳排放的一种手段，现在全世界 热泵总数达5 ，5 0 0 万套，但其大多数用于房屋的采暖和空调，只有7 0 0 0 套左右 用于工业加热，在日本1 3 8 总能耗用于房屋的采暖、空调和供热水( 美国2 6 3 ) ，3 2 的总能耗用于工业加热( 美国2 4 ) 8 1 。 如前所述，干燥是一个耗能很大的工艺过程，传统的开式电加热干燥法， 把从干燥室出来的湿度大、温度相对高的空气直接排入大气，浪费了其中大量 的显热和潜热。这是传统电加热干燥的主要缺陷，并且开式循环系统的性能依 赖于环境空气状况，随空气温、湿度的变化而变化。热泵干燥系统则通过蒸发 器把干燥室出口的空气中的热量回收回来，并可阻在稳定工况下运行。传统高 温的干燥器不适合干燥热敏感的生物制品，并且干燥热敏感生物制品的传统干 燥器本身存在着不足，许多干燥器运行在一个有限的干燥环境条件下，并且只 能应用于特定的物料，而热泵干燥系统则能适应于广泛的干燥条件，能控制其 温度，并且干燥温度在2 0 一1 4 0 c 范围内可调，能满足热敏感生物制品对干燥 条件的要求。 热泵干燥系统有如下特点：( 1 ) 能量利用率高，运行成本低。( 2 ) 因是低 温干燥，因此对香味和质量无影响。( 3 ) 不使用重油和加热器等，可有效地防 止火灾，运行安全。( 4 ) 可不受外界环境的影响，一年四季均能以同一条件稳 定运行。( 5 ) 因是低温干燥，因此不会产生氧化，化学分解等引起的恶臭气味。 ( 6 ) 因是在密闭的干燥室内循环地进行干燥，所以无噪音，无振动，无臭气泄 露，不需要防公害措施和设置烟囱。( 7 ) 因以电能作能源，所以非常清洁，不 需要准备燃料，并且运行管理也很方便，可以实现全天小时无人运行。( 8 ) 因 是低温干燥，器材损耗少，使用年限长【9 】。 热泵干燥系统主要由热泵系统( 压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀) 和干 燥室组成。在干燥箱内主要进行的是对流干燥，热能以对流方式由温度高、含 浙江大学硕士学位论文 第一章 湿量低的干燥介质空气传给物料，使物料表面上的水分汽化。物料内部的水份 以气态和液态形式扩散至物料表面，再扩散到空气中。热泵干燥系统运行时按 新风补给与否，可以分为开式、半封闭式和全封闭式热泵干燥系统。 图1l 是全封闭式热泵干燥系统空气侧在焓湿图上表示的循环过程图。如图 1 、1 所示，经冷凝器加热后的高温、低湿空气在风机的驱动下进入干燥室( 图中 2 点) ，等焓吸取物料中的水分，温度降低，相对湿度增加( 图中2 - 3 过程) 。温 度低、相对湿度高的干燥室出口空气进入蒸发器( 图中3 点) ，在蒸发器中除去 其大部分湿量并降低其温度。湿空气在蒸发器中的降温、除湿过程如图中3 - 1 过程。经蒸发器降温、除湿后的低温、低湿空气进入冷凝器，吸收高温、高压 制冷剂在冷凝器中冷凝放出的冷凝热后，温度升高，相对湿度降低( 图中1 2 过程) 。 h ：! ；i 豢? “2 、。4 “ 图1 1 热泵干燥系统空气侧循环图 图12 是热泵干燥系统制冷剂侧在压焓图上表示的循环图。如图12 所示， 过热的低压制冷剂蒸气( 图中1 点) 在压缩机中被压缩至高温、高压状态( 图 中2 点) 。压缩机出口排出的高温、高压制冷剂气体在冷凝器中被从蒸发器出来 的低温、低湿空气冷凝成液体并部分过冷( 图中3 点) 。高温、高压的制冷剂液 体经过节流阀节流后变成低温、低压液体进入蒸发器( 图中4 点) 。低温、低压 制冷剂在蒸发器中蒸发、气化，吸收从干燥室出口进入蒸发器中的温度低、相 对湿度高的空气中的潜热和显热后进入压缩机吸气口( 图中4 1 过程) 。 图l3 为热泵干燥系统示意图。很明显，热泵干燥系统的除湿能力取决于蒸 7 断江大学硕士学位论文第一章 发器的除湿能力和冷凝器的温升能力。理论上，要提高热泵干燥系统的除湿能 力必须降低蒸发温度和提高冷凝温度，但这样又受到制冷剂种类和压缩机工作 能力的制约。另外，如果冷凝器与蒸发器之间的温差过大，系统内部的不可逆 性增大，从而会导致系统的热力学第二定律效率降低。因此，实际进行热泵干 燥系统设计、运行时必须综合考虑热泵干燥系统的除湿能力要求和系统的热力 学第一、第二定律效率的要求。 k 0 g p 一对数压力h 一：焙( k i k g ) h 图l2 热泵干燥系统制冷剂侧循环图 0 温度量测点 湿度测量点 口风速测量点 a c d - 辅助冷凝器 e 卜辅助蒸发器c 耻冷凝器c f 一离0 风机。叶压缩机 睁冷凝器e 卜电加热器i ：v - 蒸y a 器l ( ，k b ，k c 一调节风门t a 一节流装置qb c 一挡皈 图13 热泵干燥系统示意图 浙江人学硕j 学位论文 第一章 1 4 国内外研究进展 干燥是一个涉及非常复杂的传热、传质过程。国内外研究者对干燥技术进 行了广泛的研究，取得了丰富的研究成果 1 0 - 2 9 i 。 1 4 1 干燥技术研究进展 m i k h a i l o v 等( 1 9 7 5 ) 1 0 l 认为含湿量梯度对湿量移动影响不可忽略，并在 此基础上对l u i k o v 提出的多孔介质干燥模型方程组，得到了分析解。k i r a n o d i s 等( 1 9 9 5 ) n l 使用建模技术研究了包含物料温度、湿度的干燥实验数据，通过 引入使用多反应贝叶斯参数估计方法将模型对实验数据拟合而产生的相应余 量，对传质过程进行分析。他们认为：传质在干燥初期受外部对流控制，而在 干燥后期则受水扩散的控制：干燥后期由于将边界水转化为自由水，干燥速度 下降很大；对于以有的实验数据，外部对流传热是唯一主要的传热机制。 在干燥过程中，传热、传质是相互影响耦合的。l u i k o v ( 1 9 6 6 ，1 9 7 3 ) 、 p h i l p a n d 、d e v r i e s ( 1 9 5 7 ) 提出多孔介质耦合传热、传质模型。他们认为，温 度梯度也是传质的驱动力。z h o u 等( 1 9 9 4 ) 12 1 设计了两套实验装置来测量温、 湿梯度在干燥过程中传热、传质的耦合系数。他们的实验结果表明：物料的密 度大时，温度梯度对总湿量迁移的影响可以忽略，而当物料的密度小时，温度 梯度对湿量迁移影响很大。 干燥物料的热物理参数对描述干燥过程的方程有重要影响。b e c k 和a 1 a r a j i 假定导热系数为常数或是温度的线性函数，运用简单暂态分析方法估计物料的 比热、热扩散系数和接触系数。f u k a i 等( 1 9 7 4 ) 采用非线性最d - - 乘法来估计 物料的导热系数和比热。f l a c k ，6 z i s i k ( 1 9 8 9 ) 和h u a n g ，6 z i s i k ( 1 9 9 1 ) 分 别采用最小二乘法和直接积分法来估计导热系数和热容的空问变化。t e r v o a l ( 1 9 8 9 ) 运用有限差分法来确定温度依赖的导热系数。w a n g 和b r e n n a m ( 1 9 9 1 ) m 研究了在四个不同温度下，土豆的等温吸附特征。他们认为，吸附热随着湿 量的增加而连续下降。w a n g 和b r e n n a m ( 1 9 9 2 ) 【“j 研究了土豆的导热系数。 结果表明，土豆的导热系数是含湿量的函数，并随着含湿量的下降而下降，温 度对土豆的导热系数影响很小。w a n g 和b r e n n a m ( 1 9 9 3 ) ( 15 1 采用微分扫描量 9 浙江大学硕士学位论文 弟一章 热法( d s c ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ) 提出一个模型研究土豆含湿量 和温度对土豆比热的影响。结果表明：在含湿量范围0 - 41 3g 儋于基内，土豆 比热呈二次抛物线型增加；在温度范围4 0 7 0 。c 内，土豆比热呈线性递增。c h e n ( 1 9 9 8 ) 1 6 1 运用混合数值拉普拉斯变换技术和控制容积方法，从实验记录下来 的物料内部温度来反推估计物料的导热系数和比热。虽然结果只在两个选取点 很好，但这种方法的优点是，即使最初的温度数据不能获得，但也可以确定不 同边界条件下温度与物料热物性的关系。 常见的干燥系统循环有开式、半开式和封闭式的电加热式、热泵式循环或 冷冻干燥等。s h e l t o n 等( 1 9 9 9 ) 【3 】提出了一个新型的封闭式干燥循环。