【硕士论文】CO2热泵干燥生物材料性能的研究.pdf

中文摘要 在人类经济活动中 各种含水多孔介质生物材料的干燥脱水有着重要的地 位 干燥技术主要是用于食品 水果 中草药等方面 寻找高效 节能并能保持 原生物材料的营养和药效的干燥方式是干燥领域研究的主要方向 为了研究生物材料中的水分变化规律及干制后的品质特性 利用c 0 2 热泵干 燥系统及干制品品质实验台 进行了干燥过程实验及干制品品质实验 并结合实 验数据进行了干燥模型的研究与模拟分析 文章的主要工作如下 分析热泵干燥系统的运行机理及干燥原理 并对热泵干燥系统及干燥介质空 气进行了热力学分析 针对c 0 2 跨临界循环的特殊性 列出了c 0 2 热泵干燥系统的特殊干燥形式 并分析了蒸发温度 高压压力 气体冷却器出口温度 压缩机效率 过热度等对 c 0 2 热泵干燥系统的系统性能和除湿率的影响 在干燥系统中 干燥系统的性质 与热泵系统基本相同 除湿率随蒸发温度的升高而增大 随气体冷却器出口温度 的增大而减小 随高压压力的增大而减小 应用c 0 2 热泵干燥系统 进行了不同控制条件下的干燥实验 以胡萝b 为例 对影响胡萝卜干燥特性的外部条件进行对比实验 找出了影响含水率和干燥速率 的因素 温度对干燥速率的影响较风速大 温度或风速升高时 干燥速率增大 但温度或风速越高 增大的幅度越小 研究了干燥过程中胡萝b 内部维生素c 含 量的变化 干制品显微结构的差异及复水比和饱和复原率的变化 分析了温度 风速等这些因素的影响 温度降低 维生素c 的保存率增加 高温干燥的样品显 微结构中细胞组织收缩紧密 而且褶皱较多 而低温干燥的样品细胞组织较疏松 降低干燥温度 提高风速 均可提高干制品的复水比和饱和复原率 以c 0 2 热泵干燥实验数据为基础 分析干燥过程中水分比随时间的变化规 律 选取对干燥过程影响的较大温度和风速 并以此为依据 建立干燥过程的数 学模型 通过实验研究认为温度对胡萝卜干燥特性有较大的影响 此模型对胡萝 b 热泵干燥的实际生产有重要指导意义 关键词 c 0 2 热泵干燥胡萝卜含水率干燥模型 a b s t r a c t d e h v d r a t i o nd r y i n gt oe a c hk i n do fw a t e r b e a r i n gp o r o u sb i o l o g i c a lm a t e r i a l sh a s a ni m p o n a n tp o s i t i o ni nt h eh u m a ne c o n o m i ca c t i v i t i e s a n di t i sm a i n l yu s e df o rt h e d r y i n gt of o o d v e g e t a b l e s f r u i t s h e r b s e t c w en e e d t of i n dh i g he f f i c i e n ta n de n e r g y s a v i n gd r y i n gm e t h o dt om a i n t a i no r i g i n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h eb i o l o g i c a lm a t e r i a l s u c ha si t sn u t r i t i o n d r u ge f f i c i e n c ya n ds o0 1 1 i no r d e rt os t u d yt h ew a t e r c h a n g i n gp r o c e s s i nt h eb i o m a t e r i a la n di t s c h a r a c t e r i s t i c s ad r y i n ge x p e r i m e n ta n d aq u a l i t ye x p e r i m e n to nd 拶l n gp r o d u c t sw a s c a r r i e do nw i t hc 0 2h e a tp u m pd r y i n gs y s t e ma n dq u a li t yt e s t i n gs y s t e m u s i n gt h e e x p e r i m e n t a ld a t a t h i s a r t i c l es t u d i e s p r o c e s s t h em a i nw o r k i sa sf o l l o w s t h e 奶 i n gm o d e la n ds i m u l a t e st h ed y i n g t h ep a p e ra n a l y z e so p e r a t i o nm e c h a n i s ma n dd r y i n gp r i n c i p l eo fh e a tp u m p d r y i n gs y s t e m a n ds t u d i e st h e r m o d y r n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh e a tp u m pd r y m gs y s t e m a n dd r y i n gm e d i u m a c c o r d i n 2t ot h es p e c i f i c i t yo fc 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l e t h ep a p e rl i s t ss p e c i a ld r y f o r m sf o rc 0 2h e a tp u m pd r y i n gs y s t e m a n da n a l y z e st h e i n f l u e n c eo fe v 印o r a t l o n t e m p e r a t u r e h i g hp r e s s u r e o u t l e t t e m p e r a t u r eo fg a s c o o l e ra n dc o m p r e s s o r e f f i c i e n c yo ns y s t e mp e r f o r m a n c ea n dd e h u m i d i f i c a t i o nr a t i oo f t h ec 0 2h e a tp u m p d r y i n gs y s t e m i nt h ed r y i n gs y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co fd r y i n gs y s t e m i sb a s i c a l l y t h es a m ea st h eh e a tp u m ps y s t e m d e h u m i d i f i c a t i o nr a t i oi n c r e a s e sa st h ee v a p o r a t l o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s a n dd e c r e a s e sa st h e o u t l e tt e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e ra n dh l 鲈 p r e s s u r ei n c r e a s e s u s i n gt h ec 0 2h e a tp u m pd r y i n gs y s t e m a ne x p e r i m e n ti s c a r d e do u tu n d e r d i 俄r e n tc o n t r o lc o n d i t i o n s t a k i n gt h ed r y i n gt oc a r r o ta s a ne x a m p l e t h ep a p e r a d v a n c e sac o m p a r i s o ne x p e r i m e n to nt h ee x t e r n a lc o n d i t i o n sw h i c h c a ni m p a c tt h e d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc a r r o t a n df i n d o u tt h ei n f l u e n c ef a c t o ro nt h em 0 1 s t u 佗 c o n t e n t 锄dd r y i n gr a t e t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e o nt h ed r y i n gr a t ei sb i g g e rt h a n w i n ds p e e d w h e nt h et e m p e r a t u r ea n dt h ew i n ds p e e di n c r e a s e s t h ed r y i n g r a t e i n c r e a s e s t h ep a p e ra l s os t u d i e st h ev a r i e t yo fv i t a m i nc c o n t e n t m l c r o s l r u c t u r e r e h a b i l i t a t i o no fw a t e ra n ds a t u r a t i o ni nt h ec a r r o td r y i n gp r o c e s s a n da n a l y z e st h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e w i n ds p e e da n do t h e rf a c t o r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p r e s e r v a t i o no f v i t a m i nci n c r e a s e sa st h e o ft h es a m p l et i s s u ec o n t r a c t i o ni sc l o s e r t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s t h em i c r o s t r u c t u r e a n df o l di sh i g h e ri nt h eh i g h t e m p e r a t u r e d r y i n gt h a nt h el o w t e m p e r a t u r ed r y i n g r e d u c i n g t h e d r y i n gt e m p e r a t u r ea n d i n c r e a s i n gt h e w i n ds p e e dm a yi n c r e a s et h er e c o v e r yr a t eo fw a t e r b a s e da n d r e h a b i l i t a t i o no fw a t e r b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fc 0 2h e a tp u m pd r y i n g t h ep a p e ra n a l y z e st h e v a r i e t yo fm o i s t u r er a t i oa l o n gw i t ht h ec h a n g i n gt i m e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f d r y i n gp r o c e s si se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed r y i n gt e m p e r a t u r ea n dw i n ds p e e d w h i c hc o u l di m p a c tt h ed r y i n gp r o c e s so b v i o u s l y e x p e r i m e n t a ls t u d i e sp o i n to u tt h a t t h et e m p e r a t u r eh a sag r e a t e ri m p a c to nt h ed r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc a r r o t a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lh a sa ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo nt h ep r o d u c t i o no fc a r r o t d r y i n gh e a tp u m p k e yw o r d s c 0 2h e a tp u m pd r y i n g c a r r o t m o i s t u r ec o n t e n ld r y i n gm o d e l 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 干燥是指在自然条件下或人工控制条件下促使产品中水分蒸发的工艺过程 干燥是生物物料 如食品 果蔬 中药等保藏的重要手段 也是一项重要的 加工技术 生物物料的种类繁多 而且绝大多数的加工都和干燥有关 随着人民 生活水平的提高 人们越来越关系干燥后产品的品质 对干制品的品质提出了更 高的要求 干燥过程对食品 中药 果蔬等生物物料的品质具有很大的影响 有 时甚至起到决定性的作用 众所周知 现在仍占主导地位的热风干燥对干制品的 色泽 营养物质的含量及其它生物活性物质破坏的程度较大 而要获得优质干燥 产品常常需要采用昂贵的设备 如冷冻干燥等 干燥的经济性和产品的质量之间 目前还存在着很大的矛盾 如何以低能耗和低成本去获得优质的干燥产品 是当 前干燥研究中亟待解决的问题 也是干燥技术发展中的一项重大的挑战 我国是中药大国 且历史悠久 传统中药的生产和应用已有几千年的历史 所采用的中药干燥工艺主要是自然晾干 但是由于自然晾干周期长 效率低 干 燥品质差 显然不能满足现代中药生产的需要 于是人们开发了许多设备 像热 风干燥箱及各种类型的干燥机等 由于采用了气流技术 提高了干燥温度与速度 因此生产效率得到了提高 但是我国中药生产厂家的干燥工艺普遍存在干燥温度 过高引起中药的有效成分严重损失的现象 为解决这些问题 必须对中药的干燥 特性进行研究 寻找更加合理的干燥工艺i lj 我国也是一个农业生产大国 2 0 0 5 年我国稻谷年产量达1 8 亿吨 占世界稻 谷总产量的3 0 左右 小麦年产量达9 7 4 4 万吨 居世界首位 玉米年产量2 亿 吨 占世界总产量的4 0 以上 2 0 0 4 年我国的水果产量达8 3 9 4 万吨 蔬菜产量 达5 5 亿吨 2 0 0 5 年我国水果产量为1 6 0 7 6 万吨 蔬菜产量为5 6 2 8 4 万吨 分别 比上年增长了4 8 和2 2 但我国由于产地交通不便和加工技术落后 产后损 失超过3 0 在经济上造成巨大的损失 发达国家非常重视产后加工技术 产品 的损耗一般控制在5 2 0 因此 在粮食 蔬菜 水果的采后进行干燥处理 具有十分重要的意义 据统计 2 0 世纪末采后损失率粮食为9 水果为2 5 蔬菜为3 0 而发 达国家粮食为1 水果为5 这说明我国干燥技术的发展仍是当务之急 2 d j 在众多果蔬中 胡萝卜在我国种植区域最广 胡萝卜种植过程中病虫害较少 第 章绪论 因此农业污染小 产量又高 在我国的大部分区域都有大面积的种植 但胡萝卜 加工食品的工业化开发水平和市场占有率却远远落后于其它果蔬加工 影响胡萝 卜加工技术发展的原因是目前世界上尚缺少优质胡萝卜工业化的加工技术 由于胡萝b 是根状的生物材料 对于大多数的根状或类根状的果蔬及中药 如蘑菇 人参等的干燥 具有很大的相似性 且胡萝b 在热风或日晒下易氧化损 失 因此本文以胡萝b 为代表进行干燥性能的研究 生物物料干燥方法有多种 如日晒 热风干燥 冷冻干燥 真空干燥 微波 干燥等 干燥通常使物料出现各种物理 化学变化 主要有营养成分损害 风味 及外型变化和褐变 影响因素最主要是温度和时间 温度越高 时间越长 则对 物质破坏越严重 对于种子等植物性多孔介质的干燥 天津大学对这方面进行了 很多的研究1 4 j 对于果蔬类等热敏性物质 日晒和热风干燥的温度高 易产生色 泽褐变 营养素损失大 复水性能差等质量问趔5 冷冻干燥加工的干制品品质 优良 能够保持物质原有的色 香 味及营养 干燥质量最好 但干燥系统结构 复杂 设备初投资大 干燥时间长 能耗极高 使其应用受到限制 6 7 果蔬类 的食品物料多为热敏性物料 温度是干燥过程中的第一重要因素 工程实际中应用 较多的也是控制干燥温度以保证物料的干燥质量 而热泵干燥由于干燥温度低 能够较好地保持食品天然的营养 色泽和风味 对热敏性物质损害小 成本较低 因而显出很大的发展潜力 并且热泵是一种高效节能装置 也是制取低温干燥介 质的高效装置 因此具有独特的优势 8 1 综上 要想获得优质的产品就需要采用昂贵的干燥工艺 因此 开发低成本 高能效 环保型的干燥装置及技术成为未来干燥技术发展的一个趋势 1 2 干燥理论 干燥理论不仅要能解释干燥过程中出现的各种传递现象 而且应建立相应的 干燥模型 以预测在一定干燥条件下的干燥行为 并能从模型推出反映干燥过程 干燥特性的干燥曲线 2 0 世纪初 就已经开始对被干燥固体内部的湿分传递过 程的研究 常见的湿固体大多属于多孔介质 由骨架和空隙组成 在多孔介质干 燥过程中 经常伴随着流体的相变 使得多孔介质内部的各种运动形式十分复杂 尤其是湿分的迁移机制 受到各种物理量的支配 目前国内外对含湿多孔介质对 流干燥的研究尚未达到令人满意的程度 依据湿分在固体物质内迁移过程中的相态 运动形式 驱动力等因素 人们 相继提出了液态扩散理论 毛细理论 蒸发冷凝理论 不可逆热力学理论 热质 传递耦合理论等来描述干燥中的质量传递过程 这些理论均假设湿物质为均匀 第一章绪论 各向同性的连续介质 用于描述不同物质的干燥过程时各有特点和局限性 1 液态扩散理论 l e w i s i l 早在2 0 世纪2 0 年代就提出了液态扩散理论 认为干燥时固体物质 内的湿分是以液态扩散形式进行迁移的 推动力为其内部的湿分浓度梯度 随后 的1 9 2 9 年 s h e r w o o d l l 2 在固体干燥研究过程中 提出了以液体浓度梯度作为湿 分移动推动力的假说 将f i c k 定律引入到液态扩散理论中 不考虑传热对传质的 影响 并假定质扩散系数d l 为常数 得到的数学模型形式如下 警 啊对 1 1 式中 x 为干基含湿量 k g k g b 为基于浓度梯度的液相扩散系数 m 2 s 液态扩散理论多被食品和谷物研究者应用于球形或平行六面体形状物料的 干燥过程 而扩散系数常被假定为常数 或假定与温度或浓度线性相关 实验研究显示 纯粹的液体扩散模型与实验结果相差较大1 1 3 但是由于该模 型表达简单 计算方便 在干燥研究中经常不考虑扩散的推动力 许多学者提出 了改进的液态扩散模型 警 v d v x 1 2 式 1 2 称为费克第二定律 其中口为有效扩散系数 1 4 m 2 s 假定它是 由液体扩散 毛细管势引起的液体移动及蒸汽扩散等多种因素 多种驱动力共同 作用的结果 但是p 的值需要借助实验测定 从而补偿了模型的理论偏差所造 成的计算误差 文献 1 5 认为包是物料绝对温度的函数 文献 1 6 中进一步指出见不仅与物料 温度有关 而且还与物料含湿量有关 尽管液态扩散理论有许多不足 但由于补偿后与实际情况吻合较好 并且表 达简单 所以仍得到广泛应用 2 毛细理论 毛细现象是指由液体和固体之间的分子吸引力产生的穿过缝隙或沿固体表 面的液体流动 b u c k i n g h a n 1 7 j 最先分析了这种现象 他将非饱和毛细流动的驱动 力定义为毛细势 毛细势是指毛细管中气液界面两侧的压力差 毛细作用下 界面因为液体的 表面张力作用呈弯月状 毛细液流通量计算式如下 z 一巩v 缈 1 3 式中 石为毛细液流通量 k g m 2 s d 阿为不饱和水力传导系数 r n 2 s 3 第一章绪论 为毛细势 k g m 4 在等温条件下 通常认为毛细势与湿分梯度成正比 因此 上式可改写为 j l 一d h p 孓l 1 4 1 用湿含量表达毛细液流通量 以便在干燥研究中应用 在食品干燥领域 毛 细流动已成为湿分迁移的基本机理 主要用于描述湿物质在高水分段的干燥过 程 而低水分段则需要其它理论来解决 3 蒸发冷凝理论 1 9 3 9 年h e n r y 提出了蒸发冷凝模型 1 8 考虑了热量 质量的同时扩散过程 并将固体内的通道假设为均匀 连续的网格 为了数学计算的方便 又做了进一 步的假设 物体内的蒸汽量与蒸汽浓度和温度呈线性关系 湿分只以气态的形式 扩散 扩散系数为常数 因此有一下公式 质量方程a p c 等 k v 2 丁一胡 譬 1 5 7 o l 能量返程 a e d v 2 c y 口导 1 一口 店娑 1 6 仞o t 式中 口为孔道中的空气体积分数 g 为扩散路径迂曲度系数 g 为孔隙中 的蒸汽浓度 k g m 3 见为蒸汽扩散系数 m 2 s c 为固体骨架的比热容 j k g k 脯 为固体的吸附或解析热 j m 3 该理论指出 只要有温度梯度存在 就会产生相应的蒸汽压梯度 因而水分 就可以以蒸汽扩散的形式发生迁移 4 热质传递耦合理论 上世纪四十年代初 k r i s c h e r 等学者f l9 提出了考虑液态水毛细管移动和蒸汽 扩散运动同时存在的多机制模型 后来 d b e r g e r l 2 0 等人对该模型进行了改进 p h i l i p 和d e v r i e s l 2 1 在土壤学研究领域于1 9 5 7 年首次提出了以温度梯度和湿 分梯度为推动势的质量和热量的传递方程 他们认为多孔介质中湿分传输同时存 在气相和液相当中 即在水分的液态扩散同时也存在蒸汽扩散和毛细作用迁移 而这两相流体的运动都是由温度梯度和湿分梯度驱动的 其中 液相质量流率基 于非饱和达西定律 蒸汽质量流率基于s t e f a n 扩散定律 质 热传递方程如下 o x v d 7 v 丁 v d 矽v x 4 笺竺 1 7 o t仍 匀r 成c 口詈 v k v t 厶v 口 v r 1 8 7 1 式中 研为温度梯度导致的湿扩散系数 m 2 s 2 岛为湿扩散系数 m 2 s d 为蒸汽扩散系数 m z s 缸为液相的重力流率 m s 厶 为汽化的体积潜热 4 第一章绪论 j m 3 z 为平行与重力方向的坐标 m 见为介质密度 k g m 3 巳为介质比热容 j 埏 k 由于推导过程的限制 式 1 7 式 1 8 只用于湿分在孔道或毛细管内 连续分布的区域 后来d e v r i e s 又对此理论进行了改进 考虑了润湿热和焓 并 将湿分在液相和气相的变化区分开来 p h i l i p 与d e v r i e s 理论的物理依据充分 在地质 水文和石油科学领域内的应用较多 但基本没有在食品和农产品干燥中 应用 p h i l i p 和d e v r i e s 的主要贡献在于他们把液态湿分方程和气态湿分方程有机 结合起来 把单一驱动机制推向热湿双场驱动机制 这是含湿多孔介质研究的一 大进展 后来的学者们纷纷引用他们的经典方程 或略加修正 去解决许多实际 问题 5 不可逆热力学理论 l u i k o v i 2 2 基于如下假设 利用不可逆热力学理论 提出了同时考虑温度 湿 含量和压力的模型 1 蒸汽 空气和水分分子的质量传输同时发生 蒸汽和空气以扩散 渗流 及存在压力梯度时的滤流等形式进行 液体的传递则以扩散 毛细吸附和滤流的 形式进行 这些传输方式均被有条件地称为扩散 并且采用了与费克定律相同的 形式来描述 2 不考虑收缩和变形 3 物料各向同性 4 忽略松弛项 鲁 k i i v 2 t k 1 2 v 2 眦 v 2 p o 优0 k 2 1 v z t k 2 2 v 2 口 k 2 3 v 2 p 詈咆v 2 r 坞v 2 秒蝎v 2 p 1 9 1 1 0 1 1 1 式中 k 墨 称为耦合系数 该模型考虑了温差 浓度差 压力差三种驱动力 是一种考虑因素较为全面 的理论模型 被称为干燥理论发展的第二阶段 2 引 后来的研究者称之为三参数模型 其中浓度 压力和温度梯度均被认为是影 响因素 三参数模型论证严密 理论上具有较强的通用性 但是该模型中的9 个 耦合系数很难确定 限制了它的应用 第一章绪论 1 3 热泵干燥 1 3 1 生态环境与热力学 据观测 近百年来全球气候确在不断变化 温室效应 海平面上升等等 当 然 温度的变化不排除天文和地理的因素 但人类活动使得温室效应气体浓度上 升是主要原因 大量化石燃料燃烧放热 虽然直接的热污染仅使地球温度上升了 0 0 0 5 但会生成c 0 2 及其他温室气体 产生温室效应 可是 温室效应的产生 表面上看是c 0 2 等温室气体的作用 实际上仍然是对能量的不合理利用 2 4 1 大量 浪费能源的结果 解决温室效应及整个环境问题的关键还是通过各种途径减少矿 物能源的总消耗 一方面是减少燃料的用量 提高能源利用率 另一方面尽量采 用太阳能 风能 水能等可再生能源 从上个世纪3 0 年代开始 氟利昂化合物作为制冷剂得到广泛的应用 它们 一直作为安全制冷剂而著称于世 其中首屈一指的要属r 1 2 随着制冷和热泵装 置中使用氟利昂制冷剂数量的逐年上升 人们开始注意到它对人类赖以生存的生 态环境产生了不利影响 在1 9 7 4 年 m j m o n l i n a 和f s r o w l a n d 提出了氟利昂可 以破坏臭氧层的假说 现已证明是正确的 氟利昂在大气中浓度增加的另一个负 作用就是温室效应 大多数氟利昂也有类似c 0 2 的特性 它们对于温室效应起了 推波助澜的作用 1 9 8 7 年9 月1 6 日 4 6 个国家在加拿大的蒙特利尔会议上 通过了 关于消 耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 确切地提出了要限制生产和销售r 1 1 r 1 2 r 1 1 3 r 11 4 和r 11 5 等c f c 我国于1 9 9 1 年正式宣布加入 蒙特利尔议定书 1 9 9 2 年8 月1 0 日该修正案对我国生效 我国汽车空调行业2 0 0 2 年1 月1 日起 停止了c f c 的使用 其它的消费行业 如哈龙 烟草 清洗 制冷和家电行业 在2 0 0 6 年底停止c f c 和哈龙的消费实用 对泡沫行业 在2 0 0 7 年7 月1 日之 前彻底淘汰 而对于o d s 生产行业来说 在2 0 0 7 年7 月1 日后不再生产o d s 类产品 因此 对0 d s 替代品的需求会越来越多 目前的替代工质有许多种 大致可分为天然的和合成的两类 而从环保角度 出发 国际协议中规定替代物的臭氧层消耗系数o d p 0 温室效应系数g w p 应尽量小 现阶段 各个国家提出的各种混合制冷剂均是采用h c f c s 和h f c s 代替c f c s 然而它们本身对环境亦有害 因此 这些制冷剂只能是暂时的替代 物 在不久的将来会被对环境安全的物质代替 多年来 绿色和平组织一直在倡导这样一个观点 完全不使用对臭氧层造成 破坏的自然工质亦能满足人们对工质的要求 在几种常用的自然工质中 c 0 2 最 6 第一章绪论 具竞争力 在可燃性和毒性有严格限制的场合 c 0 2 是最理想的 c 0 2 作为工质具有独特的优势 主要表现在 1 绿色环保制冷剂 c 0 2 是一种对环境无害的自然界天然存在的物质 它的臭氧层破坏势 o d p 为零 其温室效应势极小 g w p t 如果考虑到所用c 0 2 大多为化工副产品 用它做制冷剂正好回收了本来要排向大气的废物的话 c 0 2 的温室效应就应为 零 2 优良的经济性 c 0 2 来源广泛 成本低廉 从无需回收或再生角度看 操作 运行费用也低 3 良好的安全性和化学稳定性 c 0 2 安全 无毒 不可燃 适应各种润滑油常用机械零部件材料 即使在高 温下也不分解产生有害气体 4 良好的热力学性质和输运性质 c 0 2 的单位容积的制冷量相当高 故压缩机及部件尺寸较小 运动粘度低 c 0 2 的导热系数高 热阻小 而且液体密度和蒸汽密度的比值小 节流后各回路 间制冷剂的分配比较均匀 各回路的传热管均到有效利用 表面张力小 能够提 高沸腾区的蒸发换热系数 这些就使其流动和传热特性大大提高 大大减少了管 道和热交换器的尺寸 使整个系统非常紧凑 由于c 0 2 的临界温度很低 因此c 0 2 的放热过程不是在两相区冷凝 而是在 接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热 其放热过程为一变温过程 有较 大的温度滑移 这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配 是一种特殊的劳伦 兹循环 当用于热泵循环时 有较高的放热系数 因此 c 0 2 作为自然工质应用 于热泵系统 具有很大的发展潜力 1 3 2 节能技术 人类大量消耗矿物能源并诱发了严重的生态环境问题 全球气候变暖可能已 增加灾害性气候发生的频率 一些研究认为 它的全部后果远没有表现出来 等 人们把其中的因果关系完全搞清楚了再来想办法 可能已经为时己晚了 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 在各种能量消耗的最后物理形态中 以热消耗最大 且以小于1 0 0 的热消 耗最大 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 使环境资源或以为 是无用的低温热资源提高一些温度 使它们适合人们利用 并在数量上成倍的增 第一章绪论 大 从而节约矿物燃料 减少c 0 2 的排放 热泵技术的发展有利于合理利用自然 资源 有利于提高人民的生活水平 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 将是节能技术的亮点之一 而c 0 2 热泵系 统 由于采用c 0 2 作为制冷剂 具有绿色环保 安全 优良的热力学性质等特点 将来的发展潜力更大 1 3 3 热泵干燥的发展 干燥是工农业生产的许多部门 如谷物贮藏 食品加工 医药 纺织 印染 造纸 建材 陶瓷加工 化工 机械等不可或缺的操作过程 而且往往是产品生 产的关键工艺之一 干燥过程可以认为是从物料中除去湿分的单元操作 干燥本 身是传热和传质的耦合作用 而且要提供干燥物料中水分的蒸发潜热 因此是一 个能量密集过程 干燥操作广泛应用于国民经济的各部门 是能耗较高的单元操 作之一 往往在一个国家的总能耗中占有较大比例 据英国对食品 农业 化工 纺织 建材和木材加工等十一种产业的统计 干燥作业的能耗占总能源消耗的 1 1 6 美国农业部门的统计资料也表明 农副产品干燥的能耗比农业机械消耗 的能源要多得多 干燥过程也是一个相当耗费时间的过程 比较突出的如谷物 水果等农产品收获季节比较集中 由于得不到及时的干燥 造成大量的发霉 腐 烂 给国民经济带来了不必要的损失 因此高效 节能的干燥装置的研究就显得 更加重要 热泵作为一种有效的节能装置 已在工业发达国家的工农业 民用等许多部 门得到应用 主要应用在木材 谷物 食品 制药 陶瓷 水产 纺织 化工 造纸 茶叶 污泥处理等行业 1 9 4 3 年s u l z e r t 2 5 公司在德国将热泵技术应用于地 下室的除湿装置中 德国的热泵干燥时间可与高温干燥器相当 而能耗却降低 8 0 而热泵干燥的专利权则是在1 9 5 0 年由美国取得 法国在1 9 7 0 1 9 7 7 间安 装了近千台热泵式木材干燥器 其单位能耗值只有18 0 0 k j k g 水 日本从6 0 年 代开始研究热泵干燥技术 现在1 2 的干燥装置采用热泵干燥技术 加拿大的安 大略省4 5 的木材采用热泵干燥 节能达6 0 国外许多学者对热泵干燥过程进行了较为详细的研究 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 随着人们对除湿技术的要求越来越高 从产品质量 节能 环保等方面考虑 热泵干燥可能变得更加重要 s t r o m m e n 和k r a m e r 从19 9 4 年就 对细胞 酶等医药生物产品的干燥和对鱼 虾等热敏性产品的干燥进行了长期研 究 为了满足生物物料干燥要求的增加 a l v e sf i l h o 和s 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 第一章绪论 干燥在水果 鳕鱼 虾 菌类等生物上的应用 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 2 6 2 8 国内对热泵干燥的研究工作早在六十年代就受到重视 并在八十年代中期开 展起来1 2 9 1 西南农业大学等单位进行了茶叶热泵干燥中期实验研究 结果表明 与传统烘干工艺相比能源费用节约3 0 4 0 综合成本下降2 0 5 天津大学热 能研究所在热泵干燥的实验研究与理论分析方面进行了大量的研究工作 文酬3 0 j 对热泵干燥的节能技术进行了深入研究 并对其经济性做了分析 结果显示具有 很好的应用前景 文献 3 l 利用热泵干燥系统对白菜和茄子种子等对温度敏感的生 物材料进行了干燥 优势明显且节能效果显著 通过模拟与实验研究得出热泵干 燥存在一个最佳干燥温度 文献1 3 2 j 通过对黄瓜和豆角进行的干燥实验 发现了温 度 相对湿度对含水量的影响 并找出了它们分别对应的最佳干燥温度 文献1 3 3 着重对种子热泵干燥的传质过程和干燥过程的参数控制进行了研究 近年来 北 京林业大学一直致力于木材热泵干燥的研究 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理想 广东省农机研究所开发出 应用于农副产品热泵干燥装置 上海能源研究所和上海种子公司合作开发了粮食 种子热泵干燥装置 节能效果和干燥品质都非常理想 3 4 37 1 自2 0 世纪9 0 年代以来 研究者们对以二氧化碳为工质的热泵干燥循环进行 了理论和实验研究 取得了一些理论和成果 e l s c h m i d t 3 s 分别对以二氧化碳 和r 1 3 4 a 为工质的热泵干燥循环系统进行了比较 经过理论分析得出 对于二氧 化碳热泵干燥系统 除了节流损失比r 1 3 4 a 的大以外 其它的参数都具有r 1 3 4 a 所无法比拟的优越性 2 0 01 年 f s t e i m l e l 3 9 研究了将二氧化碳热泵应用于干洗店 的衣物干燥 实验结果显示 与传统的电加热方式相比 二氧化碳热泵干燥系统 既节省了时间 而且能量比传统方式节省5 0 一 6 0 综上 热泵干燥具有能耗少 环境污染小 干燥品质高 适用范围广的优点 1 4 本文研究的主要内容 近年来国内外许多学者都对热泵干燥进行了多方面的研究 本文在以前学者 研究的基础上 根据c 0 2 跨临界循环的特点 主要进行了以下几个方面的研究 1 主要分析了热泵干燥理论 干燥介质湿空气的性能 2 针对c 0 2 跨临界循环的特殊性 c 0 2 热泵干燥系统的特殊干燥形式 并分 析了蒸发温度 高压压力 气体冷却器出口温度 压缩机效率 过热度等对c 0 2 热泵干燥系统的系统性能和除湿率的影响 3 应用c 0 2 热泵干燥系统 进行了不同控制条件下的干燥对比实验 以干 第一章绪论 燥胡萝l 为例 对影响胡萝卜干燥特性的外部条件进行对比实验 找出了影响含 水率和干燥速率的因素 研究了干燥过程中胡萝卜内部维生素c 含量的变化 样 品显微结构及胡萝卜干制品复水比和饱和复原率的变化 分析了温度 风速等这 些因素的影响 4 以c 0 2 热泵干燥实验数据为基础 分析干燥过程中水分比随时间的变化 规律 并以此为依据 建立干燥过程的数学模型 1 0 第二章热泵干燥理论及干燥循环的热力学分析 第二章热泵干燥理论及干燥循环的热力学分析 目前 干燥方法有很多种 历史最悠久的是自然通风干燥 基本上就是摊晒 法 该法虽然能量消耗很少 但主要依靠适宜的气候条件和充足的阳光 而且 需要较多的人力和摊晒场地 干燥质量也无法保证 现在主要使用机械设备干燥 在众多的干燥设备中 对流干燥器以其结构简单 操作方便 适应性强而得到普 遍应用 是目前生产中使用最多的一种干燥设备 但这种对流干燥器热效率很低 一般只有3 0 6 0 这主要是由于干燥过程废气的直接排空 不仅因废气带走 余热造成浪费 而且也污染了环境 虽然采用部分废气循环可以回收一部分余热 但受到废气循环量的限制 一般仅为2 0 3 0 用常规的换热器虽然可以回收 废气中部分显热 但废气中6 0 8 0 的热量是以潜热形式存在的 还是被排放 掉 要回收其中的潜热 就必须把废气冷却到露点温度以下 同时还要使回收的 潜热具有适当的温度品味 再用于干燥过程 而热泵就能实现这一过程 4 0 1 热泵干燥装置具有能耗低 干燥产品质量高等特点 在干燥行业得到了广泛 的应用 2 1 热泵干燥的原理及特点 2 1 1 热泵干燥的原理 i 二二二 空气 图2 1 热泵干燥装置的工作原理示意图 a 压缩机b 冷凝器c 节流阀 d 蒸发器e 干燥室 热泵干燥装置及工作原理如图2 1 所示 空气在热泵干燥装置中的状态变化 第二章热泵干燥理论及干燥循环的热力学分析 过程如图2 2 干燥系统排出的废气在状态l 下 进入热泵蒸发器内 先降温到 状态2 达到饱和状态 由状态l 到状态2 的过程中 空气的绝对湿度不变 而相 对湿度不断增大 直至饱和状态 在蒸发器内 空气继续降温 其中的水蒸汽不 断被冷凝下来 这时沿饱和状态线下降到状态3 除湿降温后的干空气离开蒸发 器进入冷凝器被加热升温到状态4 由状态4 到状态1 是空气在干燥器内的变化 过程 绝 对 湿 度 蔷 弃 巴 l 色1 0 温度t k 图2 2 熟泵除湿的空气湿度图 对于热泵干燥装置 比较常用的方法是用除湿率 s m e r 4 1 4 2 1 来表示其热 泵的性能 定义为 s m e r 水分蒸发量 输入的能量 传统干燥器的理论s m e r 值为1 5 9 5 k g k w h 而实际的s m e r 只有理论值 的2 0 8 0 连续对流式干燥器的热效率为5 0 左右 那么其s m e r 值就是 0 8 k g k w h 左右 而热泵除湿干燥器的s m e r 值一般为2 2 5k g k w h 就能量利用而言 热泵干燥的节能效果是显而易见的 但对热泵干燥的评价 还必须从其经济性来考虑 因为与常规干燥方法相比 热泵干燥装置的运行费用 大大降低 但一次性投资及设备维修费又有所增加 与常规干燥相比 热泵干燥具有下列特点 1 热泵干燥装置的能量利用率高 运行费用低 2 热泵干燥一般为低温干燥 因此不会产生氧化及化学分解等现象 特 别适用于热敏性物料 生物制品以及食品等的干燥 色 香 味及外观好 产品 质量高 3 对干燥介质进行闭路循环的热泵干燥装置 不受外界气候条件的影响 一年四季均在同一条件下平稳运行 无环境污染问题 第二章热泵干燥理论及干燥循环的热力学分析 4 热泵干燥一般在低温下运行 设备的使用寿命长 5 就目前的热泵干燥技术水平来看 大多为低温干燥 因此 与高温干 燥相比 干燥时间较长 4 3 2 1 2 热泵干燥的分类 按干燥介质 空气 与外界环境的连通程度 热泵干燥装置可分为开式 半 开式和封闭式三大类 开式热泵干燥装置的流程简图如图2 2 所示 进入干燥器的干燥介质 即空 气 全部来自环境 在干燥器内干燥物料后排出的废气也全部排入环境 干燥介 质离开干燥器进入热泵的蒸发器与热泵工质换热后直接排空 外界环境空气在冷 凝器内被加热后进入干燥室 开式热泵干燥装置的优点是结构简单 操作方便等 但缺点是干燥介质只能是空气 并且进入干燥器的空气温度受环境温度的影响 大 进入干燥器空气的净化负荷较大 干燥废气 特别是含有粉尘或有毒有害气 味时 排入环境对环境有污染 冷凝器 弋 蒸发器 月 图2 2 开式热泵干燥装置图 弓芑左毛 半开式热泵干燥装置的流程图如图2 3 所示 进入干燥器的干燥介质一部分 来自环境 另一部分来自干燥器排出的废气 干燥器排出的废气一部分排入环境 一部分再循环经热泵处理后再进入干燥器 废气的循环位置一般在冷凝器的入 口 这样既利用了这部分废气的余热 又可提高热泵的c o p 值 但由于干燥废 气中的含湿量较大 在回收废气余热的同时 也增加了干燥介质中的含湿量 影 响干燥效果 而且受环境影响也较大 半开式干燥装置对进干燥器空气的温度 含湿量的调控性优于开式热泵干燥 第二章热泵干燥理论及干燥循环的热力学分析 装置 但空气循环通道及调控均较复杂 干燥介质只能是空气 并且进入干燥器 的空气温度仍在一定程度上受环境温度的影响 从环境引入的部分新鲜空气的净 化负荷较大 部分干燥废气排入环境对环境有污染 封闭式热泵干燥装置的流程简图如图2 1 所示 干燥介质在完全封闭的循环 通道中循环 热泵干燥装置运行时不从环境中引入新鲜空气 也不向环境中排放 废气 干燥介质可以是空气 也可以是其他适宜的气体介质 在低温干燥中用的 较多 如种子等生物材料以及木材的干燥大多采用这种流程 其特点就是不受外 界环境的干扰 应用范围较广 封闭式热泵干燥装置可省去进气净化设备 没有对环境的废气排放污染 干 燥温度可任意调节 不受环境温度的限制 干燥介质选择灵活 可按物料需要选 择不同特性的干燥介质或干燥介质混合物 如密度不同 比热容不同的各种介质 及惰性干燥介质等 因此在生产中应用最广 尤其在高温高湿地区有优势 闭路式热泵干燥系统有内外两个工作循环 即制冷剂在热泵内的循环和干燥 介质 空气 的干燥循环 与普通的蒸汽干燥相比 最大的区别在于热泵系统中 空气是封闭的 靠蒸发器来除湿 图2 3 半开式热泵干燥装置图 2 1 3 物料干燥中的水分扩散 制冷剂 一 弓芑左毛 干燥通常指将热量加于湿物料并排出挥发性湿分 主要指水 的