（机械设计及理论专业论文）石膏基墙板热泵干燥系统性能的仿真与实验研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 石膏基墙板是一种典型的绿色建材产品，干燥是石膏基墙板生产 中的重要工艺过程，合理的干燥系统设计能提高石膏基墙板生产率， 保证石膏基墙板质量。 鉴于目前石膏基墙板主要依靠自然风干或简易高能耗隧道烘干 法的现状，本文参照热泵干燥理论，将热泵技术应用于石膏基墙板的 干燥，以长沙归一建材科技有限公司试制的一套小规模的石膏基墙板 热泵干燥系统为研究对象，以得到系统最佳除湿能耗比和系统最优运 行参数为研究目标，运用理论分析、仿真模拟和试验验证的方法，对 石膏基墙板热泵干燥系统建模、系统性能进行模拟与实验研究，具体 工作如下： 1 ) 确定及分析石膏基墙板热泵干燥系统，确定系统的主要参数。 在此基础上以能量守恒定律、质量守恒定律及传热状态方程为理论依 据，推导出冷凝器、蒸发器、节流阀、压缩机、干燥室等各部件的传 热传质模型，利用m a t l a b 编程计算系统稳定运行时的性能指标一除 湿能耗比s m e r 和每千克干燥介质流经蒸发器的除湿量。 2 ) 综合考虑系统四个独立运行参数：蒸发温度、冷凝温度、干 燥室出口介质速度和干燥室介质出口介质温度对系统除湿能耗比和 一个干燥周期内系统的总除湿量的影响，确定了使系统的除湿能耗比 和除湿量等综合性能最优的运行参数。 3 ) 建立石膏基墙板加热干燥过程温度场的a n s y s 仿真模型，运 用a n s y s 热分析模块模拟加热干燥过程中墙板内部瞬态温度场分布， 得到墙板内部温度场变化规律图。 4 ) 通过墙板干燥实验和对实验结果分析，验证工质冷凝温度、 工质蒸发温度对系统除湿能耗比的影响。 关键词：石膏基墙板，热泵干燥系统，建模，除湿能耗比，温度场 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t l 认c t g y p s u m b a s e dw a l l b o a r d i sak i n d o f t y p i c a lg r e e nb u i l d i n g m a t e r i a l sp r o d u c t s s i n c ed r y i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s so fg y p s u m b a s e d w a l l b o a r dp r o d u c t i o n ，a n a p p r o p r i a t ed e s i g n o fd r y i n g s y s t e m c a n i m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo f t h eg y p s u m - b a s e dw a l l b o a r d ，a n da l s oe n s u r e i t sq u a l i t y a tp r e s e n t ，t h eg y p s u m b a s e dw a l l b o a r dp r o d u c t i o nr e l i e dm a i n l y o nn a t u r a ld r y i n ga n ds i m p l ed r y i n gm e t h o do fh i g h e n e r g yt u n n e l i n v i e wo f t h i s ，t a k i n gr e f e r e n c ef r o mt h eh e a t i n gp u m p sd r y i n gt h e o r y , t h i s t h e s i s a p p l i e dt h eh e a t i n gp u m pt e c h n o l o g y t ot h eg y p s u m b a s e d w a l l b o a r d d r y i n gp r o c e d u r ea n dt o o ka s m a l l s c a l e g y p s u m - b a s e d w a l l b o a r dd r y i n gs y s t e ma st h eo b j e c t ，w h i c hw a sat r i a l m a n u f a c t u r e r o f c h a n g s h ag u i y ib u i l d i n gm a t e r i a lc o m p a n yl t d ，s oa st og e t t i n gt h e b e s t s y s t e m r a t i oo fd e h u m i d i f i c a t i o n e n e r g y - c o n s u m p t i o n a n dt h e o p t i m a lo p e r a t i n gp a r a m e t e r t h et h e s i sa p p l i e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， r e a l i t y s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d st ot h es t u d yo ft h e g y p s u m - b a s e dw a l l b o a r d sd r y i n gs y s t e ma n ds y s t e m a t i ci m i t a t i o na n d e x p e r i m e n t f o l l o w i n gw e r et h ed e t a i l e dw o r k ： 1 ) h e a t i n gp u m pd r y i n gs y s t e mo ft h eg y p s u m - b a s e dw a l l b o a r di s c o n f i r m e da n da n a l y z e d ；t h em a i nr e f e r e n c ef i g u r e so ft h es y s t e mi s c o n f i r m e d o nt h eb a s eo fa b o v e ，t a k i n gt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nl a w s ，t h e m a s sc o n s e r v a t i o nl a w sa n dh e a tp a s s i n ge q u m i o n sa st h em a i nt h e o r y a c c o r d a n c e ，t h ec o m p u t e rm o d a lo fc o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , e x p a n s i o n v a l v ea r ef i g u r e do u t ，e v a p o r a t o ra n dd r y i n gr o o m t h ef u n c t i o ni n d i c a t o r - - s p e c i f i cm o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e ( s m e r ) a n dt h ed e h u m i d i f i c a t i o n c a p a c i t yo ft h ed r y i n gm e s o nf l o w i n ga c r o s st h ee v a p o r a t i n gi m p l e m e n t a r ep r e d i c t e dt h r o u g hs i m u l a t i o nm e t h o dw h e nt h es y s t e mr u n ss t e a d i l y 2 ) c o n s i d e r i n g t h ef o u ri n f l u e n c e sf r o mt h e e v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r e ，t h es o l i d i f yt e m p e r a t u r e ，m e d i u ms p e e da n dm e d i u m t e m p e r a t u r ei n t h e d r y i n g c h a m b e ro u t l e to nt h e s p e c i f i c m o i s t u r e e x t r a c t i o nr a t ea n dt h et o t a ls y s t e md e h u m i d i f i c a t i o nr a t ei nad r y i n g p e r i o d ，t h eb e s ts p e c i f i cm o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t ei sc o n f i r m e d ，a n d n m e a n w h i l et h ed e h u m i d i f i c a t i o ne n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h et o t a ls v s t e m d e h u m i d i f i c a t i o nr a t ei nad r y i n gp e r i o da r r i v ea tt h eb e s t c o n d i t i o n 3 ) g y p s u m b a s e dw a l l b o a r dh e a t i n ga n dd r y i n gp r o c e s sa n s y s s l m u l a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l di s e s t a b l i s h e d ，t h e nt h ea n s y s h e a t l n ga n a l y s i sm o d a li su s e dt os i m u l a t et h ew i n k i n g t e m p e r a t u r es p a c e d l s t r i b u t i o n ，a n dt h ev a r i a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l dw a l lc h a r ti s o b t a i n e d 4 ) t h ei n f l u e n c eo ft h es o l i d i f yt e m p e r a t u r ea n dt h ee v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r eo ft h ep r o c e d u r eo ns p e c i f i cm o i s t u r e e x t r a c t i o nr a t ei s p r o v e dt h r o u g ht h ew a l l b o a r d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s d r y i n ge x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so f k e y w o r d s ：g y p s u m - b a s e dw a l l b o a r d ，h e a tp u m pd r y i n gs y s t e m ，m o d e l i n g ， s p e c i f i cm o i s t u r ee x t r a c t i o nr a t e ，t e m p e r a t u r ef i e l d s i i i 中南火学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文的背景 第一章绪论 石膏基墙板有轻质、速成、保温、隔音、耐火等特点，并且对环境没有污染， 节约能源，是一种典型的绿色建材产品与理想的新型墙体材料，在建筑使用时有 着其它材料无可比拟的优异性能。石膏基墙板实体如图1 - 1 所示。在发达国家石 膏基墙板已作为墙材的主流产品n 1 ，但我国石膏基墙板的使用才刚刚起步。发达 国家中石膏墙体在整个建筑墙体中占4 0 到5 0 ( 美国高达7 0 ) ，但我国石膏基 墙板的使用才刚刚起步，不到百分之五，如按人均需求o 1m 2 年的速度增加， 我国每年新增石膏基墙板需求为1 2 亿开。近年来，随着人们对环境保护意识的 增强和石膏基墙板在工程中的成功应用，在国内石膏基墙板也渐渐成了一种受欢 迎的轻质墙板，未来我国石膏墙材会发展成为主流墙材乜。3 1 ，而对石膏基墙板生产 设备的研发要求越来越高，但由于国内墙板生产成型和后期养护干燥等工艺设备 比较原始，石膏基墙板质量难以得到保证，因此大力开发石膏基墙板生产工艺设 备具有十分重要的意义h 1 。 图卜1 石膏基墙板 干燥是石膏基墙板生产中的重要工艺过程。合理的干燥装置设计能提高墙板 的生产率，保证石膏基墙板的质量。但是，目前国内外对于石膏基墙板干燥过程 和设备的研究甚少，且石膏基墙板的干燥理论尚不够成熟，石膏养护干燥设备还 未得到大范围的推广。所以，研究石膏基墙板的干燥理论，开发石膏基墙板干燥 设备具有十分重要的意义。 工业上，石膏基墙板干燥常采用自然晾干或将墙板置于专门的干燥室中加热 烘干。自然晾干干燥法干燥周期长，占地面积大，且受气候影响较大，特别是南 方地区雨水较多，湿度大，难以保证干燥质量。虽然室内隧道烘干干燥法生产效 率较高，但在没有余热利用的地方能源消耗大，干燥成本高。该方法可以采用窑 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 炉余热、烟道废气、暖风机交换的热空气为热源，但采用这种干燥方法热源的来 源及稳定性会受配套设备的较大影响，热源温度和湿度的变化易使墙板发生变 形、炸裂、粉化等质量问题，这就要求我们采用合理的干燥制度，严格按照工艺 规定执行。因此，对于采用何种干燥方法，需同时考虑保证干燥产品的质量及干 燥中的节能。 在传统的干燥设备中，对流干燥法以其结构较简单、操作方便、适应性强等 优点得到普遍应用，是当前生产中采用最多的一种干燥设备。对流干燥的缺点是 热利用率很低，一般仅3 0 6 0 ，其主要原因为由于干燥过程废气的直接排向 空气，不仅因废气带走余热造成浪费，同时也污染了环境。尽管在少数对流干燥 中采用部分废气循环能回收一部分余热，然而受到废气循环量的限制，一般只为 2 0 3 0 。用常规的换热器虽然能回收废气中部分显热，但废气中6 0 至u8 0 的 热量为潜热形式，还是会被排放掉。要回收其中的潜热，就需要把废气冷却到露 点温度以下，且还要使回收的潜热在适当的温度范围，再用在干燥过程，能实现 这一过程的装置就是热泵。热泵干燥通过降温除湿后再通过升温来降低干燥介质 的相对湿度，在能保证干燥物料的干燥温度条件时，达到需要的干燥相对温度， 从而对干燥物料的含水率进行控制。采用热泵干燥关键在于可以回收利用热泵干 燥废气中的一部分潜热和显热，可以大大降低干燥能耗，具有较高效节能的环保 优势。 热泵是利用水、空气和各种余热等低温热源的一种清洁且节能的装置。热泵 能从自然环境或余热资源中吸热从而获得比输入能更多的输出热能，所以可以节 省采暖、空调、供热水及工业加热所需的初级能源。因此，热泵是最有效利用能 量提供热量和冷量的方法，其能够控制湿度和温度可在2 0 l o o 任意可调晦1 ， 所以应用热泵干燥具有很大的潜力。热泵自身不会像锅炉那样产生热量，然而它 能够把热量从低温位提升到高温位，热泵的温升是其输出温度和热源温度之差。 论文正是结合石膏基墙板工业化大生产，立足于石膏基墙板的生产和实际应 用需要，将热泵技术应用于石膏基墙板的干燥，以p r o e 、a n s y s 、m a tl a b 等软 件为工具，对热泵加热干燥石膏基墙板的过程进行仿真和试验研究，以及在此基 础上的实验将为石膏基墙板干燥技术提供技术支持。 论文来源于导师与长沙归一建材科技有限公司合作项目“热泵干燥技术在石 膏基墙板干燥的应用研究”合作项目，目的是为石膏基墙板流水生产线的重要设 备一石膏基墙板热泵干燥系统的研制提供一些理论、技术及实验的支持。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 石膏基墙板干燥 1 2 1 石膏基墙板的干燥机理 石膏基墙板生产过程中主要发生的化学反应如式( - 1 ) 呻1 ： c a 2 s 0 4 1 2 h 2 0 + 3 2 h 2 0 + nh 2 0 = c a 2 s 0 4 2 h 2 0 + nh 2 0 ( 1 1 ) 式( 卜1 ) 可以看出，在石膏基墙板的生产过程中，加入的水分仅一部分参 加了式( 1 ) 的水化反应，变成了结晶水，但更多的一部分水为剩余游离状态的 还留在石膏基墙板中。 石膏基墙板干燥以热空气作为干燥介质，在干燥过程中高温干燥介质将热量 传给湿的石膏基墙板，使墙板表面水分汽化，汽化的水分会由空气带走，干燥介 质既是载热体又是载湿体，它把热量传给石膏基墙板的同时，又将墙板中汽化出 来的水分带走盯1 。所以，墙板的干燥是传热传质同时发生的过程，传热的方向是 气相到固相，高温干燥介质和湿物料的温差是传热的推动力；传质的方向为由固 相到气相，传质的推动力为物料表面的水蒸汽分压和高温干燥介质中水蒸汽分压 之差。干燥速率由传热速率与传质速率共同控制。 在石膏基墙板干燥的过程中，高温干燥介质会使石膏基墙板水分蒸发，同时 降低石膏基墙板表面的水分浓度，因此石膏基墙板表面水分浓度与内部水分浓度 形成一定的湿度差，内部的水分就会通过毛细管力作用扩散至表面来，从而使已 破坏了的水分重新建立起浓度平衡。只要干燥介质一直维持在不饱和状态，这个 过程就会一直进行下去。在我国南方地区，当石膏基墙板中的水分1 2 时，即 达到出厂标准哺1 。这时，原来游离水在墙板内所占据的空间会变成毛细孔，石膏 基墙板干燥过程即结束。 石膏基墙板内部具有很高的孔隙率，孔隙由水分或空气或气液两相占有，所 以属于多孔物料。墙板的热泵干燥问题就是从墙板内脱去水分的问题，是一个热 力干燥过程，其本质就是一个热量与质量的耦合传递过程。一方面，墙板从干燥 介质中吸收热量，即热量会从墙板的外部向其内部进行传递；另一方面，墙板内 部的水分则从内向外进行传递，直到墙板的含水量降低到满足工艺要求为止。 石膏基墙板干燥过程进行的条件为湿分在墙板表面的蒸汽压要超过干燥介 质中的蒸汽压。因此，墙板干燥过程特性不但取决于高温干燥介质的性质等外部 条件，而且与墙板内部所含水分的性质，物料和水分结合的特性及结合强度等内 部条件也有很大的关系。 石膏基墙板干燥过程的特点可以归纳如下： ( 1 ) 其干燥过程是一种典型的非稳态不可逆过程，这一过程既随时间变化且具有 不可逆转的特性： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 其干燥过程有多相多组分参与，因此一般要涉及相间和相变传热传质，影响 因素众多、关系复杂； ( 3 ) 在其干燥过程中传热传质是相互耦合的； ( 4 ) 干燥过程与墙板物料性质、干燥环境以及干燥方式关系密切。 1 2 2 石膏基墙板的干燥过程分析 石膏基墙板的干燥可认为由两个阶段组成，即成型固化时的干燥与墙板存放 时的干燥峥1 。 ( 1 ) 成型固化时的干燥 石膏与水以一定比例混合发生化学反应后，注入模具后的石膏浆料经2 5 - - - 3 0 m i n 后达到终凝，并且硬化形成固体。化学反应时放出的热量将石膏基墙板内 的部分多余水以蒸汽的形式排放，此时石膏基墙板表面的温度可达3 0 左右， 这时就开始了石膏基墙板干燥的第一阶段。 ( 2 ) 墙板存放时的干燥 这一阶段可以采用自然晾干或把将墙板置于专门的干燥室中，墙板开始第二 阶段的干燥。该阶段为墙板干燥的主要过程，会排除大部分的水分。墙板干燥速 率、干燥效果直接受干燥介质温度、湿度、风速的影响，且也与墙板体积、形状、 薄厚等有较大关系。另外，这一过程也是极易出现破损的环节，若管理不善，容 易使墙板产生变形、炸裂、粉化等缺陷，这就要求我们采用合理的干燥制度，严 格按照工艺规定执行。墙板经过初步干燥后，关掉暖风机，开启排潮风扇，把干 燥介质缓慢降到大气环境温度，以防墙板开裂。 干燥时需将石膏基墙板码放整齐，保证四角落地平稳，应用卡具把石膏基墙 板紧固后干燥，墙板和墙板之间要留有l o m 左右的距离。墙板干燥部位要保持 洁净，避免粉尘太多堵塞墙板的毛细孔，影响墙板的工作性能。因此，应采取合 理的干燥制度，促使墙板能在较短时间内尽快排除多余游离状态的水，以免石膏 基墙板开裂。石膏基墙板的干燥过程应成为工艺控制的重要内容。如果对石膏基 墙板采用合理的干燥制度，将能使墙板的强度、使用寿命有较大的提高，可达到 提质创效的效果。 石膏基墙板的干燥设备设计，要从实用、合理、环保、节能等角度，在保证 产量规模的同时，尽量降低投资，以符合环保要求原则下进行。 1 2 3 石膏基墙板干燥方法现状及发展趋势 目前石膏基墙板的干燥理论尚不够成熟。h e n r yw s c h u e t t e 等n 们开发了快 速干燥石膏板系统，系统有独立的干燥房，该干燥房具有多层、紧密、连续等特 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 点，热空气在干燥房中做为干燥介质从高速、交错的喷嘴中射出掠过一个移动的 石膏板；而且该系统具有空气再循环的功能，并有防止墙板边缘过渡加热措施。 c h e s t e rr n o w i c k 等n 1 1 设计了一种石膏基墙板干燥方法和设备，这种设备将空 气通过风扇加速、经过高温火焰加热进而对石膏基墙板烘干除水，上述两种干燥 系统均是针对于常见的纸面石膏板类开发的，石膏板厚度通常在l o m m 左右，而 本文的石膏基墙板厚度一般在9 0 一- - 1 2 0 m m ，含水量大，干燥所需时间长，上述方 法实际上不适用。长沙归一建材科技有限公司开发了一套简易的石膏基墙板养护 干燥房，实现了石膏基墙板高效、高质的干燥，韩玮等口1 以此为干燥房为原型， 通过实验测定数据，得到了石膏基墙板干燥速率曲线，总结了石膏基墙板的失水 率与干燥温度的关系。而国内大部分厂家采用的干燥方法如下： ( 1 ) 自然干燥法 靠自然晾晒，在室内与室外均可采用此法干燥，但自然晾晒受气候影响较严 重，且占地面积大，特别是我国南方多雨地区更将使干燥周期加长，伎墙板生产 成型设备不能满负荷运转；另一方面会出现墙板干燥程度不一，含水率差别大， 墙板质量不稳定；同时搬运次数的增加、碰撞严重，使合格率降低。这些都严重 影响了石膏基墙板产业的发展。因此，大型石膏基墙板生产厂家不宜采用此法。 ( 2 ) 室式干燥法 这是最常见的一种干燥方法。通常以热空气和窑炉余热等为热源，室内一般 有暖风机、排潮风扇、热管等设备，有的还设置有地坑、温度自控装置等。干燥 温度为6 0 8 0 ，干燥周期一般在1 天以内。 1 3 热泵干燥技术的概况 工程上实用的干燥方法有很多，若从脱水原理角度去分类，有无相变液态水 脱出，水分发生相变以蒸汽形式逸出，以及液态水与水变汽后传输同时发生等。 从脱水方法上，可分为机械脱水( 其中包括压榨、离心分离、过滤等方法) ，接触 湿交换( 其中包括湿物料和吸湿物料接触、保护介质和湿物料接触等) ，和热脱水 ( 包括不改变物料周围介质压力与改变物料周围介质压力等两种加热干燥法) 等。 其中，热干燥为应用最广泛的一种干燥方式。热干燥是外界向物料提供热量，使 物料中的液态水变为水蒸气，然后蒸汽再从物料中移出。热干燥可分为对流干燥、 传导干燥、热辐射干燥、高频介电干燥、声波干燥和组合干燥等。其中对流干燥 为应用最普遍的一种。 干燥技术和方法多种多样，然而针对不同的物料应采用不同的干燥方式。干 燥当前主要是采用自然干燥、太阳干燥和热风干燥。太阳干燥和自然干燥都是方 便宜行的干燥方式，但受当地自然条件和环境条件的影响很大。红外辐射干燥与 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 振动床干燥也可以用于干燥，但红外干燥需要严格控制辐射温度，防止热变性。 但振动床干燥也不是最理想的干燥方式。热泵干燥装置就显示出了它突出的优点 1 1 2 - 1 4 0 和常规的对流干燥方法相比，热泵干燥具有以下特点： ( 1 ) 节约能耗。节约能源为热泵最初应用的出发点，同时也是其主要优点。热 泵技术的热效率高的优势十分明显，l 份电能可以转换3 - - , 4 份热能n 5 1 。热泵干 燥过程是在封闭的系统中进行的，干燥过程中不仅回收了废气中的显热，也回收 了废气中的潜热，热能损耗仅为系统的热阻与热漏，这是其它的干燥技术无法相 比的。热泵干燥装置组比直接电加热更有效，热泵低温( 2 0 - - - 4 5 c ) 干燥木材能 节约能耗4 0 。干燥大米适合的温度为3 5 c - - 5 0 ，温度虽然低，但也需要大量 的热，传统干燥室的效率很低，而用热泵干燥，则效率明显提高。布匹对干燥温 度有严格的限制，热泵干燥装置不但能满足此要求，而且比传统的干燥装置节能 5 0 。 ( 2 ) 提高产品质量。要想使干燥产品的质量高，必须对干燥环境的温度与湿度进 行精确控制。热泵干燥装置可以获得较低温度和较低相对湿度的干燥环境，适合 于大部分农产品、药材和建筑材料等热物料的干燥。近年来，采用热泵干燥获得 高质量的干燥产品不断地被研究者所证实。另外，热泵是一种很温和的干燥方式， 较接近自然干燥，表面水分的蒸发速度和内部向表面迁移速度比较接近，能保证 被干物品的品质好、色泽好和产品等级高。 ( 3 ) 干燥条件调节范围宽。热泵干燥的温度可调节范围在2 0 - - 1 0 0 ( 加辅助加 热装置) ，相对湿度可调节范围在1 5 8 0 9 6 晦1 。较宽的调节范围使热泵干燥可以 适合于多种物料的干燥加工。 ( 4 ) 节约干燥时间。采用低温干燥法往往需时过长。因在传统的干燥过程中，由 于干燥介质的湿度和干燥物料的湿度相差不大，使干燥效率低。而热泵干燥装置 能利用蒸发器的除湿作用使干燥效率提高，目前大多物料干燥采用热泵干燥装置 来缩短干燥周期。目前，在保证产品质量与节能的同时如何减少干燥周期仍需进 一步研究。 ( 5 ) 环境友好。物料干燥不但需要提高产品质量和节约能耗，而且必须对环 境友好。基于相同的国际评价标准，热泵对全球变暖的影响很小。对环境的友好 是热泵干燥机组的一大优点。目前国内外提倡应用热泵来减少c 0 2 的排放，它的 应用必将进一步发展。 1 3 1 热泵干燥的国外研究现状 国外许多学者已对热泵干燥进行了很详细的研究。热泵的理论基础起源于十 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 九世纪早期卡诺的著作中，他于1 8 2 4 年发表关于卡诺循环的论文。这个理论经 过大约3 0 年后，在1 8 5 0 年初w i l l i a mt h o m s o n 提出：冷冻装置能够用来加热， 并在1 8 5 2 年首次提出了热泵的设想，也称热能放大器。最早关于热泵应用的报 告为h a l d a n e 在1 9 3 0 报道的有关在1 9 2 7 年安装在苏格兰的家用热泵的安装和测 试。1 9 4 3 年s u l z e r 公司在德国建成了地下室除湿装置中采用了热泵技术。其后， 热泵技术在干燥领域内的应用就得到迅速发展。在二十世纪5 0 年代美国首先将 热泵用于干燥粮食，然后美国的w e s a t r i 系统有限公司将热泵应用于木材干燥， 1 0 年内发展到了1 0 0 0 套装置。法国在1 9 7 0 - 1 9 7 7 年间安装了将近干台热泵式 木材干燥室，到1 9 8 0 年时大约有3 0 0 0 家木材干燥厂采用了热泵干燥技术，其单 位能耗值只有1 8 0 0 k j k g ( 水) n 田。在日本、加拿大、英国、法过、美国和意大利 等国的木材干燥设备中，热泵干燥已占有了相当的比例( 日本大约占1 5 ，加拿 大大约占1 3 ) 。近年来日本的热泵干燥应用仍呈上升趋势，据日本木材行业 2 0 0 0 年的统计，热泵干燥已占木材干燥设备的2 6 左右n 7 1 。 由于热泵干燥较常规气流干燥，在能源消耗与干燥成本方面均有很明显的优 势，近年来热泵技术己得到广泛的应用和发展。除去较早成功应用于木材的干燥 外，其还应用于种子、果蔬、食品、陶瓷、水产品、纺织、化工、造纸、茶叶、 污泥处理等很多行业领域n 邮1 。g i o c o m 指出，在1 9 8 2 、1 9 8 3 、1 9 8 4 三个年度中 的生产实验证明：熟泵干燥技术应用在谷物干燥较常规气流干燥法平均节能大约 3 0 9 6 ，最多可节能5 0 9 6 。 挪威的研究者曾经做过水果与树根的干燥实验，在多孔生物材料和食品的热 泵干燥研究中积累了丰富的经验。他们认为热泵干燥装置的高品质、高效率和环 境友好性在工业中的应用具有强烈的吸引力1 。瑞典的研究者研究了热泵干燥对 纸张的干燥，他们在实验时，采用不同的热泵干燥结构型式回收废气中的潜热， 并提出了节能措施瞄1 。f i l h o 和s t o r m m e n 认为在低温干燥时，热泵干燥装置比 传统干燥装置有节能潜力，原因是热泵干燥装置从干燥室的废气中回收了部分显 热及潜热，提高了热量利用率啪1 。t a i 对几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的节能效果。h o d g e 把热泵干燥装置与传 统对流干燥装置作比较，结果表明，热泵干燥装置的s m e r 值为1 o _ 4 o k g ( k w h ) ，而传统对流干燥室的s m e r 值仅为0 2 - 0 6 k g ( k w h ) 瞄1 。r o s s i 等 干燥蔬菜时，把热泵干燥装置与传统对流干燥装置作比较，结果表明，热泵干燥 装置可以节能4 0 ，同时干燥时间可缩短4 0 7 。s a l v a d o r 采用计算机模拟， 对闭式热泵干燥装置与闭式传统电加热型干燥室进行了比较，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较闭式电加热干燥室耗能少：闭 式电加热干燥室受环境影响很大，并且当运行温度同环境温度相当时效率很低 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 啪1 。p h a n ik a d a p a 等以苜蓿为干燥研究对象，研究发现，热泵干燥装置较传 统干燥室可节省能源5 0 ，当进入蒸发器的干燥介质相对湿度达到4 0 时，热泵 干燥s m e r 可达到最大值。其试验装置s m e r 值介于0 5 - 1 0 2 k g ( k w h ) 哪】。 p r a s e r t s a n 和s a e n - s a d y 以橡木与香蕉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，m e r 、s m e r 的最大值分别2 8 5 4 k g h 和 0 5 7 2 k g ( k w h ) ；以干燥过程需要的热量作为基准，将热泵干燥装置同电加热干 燥室与直燃式干燥室作比较，结果表明，热泵干燥装置的运行费用为最小1 。除 此之外，s k c o u 和k j c h u a 等也对干燥热敏物料的方法、影响质量的因素、 设备优化和其发展前景做了大量的研究工作田制。 热泵干燥装置的性能受系统运行过程中的介质参数、旁通率和系统结构型式 的影响。j o l l y ，j i a 等认为，介质的质量流量是一个影响热泵干燥装置性能的 主要因素。热交换的能量，冷凝器与蒸发器的压力及温度都受到介质的质量流量 的影响，从而最终影响热泵干燥装置的性能。所以通过改变介质质量流量，能改 变s m e r 的值，同时对热泵干燥产品的质量和产量也产生影响啪蛐1 。c a r r i g t o n 等认为，当干燥室进口处介质的相对湿度减少到5 0 以下后，s m e r 值会逐渐增加 且是通过蒸发器介质流速的函数h 。x i 等通过对热泵干燥装置计算模拟得出：依 赖蒸发器介质旁通，s m e r 值仅能提高2 0 左右，且s m e r 的最大值对旁通率变化 并不敏感；蒸发器进出口温差不大时，加装回热器后效果并不明显；对于简单的 热泵除湿设备与开式热泵干燥装置，在冷凝器进口处旁通效果较好h 幻。 s p r a s e r i s a n 和p s a e n - s a b y 认为，对于半封闭式热泵干燥装置，环境温 度、环境湿度、再循环率会影响系统的性能，而旁通率的影响几乎可以忽略h 5 1 。 s h a n e 等认为，热泵干燥装置运行过程中存在最佳风速，应维持进入蒸发器的干 燥介质高的相对湿度，介质旁通率对s m e r 值影响很小。对于他们的研究系统而 言，通过改变旁通率对s m e r 最大值的提高只有9 h 剐。 工质对热泵干燥装置的性能也有很大影响。e l s c h m i d t 等比较了两个热泵 干燥装置，其分别采用了c 0 2 和r 1 3 4 a 作为工质。结果表明，采用c 0 2 作为工质的 热泵干燥系统，其c o p 、s m e r 等情况较采用r 1 3 4 a 系统的好。由于c 0 。的环保特 性及良好的热力学行为，因此被视为具有较好应用前景的热泵干燥装置工质h 刀。 c a r r i n g t o n 等分析了以r 1 3 4 a 作为工质的热泵干燥装置，当介质干球温度为5 0 ，相对湿度为9 0 时，测量到系统s m e r 最大值为5 1 l k g ( k w h ) ，这表明在实 际应用中r 1 3 4 a 具有较大的潜力h 。s i v a k u m a r 等在热泵干燥装置中，采用混合 工质( r 1 3 4 a 与r 2 2 ) 和采用r 1 3 4 a 工质相比较。结果表明，采用混合工质的热泵 干燥装置较开式热泵干燥装置可节能6 9 ，干燥周期比开式循环干燥系统减少 1 3 ；比采用r 1 3 4 a 的系统节能8 ，干燥周期减少3 3 呻1 。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 近年来，通过计算机模拟分析来研究热泵干燥装置开始引起了人们广泛的注 意。j o l y 等对热泵干燥装置建立了一个较详细的数学模型，其分别对热泵系统 和干燥室建立了详细的传热、传质数学模型，通过质量、能量守恒定律把两个模 型联系起来h 们。s i v a a c h a r i y a v i r i y a 等通过对水果干燥过程的模拟，分析了环 境因素、旁通率与干燥介质温度等对热泵干燥装置性能的影响咖1 。p e n d y a l a 等 对整个热泵干燥装置建立了模型，却忽略了系统的压降隋。s p r a s e r s a n 等对四 种热泵干燥装置( 三个开式、一个闭式) 做了详细研究，并在模拟中利用有限差分 法分析工质状态及传热、传质过程。s h a n ec l e m e n t s 等对热泵干燥装置的模拟 法进行了进一步的研究畸羽。 1 3 2 热泵干燥在国内的研究现状 我国从二十世纪8 0 年代起对热泵干燥进行了研究，并在干燥领域得到了初 步的应用。刘俊安、郁永章等从理论上对几种热泵干燥装置进行了研究，发现闭 式结构除湿能耗比最大，在环境与负荷变化较大范围内都可较经济地运行酬。金 苏敏等通过分析研究和实验证明，利用空气回热的热泵干燥装置干燥木材时，除 湿量可以提高2 4 以上，并且空气的相对湿度越小系统除湿量提高越多。马一太、 张嘉辉、牛莹等用当量温度法对热泵干燥的最佳工况进行了很详细的分析计算， 并提出了热泵干燥装置的最佳蒸发温度的概念，同时比较了不同热泵工质的干燥 效果，研究了回热循环的节能原理；并建立了模拟干燥系统运行时的数学模型， 采用序贯模块法编制了相应的计算模拟程序。通过模拟结果和实验结果的比较， 验证了模拟计算程序的可靠性，而且对除湿过程有旁通的干燥装置进行了模拟， 对影响结果的各个参数进行了理论研究嘲删。游英、马一太、吕灿仁等提出了“混 合变化 的新概念，对约束性死态与非约束性死态分别简明地导出了其相关计算 式，并说明了，混合过程中扩散效应与热效应对混合二者的影响，得出了相应干 燥介质的计算公式，为热泵干燥装置的研究提供了理论基础阿侧。杜恺、徐锡 武等对加装空气回热器的空气闭式热泵干燥装置与空气闭式热泵干燥装置做了 对比实验。结果表明，前者较后者除湿能耗比在某些工况下提高了2 0 哺9 1 。1 9 9 8 李浙等运用热泵干燥技术对海产品进行了干燥，得出了海产品的最佳干燥时间 ：李远志等研究了胡萝b 的热泵干燥特性，通过实验数据建立了胡萝卜热泵干 燥水分比和干燥时间关系的数学模型，并优选出了适宜的干燥工艺参数。吴雪 辉、马军等对热泵干燥技术在果蔬干制品加工中的应用作了相关报道，指出了热 泵干燥的发展方向嗽】。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 热泵干燥系统的性能评价指标 1 热泵循环的制热系数： 其定义为热泵制取的热量和所消耗的驱动能量( 压缩机或燃烧机等热泵驱动 部件所消耗的燃料能或电能) 之比，数学表达式如下： c o p ：盟 ( 1 2 ) 吸 式中：q 一热泵的制热量，即冷凝器释放的热量，k w ；形一热泵的消耗功 率，k w 。 最理想的热泵循环为逆卡诺循环，此时热泵的制热系数为： c o p r2 矗 “_ 式中：t 。为以k 为单位的热泵工质在蒸发器出口( 即压缩机进口) 处的温度， k ： t l 为以k 为单位的热泵工质在冷凝器出口( 即压缩机出口) 处的温度，k ； 事实上，热力学循环通常是在非等熵压缩、不可逆绝热膨胀、非等温下的热 传递等情况下进行的，所以热泵性能系数c o p 总是小于其相应的逆卡诺循环热泵 性能系数c o p r 。制热系数c o p 总是大于1 ，因此热泵循环的制热量总是大于耗功 且 夏。 2 除湿耗能比 评价热泵干燥性能时，仅用热泵制热系数不能评价热泵的除湿能力。一般还 采用热泵除湿耗能比，其定义如下： s p c = 篱等( k j 仆4 ， s p c 是评价一个干燥系统性能的传统指标，是热泵干燥系统耗功量与除湿量 之比。 3 除湿率 干燥速率反映的是物料除湿速度的快慢，除湿率m e r 是反映干燥速度的指 标。其定义如下： 心= 鬻c k d h ) 仆5 ， 4 除湿能耗比 其定义为：消耗单位能量所除去物料中的水分量( 即物料中的水分去除量与 热泵干燥装置消耗的能量之比) ，单位k g ( k w h ) 。该指标是热泵干燥装置综 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 合性能的主要指标，写成数学表达式为： s m e r ：丝：堕( 1 6 ) = 墨= 二鲤 ( 1 6 ) f 式中，吮为从物料中除去的水分的质量，k g ) f 为干燥时间，h ；为热 泵干燥装置的水分蒸发速率，k g h ；彬。为总耗能功率，k w 。 c o p 反映了热泵系统的性能却没有考虑整个干燥系统，s p c 反映的是除湿量 和耗功量之间的关系，m e r 仅反映了干燥速度，我们更关心的是热泵干燥装置的 能量利用率。综合考虑热泵及干燥系统的能量利用率的，其中一个更直观的指标 是除湿能耗比s m e r ，该指标有机的结合了热泵子系统的性能与干燥子系统的性 能，综合反映了干燥系统的整体特性。因此，文中将以除湿能耗比s m e r 为评价 系统的主要性能指标。 1 3 4 热泵干燥的发展趋势 热泵干燥的发展趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 热泵干燥系统干燥介质的传热传质强化分析，实现热泵干燥系统的高度 工艺设备集成，并提高设备生产率。由于热泵干燥装置中干燥介质的温度较低， 其在介质和被干物料间的传热温差普遍小于其他干燥方式，传热推动力小，单位 面积的物料的水分除去率相对较小，所以，为缩短干燥周期，减小干燥装置体积， 必须对传热传质过程进行强化。 ( 2 ) 典型物料最优热泵干燥应用系统的研究。其中包含物料质量指标的确定， 质量指标的变化规律数据和模型，最佳干燥工艺的确定，及热泵干燥系统最佳结 构的确定，热泵干燥系统的最优调控方法等。 ( 3 ) 热泵和蓄热技术、化学除湿技术等的结合。 ( 4 ) 热泵和喷雾干燥等大型热效率相对低的传统干燥设备结合，利用各自优 势建立合理的干燥系统。 ( 5 ) 通过微细结构与过程优化实现热泵干燥产品的高品质。 总之，热泵干燥系统的未来的发展方向应该是为各种物料提供一种更适宜的 新型干燥方式，争取质量可以与冷冻干燥相媲美，设备投资、管理维护、干燥时 间和普通干燥相近，干燥运行成本明显低于其他干燥型式。 1 4 论文研究的主要内容 论文主要以长沙归一建材科技有限公司试制的一套小规模的石膏基墙板热 泵干燥系统为研究对象，通过p r o e 、& n s y s 、m a l t a b 等软件建立仿真模型，对 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 石膏基墙板热泵干燥系统进行仿真和试验研究。研究分四个阶段： 1 确定石膏基墙板热泵干燥系统，确定系统各组成部分的主要参数，详细分 析系统的工质循环、介质循环工作原理和蒸发器内介质除湿过程。 2 在此基础上以能量守恒定律、质量守恒定律及传热状态方程为理论依据， 推导出冷凝器、蒸发器、节流阀、压缩机、干燥室等各部件模型，通过各部件间 的耦合参数将各部件模型有机结合，联立求解，利用编程计算预测系统稳定运行 时的性能指标除湿能耗比。通过仿真来确定热泵工质的运行参数，使本系统的除 湿能耗比和一个干燥周期内系统总除湿量等有最优化的组合。 3 针对墙板内部温度难以通过正常的测量方法得到，建立石膏基墙板加热 干燥过程的a n s y s 模型，运用a n s y s 热分析模块模拟当干燥室进口处干燥介质温 度为7 0 、进口风速3 m s 时加热干燥过程中墙板内部瞬态温度场分布，利用 a n s y s 内的通用后处理器和时间历程后处理器得到墙板瞬态温度场分布图。 4 通过墙板干燥实验研究，验证热泵干燥石膏基墙板的效果及系统性能。对 实验结