（工程热物理专业论文）种子热泵干燥的研究及其热力学分析.pdf

蒌望奎兰堡主丝苎塑兰l 一 种子热泵干燥研究及其热力学分析 摘要 能源问题、环境保护和可持续发展问题是二十一世纪的重大问题，目前已经 引起世界各国的高度重视，保护臭氧层和减缓温室效应已成为全球性问题，节约能 源，提高能源的利用效率和保护社会的可持续发展已成为当前世界各国面临的突出 问题，这也正是工程热物理学科研究的热点。本文针对上述目标为研究对象，用全 新的当量温度分析法，对蒸气压缩制冷循环进行了分析比较，研究了新型环保热泵 干燥机的节能特性，并对种子热泵干燥的热力参数和种子的干燥品质进行了深入的 研究。本文研究的课题主要涉及到热力学、传热传质学、环境与生命科学的交叉学 斜问题。 论文研究以下内容： 1 本文针对热泵干燥系统中的制冷剂替代和系统优化问题，通过对目前传 统的蒸气压缩式制冷( 热泵) 循环计算方法的分析研究，发现现有的分 析方法普遍存在忽略过热段温度的问题，从而导致理论计算与实际循环 产生偏差，甚至使某些制冷工质热力循环的理论分析结果与实际运行结 果相反。本文针对这一理论上的缺陷，从新视角提出用当量温度分析法 进行分析，消除了由于忽略过热段温度而产生计算偏差的问题，使理论 分析结果与实际运行相符。利用当量温度分析法对r 2 2 的过热循环、回 热循环进行了比较分析，使制冷工质的热力循环分析方法得以完善。 2 本文针对蒸气压缩制冷( 热泵) 循环中制冷工质受到的流动阻力，考虑 了制冷工质本身的可压缩性及各种流动阻力的影响因素，对蒸气压缩热 泵循环的压力损失进行了计算。在流动中无法避免压力的降低，必然会 对制冷工质的蒸发过程和冷凝过程造成影响，是制冷工质的蒸发和冷凝 相变过程无法保持定温过程，这样就更加说明了使用传统方法分析的不 准确性，更适宜使用当量温度分析法。并且对有蒸发压力损失和冷凝压 力损失的情况下，用两种方法进行了比较分析，研究了压力损失对性能 系数的影响。 3 本文考虑了热泵蒸气压缩循环和空气的加热除湿循环的相互作用和相互 影响，从热力学第定律、热力学第二定律、传热传质出发，建立了热 泵干燥的数学理论模型，分析了热泵干燥系统运行特性参数变化对干燥 空气温度和相对湿度的影响，理论分析结果与实验结果进行比较，精度 可靠，说明了热泵模拟程序的可靠性。并且通过分析得出了热泵干燥过 程存在一个最佳干燥温度，热泵干燥系统在最佳干燥温度下运行效率最 高。 墨堡叁堂堡圭堡壅里一 4 本文针对种子的干燥品质，对影响种子生命力的因素进行了分析，指出 了种子的含水量和干燥温度是决定种子干燥后保持原有生命力的重要因 素，分析了种子干燥过程中容易受到的损害情况，并且为此对黄瓜种 子、豆角种子进行了干燥实验和种子生命力测定实验，验证了热泵循环 中热力参数对种子干燥品质的影响，分析了干燥空气的干燥温度和相对 湿度对种子生命活力的影响。 本课题是国家自然科学基金重点资助项目5 9 7 3 6 1 3 0 和5 9 8 7 6 0 2 8 的部分 研究工作0 关键词t 热泵干燥 种子 当量温度 热力参数 干燥品质 盔鲨叁堂堡主堡奎 垒! ! ! ! ! ! ! 一一 t h er e s e a r c ho f h e a t p u m pd r y i n g f o r s e e d sa n di t st h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s a b s t r a c t e n e r g y , e n v i r o n m e n t a ip r o t e c t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti s s u e sa r et h ei m p o r t a n t i s s u e sg i v e nh i g h l ya a e n f i o nb yt h ew o r l dc o u n t r i e sa tt h e2 1c e n t u r y t h ep r o t e c t i o no f o z o n el a y e ra n dr e d u c t i o no fg r e e nh o u s ee f f e c th a v eb e c o m et h eg l o b a l l yc o n c e m e d i s s u e s s a v i n ge n e r g y a n d i n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c y a n d s o c i e t y s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n th a v eb e c o m et h ei m p o r t a n ti s s u e sf a c e db ym a n yc o u n t r i e s m si s a l s o t h er e s e a r c h i n gf o c u so fe n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c sd i s c i p l i n e i nt h i sp a p e rb a s e do n t h ea b o v ea 1 1 t h ev a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l ei sa n a l y z e da n dc o n t r a s t e dw i t h t h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em e t h o d n l es p e c i f i cp r o p e r t yo fe n e r g y s a v i n go fh e a t p u m pd r y e ri si n v e s t i g a t e d d r y i n gq u a l i t yo f s e e di se x a m i n e di nd e p t ha sw e l l t h i s p a p e r d e a l sw i t ht h ei s s u o si n v o l v e di nt h ei n t e r - d i s c i p l i n eo f t h e r m o d y n a m i c s h e a ta n d m a s st r a n s f e r , e n v i r o n m e n ta n db i o l o g ys c i e n c e s t h em a i nr e s u l t so ft h i st h e s i sa s f o l l o w s ： c o n c e m e dw i mc f c ss u b s t i t u t i o na n ds y s t e m0 p t i m i z a t i o ni nt h eh e a tp u m p d r y i n g s y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft r a d i t i o n a lv a p o rc o m p r e s s i o n r e f r i g e r a t i o n h e a t p u m pc y c l e ，a n d d i s c l o s e st h ec o l n n l o n p r o b l e m s o f i g n o r i n g t e m p e r a t u r ea ts u p e r - h e a ts t a g e w h i c hr e s u l t i nt h ed e v i a t i o nb e t w e e nt h e o r e t i c a l a n a l y s i sm a dp r a c t i c a lp e r f o r m a n c ei ns o m er e f r i g e r a n t s t h e r m o d y n a m i cc y c l e t h i s p a 口e ri sa i m e da tt h et h e o r e t i c a ld r a w b a c ka n dp r o p o s e st h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e m e t h o d ( e t m ) t o e l i m i n a t et h ec a l c u l a t i n gd e v i a t i o n t h e o r e t i c a lr e s u l t sc a n c o r r e s p o n d t op r a c t i c a lo n e sb yu s i n gt h et 汀m t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dc o n t r a s tt h er 2 2 v a p o r c o m p r e s s i o nc y c l e ，e s p e c i a l l yo fs u p e r - h e a ta n db a c k - h e a t i n gc y c l e i tm a k e st h e c a l c u l a t i n gm e t h o do fs i n g l er e f r i g e r a n tt h e r m o d y n a m i cc y c l et ob ep e r f e c t c o n c e m e dw i t ht h ef l o w i n gr e s i s t a n c ei m p a c to ft h ev a p o rc o m p r e s s i o n r e f r i g e r a t i o n h e a lp u m pc y c l e ，t h i sp a p e rc o n s i d e r st h ec o m p r e s s i b l en a t u r eo f r e f r i g e r a n ta n da l l k i n d so ft h ei r r e v e r s i b l ef a c t o r s ，a n dc a l c u l a t e st h ep r e s s u r el o s s e si nt h ec y c l e b e c a u s e t h ep r e s s u r ed r o pi nt h ef l o w i n gi sn o t a v o i d e d ，i tm u s ta f f e c tt h ep r o c e s so f e v a p o r a t i o n a n dc o n d e n s a t i o n t h et e m p e r a t u r eo f p h a s ec h a n c ed o e s n tm a i n t a i nc o n s t a n t i ts h o w s c l e a r l yt h a ti ti sn o te x a c tw i t l lt h et r a d i t i o n a lm e t h o da n dt h a ti ti sm o r es u i t a b l ef o r u s i n gt h ee t m o n t h ec o n d i t i o no f e v a p o r a t i n ga n dc o n d e n s i n gp r e s s u r el o s s e s t h e r e l a t i o no fp r e s s u r el o s s e sa n de 衢c i e n c yi s a n a l y z e da n dc o n t r a s t e db yu s i n gt w o m e t h o d s t h i sp a p e rc o n s i d e r st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh e a t p u m pv a p o rc o m p r e s s i o nc y c l ea n d n l 天津大学硕士论文 a b s t r a c t d r y i n ga i rd e h u m i d i f y i n g h e a t i n gc y c l e b a s e d o nt h ef i r s ta n ds e c o n dl a w so f t h e r m o d y n a m i c s ，t h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fh e a t p u m pd r y i n g i sb u i l t u p t h e i n f l u e n c e st h a tt h e c h a n g e s o fm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s h a v eo n d r y i n g t 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 ya r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r er e l i a b l e a c c o r d i n gt os i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t t h e r ee x i s t s a no p t i m u md r y i n gt e m p e r a t u r ei nh e a tp u m p d r y i n gp r o c e s s ，a tw h i c ht h eh e a tp u m p d r y i n gs y s t e mc a l lr e a c h am a x i m u m e f f i c i e n c y c o n c e r n e dw i t hd r y i n gq u a l i t yo fs e e d ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c t i v i t yo fs e e da r e a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ew a t e rc o m e mo fs e e d sa n dd r y i n gt e m p e r a t u r ea r et h e i m p o r t a n tf a c t o r s ，w h i c hk e 印t h es e e d sa c t i v ea f t e rb e i n gd r i e d t h ed a m a g e sb e i n g s u b j e c t e dt os e e d si nt h ed r y i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d a n dt h ed r y i n ge x p e r i m e n ta n d d e t e r m i n i n gs e e dv i g o re x p e r i m e n to nc u c u m b e ra n dk i d n e yb e a ns e e d sa r ep e r f o r m e d i ti st e s t e do nt h ed r y i n gq u a l i t yo fs e e d s ，a n dt h a t d r y i n gt e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v e h u m i d i t yh a v et h ee f f e c t so n t h es e e d s a c t i v i t y k e y w o r d s ：h e a tp u m pd r y i n g s e e d e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em e t h o d t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r d r y i n gq u a l i t y i v 鲞堡查堂堡主堡壅蔓：童堕堡 第一章绪论 能源问题是二十一世纪的重大问题。能源问题与全球变暖、大气污染、臭氧层 破坏、森林减少、放射性物排放等环境问题有关，如果人类要实现对环境产生最小 污染的能源利用，就必须同时考虑这些问题。能源、环境、可持续发展之间联系密 切，寻求可持续发展的社会必须有效合理地利用能源，但是，所有能源都会对环境 产生一定程度的影响，合理的解决办法是通过提高能源利用效率，部分地解决对可 持续发展产生限制的环境排放问题。高效率的生产过程和低能源消耗、低环境污染 之间的关系就是能源效率和环境污染之间的关系。因此，目前世界各国对环境保护 和可持续发展问题日益重视，保护臭氧层和减缓温室效应已成为全球性问题，这正 是工程热物理学科研究的热点。 1 - 1 课题研究的背景 人类文明是从火的发现和广泛使用开始的，人类使用火做饭、取暖、获得冶炼 的高温、把热能转换成机械功。但是，自从工业革命开始以来，人类广泛地使用石 油、煤、天然气等化石燃料，这些燃料的使用增加了二氧化碳在大气中的聚集量， 导致了全球变暖的开始。尽管在过去曾对温室气体的排放危险性发出过警告，但并 没有采取降低环境污染的重大行动，现在许多专家已经断言，全球变暖仍在持续。 在过去的二十年中，公众对全球变暖已经越来越了解，研究人员和政治家们已经通 过考虑能源，环境，可持续发展，开始关心全球变暖的问题了。 人类为了生存和发展，就要向环境不断地索取资源，同时也向环境排放了大量 的废热和废料。自然环境是人类生存和繁衍的物质基础，因此，保护和改善自然环 境是人类自身生存和可持续发展的前提。随着社会的进步，生产力的大大提高，人 类已在环境中逐渐处于主导地位。但人类所处生态系统的物流和能流是遵循热力学 定律的，只有遵守和顺应规律，人类才能持续地取得丰富而满足需要的能源，从而 长期不断地发展生产和提高生活水平。可是由于种种原因，当前生态系统和环境已 存在严重问题：大气严重污染，水资源空前短缺，森林惨遭毁灭，可用耕地不断减 少，大批物种濒临灭绝，一句话，这一时空系统的墒值正在超速增加，人类赖以生 存的自然环境正处在危机之中，而且已屡屡遭受大自然的报复和惩罚l l j 。日益恶 化的环境向人类提出：保护大自然，维持生态平衡是当前最紧迫的问题。 近几年来，人类的活动不断加剧，城市化的发展使土地使用模式和社会能源 使用方式发生了重大变化，它加速了从传统燃料( 术材、木炭、农作物废料) 向现 代燃料( 石油、煤、天然气) 的转变，人们将大量的矿产从地下开采1 t i 来，并且人 为地创造了一些自然环境中本来不存在的物质，使物质循环受到了空前的干扰，某 鲞整盔堂堡主堡苎 笙：童堑j 垒一 些物质的局部富集或缺乏，产生了不n t - 生物和人类生存的环境效应。人类的州、境 在长期的天体、地质演变过程中有相对的稳定性，环境的变化是以地质年代为参考 时间坐标的，各参数平均值的变化量可以说是准静态的。在人类社会的迅速发展 中，人类生产活动对环境的破坏已经扩散到整个地球及地球以外的大气环境中。热 力设备的发展和应用已经使环境偏离了原定态，每个生产过程都伴随着有害排放产 生的热污染和大气污染，生物的进化和繁衍需要相对稳定的自然环境，新的定态对 人类的生存肯定是不利的，因此，环境问题和气候变化起出现了。温室气体的排 放范围是广泛的，因此不能仅仅局限于某个地区，问题的本质是要有一个更加全面 的能源政策，来规范世界各国能源使用者和生产者的行为。 1 温室效应 与能源利用相联系的重要环境问题是全球性气候变化，也就是全球变暖或温室 效应。二氧化碳、甲烷、c f c s 、氮氧化物( o ，) 等温室气体在大气中的高度聚 集，限制了地球表面的热量辐射，增加了地球表面温度。根据观测，近百年来全球 气候的确在发生变化，在过去的一百年中，地球表面温度上升了0 6 ，海平面也 上升了2 0 厘米。这些变化在世界范围内对人类活动已经产生了广泛的影响，现在 估计二氧化碳对大气温室效应起到5 0 的作用。气候变化不排除天文和地理因素 的影响，但是人类活动是使温室效应气体浓度上升的主要原因。大多数科学家认为 温室气体的排放和全球变暖是因果关系，而且，许多科学家已经作过预言，如果大 气中温室气体含量继续按现在的趋势增长，地球温度在下个世纪将再升高2 4 ， 如果这种预言能够实现的话，海平面在二十一世纪末将上升3 0 - - 6 0 厘米，这种现象 将对世界产生巨大的作用，例如：沿海地区的洪水泛滥，高纬度地区适合农作物、 食品生产的肥沃地区将消失，农业灌溉和生产用水、生活用水的获得性降低，这些 结果都将会威胁整个人类的生存。 人类活动对二氧化碳和其他温室气体的排放起到了直接或间接作用。人类的经 济活动和生产活动( 例如：产生二氧化碳的化石燃料的燃烧、甲烷的排放，c f c s 的排放，森林的锐减等) 增加了温室气体的排放。化石燃料燃烧排放的二氧化碳占 总温室气体含量的5 0 ，天然气、从煤矿泄漏的甲烷也占了相当大的比例。为了 缓解温室效应，美国环保局制订的政策规定，通过改变能量的生产和使用方式来限 制温室气体的排放。美国环保局对发展中国家研究调查的数据表明j ，在未来的 二千年中发展中国家将是二氧化碳排放和整个废气排放的主要国家，与1 9 8 5 年9 亿吨的排放量相比，到2 0 2 5 年十七个主要发展中国家二氧化碳的排放量将达到3 6 亿吨。我国能源使用排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的8 0 ，据国际 环保机构计算”1 ，1 9 9 5 年，全球二氧化碳总排放量为2 2 0 亿吨，中国约为3 0 亿 吨，占总排放量的1 3 6 ，仅次于美国5 2 2 9 亿吨( 占2 3 7 ) 。对于发展中国家 茎莲盔堂堡主堡苎 箜二：童丝一 来说，要实现排放问题和经济发展之间的平衡，必须提高能源效率，实王见从化石燃 料向对环境具有友好性的能源形式( 再生能源和技术) 的转变，扩大森林覆盖面 积，实行先进的技术，降低能源的损耗，开发新能源，改变公众的生活方式，提高 公众的环境意识。 以上论述表明，限制人造温室气体的排放，减缓温室效应是环境发展的重要任 务。既然石油、天然气的资源储藏有限，清洁能源的开发前景路途遥远，那么，对 于能源生产者和能源消费者来说，既满足经济发展对能源的需求，又降低二氧化碳 排放的最好方法就是提高能源利用效率。 2 可持续发展与能源、环境 可持续发展是指“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构 成危害的发展。”可持续发展的重要因素是能源供给是可持续的，能源及其利用与 可持续发展是紧密联系的，为了获得或企图获得可持续发展，不仅要努力去发现可 持续的能源，还要提高能源利用过程中的效率，同时还要考虑到生态环境问题。 从能源与可持续发展的关系来说，社会发展对能源的需求是必须的，但社会对 能源的需求不一定能够被充分满足，社会的可持续发展要求能源的供给是长期稳定 的、可持续的，以合理的代价可持续获得的，在利用中不产生任何副作用。可是作 为能源供给的化石燃料通常是有限度的，因此，必须开发太阳能、风能、废物燃 料、生物燃料等再生能源。可持续发展要求能源尽可能地有效利用，这样，就可以 从能源使用中获得最大的社会效益，造成最小的不利影响( 例如环境污染等) 。因 为所有能源在一定程度上都是有限的，所以达到最大利用效率有利于能源的长期发 展，使能源发展具有持续性，能源利用率的提高，最终使能源变得便宜且能够广泛 获得，降低建立和维护系统设备的能源要求，降低能源的损耗。 从环境与可持续发展的关系来说，环境问题是可持续发展的重要因素，由于各 种原因，人类活动对环境影响的积累长期以来导致了各种问题。人类社会的环境问 题和能源利用是相互联系的，最理想的情况是，追求可持续发展的社会只利用对环 境无污染的能源。但是，绝大多数能源都会导致一定程度的环境污染，因此能源利 用对环境的排放及其副作用限制了社会的可持续发展，只有通过提高能源利用效率 来解决。很显然，能源效率和环境污染之间的关系密切，对于生产行业来说，低能 源消耗、低环境污染与高能源利用效率有关。提高能源利用效率，降低每单位输出 所需要的能量输入，可降低能源损失：考虑整个生产过程的能量和技术要求，在生 产过程中主要阶段的最大利用效率可以改进对环境的直接影响，降低对环境造成的 污染。 全球变暖是人类在二十一世纪面临的突出问题。这个问题是由于人类的生存和 发展引起的，今后人类必须在社会发展和环境保护中作出明智的抉择。因为大部分 蒌鲨盔堂堡主堡奎 笙：童堕堡一 传统的氟利昂化合物同时具有温室效应作用和臭氧层的破坏作用，所以要限制和停 止传统氟利昂化合物的使用和生产，并且要研究、生产无公害和低公害的替代工 质，来保护臭氧层和减缓温室效应。同时人类必须合理地开发能源，进一步提高化 石燃料的转换效率，提高能源的有效利用率，大力开发水电、太阳能、风能等洁净 能源，这样可以显著减少燃料的消耗和污染的排放，降低大气中二氧化碳的浓度， 减缓温室效应。这样，提高能源的利用效率，降低对环境造成的污染，就可以保证 社会的可持续发展。 1 - 2 热泵的研究动态 目前，人们已经开始严格控制和削减温室气体的排放，为此，开发再生能源和 节能技术得到了更大的推动，我国也将“开发与节能并重，近期把节能放在首位” 作为我国的能源方针。在各种能量消耗的最后物理形态中，以热消耗为最大，且以 小于1 0 0 c 的热消耗为最大。热力学分析表明，在小于1 0 0 的热消耗领域内，热 泵节能技术有很好的应用前景。热泵节能的实质是发挥高质能源质量上的优势，使 环境资源或被认为是无用的低温热资源提高一些温度，使它适合人们的利用，并在 数量上有所增加，从而减少矿物燃料燃烧排放的c 0 2 。熟泵技术的发展有利于合理 利用自然资源，有利于提高人民生活水平，有利于环境污染的治理，它可把社会效 益、经济效益和环境效益很好地结合起来，这也将是节能技术的重点所在。 在国外工业发达的国家，热泵作为一种有效的节能装置，在工业、农业、民用 等部门已经得到广泛的应用p j ，国内对热泵的研究、发展工作早在六十至八十年 代就已经开始了。热泵的用途无非是两种，一是蒸气压缩制冷循环，提供制冷量； 二是热泵可以进行致热循环，提供热量，另外，我们也可以同时利用热泵的上述两 种性质。热泵工业应用的主要形式有空调式热泵，采暖式热泵p j ，热水式热泵 一j ，太阳能热泵j ，地热热泵t s - 7 j 等。就开发热泵的利用资源来说，我们绝大多数 是利用热泵提供的热量来进行采暖，给水加热，低温干燥等用途。 在本篇论文中，我们主要讨论干燥式热泵。热泵干燥是干燥操作中有效的节 能技术之一，其原理在很多文献中已有论述，热泵干燥关键在于利用热泵将干燥废 气中的部分潜热和显热回收利用，从而大大降低干燥的能源损耗。在国外热泵干燥 已应用于木材、谷物、食品、制药、水产、纺织、化工、造纸、茶叶、洗衣等许多 行业，国外许多学者对热泵干燥过程进行了较为详细的研究。j e r z y 进行了木材干 燥，分析了热泵除湿干燥机的热力学性质，说明了现在干燥机与早期干燥机的区别 ”。在挪威a i v e s f i l h oa n ds t r o m m e n 对水果和树根进行了干燥实验，从多孔生物 材料和食品热泵干燥的研究中积累了丰富经验，认为热泵干燥机的高品质性、高效 率性、环境友好性在工业应用及工业再利用中具有强烈的吸引力l “j 。s p r a s e r t s a n a n dp s a e n s a b y 利用热泵提供的5 0 c - - - 6 0 c 干燥空气干燥橡胶、木材和香蕉，从热 蒌望盔堂堡主笙奎簦：童丝堡 动力学上、技术可行性上、经济的有效性上进行了分析，认为热泵干燥机适合于干 燥含湿量高的物料和进行批量干燥的初期操作“。为了满足生物物料干燥要求的 增加，a i v e s f i l h oa n ds t r o m m e n 在挪威技术研究院重新设计和建造新型热泵干燥 装置，进行了广泛的生物干燥研究，阐述了热泵干燥在水果、鳕鱼、虾、菌类生 物上的应用，研究了干燥条件对生物质量、性质的影响，说明了热泵干燥装置对热 敏性物料具有很高的开发潜力“。在瑞典，a b r a h a m s s o n 等人根据在化学工业中 的实际运行数据，在纸张干燥中使用不同的热泵干燥系统，回收废气中与含水量有 关的潜热，提出了最佳的节能措施【i 。热泵在芬兰、挪威、加拿大已经被广泛使 用，工业热泵主要应用在木材、鱼类干燥上，大约有1 0 0 0 台热泵来干燥木材，大 约有1 0 0 台熟泵干燥鱼类，在挪威工业热泵主要有四个方面的应用：渔场给鱼苗供 热水用热泵、蒸发用热泵、热回收用热泵、干燥用热泵。干燥是热泵最有发展的应 用，特别是对温度敏感性的物料，这种应用是现代工业热泵的主要应用。随着对先 进除湿技术要求的增长，从产品质量、节约能源、环境保护等方面考虑，热泵干燥 机对这类产品可能变得更加重要。s t r o m m e n 和k r a m e r 从1 9 9 4 年就对细胞、酶等 医药生物产品的干燥和对鱼、虾和热敏性产品的干燥进行了长期研究“。在1 9 9 7 年，德国科学家f s t e i m l e 和s c h m i d t 等人研制出了热泵衣物干燥机，论述了两台 除湿热泵分别采用r 1 3 4 a 的亚临界循环和c o ，的跨临界循环的热动力学性质并进 行了雌交 1 6 o 在国内对热泵干燥的研究也得到了深入发展，西南农业大学等单位进行了茶叶 热泵干燥中期试验研究“。结果表明，与传统烘干工艺相比热泵干燥的能源费用 节约了3 0 一4 0 ，综合成本下降了2 0 5 。天津大学也在热泵干燥的实验研究与 理论分析方面进行了一定的研究工作。u j 。近几年来，北京林业大学一直致力于 木材热泵干燥的研究m “，积累了大量的实验数据和实践经验，而且在实际运行 中节能效果和干燥效果均较为理想。广东省农机研究所开发出了应用于农副产品的 热泵干燥装置弘“，上海能源研究所与上海种子公司合作开发了粮食种子热泵干燥 装置卜，节能效果和干燥品质都非常理想。 综上所述，由于热泵的广泛应用，当代学者对热泵的研究也越来越深入。主 要讨论了热泵的热力性能，热泵的热力循环分析及其优化，热泵的能源利用和经济 可行性分析。在干燥性能中，也主要从干燥速率、含湿量论述了热泵整机的干燥作 用效果。通过以上论述表明了热泵干燥具有能源消耗少，环境污染小，干燥品质 高，适用范围广的优点，因此热泵装置是干燥的理想机械。 1 - 3 本文研究的主要内容 能源，环境，可持续发展是密切联系的，提高能源利用效率，节约能耗是 重要的解决途径，热泵的运行特点和热力循环性质决定了其在节能中处于有利 丕望查堂堡主堡壅 蔓：皇堡堡一 的地位。本文的种子热泵干燥是首次进行的跨学科实验研究，把热力学，传热 传质学和生命科学紧密的结合起来，工业上使用热泵来干燥的木材、纸张、农 作物、水果等于燥物料通常是无生命活性的，目的是干燥除去水分，使干燥物 料在恰当的含水量下便于保藏和贮存，防止干燥物料因水分过多而变性，因此 这种热泵干燥研究的多是以干燥速度，单位除湿量为衡量标准的，比较重视追 求干燥的除湿特性。而我们的实验用物料是用来作为播种的种子，其目的是种 子在干燥结束保存一段时间后，种子仍具有发芽的生命力。因此，追求的是干 燥后种子的品质。所以我们在提高能源利用率中考虑热泵的热力循环性能的同 时，还考虑了热泵种子干燥的品质及其它影响种子干燥品质的因素，本文从以 上两方面出发进行了以下主要内容的研究： ( 1 ) 本文从热泵干燥的基本循环出发，运用了当量温度分析法的新思想； 从变温的新角度出发对热泵蒸气制冷循环进行了分析。 ( 2 ) 从提高热泵的能源利用效率出发，对热泵热力循环过程中的压力损失 进行了分析，对蒸发器和冷凝器进行了压损校核计算，并且用当量温 度分析法重新分析了蒸发过程和冷凝过程中循环效率的变化。 ( 3 ) 综合考虑热泵循环和干燥循环的相互作用，提出了热泵种子干燥循环 的数学模型，从理论上和实验上分析了热泵循环中热力参数对干燥温 度、干燥空气的相对湿度的影响。 ( 4 ) 从种子的干燥品质出发，进行了黄瓜种子、豆角种子的干燥实验，通 过种子干燥实验和种子发芽实验，分析了干燥空气的干燥温度和相对 湿度对种子干燥品质的影响。 天津大学硕士论文第二章蒸气压缩热霉堡墅盟垫查堂坌丛 第二章蒸气压缩热泵循环的热力学分析 种子热泵干燥循环通常由热泵循环和空气循环组成，热泵干燥装置中重要 的组成设备是热泵，目前，热泵干燥系统中热泵循环通常是以蒸气压缩制冷循 环为基础的，最常用的是蒸气压缩式热泵，因此我们有必要对蒸气压缩制冷循 环进行深入研究。但是，蒸气压缩式热泵现在使用的一些制冷剂对大气臭氧层 有破坏作用和对全球气候的变化造成了影响，同时热泵干燥系统消耗了一定的 能源，从环境、能源、可持续发展出发，寻求替代工质和降低热泵干燥系统的 能耗已成为当今工程热物理学科的前沿课题。本章在传统蒸气压缩循环的基础 上，通过使用新的“当量温度分析法”完善了单工质的理论循环分析。 2 - i 蒸气压缩制冷循环 热泵干燥循环是以蒸气压缩循环为基础的，因此在研究热泵干燥循环之前 有必要研究热泵的蒸气压缩循环。对于传统的蒸气压缩理论循环如图2 。l 所 示，我们是建立在以下假设基础之上的：( 1 ) 压缩机压缩过程1 2 为等熵过 程；( 2 ) 认为在冷凝器和蒸发器中进行的过程是恒温恒压过程，没有液体过 冷和吸气过程；( 3 ) 制冷工质在循环中没有流动压力损失和热损失；( 4 ) 在 3 - 4 的制冷工质节流过程中与外界环境没有热交换。 t 图2 - i 理论蒸气压缩制冷循环 s t s 圈2 - 2 实际蒸气压缩制冷循环 根据上述假设如果我们暂时先不考虑制冷系统管道，换热器以及进排气阀 等流动阻力引起的压力降，则图2 - 2 清楚地在t - $ 图上表明了实际蒸气压缩循 环与图2 - 1 所示理论蒸气压缩循环的差异。对于压缩过程的不可逆损失，我们 常常用简单的指示效率来改善用理论方法计算带来的影响。然而在制冷行业的 7 丕生盔堂堡主堡塞 笙三童薹墨垦堕垫茎堡堑箜垫垄兰坌堑一 研究设计中，我们更需要注意的是实际循环中的液体过冷和蒸气过热与理论循 环中的第( 2 ) 点假设的矛盾。为了方便分析，假设循环中的全部放热和吸热 过程分别在冷凝器和蒸发器中完成，则理论循环对冷凝器和蒸发器的计算只考 虑到用工质的相变温度来计算制冷循环的吸热量和放热量，并没有考虑实际循 环中液体过冷和蒸气过热等变温过程对循环性能系数的影响。于是在制冷热力 学的分析上，无论是制冷工程的设计，还是制冷剂的优劣评价等，都会由于采 用理论循环而带来误差。基于采用理论循环中将相变温度作为吸热温度和放热 温度的缺陷，本文提出使用当量温度分析法，来进一步完善理论循环分析。 2 - 2 用当量温度法分析蒸气压缩制冷循环 在热力循环中，有各式各样的变温过程，有单工质定温相变加液体过冷和 蒸气过热的多段过程；有非共沸混合工质定压变温相变过程；也有如c 0 2 在 超临界区内比热随温度变化很大的变温过程；而且在蒸气压缩热泵循环中若存 在吸气过热、液体过冷，则吸热过程的过热段和放热过程的过冷段也是变温 的，这说明用传统的蒸发温度和冷凝温度为标准来进行分析就显得不准确了。 那么为了分析和评测的方便，如何将变温过程变换成当量的定温过程呢? 为此 我们在吸热过程和放热过程中提出了当量蒸发温度和当量冷凝温度，将过热区 的变温吸热和变温放热过程变换成等效的定温吸热和定温放热过程，这个循环 仍然是可逆循环，只要两个热源温度确定，循环效率即确定了，与所采用的工 质性质无关，这与热力学第二定律和卡诺定理是一致的。 本文的当量温度定义为：把蒸气压缩制冷循环过热区和两相区的温度加 权平均，就可把变温过程变换成等效的定温过程，本文把该等效定温过程所对 应的温度定义为当量温度纸用当量蒸发温度t e e 和当量冷凝温度t e c d 为基 准，对蒸气压缩制冷循环进行重新分析，将有助于消除传统分析方法的缺陷及 产生的某些困惑，以寻求提高循环效率的途径。 根据以上论述，当量温度的定义式如下： t e = 醌 式中：舾一变温过程中的当量温度； i 一变温过程中各换热段的当量温度； z 2 击f q 聊臣摹五二二二磊纛；磊磊主意嚣 c 。变温过程中各换热段的定压比热 鲞堡盔堂堡主堡壅 笙三童董皇垦塑垫壅堡塑曼望望垄兰塑旦一 t ，疋变温过程的起点温度和终点温度 ：生且窆a = l q ，= q 变温过程的传热量； 丑每个换热段换热量占总换热量的权值： h 囊每个换热段的换热量；其中 = 孽； i = 1 用传统温度分析方法和当量温度分析方法对蒸气压缩制冷循环进行了理论 分析。 计算工况l ：认为压缩过程为理想的等熵过程，蒸发温度等于5 ，冷凝 温度等于4 0 c ，使吸气过热度发生变化，没有液体过冷。在每次过热度不同 的情况下，用传统温度和当量温度分析法分别对r 2 2 - k 质进行理论分析计算， 采用的制冷系数和致热系数计算公式分别为： 肛嚣 和 c d 尸2 嚣 其中： 占一一一青4 冷系数： c o p 一一致热系数： g 。一一单位工质制冷量； 吼一一单位工质致热量； 一一单位工质等熵压缩时压缩机的功率； 结果如图2 3 和图2 - 4 所示，分析如下： ( 1 )图2 3 是用传统的温度分析法计算的性能系数，横坐标是过热 度，纵坐标是性能系数，1 ，2 分别代表致热系数、制冷系数。 性能系数随着过热度的增加而下降，说明了尽管过热蒸发能够 避免液击对压缩机造成损害，但不利于提高致热系数和制冷系 数，传统温度分析法得出的结论为蒸发的过热是不利的。 ( 2 )图2 4 是用当量温度分析法计算的性能系数，横坐标是过热 度，纵坐标是性能系数，1 ，2 分别代表致热系数、制冷系数。 性能系数随着过热度的增加而增加，但是增加趋势缓慢。过热 蒸发是变温过程，当量温度法考虑到了过热段增加的热量，避 免了传统温度分析法没考虑过热段的换热优势而产生的误差， 9 丕堡盔兰堡主堡壅 笙三童萎皇堕塑垫茎堡堑堕垫垄兰坌堑一 采用过热循环也增加了蒸发过程的吸热量和冷凝过程的放热 量，这样提高了热泵的蒸发除湿能力和冷凝加热能力，增加了 干燥中的传热传质推动势。 图2 - 3 传统温度法分析过热循环圈2 - 4 当量沮度法分析过热循环 计算工况2 ：利用回热的方法产生液体过冷和蒸气过热，蒸发温度等于4 ，冷凝温度等于4 5 c ，并认为压缩过程为理想的等熵过程。为了有利于对 比，采用相同的回热度，并以过热度的增量作为变量，用两种分析方法对r 2 2 工质进行了理论分析计算和比较，结果如图2 5 所示。 结果分析：对于有过热、过冷的蒸气压缩回热循环，传统温度分析法和当 量温度分析法的致热系数和制冷系数随着过热度的增加而增加，变化趋势相 同，区别在于当量温度的 性能系数比传统温度的性竺 能系数稍大。主要因为当 s o 量温度分析法考虑了过热 冀 段、过冷段的换热量，在 。5 4 效果上相当于增加了蒸发 慧驰5 0 温度，降低了冷凝温度。 盘4 8 通过上述分析得知， 翅： 用传统的冷凝温度和蒸发4 2 温度分析有过热、过冷的3 ； 循环，因为所使用的状态登 方程的精度较低，计算误 差往往掩盖了其隐含的规 律性。随着高精度状态方 程和方便的计算程序的出 1 0 过热度 图2 - 5 两种方法分析回热循环 5 4 5 2 5 0 。： 瓤4 4 4 2 聪冀 殳3 6 器3 3 2 4 3 o 黧 2 盔望盔兰堡主堡茎 整三童蔓皇匹塑垫壅堕堡堕垫尘茎坌堑一 现，传统温度方法已经满足不了要求了，而我们提出的当量温度法，概念清 晰，能够符合理论要求，但还需要进一步的实践验证。 ：2 - 3 当量温度分析法的实验研究 在热泵系统无干燥负荷的情况下，进行了变工况的热泵蒸气压缩循环的运 行实验。在试验中采用回热来产生吸气过热和蒸气过冷，压缩机采用开式活塞 式压缩机，节流采用热力膨胀阀完成。为了分析热泵蒸气压缩循环在过热区的 性能，我们通过改变对冷凝水量流量的调节和对节流阀开度的调整，来实现过 热度对热泵蒸气压缩循环性能系数的影响，记录下热泵蒸气压缩循环中的蒸发 温度、冷凝温度，根据实验测得的数据，对蒸气压缩制冷循环用传统温度分析 法进行了热力计算，并且对每个工况用当量温度分析法又重新进行了计算并进 行分析比较，结果如图所示。 过热度 圈2 - 6 两种方法回热循环制冷系数比较 过热度 圈2 - 7 两种方法回燕循环致热系数比较 结果说明如下： ( 1 ) 图2 6 和图2 7 是在蒸发温度保持5 ，冷凝温度保持4 0 不变