（制冷及低温工程专业论文）回热式热泵干燥装置的数值模拟与性能研究.pdf

a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation and performance study of heat pump dryers with heat recovery exchanger candidate : zhu guopeng major : refrigeration the highest relative humidity is 100% and the lowest is 32%,the annual mean is 72%. therefore wuhan belongs to the typical climatic area where winter is cold and summer is hot. the mathematical models of main components are set up, with the platform of trnsys, method and process how the simulation modeling of air source hpd with heat recovery exchanger is found are analyzed in detail, and applying the modeling analyses and studies hpd. in the yearly simulation, the change of the operation parameters, the moisture extraction rate (mer), energy consumption of heat pump, cop and the specific moisture 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii extraction rate (smer) of hpd with heat recovery exchanger is analyzed, and system with reheater and without reheater is provided a contrast: when having a heat recovery exchanger, energy consumption of heat pump, total heating rate and heat transfer rate of reheater are high in the summer, low in the winter, and auxiliary heating rate is little in the summer, too much in the winter. comparing with no reheater, the hpd with reheater has a little higher energy consumption, but its auxiliary heating rate decreases on average by 73.8%, cop increases by 6%, the specific moisture extraction rate (smer) has a average increase by 79.2%, accordingly energy saving is very much in evidence. in conclusion, the air source heat pump dryer with reheater is fit for drying of air-condition unit, which is high efficient and evident energy saving, especially is better popularized in the south areas of changkiang. key words: heat pump heat pump dryer reheater drying room 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 目 录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 课题研究背景与意义 . (1) 1.2 热泵干燥装置的工作机理. (3) 1.3 热泵干燥装置的特点 . (4) 1.4 热泵干燥装置的性能评价指标 . (5) 1.5 影响热泵干燥装置性能的因素 . (7) 1.6 空气源热泵干燥系统的国内外研究现状 . (8) 1.7 本文主要研究内容 . (11) 2 回热式空气源热泵干燥装置与干燥室数值模拟 2.1 热泵干燥装置的理论分析. (13) 2.2 干燥室的研究 . (15) 2.3 空气源热泵系统研究 . (17) 2.4 干燥室空气循环流动数值模拟 . (20) 2.5 本章小结 . (24) 3 回热式空气源热泵干燥装置仿真建模 3.1 mereonorm 与气象数据 . (25) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 v 3.2 数值仿真研究 . (27) 3.3 回热式空气源热泵干燥装置建模 . (29) 3.4 回热式空气源热泵干燥装置仿真模型 . (36) 3.5 本章小结 . (38) 4 回热式空气源热泵干燥装置的性能模拟与优化 4.1 干燥室参数的变化特性研究 . (40) 4.2 回热器参数的变化特性研究 . (41) 4.3 热泵干燥装置的能耗与性能的变化特性研究 . (43) 4.4 有/无回热器的比较研究 . (47) 4.5 本章小结 . (50) 5 结论与建议 5.1 结论. (51) 5.2 存在问题与建议 . (52) 致 谢 . (53) 参考文献. (54) 附录 攻读硕士学位期间发表论文情况 . (58) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 绪 论 1.1 课题研究背景与意义 20 世纪 70 年代以来， 能源问题已经成为多个领域的研究热点， 两次石油危机的产 生，促进了核能、风能、太阳能、地热能、空气能等其他形式的新能源逐渐被开发和 利用，形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局1。大力 发展可再生能源和清洁能源，转变生产和消费方式，已经成为迫在眉睫的任务。加强 节能、提高能源利用率和改善能量利用中的环境保护已经成为可持续发展中的一个重 要课题。 干燥工艺是最古老的单元操作之一， 广泛应用于生产和生活的各个领域， 如烟草、 制药、电镀件、工业产品、陶瓷、家具、农业、畜牧业、食品加工等均有广泛应用。 随着人们生活水平的提高，工业、农业、商业、服务业和新兴产业的快速发展，干燥 装置的应用领域会愈来愈广泛，对干燥产品的要求也愈来愈高。但是，干燥是一项高 能耗的单元操作。在各种工业部门的总能耗中，干燥能耗在 4%（化学工业）35%（造 纸工业）之间2。在美国的工业能耗中，有 12%用于干燥过程3，同时，运用矿物燃料 作为热源进行干燥操作产生大量的 co2等温室气体。 在我国， 干燥设备能耗占国内 gdp 总能耗 12%，国内干燥技术能源利用率只有 40%50%，而国外则高达 70%以上4。当 今世界能源日益短缺，干燥行业是极具节能潜力的行业，因此干燥技术研究开发的意 义至关重要。 热泵是一种高效节能的技术，它是通过消耗一部分高品位能如电能、机械能、热 能等， 经过逆卡诺热力循环， 把另外一部分低品位能转化为高品位能的能量提升装置。 70 年代初期，人们认识到了矿物燃料的有限性，而热泵以其回收低温废热、节约能源 的特点，其技术受到了人们的青睐。例如美国，热泵的年产量从 1971 年的 8.2 万套迅 速增至 1976 年的 30 万套，1977 年再次跃升为 50 万套5, 6。在此期间，日本、瑞典等 国小型家用空气源热泵产量大幅提高，在英国、德国大型热泵装置与大型商业和公共 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 2 - 建筑的热回收方案结合取得了一些成果。热泵技术作为一种可持续发展，广泛应用于 空调和工业领域，在节约能源和保护环境方面起着重要作用5。 随着科学技术的不断发展和进步，热泵技术逐渐应用于干燥领域。热泵干燥技术 是 20 世纪 70 年代末 80 年代初发展起来的一项高新技术，因其独特的干燥原理，高效 节能， 热效率高， 除湿快， 干燥质量好而受到愈来愈多的重视7， 如在 20 世纪 90 年代， 日本已有超过 10%的干燥装置应用热泵干燥技术。热泵干燥的对象从最初的木材干燥 扩展到茶叶烘干、食品加工、陶瓷烘焙、蔬菜脱水、鱼类干燥、药物及生物制品的灭 菌与干燥、污泥处理、化工原料及肥料干燥等诸多领域8, 9。因此，对于大部分物料的 低成本、高质量干燥的要求，热泵干燥技术是一种全新的解决方案。 空气源热泵干燥装置的热源来自于常温空气，通过热泵的提升，使用冷凝热加热 空气，产生满足要求的温度，送入干燥室进行干燥。图 1- 1 所示为闭式空气循环的热 泵干燥装置示意， 干燥室排出的湿热空气不再排入大气， 而是经热泵蒸发器降温除湿， 再进入冷凝器被加热至要求的温度，最后送入干燥室内进行干燥，反复循环利用。若 是冷凝热不能满足温度要求，则需要通过辅助加热器来提高温度。通常，热泵消耗 100 份燃料能或电能，可以产生 140800 份热能。 热泵热泵干燥室干燥室 100100份燃料能或电能份燃料能或电能被干燥物体被干燥物体 4040- -700700份废热能份废热能循环空气循环空气凝结水凝结水 热空气热空气 140140- -800800份热能份热能 图 1- 1 热泵干燥装置示意 热泵干燥装置只需输入较少的高品位能，就能提取空气中较多的低品位能，而空 气中的能量源自太阳能，取之不尽用之不竭，所以，热泵干燥技术是一种可再生能源 利用技术，开展空气源热泵干燥装置的研究具有较高的理论意义、实用价值、社会和 环保效益。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 3 - 1.2 热泵干燥装置的工作机理 由于干燥的对象不同，热泵干燥装置有不同的流程与结构，但是其基本的工作原 理是相似的，以最基础的封闭式热泵干燥装置为例10，其基本的工作原理如图 1- 2 所 示。 冷凝器冷凝器 冷冷 干干 空空 气气 干干 燥燥 室室 节节 流流 阀阀 蒸发器蒸发器 压压 缩缩 机机 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 热干空气热干空气 温湿空气温湿空气 凝结水凝结水 图 1- 2 热泵干燥装置的工作原理 图 1- 2所示热泵干燥装置由两个子系统构成： 热泵系统和空气系统。 其中， 1-2-3-4-1 为热泵系统，是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大件组成，热泵工质在热泵中 的循环过程为：从压缩机排出的高温高压过热气体 2 进入冷凝器中，经过冷却冷凝后 变为常温高压的液体 3，流经节流阀变为低温低压的液体 4，并带有少量的闪发蒸汽， 而后进入蒸发器中吸热蒸发为低温低压的气体 1， 这些热泵工质气体被压缩机吸入进行 等熵压缩再排出，以此循环。 5-6-7-5 为空气系统，是由干燥室、蒸发器（空气侧） 、冷凝器（空气侧）组成，空 气的循环过程为：高温低湿的气体 5 进入干燥室对物料进行干燥，经过等焓变化后变 为低温高湿的气体 6，通过风管进入蒸发器中降温除湿后变为低温低湿饱和空气 7，接 着经过冷凝器被等湿加热，变为高温低湿的气体 5，完成一个循环。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 4 - 1.3 热泵干燥装置的特点 依据热泵的特性和热泵干燥装置的工作过程，热泵干燥装置具有如下优点11： （1）高效节能 热泵技术本身就是一种高效节能的技术，此外，热泵干燥装置中加热干燥介质的 热量主要是回收干燥室排出的湿热空气所含的显热和潜热12。因此，和常规的热风干 燥装置相比，热泵干燥装置的能源效率高，节能优势明显。实践表明，其节能幅度一 般在 30%以上，综合干燥成本可降低 10%30%8。热泵低温（1545）干燥木材时 可以节约能源 40%70%13。 热泵干燥技术应用于蔬菜脱水时节能高达 90%14。 干燥大 米的适宜温度为 3550，传统干燥器的效率只有 3%5%，而用热泵干燥时效率将明 显提高2, 15。 （2）常压低温干燥 热泵干燥是一种温和的干燥方式，接近于自然干燥16，可以在常压下实现-20100 （带辅助加热时）的干燥温度和 1580%的相对湿度，为热敏性物料、生物制品、以及 食品等的干燥提供了一种新的低成本、高品质的干燥装置17。 （3）安全可靠 当物料属于易燃易爆产品、易氧化变质产品时，可以采用惰性气体（如氮气、二 氧化碳、氩气、氦气）作为干燥介质，实现无氧干燥，安全可靠18, 19。由于干燥介质 可以在干燥子系统中封闭循环， 采用惰性气体作为干燥介质时极为方便， 且泄漏率小。 （4）环境友好 由于干燥介质是封闭循环，系统工作时可不向外界环境排放粉尘、异味20。和传 统的热风干燥相比，干燥室排出的湿热气体的热量被热泵蒸发器吸收利用，对环境的 热污染非常小。基于相同的评价标准，热泵对全球变暖的影响与电释放的 co2 相比是 很小的，对环境的友好是热泵干燥的一大优点2。 热泵干燥技术虽然有很多优点，但是不可避免的也有一些缺点21： （1）热泵工质有待于进一步开发。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 5 - 目前热泵干燥装置常用的工质有 r22、r134a、r142b、r744（co2） 。其中 r22、 r134a 适用于低温热泵干燥；r142b 可燃，适用于小型中温热泵干燥22；r744 的工作 压力很高，对热泵的部件和安装要求较高。 （2）由于热泵干燥是低温干燥，因而对于某些物料而言，干燥速率低下，干燥周 期长。 （3）热泵干燥装置中的压缩机和换热器等设备均需要定期进行维护和检修，热泵 工质发生泄漏时及时地补充，以便保证热泵系统的正常运行。 1.4 热泵干燥装置的性能评价指标 评价热泵干燥装置的性能指标8, 15主要有：热泵系统的制热系数 cop、干燥器的 热效率 t，除湿能耗比 spc（kj/kg） 、单位时间除湿量 mer（kg/h） 、单位能耗除湿量 smer（kg/(kwh)） 。 （1）热泵系统的制热系数 cop 其定义为热泵系统的制热量和所消耗的驱动能量之比，一般用 cop 表示，写成公 式为 c q cop w (1-1) 式(1-1)中，qc热泵系统的制热量，kw w热泵的消耗功率，kw （2）干燥器的热效率 t 定义为干燥过程中物料内水分汽化所需的热量与提供给物料的总热量之比，一般 用 t表示，写成公式为 de t t q q (1-2) 式(1-2)中，qde物料中水分汽化所需的热量，kw qt 热源提供的总热源，kw 一般情况下，常规干燥器热效率为：热风式对流干燥器的热效率为 30%60%，部 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 6 - 分废气循环时约为 50%75%；导热式干燥器的热效率为 70%80%；辐射式干燥器的 热效率为 30%。 （3）除湿能耗比 spc spc 是评价一个干燥装置的传统指标，定义为干燥装置的耗功量和除湿量之比值， 即 =spc 热泵干燥装置的耗能 除去水的质量 （kj/kg） (1-3) spc 反应的是除湿量和耗功量之间的变化关系。 （4）单位时间除湿量 mer mer 是反映干燥速度的指标，其定义为 mer 水分蒸发量 干燥时间 （kg/h） (1-4) （5）单位能耗除湿量 smer 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） ，该指标是反映热泵干燥装置综合性能的主要指标，一般用 smer 表示，其公式为 = dede tottot mw smer ww （kg/(kwh)） (1-5) 式(1-5)中，mde从物料中除去水分的质量，kg 干燥时间，h wde热泵干燥装置的水分蒸发速率，kg/h wtot总耗能功率，kw 依据定义可知，smer 表示消耗 1kwh 的能量可以除去的水分量，smer 越大， 系统就越节能。 综上，cop 只反映了热泵系统性能而忽略了整个干燥系统，t仅反映了干燥室的 热效率，spc 反映了除湿量和耗功量之间的变化关系，mer 反映了干燥的快慢问题， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 7 - 而单位能耗除湿量 smer 综合考虑了热泵系统和干燥系统，反映了能量利用率，是一 个更为直观的指标，因此，依据 smer 来评价热泵干燥装置更加客观、全面。一般情 况下，热泵干燥装置的 smer 值在 1.04.0kg/(kwh)，平均值在 2.02.5kg/(kwh)，而 传统的对流干燥器的 smer 在 0.20.6kg/(kwh)。例如，在干燥温度 50和 80的情 况下，热泵干燥装置的 smer 值分别为 0.57kg/(kwh)和 1.02kg/(kwh)，而燃油的木 材干燥的 smer 值是 0.29kg/(kwh)，可以看出，热泵干燥装置比传统燃油干燥机组更 加节能23。 1.5 影响热泵干燥装置性能的因素 热泵干燥过程是一个极为复杂的过程，其影响因素较多，主要有15, 24, 25： （1）空气质量流量 空气质量流量是一个影响热泵干燥装置性能的重要因素，当增大空气的质量流量 时，强化传热，换热系数增大，结果两器（冷凝器和蒸发器）的换热量、压力和温度 都会受到相应的影响，进而影响热泵干燥装置性能和干燥效果，因此改变空气质量流 量后，单位能耗除湿量 smer 值会增大或者减小，干燥产品的质量和产量也会受到不 同程度的影响。 （2）空气流速 蒸发器空气侧的空气流速对蒸发器的除湿能力产生直接的影响。蒸发器空气流速 对系统性能的影响取决于空气经过蒸发器进出口的相对湿度，因而在高、低湿度条件 下，除湿能力和效率受空气流速的影响较大。 （3）温度的影响 干燥室的温度对干燥时间和干燥的产量有重要的影响。在满足干燥质量的前提下， 干燥室内的温度可以适当提高，例如将干燥的温度从 10提升到 20，干燥产量增加 幅度达 70%。当然，热泵干燥装置的干燥温度受到不同类型的压缩机和制冷剂的工作 范围限制，如果不能满足设计温度要求，可以考虑增加辅助加热器。 （4）其它因素 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 8 - 热泵干燥装置涉及到热泵系统和干燥系统， 相互影响且相互制约， 属于交叉学科， 因而热泵干燥过程较为复杂，影响因素较多，如周围环境状况、干燥量、干燥室的结 构、热泵功率、驱动风机、空气的相对湿度等，所以在热泵干燥装置的设计和优化时 需要综合考虑这些因素的相互影响和设备匹配问题。 1.6 空气源热泵干燥系统的国内外研究现状 热泵干燥技术作为一种高效节能的技术，在过去的几十年中，国内外许多专家学 者对其做了广泛深入的研究，其中，研究最多的是空气源热泵干燥系统26。 1.6.1 国外研究现状 20 世纪初欧洲人提出了“热泵”一词，但热泵的基础理论蒸汽压缩动力循环 原理是由 19 世纪法国物理学家卡诺（s.carnot）于 1824 年提出。1852 年，英国物理学 家汤姆森（w.thomson）首先提出了关于热泵的设想，如图 1- 3 所示，当时称为热量 放大器（heat multiplier） 。在 20 世纪 2030 年代热泵得到了较快的发展，1927 年，英 国的霍尔丹（haldane）在苏格兰安装了一台试验用的家用空气源热泵，以氨为工质， 用于制热和生产热水，其 cop 为逆向卡诺机理论效率的 1/31/25。 图 1- 3 热量放大器示意图 随着热泵技术的开发和利用，将热泵技术应用于干燥的各种研究逐渐发展起来。 1943 年，sulzer 公司在德国建成的地下室除湿装置中首次采用热泵技术2。1950 年， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 9 - 热泵干燥技术在美国获得专利权。20 世纪 60 年代，日本开始研究热泵干燥技术，是全 球谷物干燥机械化程度最高的国家之一，目前的技术水平居世界领先地位，谷物干燥 机械化率已经达到 92%4。德国、法国等欧洲国家和俄国的热泵干燥技术也在同时期 发展起来。在 19701977 年间，法国安装的热泵干燥木材装置近达 1000 台，到 1980 年，约有 3000 家木材干燥厂采用热泵干燥技术干燥木材。世界上第一台热泵干燥机专 利的应用于 1973 年产生，第一篇热泵干燥研究的文献是由 hodgett27和 geeraert28发 表，hodgett 得出了热泵干燥机的能耗比传统的蒸汽加热干燥机要低，而 geeraert 研究 了热泵木材干燥机。 1978 年 ruiter 等人指出，热泵仅作为热回收装置就可以使木材干燥装置的成本降 低，但为了保证工艺的运行，可以增加电辅助加热或者其他辅助热源设备29。zylla 等 人在 1982 年研究了五种干燥系统，包括三种热泵干燥系统，并对其进行了比较分析， 指出当干燥室中的最低相对湿度为 30%时，热泵干燥系统是最有利的；全封闭式循环 的热泵干燥系统是最有优势，但要求干燥机与干燥物要相互匹配30。 cunney 等在 1984 年指出匹配良好的热泵干燥装置可以实现能耗降低 30%50%31。newbert 研究指出燃 气驱动的热泵麦芽糖干燥机可以实现能耗降低 40%32。 1990 年 p.jolly 等人为了调查热泵辅助的连续干燥系统的性能，发展了一个详细的 模拟模型，该模型把蒸汽压缩热泵和连续干燥机紧密结合，考虑到每个部件的热质交 换现象33； x.jia研究了蒸发器空气旁通比和回热器对热泵辅助的连续干燥系统的影响， 以 smer（单位能耗除湿量） ，cop 作为评价系统性能的标准，指出蒸发器空气旁通比 并不是一个关键的影响因素34。1997 年 perera 和 rahman 对真空干燥、热风干燥和热 泵除湿干燥进行了对比，如表 1- 1 所示，由此可见，热泵干燥技术更加高效节能35。 表 1- 1 常见干燥技术的比较35 干燥方式 热风干燥 真空干燥 热泵除湿干燥 smer（kg h2o/(kwh)） 0.121.28 0.721.2 1.04.0 干燥效率（%） 3440 70 95 一次性投资 低 高 中 运行费用 高 很高 低 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 10 - 2000 年 achariyaviriya 等发展了热泵干燥系统的数学模型，分别研究了开式循环、 闭式循环、半开式循环三种热泵干燥系统的性能，对所有形式的热泵干燥装置而言， 当蒸发器旁通空气量增加时，相应的 cop 均会减小36。2003 年 p.saensabai37等模拟 了五种结构形式的热泵干燥装置，调查了干燥速度和环境温度的影响，指出了最佳的 运行模式是由干燥速度和环境条件决定。在热带气候和高干燥速度时，最适宜选用半 开式系统；特殊环境时，选用开式和闭式；而在低干燥速度时，由于环境温度对运行 模式的影响较为敏感，运行模式较为复杂。 2006 年 soylemez 使用了一种经济分析方法， 对系统各个部件进行了热分析和经济 性分析，指出如何在最小的运行成本下得到最优的干燥温度和最优系统匹配问题38。 1.6.2 国内研究现状 在 20 世纪 50 年代初期，天津大学热能研究所开始研究热泵。20 世纪 80 年代，热 泵干燥技术的研究和应用开始起步，首先在木材干燥中引入热泵干燥技术。1988 年， 我国约有热泵干燥装置 160 套， 多用于木材干燥， 占工业热泵的 90%左右； 至 1996 年， 我国投产的热泵干燥装置有 400 套左右，年产量约 20 万 m3。其中，这些热泵中 90% 是属于电驱动的机械压缩式热泵39。 北京林业大学和北京冷冻机厂在 19891993 年联合研制了应用于木材干燥的 rcg 系列双热源除湿干燥机产品并获国家专利，该产品已推广至国内十几个省，并远销国 外，获得了较好的经济效益和社会效益。双热源除湿干燥机应用了太阳能和热泵除湿 机联合干燥技术，太阳能系统与除湿机系统既可以单独运行，又可联合运行，整个干 燥系统的工作过程由计算机自动控制40，试验表明，该联合干燥系统的 smer（单位 能耗除湿量）为 1.673.13kg/(kwh)。 王宝和，王喜忠41在 1997 年综合介绍了热泵干燥装置的工作原理，特点及分类， 并简要分析了四种典型装置的流程：部分废气循环式，闭路式，开路式，传导式热泵 干燥装置，并对箱式、输送带式热泵干燥装置的应用情况做了归纳介绍。 杜垲等对闭式循环空气源热泵干燥装置和带空气回热器的闭式循环空气源热泵干 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 11 - 燥装置进行了分析和试验研究，空气回热器采用了高效重力热管换热器，回热效果明 显；指出带空气回热器时比无回热器时的除湿能耗比（spc）可以降低达 20%；增大 循环空气风量，耗功量增加，但除湿能耗比 spc 是下降的，应依据实际需求合理选择 干燥循环空气流量42，还对分离式热管回热器进行了设计和热力学分析，指出其传热 温差较小，换热器对热泵干燥装置的影响随工况的变化而有所不同，如果流经蒸发器 的空气温降减小，回热效果就会减弱43。 天津大学热能研究所马一太等44, 45提出使用当量温度法对空气源热泵干燥的最佳 工况进行分析，提出了最佳蒸发温度的概念，它对于热泵干燥装置的节能运行具有指 导意义；同时比较了不同制冷工质 r12、r22、r134a、r717 的干燥效果，在相同当量 冷凝温度下，r134a 的最佳蒸发温度最高，而 r717 的最佳除湿率最高，r134a 的最佳 除湿率最低；研究了回热循环的节能原理，回热循环使热泵干燥的最佳蒸发温度和最 佳除湿率上升，可节能 10%20%。还指出热泵干燥是一种良好的种子干燥机械，其干 燥品质良好，对种子等温度敏感的的生物材料进行干燥的优势非常明显。 华北电力大学的杨先亮等46从热力学第一和第二定律两方面分析了带辅助冷凝器 的热泵干燥装置，以婆枣为干燥对象，得到其 cop 为 3.82，单位能耗除湿量 smer 为 1.7kg/(kwh)，热效率 t为 0.85；指出热泵系统冷凝器熵损失所占比重为最大 0.3873， 而压缩机的火用损失所占比重最大为 0.4721，其节能的主攻方向是压缩机。 另外，浙江大学王剑锋等进行了将相变材料应用于热泵干燥的实验研究，华南农 业大学李志远、广东省农机研究所郑春明等也对热泵干燥应用于脱水蔬菜加工进行研 究，青岛大学田晓亮等将热泵干燥应用于软胶丸的干燥47。 1.7 本文主要研究内容 （1）对干燥室和回热式空气源热泵系统进行设计； （2）利用 fluent 对干燥室的空气循环进行模拟，研究其温度和速度的分布规 律，以满足干燥的设计要求； （3）气象软件 meteonorm 及仿真软件 trnsys 的应用及其设置； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 12 - （4）建立回热式空气源热泵干燥装置的数学模型和 trnsys 仿真模型，在 trnsys 的平台上对热泵干燥装置进行全年的模拟研究， 分析其运行参数的 变化规律、系统的性能与能耗的分析、有无回热器时系统的对比研究。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 13 - 2 回热式空气源热泵干燥装置与干燥室数值模拟 本文以武昌客车车辆段中的回热式空气源热泵干燥装置为研究对象，其干燥对象 是被清洗的单元式列车空调机组。 首先， 分析回热式热泵干燥装置的理论基础， 其次， 对空气源热泵干燥装置进行了详细的设计48，通过模拟干燥室内空气循环流动，进一 步证明设计的准确性与合理性。 2.1 热泵干燥装置的理论分析 本文在最基本的闭式循环空气源热泵干燥装置的基础上采用了双热泵系统和带回 热器的热泵干燥装置，其原理图如图 2- 1，整个热泵干燥装置共有两个子系统构成： 热泵系统和空气系统，其中，热泵系统为双系统，1-2-3-4-1 为热泵系统循环，热泵 系统类似，5-6-7-8-9-10-11-12-5 为空气系统循环，通过蒸发器和冷凝器有机的将两 个系统连接起来。 冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器 蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器 压压 缩缩 机机 压压 缩缩 机机 节节 流流 阀阀 节节 流流 阀阀 回回 热热 器器 干干 燥燥 室室 送风风机送风风机辅助加热器辅助加热器 回风风机回风风机 1 23 4 5 6 7 8 910 11 12 图 2- 1 回热式空气源热泵干燥装置原理图 细实线热泵系统循环 粗虚线空气系统循环 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 14 - （1）热泵系统循环 对于热泵系统而言，其热泵工质循环如图 2- 2 所示，从压缩机排出的高温高 压制冷剂过热气体 2 进入冷凝器中， 经过冷却冷凝后变为常温高压的过冷液体 3， 流 经节流阀变为低温低压的液体 4， 并带有少量的闪发蒸气， 而后进入蒸发器中吸热 蒸发为低温低压的过热气体 1， 这些制冷剂气体从蒸发器出口经管道被压缩机吸入， 以此完成热泵循环，热泵系统同理。 h h l lo og gp p 1 1 2 23 3 4 4 图 2- 2 热泵系统压焓图 （2）空气系统循环 热泵干燥装置的空气系统循环在焓湿图上的变化过程如图 2- 3 所示。 从冷凝器出来的高温低湿的空气 5， 通过送风风机、 辅助电加热器等湿加热后成 为气体 6，在干燥室中对机组进行干燥处理，整个干燥室近似一个绝热的环境，等焓变 化为低温高湿气体 7，通过回风管进入回热器进行换热降温后变为气体 8，随后依次流 入蒸发器和中， 空气被冷却冷凝， 除去其中的水蒸气， 变为低温低湿饱和空气 10， 通过回热器后升温为气体 11，随后进入冷凝器和中等湿加热，出冷凝器后变为 高温低湿的空气 5，完成一个空气循环。 图 2- 3 中 7-8 和 10-11 为蒸发器前后的空气经过回热器的等湿变化过程， 干燥室排 出的湿热空气与从蒸发器出口的干冷空气在回热器中进行热量交换，降低进入蒸发器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 15 - 的温度，同时提高进入冷凝器的温度，从而实现空气热量的有效利用。 5 6 7 8 9 10 11 12 =100% h h7 h8 h9 h10 d 图 2- 3 空气系统焓湿图 2.2 干燥室的研究 干燥室的干燥对象是清洗后的单元式列车空调机组，这些空调机组大小不一，长 度方向最长为 3.6m，宽度方向一般为 2.0m，高度为 0.65m，考虑到工作人员的进出方 便，干燥室的尺寸设计为 6.0m3.7m2.5m（长宽高） 。干燥室的主体结构采用 钢结构，墙面均采用保温板材，两端采用电动卷帘门，以方便被干燥空调机组进出。 （1）干燥参数设计 依据实际清洗后的空调机组的情况分析， 设计干燥室的水分蒸发率为 mw=10kg/h。 由于空调机组中存在电线接头，干燥室的温度过高会使得电线绝缘热老化，而一般电 线的绝缘皮是使用聚氯乙烯制造，其温度适应范围最大为-1570，高温或日光照射 下时，会加速老化49。所以，结合热泵的低温特性，设计干燥室的送风温度为 60。 回风温度设计值为 48，相对湿度 55%。 已知 t6=60，t7=48，7=55%，干燥室中变化过程近似等焓，故有 h6=h7。 由此，干燥室的送风量 mair为： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 16 - 76 1000 () w air m m dd （kg/h） (2-1) 式(2-1)中，mw水分蒸发率，kg/h d6干燥室入口含湿量，g/kg d7干燥室出口含湿量，g/kg 计算的相关参数如表 2- 1 所示。 表 2- 1 干燥室进、出口状态参数 状态点 温度 t/ 相对湿度 /% 比焓 h/kj/kg 含湿量 d/g/kg 送风量/kg/h 干燥室 进口空气 6 60 27 152 34.4 1800 干燥室 出口空气 7 48 55 152 40.15 （2）干燥室预热 取常温时空气的密度 =1.2kg/m3，干燥室中空气质量 mair为 air ml wh (2-2) 取常温下空气的温度为 20，则加热空气所需要的热量 qair为 airairp qmct (2-3) 要求在 t=5min 内加热空气至 60，则需要的加热功率 p1为 1 air q p t (2-4) 对于干燥室内部空气的预热，使用 ptc 恒温加热器，取加热器的实际热效率为 preheat=0.85，则实际需要的加热功率 p 为 1 preheat preheat p p (2-5) （3）干燥室热负荷 假设干燥室保温性能好，忽略漏热负荷，则干燥室的热负荷主要是水分蒸发吸热 而引起。 水蒸气在进出口平均温度 54时的汽化潜热 =2370kj/kg，则需要的热量 qw为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 17 - w qm (2-6) 干燥室预热和热负荷的计算结果如表 2- 2 所示。 表 2- 2 干燥室预热与热负荷 mair/kg qair/kj ppreheat/kw qw/kw 66.6 2275.7 9 6.58 （4）干燥室内部空气循环 空气的流速对干燥时室内的热质交换过程有重要的影响，要加快水蒸气的蒸发速 度， 必须保证被干燥空调机组表面的风速5m/s， 为此设计了用于面干燥的轴流风机； 为了保证局部位置的蒸发干燥，设计了用于点干燥的射流风机。 空调机组的最大水平截面面积 s=3.62.0=7.2m2，所以可以求出相应的风量 v 为 7.2 5vsv 36m3/s，即 v=129600m3/h，选用 3 台轴流风机，可知每一个风机的 流量 v1=43200m3/h。 通过选型，使用负压轴流风机，台数为 3 台，其具体的性能参数如表 2- 3 所示。 表 2- 3 轴流风机性能参数 型号 扇叶直径 /mm 扇叶转速 /r/min 空气流量 /m3/h 功率 /kw 噪音 /db 额定电压 /v 重量 /kg glfj-1 1270 450 44500 1.1 65 380 85 此外，还设计了用于点干燥的射流风机，其作用主要是为了保证被干燥空调机组 的局部的蒸发干燥，对称分布于两边，每边 4 台，共八台。射流风机的性能参数如表 2- 4 所示。 表 2- 4 射流风机性能参数 型号 喷嘴形式 /mm个数 流量 /m3/h 功率 /kw 电压 /v ydf-i-2.5# 803 650850 0.12 220 2.3 空气源热泵系统研究 考虑到实际工作时间长， 为了延长压缩机的使用寿命， 热泵系统设计采用双系统， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 18 - 每个热泵系统轮流间歇运行，另外，系统中带有辅助回热器，为了达到节能。 以热泵系统为例，热泵系统制热工质选用 r22，由于其应用广泛，且与之配套 的设备和材料齐全， 价格较低。 考虑到r22的制热性能， 设计冷凝器出风温度为t5=52， 取冷凝温度比出风温度高3， 冷凝温度为tcond=55； 设计蒸发器出风温度为t9=15， 取蒸发温度比出风温度低 5，蒸发温度 tevap=10，出口处的空气为饱和状态，相对 湿度 100%。 2.3.1 回热器 回热器主要是将干燥室回风与蒸发器出风进行了热量交换，用来降低干燥室回风 的温度，并同时提高冷凝器进口空气的温度。 假设回热器的热效率 reheater=0.6，在冷空气的升温过程中，有 min79 119 ()() reheaterairp airp m ctt tt m c (2-7) 依据热力学第一定律，回热器中热空气的放热量等于冷空气的吸热量，且假设热 空气出回热器后处于饱和状态，故有 7878min79 ()()()() preheaterairp r ddc ttm ctt (2-8) 88 ( ) s dd t (2-9) 取 40时饱和水蒸气的汽化潜热 r=2407kj/kg， 即可求得回热器出口空气的各个参 数，如表 2- 5 所示。 表 2- 5 回热器出口空气参数 状态点 温度/ 相对湿度/% 含湿量/kg/kg 焓/kj/kg 回热器 出口热空气 8 35.5 100 0.0376 132.5 回热器 出口冷空气 11 34.8 30.5 0.