（木材科学与技术专业论文）两级压缩高温热泵干燥木材的研究.pdf

摘要 通过对两级压缩高温热泵干燥木材的理论和实验研究，提出了带中间换 热器的两级压缩热泵干燥循环系统，并进行了热力学理论分析和比较，证实明 两级压缩热泵的节能特性。 通过对木材干燥窑内空气循环的理论分析，首次推导出空气旁通率理论 计算方法并首次提出了露点温差理论。 首次建立了热泵干燥系统与木材干燥窑内空气状态及旁通率的数学模 型。分析了除湿干燥热泵系统各个参数与窑内状态和空气旁通率之间的关 系。干燥热泵的制冷量、制冷剂流量、压缩机功率以及中间换热器的换热量 都与系统的空气旁通率成线性关系。 首次提出了木材两级压缩甚至更多级压缩高温热泵设计的一般方法，即 根据木材干燥工艺要求按单级压缩条件设计计算，再在高温干燥条件下，按 高压级校核的两级压缩热泵的干燥设计计算方法，具有一定的指导意义。 建立了两级压缩高温热泵木材干燥实验台，通过马尾松干燥实验，研究 了单级压缩、单双级压缩、双级压缩干燥木材的各类参数的变化规律及空气 旁通率的影响，对热泵干燥的理论分析进行了一定的验证。单级压缩总能耗 比双级压缩高了2 3 0 5 ，单级压缩干燥木材整个过程的平均能量回收率为 2 5 5 5 ，双级压缩干燥木材的整个过程的平均能量回收率为3 3 6 3 。能量 回收率与出水量之间成正比关系，即出水量越大，能量回收率越高。 关键词：木材干燥两级压缩高温热泵空气旁通率数学模型 s t u d yo nh i g h t e m p e r a t u r eh e a tp u m pd r y i n go fl u m b e r w i t ht w o l e v e lc o m p r e s s i o n ab s t r a c t t h ec y c l e ss y s t e mo fh e a t p u m pd r y i n g w i t hi n t e r m e d i a t e h e a t - e x c h a n g e ra n d t w o - l e v e l c o m p r e s s i o nw a sd e v e l o p e da s w e l la st h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f t h e r m o d y n a m i c sa n dc o m p a r i s o nw e r ec o n d u c t e d t h el e s se n e r g yc o n s u m p t i o no f h e a tp u m pw i t ht w o - l e v e lc o m p r e s s i o nw a sp r o v e d t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fb y p a s sr a t i ow a si n d u c e da n dt h et h e o r yo f d e wp o i n tt e m p e r a t u r ed e p r e s s i o nw a sr a i s e df i r s t l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rh e a tp u m pd r y i n gs y s t e m ，a i r - c o n d i t i o n si nt h el u m b e r d r y i n g k i l na n db y p a s sr a t i ow e r e f o r m e d f i r s t l y t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n p a r a m e t e r so fh e a tp u m ps y s t e m ，k i l nc o n d i t i o n sa n db y p a s so fa i rw e r ea n a l y z e d b a s e do n r e q u i r e m e n t s o fl u m b e r d r y i n g p r o c e s s ，d e s i g n m e t h o d sf o r h i g h - t e m p e r a t u r eh e a tp u m pw i t ht w o - l e v e le v e nm u l t i - l e v e lc o m p r e s s i o nw e r e d e v e l o p e df i r s t l y e x p e r i m e n ts t a g ef o rh i g h t e m p e r a t u r eh e a tp u m pd r y i n go fl u m b e rw a se s t a b l i s h e d a n dt h ev a r i a t i o np a t t e r n so fd i f f e r e n tk i n d so fp a r a m e t e r sf o rl u m b e rd r y i n gw i t h s i n g l e - l e v e l ，s i n g l e - t w o - l e v e la n dt w o - l e v e lc o m p r e s s i o na sw e l la st h ee f f e c t so fa i r b y p a s sw e r ei n v e s t i g a t e db y d r y i n ge x p e r i m e n t so fm a s s o n sp i n el u m b e r t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rh e a tp u m pd r y i n gw a sv e r i f i e d t o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no f s i n g l e l e v e lc o m p r e s s i o ni sh i g h e rt h a nt h a to ft w o - l e v e lc o m p r e s s i o nb y2 3 0 5 e n e r g yr e c y c l i n gr a t eo fl u m b e rd r y i n gp r o c e s sw i t hs i n g l e l e v e lc o m p r e s s i o ni s 2 5 5 5 a n dt h a tt w o - l e v e lc o m p r e s s i o ni s p r o p o r t i o nw i t hd e w a t e r i n gc a p a c i t y ，t h a t t h eh i g h e rt h ee n e r g yr e c y c l i n gr a t ei s 3 3 6 3 e n e r g yr e c y c l i n gr a t ei si nd i r e c t i s ，t h el a r g e rt h ed e w a t e r i n gc a p a c i t yi s ， k e y w o r d s ：w o o dd r y i n g ；t w o l e v e lc o m p r e s s i o n ；h i g h - t e m p e r a t u r eh e a tp u m p ；a i r b y p a s sr a t i o ；m a t h e m a t i c a lm o d e l 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，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 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。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( 本人签名) ：习 。 蒯年百月砬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签 删刎年 f 月讪 易月工羽 致谢 论文完成之际，难以抑制对我两位恩师的感激，导师顾炼百教授、张璧光教授对我 论文完成的悉心细致指导，我受益终生。两位先生广博的胸怀与学识，滋养我一生。 顾炼百先生严谨治学，为我一个人的课都会准备很多讲义并连续讲几个小时的情景， 让我永远无法忘却，更让我尊敬先生的是先生的为人，先生各方面都是为人师表的典 范。张璧光先生从学习到生活对我关怀与督促，让我有一种既是师长，又是慈母的感 觉，我学习过程的每一细节都有张先生的心血，生活上也是无微不至。能够做两位品 格高尚，学识渊博的先生的学生，让我感到无比的幸运与自豪。 在学习期间，清华大学的史琳教授在实验台的建设上提供了帮助，并指导了高温 制冷剂的选用；北京建工学院的王瑞祥教授提供了大部分实验用的传感器和数据采集 设备，北京林业大学的苻韵林博士提供了全部的实验试材，航天一院1 0 1 所的李水华 副所长提供了r 2 4 5 f a 制冷剂，北京林业大学的李梁在实验数据处理方面做了大量工 作，对此我深表谢意。学习期间还受到了庄寿增教授、北京林业大学高建民副教授、 伊松林副教授、北京工业大学李红旗教授及清华大学陈军硕士的关心和帮助，在此表 示衷心的感谢；同时，感谢刘彬师妹在论文的后期排版等工作方面付出的心血，华北 水利水电学院的宗玉博、郭恒两位同学在实验过程中付出的辛勤劳动。在论文的写作 和试验过程中，还得到了北京林业大学刘志军博士、李贤军博士、李延军博士、王天 龙博士的指导，南京林业大学的苗平博士、孙照斌博士、董会军博士、北京林业大学 谢大斌硕士和南京林业大学李涛师弟的关心与帮助，在此向他们致以深深的谢意。 感谢我的妻子女儿在学习期间对我的支持与理解。 张振涛 2 0 0 8 年5 月 依赖于煤炭的消耗。我国主要的污染物，包括总悬浮颗粒物( t s p ) 、二氧化硫 ( s 0 。) 、氮氧化物( n 0 。) 以及温室气体( c 0 ：) ，其主要来源均为煤炭的燃烧和利 用。这种以煤为主的能源结构是造成我国能源效率低、环境污染严重的重要原 因。中国温室气体排放量约占全世界总排放量的13 ，仅次于美国之后居世界第 二位。能源系统的总效率是由开采效率( 能源储量的采收率) 、中间环节效率( 加 工转换效率和贮运效率) 和终端利用效率( 终端用户的有用能与输人能量之比) 三部分组成的。中国能源系统的效率，三者各为3 2 、7 0 和4 1 ，三者乘积 称为“能源系统总效率”，约为9 2 。中间环节效率和终端利用效率的乘积为 能源效率，约为2 9 ，比国际先进水平低1 0 个百分点。终端利用效率也大约低 近1o 。高耗能产品能源单耗比发达国家平均水平高4 0 左右，单位产值能耗 是世界平均水平的2 3 倍。( 马重芳，2 0 0 2 ) 。总之我国能源利用率低，为发达 国家的4 6 倍，美国的3 5 倍，日本的l0 ( 1 1 ) 倍。( 张璧光，太阳能干燥技 术，化工出版社，2 0 0 7 ) 可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 是八十年代提出的一个新概念。 19 87 年世界环境与发展委员会在我们共同的未来报告中第一次阐述了 可持续发展的概念，得到了国际社会的广泛共识。可持续发展是指既满足现代 人的需求以不损害后代人满足需求的能力，就是指经济、社会、资源和环境保 护协调发展。中国2l 世纪议程一中国21 世纪人口、环境与发展白皮书指 出要合理使用、节约和保护水、土地、能源、森林、草地、矿产、海洋、气候、 矿产等资源，提高资源利用率和综合利用水平。由于中国的经济发展速度和能 源消费结构的原因，中国的能源发展与经济和环境之间的矛盾，比大部分国家 更加尖锐。酸雨污染、温室效应、臭氧层破坏等已成为制约经济协调发展的重 要因素。 我国近年的经济发展突出表现在能源消耗高、环境污染重。“十一五”规 划提出了节能降耗和污染减排目标，并作为约束性指标。这对于推动经济增长 方式转变、加强节能环保工作具有十分重要的意义。但是，全国没有实现2 0 0 6 年确定的单位国内生产总值能耗降低4 左右、主要污染物排放总量减少2 的目 标。主要原因是：产业结构调整进展缓慢，重工业特别是高耗能、高污染行业 增长仍然偏快，不少应该淘汰的落后生产能力还没有退出市场，一些地方和企 业没有严格执行节能环保法规和标准，有关政策措施取得明显成效需要一个过 程( 温家宝，2 0 0 7 ) 。 根据国家能源政策，研究和改进各种能源利用方法，实现能源的高效合理 利用已经成为社会可持续发展的必要条件。 1 2 木材热泵除湿干燥的研究现状 木材是一种神奇的、广泛使用的原材。木材可再生、对环境有益，美观， 强重比高，易加工，加工过程中能耗低。随经济发展和人口的增长，对木材及 其产品的需求竟会不断增加。木材作为人类赖以生存的最基本材料之一，在社 会和经济发展中起着相当重要的作用。木材干燥是合理利用木材、节约木材的 重要技术措施，是木材加工生产中的一个重要工序。木材干燥对于合理、节约 利用我国的有限森林资源，保持生态平衡，对于发展国民经济和现代化建设都 具有非常重要的意义哺1 。 木材干燥是木制品加工过程中的重要环节，也是能耗最大的工序，约占产 品总能耗的4 0 一7 0 1 。传统的木材干燥方法是以蒸汽、热水、烟气或热油作热 源，以湿空气作干燥介质的热风干燥。热风干燥时，干燥室内空气的湿度逐渐 升高，需要定期从排气通道排出部分湿热空气，同时从吸气道吸入等量的冷空 气。这种开式循环的干燥方式，其换气换热损失很大，一次能源利用率仅3 0 左右。 据测算，19 9 6 年全国锯材产量为4 18 3 7 8 万m 3 ，如按6 0 估算干燥材数量， 则有2 5 10 万m 3 ，而木材干燥设备生产能力大约为4 0 0 万m 3 ，同期生产能力不能 满足干燥材的需求。据估算，2 0 0 0 年需要干燥的锯材量为2 3 5 7 4 万m 3 ，2 0 1 0 年将达3 7 2 3 万m 3 。可见，以干燥行业的巨大规模和所具有的发展潜力，在木材 干燥工艺和设备等各个方面开展节能研究，具有非常重要的意义。由于设备和 工艺不完善，操作水平低，有的企业干燥能耗高出正常能耗一倍，一次能源的 利用率更低。因此结合我国木材干燥企业的现状，积极开展节能型的木材干燥 技术创新研究，具有极大的技术和市场前景旧1 。 在许多工业生产过程中如木材干燥、食品干燥等加工过程中，存在着大量 的废热没有被利用而排放到环境中。在木材蒸汽干燥方式中，木材进排气换热 损失较大。以北京地区为例，这种损失约占蒸汽供热量的4 0 左右阳1 0 1 。如果使 3 用热回收技术，通过用热泵装置将这些加工过程排放的废热回收升温再利用， 就可以降低，一次能源利消耗，降低污染。同时，提高能源利用水平，从而实现节 能降耗的目的。通过环保型木材高温干燥热泵的研究，寻找替代常规干燥方式 的方法，提高木材干燥质量和干燥速度，降低木材干燥能耗，减少对环境的负 面影响。 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大多数情况下是水) ， 而获得一定湿含量固体产品的过程( 潘永康、王喜忠19 9 8 ) 。对于木材干燥方法 很多，属对流加热干燥的有：窑干、热泵干燥、太阳能干燥等；属电解质加热 的有微波干燥、高频干燥等；属辐射加热的有红外干燥；属接触加热的有热压 板干燥等( 顾炼百2 0 0 3 ) 。 除湿：除湿即除去给定环境或空间容积内的气体环境中的水分的过程，是 工业生产和人们日常生活中经常碰到的问题。当大气的温度降到低于露点温度 时，存在于大气中的一部分水分会冷凝成雾或露。除湿方法大概有五种：冷却 除湿，液体吸收剂除湿，固体吸附剂除湿，转轮法除湿，膜法除湿。其中冷却 除湿法是利用湿空气被冷却到露点温度以下，将冷凝水脱除的方法，又称露点 法。由于用冷冻机作除湿冷却的手段，又称为冷冻除湿( 张立志，2 0 0 5 ) 。 在物料干燥过程中，能够结合除湿技术，就可以加速干燥过程，进而产了 生新的干燥方法一除湿干燥方法。如果进一步把除湿过程中的低品位能量回收再 用，升温后用给被干燥物料提供能量，加热干燥物料，就可以实现能量回收， 从而产生了一种新的节能干燥方法，热泵除湿干燥方法。除湿技术与制冷技术 的发展是密不可分的，而热泵加热技术的发展同样与制冷技术的发展息息相关。 因此热泵除湿干燥技术的发展，是随着制冷技术的发展而发展的。 1 2 1 除湿干燥热泵的节能原理与特性 除湿机的工作原理和家用空调、电冰箱等的工作原理基本相同，通过一定 工质流体在蒸发器、压缩机，冷凝器和节流装置等部件中的相态变化( 沸腾和凝 结) 循环来将从低温热源吸收的热量传递到高温热源中去。除湿热泵机组是一种 吸取低品位热能通过做功获得高品位热能的装置。除湿机热泵的主要部件是压 缩机、蒸发器、节流装置和冷凝器。热泵除湿系统由制冷和窑内干燥两个工作 4 循环组成制冷循环即制冷工质在制冷系统内的循环，干燥循环管是窑内空气在 蒸发器、冷凝器和干燥物料间的脱湿一一加热一一吸湿一脱湿循环。在制冷系 统内，来自冷凝器的液态制冷剂经过节流装置绝热等焓节流降压后进入除湿蒸 发器，在蒸发器内蒸发吸收来自干燥室湿空气的热量，使制冷工质由液态变为 气态，而流过蒸发器的湿空气中的部分水蒸汽则冷凝为水而排出，变为干燥空 气。汽态制冷剂经压缩机压缩生温进入冷凝器，在冷凝器内被管外空气冷却而 放出热量，使制冷剂由汽态变为液态，这就完成了一个制冷工作循环。与此同 时管外对空气也同时完成了一个脱湿( 蒸发器处) 一一加热( 冷凝器处) 一一吸湿 ( 干燥物料) 一脱湿的窑内干燥循环。在冷凝器处，窑内空气吸收制冷剂释放 出的冷凝热( 连同压缩机功率转换的热量和前面吸收的热量) 升温。热泵干燥 时由于利用它的制冷系统回收了空气排湿时放出的汽化潜热( 也包括显热) ，故 热泵干燥的节能效果十分明显。 除湿干燥和常规干燥的基本原理和干燥本质相同，均是依靠木材干燥窑内 热空气与被干材之间的对流换热，空气加热木材并吸收木材蒸发的水分。二者 的主要区别是湿空气的去湿方法不同。常规干燥时室内空气采取开式循环，要 定期从干燥室的排气道排出一部分湿度大的热空气，并补充低湿度的新鲜空气 如图卜1 所示，从而降低窑内空气的相对湿度，实现连续的干燥循环。除湿干燥是 在干燥室内引入除湿系统，利用除湿机对窑内的高温高湿空气进行处理一吸 取其中的热量排除其中的水分从而实现热能和干燥介质的循环利用，达 到高效节能的效果。如图1 - 2 所示( 张璧光，赵忠信，1 9 8 9 ) 。热泵除湿机是热 泵的一种，就像水泵抽取低海拔水位一样，热泵从环境中吸取低品位热能，通 过做功将吸收的热能转化成高品位的可以利用的热能。由于热泵除湿机回收利 用干燥窑排湿放出的热量，因此它是一种节能干燥设备。 除湿干燥的优点在于：1 ) 节能效果显著，它与蒸汽干燥相比，节能率为4 0 一7 0 ，其中单热源除湿机约4 0 ，双热源约7 0 。2 ) 干燥质量好，一般不会发 生变形、开裂、表面硬化、颜色变暗等干燥缺陷。3 ) 以电为能源不污染环境， 无火灾隐患。4 ) 可不设锅炉设备，易于操作管理，总投资略低于蒸汽干燥设备。 图1 1 常规干燥示意图 c = = = = 一e = = = 一 t 口# 2 ，一 # = = = = 一c 。! ! = = = = ：= = = = = = ：= = = = c = ：= j ：= = = = m o = = 一 一= 2 、i g 女一，! 7 = = = = = = = 絮= = = = = = ：；一；= = ；一 静e z & 一# = 狲“# ；# 茹 一 + = = 一t = # 一一j = 口= ；一c = ；= o o = e ，a o - 一= ! o 一rh m - w - 一7 t = a m 盛镕# 龇：= z 础；v l 。雀三；嘉兰剖茁三兰；鲁兰剿若基j 墨 1 k o f 一c = ! = 一 ，e ! _ ! = t e 2 = 口一e = = 一 ；= = 一= = = = j = = = - e i z z 口x 一 口= = = 一c = = ；= 一 # = = = 一一= 图1 2 除湿干燥示意图 f i g 1 - 2d e h u m i d i f i c a t i o nd r y i n g 除湿干燥的局限性在于：1 ) 目前一般除湿干燥的温度较低，干燥时间长， 故除湿干燥对于易干材和厚度大于5 c m 的厚板材，其节能效果都不明显。2 ) 除 湿干燥在电力紧张、电价高的地区可能节能不节钱，这些地区尤其不宜使用单 热源除湿机。3 ) 对木材的调湿处理，不如蒸汽干燥灵活方便。4 ) 除湿机在高 温段工作时其经济性和安全性均降低。 1 2 2 热泵除湿干燥系统的研究进展 制冷的历史可追溯到古代，当时用以储冰和一些蒸发过程。现代制冷技术的 发展是18 世纪后期开始的。l7 5 5 年，爱丁堡的化学教师库伦利用乙醚蒸发使水 结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了前热的概念， 并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。18 0 5 年，0 1 i vere v a n s 原创 性地提出了在封闭循环中使用挥发性流体的思路，用以降温制冷冻成冰。这种 系统的原理是在真空下乙醚减压降温蒸发，并将蒸汽泵到水冷式换热器，冷凝 1 9 9 2 年开始世界热泵使用量每年增长15 ，热泵承担着总供热量的6 ，美国8 4 ， 而日本比例高达2 8 6 。这些热泵中大多数属于机械蒸汽压缩式热泵。在中国， 机械压缩式热泵占热泵总量的9 0 ( 李先瑞等，1 9 9 9 ) 。目前，热泵干燥技术已 广泛应用于木材干燥、食品加工、蔬菜脱水、陶瓷烘焙、药物及生物制品的灭 菌和干燥、下水污泥处理、化工原料和肥料干燥等许多领域。 h o d g e t t 在19 7 6 年的研究中指出( h o d g e t t d l ，l9 7 6 ) ：除湿型热泵特别 适用于温度、湿度要求很好控制的场合，而木材和陶器的干燥是两个典型的例 子。r u it e r 等人在19 7 8 年通过研究得出( r u it e rj p ，1 9 7 8 ) ：热泵只简单地 作为热回收装置就可以使木材干燥成本大大减小，不过，应有电热或其它辅助 热源以保证工艺运行。f e s s e l 在19 8 0 年的文章中得出( f e s s e lw e ，l9 8 0 ) ： 热泵干燥在木材行业中已广泛应用，除木材行业外还有食盐干燥( m a r me w ， 19 8 2 ) 和鱼的干燥( n o r g e s g h ，19 8 2 ) ，在法国用于干燥建筑业用的水泥块等。 m o s s e r 在1 9 8 2 年( m o s s e rf 1 9 8 2 ) 建造了一个功率热负荷达7 0 k w 的热泵干燥系 统用于烘干工业，加热后的空气用于干燥地板和提供热水。h o d g e t t 和l i n c o ln 在19 7 8 年的研究中得出( h o d g e t t d l ，19 7 8 ) ：当时用于木材干燥的高温热 泵的最高温度可达到8 0 。z y l l a 等人在1 9 8 2 年( r z y l l a ，1 9 8 2 ) 研究了热泵 干燥机的几种干燥方式，并进行了比较，指出全封闭式循环工作方式与其它方 式相比有很大优点，但要求干燥机与被干燥物要相匹配才能达到良好的效果。 j w a r dm a c a r t h u r 在1 9 8 4 年( j w a r dm a c a r t h u r ，1 9 8 4 ) 研制了蒸汽压缩 式热泵的模型，总结了各组成部分模拟的理论推导，预测热交换器上的温度和 焓值随时间和空间位置的变化关系，认为热泵在启动后至少6 分钟才达到稳态， 研究了启动和关机时的动态特性。j o s ea r p a r is e 于1 9 8 6 年( j o s e a r p a r is e ，1 9 8 6 ) 研究了蒸汽压缩式热泵的模拟性能，用压缩机转速、蒸发 温度、冷凝温度及冷热流体流速等作为输入参数预测系统总的性能。 c g c a r ln g t o n s ( c g c a r in g t o n s ，l9 8 8 ) 等于l9 8 8 年对热泵干燥机的第二定 律限制作了研究，认为散热和泄漏是可避免的功损，而温差传热则为不可避免 的损失，并与传统的通风型干燥作了比较；他们还指出( p g b a in e s ，19 8 8 ) ： 指出了优化的匹配条件。 国立新加坡大学机械工程系的k 1 j 1 c h u a 等人进行了两级蒸发热泵干燥试 验，试验表明二级蒸发热泵干燥系统可在较大范围内改变干燥系统的温度和相 对湿度，并能提高系统的操作系数( c o p ) ，节约能耗。二级蒸发热泵干燥系统 的工作原理就是把来自冷凝器的制冷工质分成两部分，一部分制冷工质通过高 压膨胀阀进入高压蒸发器，另一部分制冷工质通过低压膨胀阀进入低压蒸发 器。两股制冷工质在蒸汽混合室内混合，来自高压蒸发器的工质进入混合室前 必须用调节阀来降低压力。混合后的制冷工质再经压缩机压缩后进入冷凝器，完 成二级制冷循环。西安交通大学的刘永忠杨丽坤孙皓等人研究了复叠式在冷 冻干燥中的应用，分析和计算了冷冻干燥条件下的系统循环特性( 刘永忠杨丽 坤孙皓等，2 0 0 4 ) 。天津大学的郑宗和，杨玉忠，牛宝联等研究了双级热泵系统 热水器方案( 郑宗和，杨玉忠，牛宝联等，2 0 0 5 ) ，实验研究认为在较高温度水平 用热的情况下，采用直接燃烧化石燃料或电加热的方式，显然不利于能源的利用， 但采用单级热泵，即使温度勉强达到8 0 及其以上，系统的效能比也很低，失去 了热泵节能的意义。双级热泵系统的实际效能良好，可以获得较高温度的热量， 并能保持系统的高效能比，具有广阔的应用前景。 热经济学( 也称火用经济学) 是6 0 年代随世界范围内的能源问题对经济发 展的制约使得热力学第二定律分析( 火用分析) 与技术经济学相互结合而产生 的一门新型交叉学科。其特点是依据火用含量而赋予能流一定的价值，结合价 值平衡思想，估算能量在形式转换与质量变化中价值的变化，最终以经济效益 为尺度科学地评价系统用能的完善性及现实可能性。利用热经济学的原理一方 面可以优化热泵系统，指导木材干燥热泵的热力学优化目标。另一方面，又可 以指导我们对系统和设备的成本和运行成本进行分析，从而找到热力学优化和 经济成本优化的结合点，用以促进木材热泵干燥设备的生产推广。t r ib u s ，e v a n s 等人的开拓性工作导致了5 0 年代火用经济学的产生，它的目标是在系统的操作 评价及优化时，将热力学第二定律分析与经济因素在数学上结合成单一的模型 来考虑。e i s a y e d ，g a g g io li ，t s a t s a r o n is ，v a le r o 及华贲等先后推动了火 用经济学理论及方法的发展，并将其用于不同系统的分析优化中。 在热泵制冷运用火用经济方法优化中，国外的c a m m a r a t a 等以新空气比， c o p ，加热冷却入口水温为优化参数对热泵空调系统进行了优化设计；s h i b a ， b e j a n 等以优化逆流换热器结构为优化目标对蒸发式制冷系统的冷凝器进行了 优化设计；s a n a y e 运用热力参数和几何参数为优化参数对空调系统进行优化。 国内的不少学者也应用热经济学理论对制冷系统和热泵进行了研究，潘玉灼等 对，以每单位时间成本( 投资成本、供热成本和其它费用成本) 的泵热率为目标函 数，研究一类不可逆三热源热泵的优化性能，分析经济参数和各种不可逆性对循 环性能的影响；张国强等研究了户式中央空调常用制冷剂h c f c 2 2 热力性质仿真 模型，研制了相应的软件，以此为基础，提出了户式中央空调系统热经济学优化 设计分析方法，并将热经济学优化设计方法与热力学优化研究方法的结果进行 了比较；周晋等利用b i n 气象参数分析了使用风冷热泵机组的供暖季能耗情况， 在此基础上，运用热经济学分析的方法，建立了风冷热泵机组的热经济模型，讨 论了风冷热泵机组的最佳供热负荷系数的选取问题；蒋立本等运用热经济学原 理对冷冻干燥过程中的设备投资和能源消耗建立了对应的估算模型。以单位产 量年度化成本为分析对象，对影响其成本的几个重要参数( 湿物料的初始温度、 干燥室压力和物料厚度) 进行了探讨，并进行了优化。姚立为对制冷与热泵系统 进行了火用分析，讨论了减少火用损失，提高火用效率的方法。张璧光，常建 民对热泵干燥机供风工况的火用损失进行分析，指出了热泵干燥的节能，不仅 要考虑减少火用损失，还要考虑干燥质量、干燥速率等多种因素。 通过用热经济性分析对系统进行正确的改进，可以提高热泵的效率，完善 设计，最终达到节省能耗同时具有一定经济效益的目的。在木材干燥过程中受 到木材种类和干燥干燥基准的影响，热泵主机的实际工况与设备的设计工况有 很大的不同，因此，通过热经济学分析可了解热泵在给定的木材干燥基准下的 控制性能和经济运行情况，为干燥热泵优化提供依据。 1 3 高温热泵工质的选择 制冷与热泵工质的选择主要以选择系统工作冷媒及能源效率作为指标。冷 媒的选择则一定要注意蒙特利尔议定书及未来温室效应对冷媒的限制。 使用h c f c 做为c f c 替代的制造商，应密切注意国际对h c f c 限制的动向， 以利于及早采取应对措施。替代品h f c 属温室气体，其g w p 值高，未来是否会 限制使用，也值得密切关注。 京都议定书将h f c s 与c 0 2 、c h 4 、n 2 0 、p f c s 、s f 6 并列为温室气体，要 求发达国家将温室气体排放量降低到19 9 0 年的水平。此决议已对蒙特利尔议定 书造成不小的冲击，在19 9 8 年1 1 月举行的蒙特利尔议定书第十次会议中引起 热烈讨论，与会国担心一旦京都议定书开始对h f c s 的使用设限，其作为c f c s 与h c f c s 长期替代品的地位势必受到挑战。由于h f c s 目前是c f c s 与h c f c s 的 主要替代品，其应用范围包括冷媒、清洗溶剂、发泡剂、喷雾剂及灭火剂等， 对我们生活的影响甚大，因此，必须更仔细探讨h f c s 的能源效率、环境冲击、 安全性与经济性等问题。 根据蒙特利尔议定书的规定，自2 0 0 4 年1 月1 日起，h c f c s 的消费量要比 19 9 8 年减少3 5 。为此，部分国家已针对h c f c s 不同用途分别订立禁用时间表。 美国环保署规定自2 0 0 3 年1 月1 日起禁止生产及进口h c f c 一141b ；欧共体也将 自2 0 0 4 年起全面禁用h c f c s 。 美国环保署规定自2 0 lo 年1 月1 日起禁止生产及进口含h c f c 一2 2 的设备， 但2 0 1o 年1 月1 日前制造的设备不受此限；欧共体也于2 0 0 1 年1 月1 日起禁 止冷冻设备使用h c f c s ，2 0 0 4 年起全面禁用h c f c s 。 目前高温热泵适宜工质的选择是很重要的研究工作。相对于常温热泵，高温 热泵很难找到一种很适用的工质。对于高温工质的选择有两种趋势，一种是使 1 ， 因素等方面。现将h f c 一2 4 5 f a 与c f c 一1 1 的环保特性列于表2 表卜2h f c 一2 4 5 f a 与c f c 一1 1 环保特性 因此，在本论文的实验研究中，选用2 4 5 f a 作为高温热泵工质，并对r 2 4 5 f a 的循环性能和系统润滑油互溶等运行特性进行实验验证。 1 4 除湿干燥热泵的模糊控制 干燥加工是一个复杂多变的过程，根据物料脱水情况及环境状况适时调控 干燥工艺参数，有利于提高能量利用率及产品品质。热泵干燥系统既可以调节 空气湿度又可实现对空气温度的双向调节，因此，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，有利于实现对干燥加工过程的全自动人工智 能控制，从而降低操作成本，提高制品品质。 目前的干燥热泵运行控制基本分为两种，分别为以定时器控制的傻瓜型 和以简单工艺参数控制启停的简单自控型( 张擘光，常建民，2 0 0 0 ) 。不少进口 和国内的除湿机靠定时器未控制除湿机的开、停时间。如日本的c a l d 型系列除 湿机，定时器的设定导致干燥初期除湿的时间长，后期时间短。例如初期开6 小时停1 小时，随干燥室湿度逐渐减少，开除湿机时间减少而停的间隔增加干 燥后器可能开1 小时停6 小时。这种除湿机开、停的控制管理方式比较粗放， 因而影响除湿效率和能耗。只有根据除湿操作工艺优化的原则编制除湿干燥操 作程序，利用计算机实现自动控制才能实现最大限度的节能( 张璧光等，2 0 0 4 ) 。 传统的以定时器控制的傻瓜型和以简单工艺参数控制启停的简单自控型木 材干燥工艺多采用p i d 控制来实现木材干燥过程中的工业监控。p i d 控制作为一 种传统的控制方法，以其计量小、实时性好、易于实现等特点广泛的应用于过 1 4 程控制中。当建立起控制对象的精确数学模型之后，只要正确的设定比例系数 k p 、积分系数k i 、微分系数k d ，p i d 控制器就可实现其作用。对于木材干燥而 言，它的参数变量是温度和湿度存在非线性，时变性等不确定性因素，而p i d 控制器在参数修改不方便，不能进行自我整定等特点，因此单纯的p i d 控制效 果很难达到预期的目标。对于多级压缩和多参变量的木材高温除湿干燥热泵， 传统的以定时器控制的傻瓜型和以简单工艺参数控制启停的简单自控型木材干 燥工艺，根本无法实现热泵机组的控制策略，更无法发挥高温热泵的节能优势。 这个时候就需要人为的进行调整，那么人的经验就起着决定性的作用。 模糊控制可以很好的解决这个问题。模糊控制的基本思想就是利用计算机 来实现人的控制经验，而人的经验一般是用语言来表达的。但是人的控制经验 是模糊的不确定的，因此就需要通过计算机机器语言形成模糊控制语句，进而 导出模糊控制规则。 在智能控制中，模糊控制不依赖于对象模型，它不是用数值变量而是用语 言变量和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，因而具有很强的鲁棒性， 但是单纯的模糊控制其精度却不太理想。如果可以实现p i d 控制器的参数在线 自整定，就进一步完善了p i d 控制器的性能，以适应控制系统的参数变化和工 作条件变化，即模糊自适应p i d 控制。其控制器不仅保持了常规p i d 控制器的 优点，而且具有很强的鲁棒性和适应性，可以实现木材干燥的智能控制。 在制冷空调行业，许多学者对温度控制模型进行了深入探索。1 9 8 7 年a s h r a e 以四项多项式回归、1 9 8 8 年iij i m a 和k a w a s h i m a 采用非a n n 的分段线性回归方 法、1 9 8 9 年m a c a r t h u r 运用a r m a x 时序作为温度控制模型。1 0 1 1 这些模型是线 性关系，稳态性好。1 9 9 6 年f b 1 a s c h k e 、p c c u s t m a n 和a a c l a r k 应用 人工神经网络法推得的模型，在空调室内机智能控制系统上取得了很好效果， 温度控制比较精确。2 1 这些模型比较复杂，实现成本较高。为避开空调温度控 制模型的这些缺点，采用模糊c 一均值划分方法确定所建模型的规则数量及隶属 1 5 函数，然后用最小二乘法算出模型的后件参数，从而得出干燥窑内湿度控制模 型。该模型对窑内湿度控制的扰动、各除湿蒸发器相互耦合具有较大的适应能 力，从而建立起h s 湿度控制模型。采用模糊c 一均值划分方法确定热泵干燥系 统的窑内环境湿度的模糊控制模型框架的干燥热泵除湿机，对窑内湿度控制的 扰动、耦合适应能力强，有利于降低干燥能耗( 张振涛，张璧光，顾炼百，2 0 0 4 ) 西安交通大学金立文研究表明，采用模糊控制的除湿机比采用传统控制系统的 除湿机达到设定湿度的时间减少了3 3 3 ，功耗下降了8 ( 金立文，2 0 0 1 ) 。 1 5 热泵除湿机的分类 一般情况下，热泵可用于大多数的干燥过程，即组成热泵干燥装置。由于 干燥器类型的多样性，就决定了热泵干燥装置的多种类型。因此，笔者对常见 的热泵干燥装置进行简单的分类。 1 5 1 按干燥器类型分类 尽管目前对干燥器还没有统一的分类法，但对干燥器却有传统的分类法， 因此，可以采用这种传统的方法对热泵干燥装置进行分类，例如： 按干燥器的操作方式可分为间歇式和连续式热泵干燥装置。 按干燥器的传热方式可分为传导式和对流式热泵干燥装置等 1 5 2 按热泵工质与物料的接触方式分类 按热泵工质与被干燥物料的接触方式可分为直接式和间接式热泵干燥装置 两种。 直接式热泵工质与被干燥物料直接接触，即热泵的工质又是干燥介质。 间接式热泵系统将干燥介质( 如空气、氮气、二氧化碳气等) 加热，使干 燥介质与被干燥物料接触，这种热泵干燥装置目前用得较多。 1 5 3 按干燥介质的循环情况分类 按干燥介质的循环情况可分为开路式、闭路式和部分废气循环式三种。 1 6 开路式干燥介质离开干燥室进入热泵的蒸发器与热泵工质换热后直接排空。 闭路式干燥介质在干燥器内全部循环使用。部分废气循环式干燥器排出废气 的一部分进入热泵蒸发器后排空，另一部分与新鲜空气一起进入热泵冷凝器被 加热后进入干燥器内循环使用。按单机干燥能力的大小，除湿机可分为大型、 中型和小型。单机干燥能力小于2 0 m 3 材为小型；3 0 m 3 6 0 m 3 材为中型；大于8 0 m 3 材为大型除湿机。目前我国的除湿机都属于中小型，单机干燥能力一般都小于 6 0 m 3 材。 1 5 4 按工作循环和功能的分类 除湿机按工作循环和功能的不同可分为单热源与双热源两大类。 单热源除湿机，它只能回收干燥室湿空气脱湿时放出的热量，难以实现干 燥室升温，当干燥室需要供热升温而不必除湿时，如果没有蒸汽或其它辅助热 源，一般需要启动辅助电加热器，故电耗较高。 双热源除湿机又称为热泵除湿干燥机，它与单热源的主要区别在于它具有 除湿和热泵两个工作循环，有两个蒸发器( 除湿蒸发器和热泵蒸发器) ，两个热 源( 干燥室湿空气和大气环境) ，并具有使干燥室除湿和升温两种功能。当干燥 室需要排湿时，除湿系统工作，与单热源除湿干燥机相同。当干燥室需要升温 时，可启动热泵系统，热泵蒸发器内的制冷工质从大气环境采热，通过压缩机 送至冷凝放出热量，加热空气使干燥室升温。这种空气由低温变为高温的功能 称为热泵( 借水泵之意) ，热泵供热的多少取决于环境温度t 。和供热温度t 。，t 。 越高供热越多，( t 。一t 。) 越小压缩机能耗越低。 1 5 5 按制冷循环级数分类 可以分为单级压缩干燥除湿热泵系统和多级，在多级压缩干燥除湿热泵系 统中，又有单一工质多级系统，和多工质的复叠式系统。 此外，除湿机按最高供风温度的高低分为低温( 小于4 0 左右) 、中温( 5 0 一7 0 ) 和高温( 7 0 ) 型，这主要与所用的制冷工质和所选用的压缩机等 1 7 部件有关。目前我国生产的除湿机大部分为中温型，少数厂家生产高温除湿机。 1 6 本课题研究的目的、意义 木材干燥是木材加工过程中一个重要的工艺过程，人们通过木材干燥来改善 木材物理力学性能，减少木材的降等损失，提高木材的利用率( 张璧光，2 0 0 2 ) 有利于保护有限的森林资源。但木材干燥的能耗较大，干燥工序耗能约占企业 加工总能耗的4 0 7 0 。目前我国主要以常规蒸汽干燥为主，在干燥过程中定期 排出湿热空气补充外界冷空气，因而能源利用率很低。 我国的能源环境问题包括能源对环境的影响和能源危机，要解决能源对环境 的不良影响，能源是发展国民经济重要的物质基础，环保是实现可持续发展的 必然要求。随着生产的发展，能源的供需矛盾日益严重，工业用能给环境造成 的压力日益增大，因此节约能源和环境保护具有重要意义。因此，高温热泵除 湿机的研究，对于提高我国能源利用率和减轻环境污染具有十分重要的现实意 义。 热泵除湿机的节能效果明显，但是除湿机本身也有自己的局限性，也要消耗 能量，特别在干燥过程的后期，可能出现只降温而不除湿，从而造成能量的浪 费现象。在干燥后期，由于被干燥物料木材含水率降低，实现干燥所需能量增 大，木材内水分的迁移更加困难，实现干燥所需能量增大，需要热泵的供风温 度更高，即需要提高冷凝温度；同时，也由于被干燥物料木材含水率降低，水 分蒸发减少，干燥窑内相对湿度下降，导致窑内空气介质露点温度降低，蒸发 温度降低。这个时期要实现高温还要除湿，如果采用单级压缩方案必然要导致 系统运行温差增大，压比增大，能耗上升。这种情