简述热泵干燥

简述热泵干燥 摘要 干燥加工是农产品加工过程中的重要的环节 传统的热风循环干燥因能耗大 耗时长 干制品的品质低 已经无法满足人们对高品质农产品的要求 新兴的干燥技术如 真空冷冻干燥虽然产品质量好 高成本制约了它的推广应用 热泵干燥技术是兼顾品质与成本的一项干燥技术 已经广泛应用于木材 农产品 药材 的干燥加工 现行的热泵干燥其干燥参数如温度 湿度等参数大多还是由人工根据经验进 行控制 耗时耗力 控制精度低 效果差 本文将简述热泵干燥技术研究进展 原理和特 点 性能系数 最后对热泵干燥的国内外研究进展做了介绍并提出展望 关键词 热泵干燥 原理 特点 参数 研究进展 一 干燥和热泵干燥简介 1 1 干燥简介 干燥是通过一定的技术处理除去物料中水分或其他挥发成分 达到一定的含湿要求以便 于贮存 运输 加工和使用的操作 干燥技术在国民经济生产过程中起着非常重要的作用 尤其在化工 石化 医药 农林产品加工等部门是生产过程中的重要环节 农副产品加工质量直接影响着农业生产部门的效益和人们的生活质量 很多农副产品 由于富含水分 往往达到 80 或更高 糖 蛋白质 维生素等营养物质和芳香类等其它 特殊物质 在储藏 运输 加工成食品或其他生活用品之前 在制成食品或用品的加工作 业中 都必须进行干燥 此外 干燥也是农产品储藏的重要技术环节 2006 年 国家粮食 局抽样调查显示 由于储粮设施简陋 方法不科学 损失率达到 8 10 数字惊人 其 中 干燥技术使用不当是造成损失的重要原因之一 干燥作业的能耗非常大 这是干燥行业普遍面对的问题 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 干燥作业的能源消耗占总能源消耗的 11 6 美国农业部的统计资料也表明 农副产品干燥消耗的能源比农业机械作业消耗的 能源要多得多 自 20 世纪 70 年代初世界石油危机爆发以来 世界各国均对干燥加工的节 能技术展开了广泛而深入的研究 开发高效 节能的干燥技术符合我国的经济利益和长远 战略利益 1 2 热泵干燥简介 热泵技术是一种从低温热源吸收热量 使其具有较高的温度成为有用热能 并能够被有 效利用的热能技术 热泵技术所提供的热量与所消耗的机械功之比一般可达三倍以上 且 热泵干燥机的操控完全通过电量进行 其中大部分是开关量控制 能够将数据采集监控技 术和热泵干燥技术相结合 形成热泵干燥控制技术 相比普通热风干燥技术 热泵干燥控 制技术具有高效节能 产品质量好 无污染 控制精确等优点 有非常广阔的应用前景 二 热泵干燥原理和特点 2 1 热泵干燥原理 热泵干燥装置由热泵系统和干燥装置构成 热泵系统主要由压缩机 蒸发器 冷凝器和 节流装置等组成的闭路循环系统 干燥装置主要由干燥室 风机等构成 热泵干燥装置的工作原理如图 1 所示 热泵干燥装置的运行主要由两种流体的流程所推 进 在图 1 中 细线流程表示热泵工质循环 粗线流程表示干燥介质 湿空气 循环 1 压缩机 2 冷凝器 3 膨胀阀 4 蒸发器 5 风机 6 干燥室 7 冷凝水 图 1 热泵干燥装置工作原理 热泵工质经压缩机压缩后 变成高温高压的气体 进入冷凝器释放热量后冷凝为液态 工质在高压下流向膨胀阀 经过膨胀阀节流降压后变成低压液体 随后进入蒸发器中吸热 蒸发 转化为成低温低压的汽态 最后 回流至压缩机从而完成一次循环 干燥介质在风机的驱动下 首先经过冷凝器吸收热量 干燥介质的温度升高 相对湿度 会降低 因此具备了吸湿能力 然后进入干燥室对物料进行干燥 干燥介质在完成干燥过 程后 相对湿度升高 经过蒸发器时 将会释放热量以及部分水分变成低温低湿的气体进 入下一次循环 2 2 热泵干燥的热力学分析 热泵干燥的热力学分析包括热泵工质循环和干燥介质循环两种热力学分析 理想的热泵工质热力循环如图 2 所示 线 ab 左侧是过冷液体区 线 bc 右侧是过热蒸汽 区 线 abc 内侧是气液共存区 在热泵工作过程中 蒸发与冷凝过程主要在气液共存区内 进行 压缩过程则是在过热蒸汽区内进行的 图 3 热泵干燥系统压焓图 热泵工质的状态沿着 1 2 3 4 变化 从蒸发器出来的工质在点 1 被吸进压缩机后等熵压 缩至点 2 此过程中工质的温度和压力均上升 随后 工质进入冷凝器向干燥介质释放热 量 至点 3 点 3 至点 4 是膨胀阀节流降压的过程 工质的温度和压力在此过程中都会降 低 最后 工质进入蒸发器吸收外界热量 蒸发成低温低压的气体 图 3 热泵干燥系统空气循环 热泵干燥介质的热力循环如图 3 所示 图中 a 线是饱和湿空气 相对湿度 100 线 b 线是等焓线 干燥介质的状态沿着 1 2 3 4 变化 1 2 过程代表干燥介质在冷凝器中等湿加 热过程 经过这个过程干燥介质的相对湿度降低 2 3 过程是干燥介质在干燥室中的等焓 加湿过程 此过程干燥物料的水分持续向干燥介质中扩散 3 4 过程表示干燥介质在蒸发 器中释放热量的过程 干燥介质在点 4 处到达露点 4 1 过程是干燥介质在蒸发器中继续 释放热量的过程 此过程中因温度降至露点以下 干燥介质中的部分水分会凝结在蒸发器 上 经接水盘排出机体 干燥介质的每一次循环 从冷凝器中得到的热量与释放给蒸发器的热量之间存在一个差 值 这个差值约等于驱动压缩机工作的机械能投入 这个差值用来提升干燥室的温度或者 平衡干燥室的热量损失 2 3 热泵干燥的特点 热泵干燥技术较其他干燥方式具有以下优点 1 高效节能 热泵干燥较常规气流干燥在能源消耗和干燥成本方面均具有明显的优势 热泵技术的热效率十分明显 1 份电能可以转换得到 3 4 份热能 且整个干燥过程在封闭 保温的空间内进行 避免热能的流失 提高干燥温度 2 干燥产品质量好 合格率高 热泵干燥可以获得较低温度和较低相对湿度的干燥环境 是一种温和的干燥方式 物料表面水分的蒸发速度与物料内部水分向表面迁移的速度接近 干燥过程中不会产生化学反应 保证干燥产品的质量 3 设备投资和运行成本低 与其他高性能干燥形式 如真空冷冻干燥 微波干燥 相比 热泵干燥具有投资设备和运行成本低的特点 例如 对于同等干燥能力 热泵干燥装置的 投资仅为冷冻升华干燥的 1 4 1 5 而运行成本仅为 1 3 4 性能良好的热泵干燥系统消耗的是高效的电能 系统运作时产生的排泄物是蒸发器上 凝结出的水 系统对环境的影响极小 广泛地采用热泵系统可以减少二氧化碳和二氧化氮 等温室气体的排放 三 热泵干燥装置的性能参数 用来衡量热泵干燥装置性能的常见参数有 热泵干燥系统性能系数 COP 单位时间除 湿量 MER 单位能耗除湿量 SMER 除湿能耗比 SPC 热泵在输入能量的驱动下 从低温热源吸取热量 输送出的较高品质的高温热源 E l Q 的热量 理论上 h Q hl QEQ 热泵干燥系统性能系数 COP Coefficient of Performance 的定义为 hl QQ COP1 EE 对理想热泵循环 即逆卡诺循环 其性能系数只和热泵工质的蒸发和冷凝温度有关 即 h hl T COP TT 式中 为热泵工质的冷凝温度 K h T 为热泵工质的蒸发温度 K l T 实际情况中 逆卡诺循环是不可能进行的 热泵性能系数 COP 总是小于其相应的逆卡 诺循环热泵性能系数 COP 只反映了热泵的性能而没有体现整个热泵干燥装置 MER SMER SPC 是在工程中常用的参数 更直观地反应热泵干燥系统的性能 单位时间除湿量 MER the Moisture Extraction Rates 分分分分 分分分分分 MER 单位能耗除湿量 SMER the Specific Moisture Extraction Rates 分分分分分 分分分分分 SMER 除湿能耗比 SPC the Specific Power Consumption 是指蒸发 1kg 水所消耗的能量 它反映 的是除湿量与能耗量之间的关系 分分分分分 分分分分分 SPC MER 反映了热泵干燥的速度 SMER 则反映了热泵干燥的能源利用效率 SPC 和 SMER 呈倒数关系 物理意义相同 热泵干燥装置的 COP SMER 和 MER 往往不能同时达到最大值 这是由于在热泵干燥 装置中同时存在热泵工质循环和干燥介质循环 两种循环是相互影响的 在追求干燥速度 的时候 能源的利用率往往不是最高 追求两者的统一是今后研究的一个方向 评价一个 热泵干燥装置的性能 应综合考察上述三项参数指标 四 热泵干燥国内外相关研究进展 4 1 热泵干燥的国外研究现状 热泵干燥技术的发展始于 20 世纪 50 年代 美国首先将热泵用于干燥粮食 接着美国的 Westair 有限公司将热泵用于木材干燥 在美 日 德 法等国木材干燥设备中 热泵占有 相当大的比例 国外干燥自动控制技术的研究始于 20 世界 60 年代 从 20 世界 60 年代起 国外学者就 开始研究干燥过程自动控制问题 一些发达国家 如美国 日本的粮食干燥机已经实现了 干燥作业的半自动化和干燥介质温度控制的自动化 而将监控技术和热泵技术结合 是近 年来热泵干燥技术发展的一个趋势 目前 国外热泵干燥技术理论研究仍然领先国内 其 研究内容主要有 1 新型热泵工质的研究 传统的工质 R12 对臭氧层有危害 将被新型环保工资 R32 R134a 替代 有学者研究将不同工质按一定配比混合 如将 R22 与 R134a 混合 实 验表明该混合工质的热泵干燥系统的干燥效果比单一工质要好 美国 德国的学者提出用 CO2 做工质 实验表明 CO2 做工质的热泵干燥系统 其能耗与其他工质的热泵系统相当 2 对热泵干燥装置的研究 热泵干燥装置的技术直接决定热泵干燥的质量 Gopalnarayanan Radermacher Goldberg 和 Lewis 等学者对热泵干燥装置的外部换热器布 置及节能情况进行了深入的研究 J Peter Y S Chen 等学者在蒸发器前加装了回热管 用 来吸收湿空气热量 蒸发器干燥后会把这部分热量还给空气 K J Chua 等人对双蒸发器热 泵干燥进行了研究 建立了数学模型 实验表明此种热泵干燥比单蒸发器热泵干燥的热回 收率高 35 C G Arington 等人研究指出 风机与热交换器的匹配关系对干燥能耗有很大 影响 匹配不当会造成能源的严重浪费 应用多级蒸发新型热泵装置可满足不同物料或同 种物料的不同干燥阶段的温度要求 3 太阳能热泵干燥技术的研究 提高热泵的干燥温度是当前热泵干燥技术发展的重要方 向 太阳能作为一种清洁 不竭的能源可以用作热泵干燥的辅助热源 Aktas 等分析研究 了太阳能干燥和热泵干燥 并采用理论模型和实验数据进行比较 建议太阳能加热器应提 前启动 干燥室的工作周期会缩短 这样能提高能源利用的经济性 M N A Hawlader 等人 则对太阳能热泵干燥系统进行了深入研究 提出了带贮液罐和热水加热器的太阳能热泵干 燥系统 并通过数值模拟和实验验证了系统的可靠性 国外学者还在化学热泵和吸收式热泵技术 热泵监控 热泵干燥能耗等方面 结合计算 机技术展开研究 在提高热源温度 降低能耗等方面取得进展 4 2 热泵干燥控制的国内研究现状 国内的热泵干燥技术发展于 20 世纪 80 年代 最早也是应用于木材干燥 近年来被引入 到农产品干燥领域 主要体现在高效节能 联合干燥 辅助能源 干燥介质及干燥工艺等 方面 张振涛推导出了两级压缩高温热泵空气旁通率理论计算方法并提出露点温差理论 建立 了干燥室空气状态和空气旁通率数学模型 指出热泵的制冷量 工质流量 压缩机功率及 换热器的换热量都与系统的空气旁通率成线性关系 张振涛 张璧光等人研制出可以实现 单级 双级压缩的木材高温热泵干燥试验装置 并应用于马尾松的干燥 试验表明该装置 的节能效果显著 平均能量回收率可达 28 以上 马国远等人对热泵微波干燥的实用性及 性能进行了模拟分析和实验研究 系统运行参数对热泵微波联合干燥器的单位能耗除湿量 和干燥产量的影响与热泵对流干燥器相似 差别在于其变化速度比热泵对流干燥器低 热 泵微波干燥可以提高干燥产量 但单位能耗除湿量降低 其大小与微波能的输入量成比例 张璧光做了太阳能热泵联合干燥的实验研究并给出了工艺曲线 这项技术的最大优势在于 其节能率达到 70 陈东 谢继红在干燥介质方面进行研究 实验表明氢气作为干燥介质 比空气优势在于 氢气提供了无氧的惰性干燥环境 与物料间的对流换热系数约为空气的 2 5 倍 对流传质系数约为空气的 1 5 倍 提高了干燥速率 流动阻力约为空气的 1 5 热泵干燥的控制是热泵干燥技术发展过程中面临的重要课题 原因在于热泵干燥环境是 一个非线性 大惯性的系统 而控制干燥环境的温度和湿度对干燥效果影响很大 马琳把 数据采集和处理技术应用在热泵干燥机上 完成了对热泵干燥环境中各项参数的信息采集 并建立的数据分析模块 张宇凯 张建锋在热泵的控制方面展开研究 硬件方面将 PLC 技 术应用于热泵干燥控制 而 PID 和模糊控制方法的引入增强了控制的准确性和对不确定因 素的适应性 用世纪星通用工业自动化软件开发出热泵干燥监控系统 为进一步进行控制 方法研究和不同物料的干燥工艺研究提供了良好的平台 我国的热泵干燥技术虽然起步较晚 但国内巨大的市场促使这项技术取得了快速发展 今后 热泵干燥技术的发展趋势仍将是在上述几个方面挖掘潜力 参考文献 1 陈坤杰 李娟玲 张瑞合 热泵干燥技术的应用现状与展望 J 农业机械学报 2000 31 3 109 111 2 郑春明 热泵在农副产品干燥加工中的应用 J 农牧与食品机械 1997 2 26 28 3 冯亮 热泵的性能和关键技术 J 石油工程建设 2006 4 78 81 4 刘元森 热泵设计和应用 J 新能源 19