（化工过程机械专业论文）水循环式热泵干燥装置的理论与实验研究.pdf

本人 研究成果 体己经发 文中以明 作者 日期 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天 津科技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：尹圆啵b 日期：文0 0 8 年3 月1 啦日 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，同意学校保 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。本人授权天津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i ( 请在方框内打“”) ，在年解密后适用本授权 书。 本学位论文属于， 不保密e l ( 请在方框内打“”) 。 作者签名： 尹治呔 日期：文口豸年月z 够日 导师签名： 1 岛鸹 日翌：加。驴年3 月砷日 摘要 热泵干燥装置具有节约能源、环境友好、可低温干燥等特点，近年得到了较快的 发展。本文围绕一种间接式热泵干燥装置一水循环式热泵干燥装置，进行了较系统的 理论与实验研究。水循环式热泵干燥装置的热泵部分和干燥部分通过水路循环相耦 合。与热泵部分与干燥部分直接耦合的方式相比，水循环式热泵干燥装置具有不向环 境排放热量、机组调控性好、与干燥过程的匹配性好等优势，是一种较适宜于中小型 热泵干燥装置的结构型式。 本论文在确定水循环式热泵干燥装置的关键状态参数基础上，建立基于除湿能耗 比s m e r 为评价指标的系统静态数学模型，并以此模型对水循环式热泵干燥装置进行 变工况的系统能量分析及参数调控特性分析。通过冷热水温度变化特性及干燥物料特 征温度的动态变化，实现对水循环式热泵干燥装置的动态特性研究。论文还对物料加 热方式为导热与对流联合加热式的物料干燥过程进行了数学描述，划分了此加热方式 下干燥过程的不同阶段。并在选取装置各子系统的控制变量与被控变量的基础上，确 定了各关键参数的调控方案及系统的整体调控方法。以上述分析与研究为指导，建立 了水循环式热泵干燥装置的实验样机，并对系统开机时的升温特性及导热加热时物料 的升温与干燥特性进行了实验研究。 研究表明：增加干燥器出口处空气的温度及相对湿度均有助于提高水循环式热泵 干燥装置的除湿能耗比s m e r ；系统冷热水的温度变化特性除了与冷热水容量有关外， 还与冷热水容量匹配情况密切相关；调节干燥介质的流速较之调节热水的流速更有利 于实现对加热器换热量的调节。实验表明，热水温度由2 7 5 升高至5 1 5 时，热泵 的制热性能系数c o p h 下降约4 8 ；物料厚度为2 0 m m 时，导热加热时物料的干燥时间 较对流加热时所用时间缩短近4 5 ，对流加热式的干燥时间对物料厚度的增加较敏感。 关键词：水循环；热泵干燥；静态特性；动态特性；调控特性；s m e r a b s t r a c t h e a tp u m pd r y i n gt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e s ey e a r sw i t hi t sa d v a n t a g e s o fe n e r g ys a v i n g , e n v i r o n m e n tf r i e n d l y , d r y i n gi nl o wt e m p e r a t u r e ，e t c i nt h i sp a p e r , a n i n d i r e c th e a tp u m pd r y e rn a m e dw a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e rw a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d u s i n gb o t l lt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s h e a tp u m pa n dd r y e rw e r ec o n n e c t e d t h r o u g hw a t e rc y c l ei naw a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e r c o m p a r e dt ot h ed i r e c th e a tp u m p d r y e r , t h ew a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e rd i d n td i s c h a r g eh e a ti n t oe n v i r o n m e n t , w a se a s i l y c o n t r o l l e d ，a n dm a t c h e dw e l lw i t hd r y i n gp r o c e s s ，s oi t ss u i t a b l ef o rt h em o d e r a t eo rs m a l l h e a tp u m pd r y e r s a f t e rs e l e c t i n gk e yv a r i a b l e so fw a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e r s ，as t a t i cm a t h e m a t i c m o d e lb a s e do ns m e rw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，e n e r g ya n dv a r i a b l e c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r sw e r ea n a l y z e du n d e rp a r tl o a do p e r a t i n gc o n d i t i o n d y n a m i ca n a l y s i s o ft h ew a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e rw a sr e a l i z e dt h r o u g ha n a l y s i so ft e m p e r a t u r e sc h a n g e o fw a t e ra n dd r y i n gm a t e r i a l s t h ed e t a i l e dm a t h e m a t i cd e s c r i p t i o no ft h ed r y i n gp r o c e s s e s w a sa l s og i v e nw h e nm a t e r i a lw a sh e a t e di nb o t hc o n d u c t i o na n dc o n v e c t i o nw a y s i n a d d i t i o n , t h ev a r i a b l e so fe a c hs u b s y s t e mw e r es o r t e di n t oc o n t r o l l i n gv a r i a b l e sa n d c o n t r o l l e dv a r i a b l e s ，a n dc o n t r o l l i n gm e t h o d so fs y s t e mw e r eg i v e n b a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s ，a ne x p e r i m e n t a lw a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e rw a ss e tu p ，t e m p e r a t u r ec h a n g eo f w a t e ra n dm a t e r i a l sd u r i n gb o o t - s t r a p ，a n dd r y i n gc h a r a c t e r i s t i c 诵廿1d i f f e r e n th e a t i n gs t y l e w e r er e s e a r c h e d i ts h o w st h a ti n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo fa i ra td r y e r so u t l e t w i l lb eh e l p f u lf o rt h ei n c r e a s i n go fs m e r c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rt e m p e r a t u r ea r ec l o s e l y r e l a t e dt ow a t e rv o l u m e s r e g u l a t i n go fd r y i n gm e d i u m sr a t ei sm o r eh e l p f u lf o rh e a t e r s h e a tt r a n s f e rr e g u l a t i o nt h a nr e g u l a t i n gt h ev e l o c i t yo fh o tf l u i d t h ec o p hd e c l i n e sb y4 8 w h e nw a t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf r o m2 7 5 t o51 5 w h e nt h et h i c k n e s so fm a t e r i a l s i s2 0m m ，t h ed r y i n gt i m ew i t hc o n d u c t i v es t y l ei sl e s sn e a r l y4 5 t h a nt h eo n ew i t h c o n v e c t i v es t y l e ，a n dt h ed r y i n gt i m ew i mc o n v e c t i v es t y l ei sm u c hs e n s i t i v et ot h e t h i c k n e s s i n c r e a s i n go fm a t e r i a l s k e yw o r d s ：w a t e r - c y c l e ，h e a tp u m pd r y i n g , s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s m e r 1 绪论 目录 1 1 弓l 言1 1 2 水循环式热泵干燥装置的原理与特点2 1 3 水循环式热泵干燥装置的研究与应用现状5 1 4 本文的主要工作7 2 水循环式热泵干燥装置的静态与动态特性研究8 2 1 水循环式热泵干燥装置的静态数学模型8 2 1 1 状态参数的选取8 2 1 2 变量间耦合关系的确定l o 2 1 3 基于s m e r 的数学模型的建立”1 1 2 2 水循环式热泵干燥装置的变工况特性分析1 2 2 2 1 变工况运行时的系统能量分析l3 2 2 2 变工况运行时的系统参数调控分析1 4 2 3 水循环式热泵干燥装置的动态特性分析1 6 2 3 1 冷热水的温度变化特性分析1 6 2 3 2 干燥物料特征温度的动态特性分析”l9 3 水循环式热泵干燥装置的调控分析 2 8 3 1 关键参数对水循环式热泵干燥装置性能的影响分析”2 8 3 1 1 热水温度对装置s m e r 的影响- 一2 8 3 1 2 冷水温度对装置s m e r 的影响2 9 3 2 水循环式热泵干燥装置的负荷匹配分析3 0 3 2 1 热水干燥介质的流量匹配3 0 3 2 2 冷水干燥介质的流量匹配一3 2 3 2 3 加热器一冷却器的容量匹配3 3 3 2 4 降速干燥段的系统匹配3 3 3 3 水循环式热泵干燥装置的调控特性分析3 4 3 3 1 水循环式热泵干燥装置的调控特点3 4 3 3 2 水循环式热泵干燥装置的控制变量和被控变量3 5 3 3 3 水循环式热泵干燥装置的调控方案3 7 3 3 4 水循环式热泵干燥装置典型参数的调控方法3 8 4 水循环式热泵干燥装置的实验研究4 2 4 1 实验装置简介4 2 4 2 实验设计4 2 4 3 实验结果与分析4 3 5 结论与建议 6 参考文献” 7 论文发表情况 8 致谢一” 4 8 4 9 5 4 5 5 英文字母： c p , c 如 西 比 西 办l i i l 2 3 m m m w y l , l d m m a ，行m l m m r n p c p e 胁 p w q a g 。 q c q d g 纨 g q w ， 主要符号表 空气的定压比热 干燥物料的比热 水的比热 干燥器进口处空气的湿含量 干燥器出口处空气的湿含量 冷却器出口处空气的湿含量 压缩机吸气口处气态工质的焓 节流前液态工质的焓 节流后液态工质的焓 干燥装置的除水量 干燥物料总质量 湿物料质量 干物料质量 干燥介质的循环流量 冷水循环质量流量 热水循环质量流量 压缩机输入功率 冷凝压力 蒸发压力 饱和湿空气的水蒸汽分压力 实际湿空气的水蒸汽分压力 热空气传给物料的热量 加热器的加热量 冷却器的冷却量 冷凝器的制热量 干燥子系统的热量损失 蒸发器的制冷量 热水传给物料的热量 物料及设备升温需热量 物料干燥时水分汽化需热量 常压下水的汽化潜热 k j ( k g ) k j ( k g ) k j ( k g ) k g k g k g k g k g k g k j k g k j k g k j k g k g k g k g k g k g s k g s k g s l 【w k p a k p a k p a k p a w w w w w w w w w k j k g 希腊字母： 口 a l a m b d f i 龟 9 6 工 a w a a k 万 环境温度 干燥物料的平均温度 干燥物料的上表面温度 热泵蒸发温度 冷水温度 热泵冷凝温度 热水温度 干燥器进口处空气温度 干燥器出口处空气温度 冷却器出口处空气温度 压缩机实际输气量 热水箱的有效容积 冷水箱的有效容积 干燥器进口处空气速度 空气的比容 干燥装置的耗功总量 热泵压缩机耗功量 风机耗功量 物料上表面与空气的对流换热系数w ( m 2 ) 热水与物料下表面的当量换热系数w ( m 2 ) 物料的传质系数m s 压损与空气流速问的比例系数k p a s m 空气的运动粘度m 2 s 干燥物料的预热时间h 干燥物料的干燥时间h 干燥器出口处空气的相对湿度 物料的干基湿含量 物料的导热系数 w ( m 1 空气的导热系数 w ( m 1 物料的质扩散系数 m 2 s 物料层厚度m ；h h h s k 础n鬟ng毗砌跚娜娜 丁焉瓦乃死乃及死死乃矿坞h矿 天津科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 工农业生产中，往往有许多湿物料需要干燥，如木材、纸张、谷物、茶叶、鱼类 等。干燥过程通常以空气为介质，即以低湿度的热空气与湿物料进行热、湿交换，使 物料中的水分蒸发而被空气带走【。 干燥是耗能较大的工艺过程之一。在发达国家，大约1 0 的燃料用于干燥【2 l 。加 快干燥除湿速度，缩短干燥时间，节约干燥能耗，一直是干燥研究的一个重要内容。 近年来新的干燥方法不断涌现，如太阳能干燥、红外线干燥、微波与热泵联合干燥和 热泵干燥等【3 】。目前，研究者对新的干燥方法提出的要求是不仅要节约能耗而且要能 提高产品质量，同时还必须对环境友好。 传统的干燥是将热空气送入干燥室，吸收被干燥物料的湿分后直接排入大气。由 于排放的热湿空气含有大量的显热和潜热以及物料杂质，因此传统干燥设备的能量利 用效率较低，且易于污染环境。相对于传统的干燥方式，热泵干燥能够有效地回收湿 空气中的热量，减少了循环空气的直接排放量，热泵干燥机组既可提高产品质量又降 低了能耗，具有节能和减少污染的双重效益【4 】。因此，国内外对热泵干燥进行了广泛 的研究。 热泵应用于干燥领域在原苏联已积累较多经验【5 】。原苏联传统的制茶工艺将茶叶 置于干燥机内，利用温度不太高的热风( 低于1 0 0 ) 进行茶叶的成形脱水，携带了 大量的热能的潮湿的热空气被直接排掉。热风通常是在热风器内利用烟气进行加热， 这种热风器不但不经济，而且不易控制热风的温度和湿度，烟气容易混入热风引起污 染而影响茶叶的质量。利用热泵取代烟气供热可以消除上述传统制茶工艺中的种种缺 点。特别值得注意的是热泵还可以同时提供鲜茶储存所需要的低温条件，改善了茶叶 加工设备容量过大，而经常处于开工率不足的现象，并且减少了茶叶采集高峰期的鲜 茶损失。此外，热泵还可对茶叶生产工艺的某些车间进行工艺性空调，使车间保持适 宜的温度、湿度，使制茶工艺更为理想，并提高了茶叶成品的质量 6 1 。 h o d g e t t 、b r a u n 等人将热泵辅助间歇式干燥系统与传统的对流干燥系统比较，结 果表明：热泵干燥系统的除湿能耗比蚴( 即系统除水量与耗电量之比) 值为1 叫0 k g k w h ，而传统对流干燥系统的s m e r 值为o 2 0 6k g k w h 【7 , 8 】。s i v a k u m a r 等采用 混合工质( r 1 3 4 a 和r 3 2 ) ，并与采用纯r 1 3 4 a 的热泵干燥系统相比较。结果表明： 使用混合工质的热泵干燥系统比使用r 1 3 4 a 的系统节能8 ；干燥时间比使用r 1 3 4 a 的热泵干燥系统减少3 3 【9 1 。r a d e r m a c h e r 分析了采用混合工质和纯工质的传统蒸汽 压缩热泵在家用干燥机中的应用时发现，其节能达6 9 ，干燥时间可缩短3 0 1 0 】。 t a k u s h i m 等人提出当入口空气湿含量一定时，空气循环热泵式干燥机的除湿能耗比可 达传统对流干燥机的6 倍【l 。 1 绪论 我国对热泵技术及其相关应用的研究起步较晚，但由于能源问题日益突出，对节 能要求越来越迫切，从而对热泵技术的发展不但受到多方面的重视，而且也已经取得 了初步的成效。天津大学的马一太等人提出以c 0 2 作为热泵工质，并在这方面作了很 多的研究，并且认为c 0 2 作为一种自然工质用于热泵干燥，易于实现不同范围的温度 调节，特别是对种子等有生命活力、对温度较敏感的干燥物料，不仅具有较强的干燥 能力，而且还可保证种子达到需要的平衡水分，使其在热泵应用领域具有其它工质无 法比拟的优势【1 2 。1 4 1 ；浙江大学王剑锋、高广春、欧阳应秀等探讨了将相变材料应用于 热泵干燥的潜力，并进行了实验研究，利用相变材料相变热效应，回收干燥过程多余 的能量，并在装置需要热量时将储存的能量释放给干燥空气，试验结果表明，相变材 料在热泵干燥装置中的应用具有明显的节能潜力，同时评价了热泵干燥装置的性能指 标和影响热泵干燥装置性能的主要因素，及其热泵干燥装置加装冷却器的实验研究 u 5 1 9 】；北京林业大学的张璧光、王喜平等人一直致力于热泵干燥木材的研究，他们提 出采用r 1 4 2 b 作为热泵干燥装置的工质，这样可以得到较高的供风温度( 最高供风温 度 7 0 。c ) ，缩短干燥周期，降低能耗，同时可以减少对大气臭氧层的破坏【2 0 2 5 1 。 按热泵子系统和干燥子系统的耦合方式，热泵干燥装置可分为直接耦合式热泵干 燥装置和间接耦合式热泵干燥装置( 简称为间接式热泵干燥装置或分离式热泵干燥装 置【l 】) 。当今，热泵干燥的相关研究主要集中于直接耦合式。直接耦合式热泵干燥装置 的特点是将热泵系统的蒸发器和冷凝器直接与干燥系统相耦合，该耦合方式可减少部 分中间设备，故设备投资和机房占地面积少，且设备的制热系数相对较高。缺点是其 蓄能性能较差，制冷剂泄漏的可能性较大；与直接耦合式热泵干燥相比，间接耦合式 热泵干燥技术的相关研究较少。间接耦合式热泵干燥装置通过循环流动的载冷载热介 质实现热泵子系统与干燥子系统间的能量传递，采用这种方式，系统结构可灵活布置， 且装置的控制较方便，并减小了热泵工质泄漏的可能【2 6 1 。 本文所研究的水循环式热泵干燥装置是间接耦合式热泵干燥装置的一种，其热泵 子系统与干燥子系统通过水循环相耦合，采用冷热水箱进行蓄能，通过控制冷热水流 量调节机组冷热负荷，能够较好的实现热泵机组负荷与干燥过程的动态匹配。同时可 将系统多余的热量以热水显热的形式蓄存起来，在需要的时候释放给被干燥物料。 下文将详细介绍水循环式热泵干燥装置的原理及其相关特性。 1 2 水循环式热泵干燥装置的原理与特点 普通的直接耦合式热泵干燥装置由热泵子系统和干燥子系统两大系统组成。热泵 子系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等部件组成。干燥子系统由干燥室、风道、 循环风机、保温层等部件组成。热泵子系统与干燥子系统直接耦合，即将热泵子系统 的冷凝器与蒸发器直接放置在干燥子系统的循环风道内部。其工作原理如图1 1 所示。 直接耦合式热泵干燥装置工作时，热泵工质在蒸发器内吸收干燥室排出的热空气 中的部分余热蒸发变为蒸气，经压缩机压缩后，进入冷凝器中冷凝，并将热量传给空 气。由冷凝器出来的热空气再进入干燥室，对湿物料进行干燥。出干燥室的湿空气经 赣， 图1 1 直接耦合式热泵干燥装置示意图 一 f i g 1 - 1d i a g r a mo f d i r e c t - c o u p l e dh e a tp u m p 击y 哪 1 压缩机2 冷凝器3 节流阀4 _ 蒸发器5 风机每干燥器7 循环风道8 - 凝结水管 间接耦合式热泵干燥装置通过载冷载热介质循环实现热泵子系统与干燥子系统 一 间的间接耦合。载热介质可为水、导热油或凝固点在0 c 以下的有机或无机溶液。以 水为载热介质的间接式热泵干燥装置称为水循环式热泵干燥装置。通常热泵子系统为 电力驱动，有时也可使用燃气进行驱动【2 7 1 。热泵干燥装置由热泵维持冷水箱和热水箱 中水温的稳定，通过冷水循环由冷却器将干燥介质降温除湿，通过热水循环由加热器 将干燥介质加热到适宜温度。水循环式热泵干燥装置的结构如图l - 2 所示。由热泵子 系统( 压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等部件组成) 、水循环子系统( 冷水箱、热 水箱、循环水泵、调节阀组成) 、干燥子系统( 干燥器、冷却器、加热器、风机、风 道组成) 等三部分组成。 水循环式热泵干燥装置工作时，热泵运转使冷水箱、热水箱分别保持在一定的温 度。冷水通过泵循环进入干燥子系统中的冷却器，将循环空气降温并使其中的水分凝 结，同时吸收干燥空气所携带的热量后返回至冷水箱。热水通过泵循环进入干燥子系 统中的加热器，将循环空气加热到所需的温度进入干燥器。通过调整冷水温度及冷却 器传热量，可使进入干燥器的循环空气具有适宜的含湿量；通过调整热水温度及加热 器的传热量，可使进入干燥器的循环空气具有适宜的温度，从而满足物料不同阶段的 干燥工艺要求【2 引。 相对于直接耦合式热泵干燥装置，水循环式热泵干燥装置具有如下优点【z 州： ( 1 ) 开机过程短。由于水循环式热泵干燥装置的热水温度在停机过程几乎保持不 i 绪论 图1 2 水循环式热泵干燥装置示意图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f w a t e r - c y c l eh e a tp u m pc t r y e r s 1 压缩机2 热水箱3 - 节流阀4 - 冷水箱5 冷却器6 - k g7 加热器8 干燥器 9 风道l o - 凝结水管11 冷水循环泵1 2 糟水调节阀1 3 热水循环泵1 4 热水调节阀 变( 仍保持较高的温度) ，因此在一批新物料干燥开始时，可暂不开冷水循环，而只 开热水循环，通过加热器预热干燥子系统和物料。由于加热器的放热量与热泵冷凝器 相当，约为压缩机与风机能量的3 5 倍，因此，水循环式热泵干燥装置在开机过程 的升温速度可为直接耦合式热泵干燥装置的3 - 5 倍，很快达到干燥室的设定温度。 ( 2 ) 调控简单。水循环式热泵干燥装置通过冷水循环和热水循环将热泵子系统和 干燥子系统耦合在一起，冷水箱和热水箱的容量较大，且冷水循环流量和热水循环流 量可独立调节。因此，水循环式热泵干燥装置的调控较简单。 ( 3 ) 易于与干燥过程实现良好匹配。当间歇式干燥进入降速段后，由于循环空气 与物料的传热传质速率下降，对其进行冷却、加热的负荷也变小，此时只需将冷水循 环调节阀和热水循环调节阀开度调小到适当值即可。 ( 4 ) 系统运行稳定。当由于某种干扰导致干燥子系统的循环空气温度、湿度、流 速产生波动时，可迅速调整冷水循环调节阀和热水循环调节阀使干燥子系统尽快恢复 到设定值，而由于冷水箱、热水箱容量较大，冷水与热水温度变化不大，从而使系统 的运行较易稳定在设定工况。 ( 5 ) 调控成本低。与直接耦合式热泵干燥装置相比，水循环式热泵干燥装置需多 两套水循环系统( 冷水箱、热水箱、泵、调节阀) ，但其费用远较直接耦合式热泵干 燥装置中采用变频压缩机和电子膨胀阀所需的费用低。 ( 6 ) 安全可靠性高。水循环式热泵干燥装置由于其冷水箱、热水箱容量较大且温 度较稳定，故热泵的工况波动小，运行安全可靠。 ( 7 ) 易于实现蓄能。水循环式热泵干燥装置可在电价低谷时段，开启热泵主机工 天津科技大学硕士学位论文 作，将蒸发器、冷凝器的冷热量以水的显热形式分别蓄存于低、高温水箱内。在用电 高峰时段充分利用所蓄积的冷热量进行物料的干燥。由于采用了蓄能则可以独立调整 热泵子系统与干燥子系统各自的开机时间，热泵主机容量可适当减小，同时减小了系 统配电容量。 水循环式热泵干燥装置的不足之处在于其占地空间较大、热泵的冷凝温度与蒸发 温度之差略大，使热泵的能源效率降低，但它可以使热泵机组在较稳定的工况下运行， 并可利用谷值电价时段蓄能。因此，水循环式热泵干燥装置在干燥领域具有较大的竞 争力。 1 3 水循环式热泵干燥装置的研究与应用现状 直接耦合式热泵干燥装置的理论与实验研究是间接耦合式热泵干燥装置研究的 基础，且能够为间接耦合式热泵干燥技术的相关研究提供参考。 目前，国内外对直接耦合式热泵干燥装置的相关研究相对较多。其中，s t r o m m e n 等人从8 0 年代起就利用热泵对细胞、酶等医药生物产品及鱼、虾等热敏性产品的干 燥进行了长期研究【3 0 l ；t a i 对五种不同的干燥设备进行了研究，结果表明，全封闭热 泵干燥装置具有最佳节能效果【3 1 1 ；f i l h o 认为在低温干燥时，热泵干燥装置比传统对 流干燥器有节能潜力，原因是从干燥的废气中回收了部分显热和潜热，提高了能量利 用率 3 2 1 ；s a l v a d o r 采用计算机模拟，对闭式热泵干燥装置和闭式传统电加热型干燥器 进行比较，结果表明，除了在一些低除湿工况下，大多数情况下热泵干燥装置比闭式 电加热干燥器耗能小，闭式电加热干燥器受环境影响较大，并且当运行温度同环境温 珞 度相差不多时效率很低【3 3 】；j o l l y 、j i a 等人认为空气质量流量是一个影响热泵干燥装 置性能的主要因素，冷凝器和蒸发器的压力和温度都受到空气质量流量的影响，并最 终影响热泵干燥装置的性能，可通过改变空气质量流量，改变s m e r 的值，同时保证 干燥产品的质量及产量 3 4 1 ；skc o u 和kjc h u a 等人对干燥热敏物料的方法、影响质 量因素、设备优化及其发展前景做了大量的研究工作【3 5 3 8 1 ；kp h a n i 和s c h o e n a u 等以 蒲公英、苜蓿、人参等为干燥对象，研究发现，热泵干燥装置比传统对流干燥器节省 能源5 0 当进入蒸发器的空气相对湿度超过4 0 时，热泵干燥s m e r 值较高，其试 验装置s m e r 值介于0 5 1 0 2k g k w h 3 9 】；p r a s e r t s a n 和ps a e n - s a b y 以橡木为干燥对 象分析了热泵干燥装置的性能，当橡木干燥到含湿量小于1 0 时，s m e r 的最大值为 0 5 7 2k g k w h 4 0 】；ps a e n s a b y 以干燥过程需要的热量为基准，将热泵干燥装置同电加 热干燥器作比较，结果表明，热泵干燥装置的运行费用较小【4 u ；sp r a s e r i s a n 认为，对 于半封闭热泵干燥装置，环境温度、环境湿度、再循环率均可对干燥系统系统的性能 产生影响 4 2 1 ；b a n n i s t e r 等人在1 9 9 4 年进行的有关除湿干燥效率的相关研究中，以 r 1 3 4 a 为热泵工质，得出了热泵干燥效率大大高于常规通风干燥效率的结论【4 引。 相对于直接耦合式热泵干燥装置的研究，国内外对间接耦合式热泵干燥装置尤其 是水循环式热泵干燥装置的研究相对较少。但间接耦合式热泵干燥装置在干燥行业已 有应用，尤其在木材等大型物料的千燥场合。在西班牙以电驱动为主的全封闭式水循 1 绪论 环式热泵干燥技术自从上世纪9 0 年代开始在木材干燥行业得到了大力发展，同期设 计出的热泵干燥设备相对于过去的常规通风干燥设备具有更高的效率、更大的干燥处 理型4 4 1 。其系统布局如图1 3 所示。 图1 - 3 西班牙木材干燥用全封闭式水循环式热泵干燥装置 f i g 1 - 3w o o dd r y i n gu s e dw a t e r - c y c l eh e a tp u m pd r y e r si ns p a i n l 压缩机2 - 冷凝器3 - 节流阀4 蒸发器5 冷却器硼舌环水泵7 - 加热器8 - 木材9 - 水表l o 燃t g1l 一锅炉 表1 1 及表1 2 中的数据分别为s t c 公司提供的木材干燥用水循环式热泵干燥装 置的主要技术参数及试验数据【删。 由表1 2 中的数据可知对于3 0 , - , 6 0 m m 厚的软质新伐木材，热泵干燥系统干燥循 环的除湿能耗比s m r e 在1 5 2k g k w h 至1 4 2k g k w h 之间。干燥时间在1 9 0 小时至 2 1 5 小时之间。在硬木的干燥过程中，上述数据与木材的厚度有关，在其厚度为6 5 r a m 时，系统的能量消耗在0 9 5k g k w h 至0 8 9k g k w h 之间，干燥时间为5 4 0 小时至9 0 0 小时。由此可见，不同厚度的木材其对干燥总时间的影响比对能效的影响显著。 通过全封闭式水循环式热泵干燥装置的木材干燥实验，j if e r n a n d e z g o l f i ns e c o 等人得出如下结论【州：( 1 ) 从能效角度讲，全封闭式水循环式热泵干燥装置具有较高 的效率，其平均能效比，软木为1 5 2k g k w h 至1 4 2k g k w h 之间，硬木为1 0k g k w h 至o 7 7k g k w h 之间。在干燥中等透水性的木材时，其干燥时间与传统干燥方式的干 燥时间相差不大，但在干燥软木尤其是新伐木材时，其干燥时间较长。( 2 ) 木材的种 类以及内部的湿含量对干燥时间的影响较大，同时对系统的能效也有一定的影响。而 木材的厚度只影响干燥过程的时间，不影响系统的能效。( 3 ) 采用中低温( 6 5 7 0 ) 长时间的干燥方式可以得到质量较好的木材。低温干燥同时能改进含树脂成分较高木 材的品质。( 4 ) 总体讲( 尤其对软木而言) ，降低木材的初始湿含量能够从一定程度上 降低干燥系统的运行费用。 表1 1s t c 公司木材热泵干燥装置技术参数 t a b l e1 - 1s p e c i f i c a t i o n so f c o s t cw o o dd r y i n gu s i n gh e a tp u m pd r y e r s 参数 m i8 0 0 m i7 0 0 q m i7 0 0 m i5 0 0 q mi5 0 0 净容量( o ) 1 2 0 - - - 1 6 01 0 0 1 2 06 0 - 1 0 0 加热功率( w )2 1 9 0 0 01 9 1 7 1 61 3 6 9 4 0 制冷功率( w ) 1 7 5 0 0 01 5 3 2 0 3 1 0 9 4 5 0 名义功率( w ) 8 5 0 0 0 6 5 0 0 04 5 5 0 0 空气流量( m 3 h ) 1 8 0 0 0 01 6 0 0 0 01 4 0 0 0 0 制冷剂r 1 3 4 ar 1 3 4 a r 1 3 4 a 除湿速率( 1 ，i i )2 1 01 8 5 1 3 5 循环风机数量77 6 外部风机数量044 辅助热源形式 锅炉 燃烧炉 燃烧炉 最高温度( ) 6 56 56 5 热泵机组安装容量 2 x 4 0 c v2 x 3 5 c vl 5 0 c v 表1 - 2 s 1 公司木材热泵干燥主要实验数据 t a b l e1 2e x p e r i m e n t a ld a t ao f c o s t cw o o dd r y i n gu s i n gh e a tp u m pd r y e r s 种类 h i h f厚度时间m e rs d rl ( h m 3 )s m e r ( ) ( r a m )( h ( l ，i n 总量1 段 2 段( k 竖k w - h ) 松木5 83 01 9 02 1 71 01 60 7 i 5 2 船用松木4 8 3 01 9 52 5 9 1 3 41 7 0 81 4 2 苏格兰松木 3 86 02 1 31 7 00 81 00 51 3 4 山毛榉 3 06 55 8 01 6 10 30 40 20 8 9 l r o k o 4 06 57 0 03 8 50 50 60 30 9 5 注：表中h i h f 为实验前后术材相对湿度差；m e r 为除湿率；s d r 为干燥速率。 1 4 本文的主要工作 本文围绕水循环式热泵干燥装置，进行如下工作： ( 1 ) 选取装置的关键状态参数，建立基于除湿能耗比s m e r 为评价指标的水循环 式热泵干燥装置的静态数学模型； ( 2 ) 研究水循环式热泵干燥装置变工况条件下运行时，装置各子系统间的能量关 系，并对水循环式热泵干燥装置的关键运行参数进行其调控特性分析； ( 3 ) 探讨不同冷热水容量组合时的冷热水温度的变化规律，及温度变化对干燥系 统的影响。研究以导热与对流联合加热时，干燥物料的升温特点，并根据各干燥段物 料的传热传质特点，建立相应的动态数学模型； ( 4 ) 分析以冷热水温度为代表的系统关键参数的变化对干燥装置整体性能的影 响；探讨装置内部各子系统间的容量匹配问题；确定系统各关键参数的调控方案及装 置的整体调控方法。 ( 5 ) 对水循环式热泵干燥装置进行实验研究。 2 水循环式热泵干燥装置的静态与动态特性研究 2 水循环式热泵干燥装置的静态与动态特性研究 2 1 水循环式热泵干燥装置的静态数学模型 对于水循环式热泵干燥装置，静态的基本含义是系统冷水箱中的冷水、干燥器中 的物料及各部件的平均温度基本不变，同时满足下述理想条件：( 1 ) 冷却器中冷水与 空气的传热量等于热泵蒸发器的平均制冷量。( 2 ) 热泵冷凝器的放热量等于蒸发器的 制冷量与压缩机的功率之和。( 3 ) 忽略冷水循环泵及热水循环泵的功耗。( | 4 ) 空气在热 泵干燥装置中循环的总压降与干燥器进口处的空气速度成正比。( 5 ) 热泵蒸发器出口 处热泵工质的状态为饱和蒸气。( 6 ) 热泵冷凝器出口处热泵工质的状态为饱和液。( 7 ) 热泵与环境问无热量交换。( 8 ) 冷水循环及热水循环与环境问无热量交换。( 9 ) 干燥器 ，密封良好，内部空气不向环境泄漏，环境中的空气也不进入干燥器。( 1 0 ) 冷却器出口 处的湿空气为饱和状态【4 5 巧1 1 。 评价水循环式热泵干燥装置的指标有很多，具体包括除湿能耗比、除湿速率、机 组能耗、干燥处理量等。其中，对于除湿能耗比( 蚴) ，其定义为装置消耗单位能 量所除去物料中的水分的质量，该指标有机结合了热泵子系统的性能与干燥子系统的 性能，综合反映了装置的整体特性。本文在选取系统的关键状态参数的基础上，建立 基于除湿能耗比s m e r 为水循环式热泵干燥装置评价指标的静态数学模型。 蚴的数学表述为： s m e r ：一m ( 2 1 ) 形。 式中m 为干燥系统的除水量，k g ：w 为干燥系统输入的总能量，k w h 。 水循环式热泵干燥装置的系统参数众多，各相关参数间耦合关系复杂1 5 2 1 。本文选 取如图2 - 1 所示结构的水循环式热泵干燥装置，在深入分析系统各相关参数耦合关系 的基础上简化并确定系统建模所需参数。 2 1 1 状态参数的选取 状态参数是指表征装置运行状况的参数。水循环式热泵干燥装置的状态参数及状 态参数对装置性能的影响分析如下： ( 1 ) 热泵工质的蒸发温度乃。在其他条件相同时，热泵工质的蒸发温度越高，热 泵的制热性能系数越大。 ( 2 ) 冷水温度死。指冷水箱中冷水的平均温度，冷水温度与热泵蒸发温度之差为 热泵蒸发器的传热温差，简要分析时通常可设为定值。 ( 3 ) 热泵工质的冷凝温度死。在其他条件下相同时，热泵工质的冷凝温度越低， 热泵的制热性能系数越大，热泵干燥装置的能源效率越高，但受冷凝温度的制约，热 水箱中的热水温度较低。 ( 4 ) 热水温度乃。指热水箱中热水的平均温度，热水温度与热泵冷凝温度之差为 天津科技大学硕士学位论文 热泵冷凝器的传热温差，简要分析时可设为定值。 干燥介质 图2 1 水循环式热泵干燥装置状态参数分布图 f i g 2 一lv a r i a b l e s d i s t r i b u t i o n so f w a t e r - c y c l eh e a tp u m p 蛳 一 气 1 蒸发温度2 - 冷水温度3 冷凝温度4 热水温度5 干燥器进口空气温度、湿含量、速度 6 干燥器出口空气温度、相对湿度7 - 冷却器出口空气温度、湿含量 ( 5 ) 干燥器进口处空气的温度乃。此温度越高，则空气与物料的传热温差越高， 传热速率越大。该温度主要受热水温度乃的影响，热水温度越高、则干燥器进口处空 气温度也越高，简要分析时可设热水温度与加热器出口处空气温度之差为定值。 ( 6 ) 干燥器进口处空气的湿含量以。此处湿含量越低，则物料与空气间的传质阻 力越小，在其他条件相同时越易取得高的干燥速率。由于加热器中空气的加热过程是 等湿加热过程，故干燥器进口处空气的湿含量与冷却器出口处空气的湿含量相同。 ( 7 ) 干燥器进口处空气的速度蚝。该速度越大，则冷却器中空气与冷水的传热速 率、加热器中热水与空气的传热速率、干燥器中空气与物料的传热速率均越高，但空 气在干燥器中流动阻力增大，风机耗功增加。 ( 8 ) 干燥器出口处空气的温度死。当其他条件相同时，该温度与干燥器进口处空 气温度的差值越大，则表示单位质量空气在干燥器中从物料中吸收的水分越多，热泵 干燥装置的能源效率越高；风量相同时物料干燥的速率也越高。 ( 9 ) 干燥器出口处空气的相对湿度。当其他条件相同时，干燥器出口处相对湿 度越大，表示单位质量的空气在干燥器中从物料中吸收的水分越多，热泵干燥装置的 能源效率越高。 ( 1 0 ) 冷却器出口处空气的温度乃。其他条件相同时，冷却器出1 3 处空气的温度越 低，则单位质量空气在冷却器中凝结出水的质量越多。该温度主要由冷水