多功能变工况热泵干燥装置的设计分析 CAJ-

收稿日期:2008-07-09基金项目:广东省科技厅项目资助(编号:2004B20401011第一作者:李敏(1967-女,硕士,副教授,主要从事水产品加工及贮藏工程的工艺和设备的研究。多功能变工况热泵干燥装置的设计分析李敏1,关志强2,张杰文1,刘兰1(1.广东海洋大学工程学院,湛江524025;2.茂名学院,茂名525000摘要:设计了可同时实现开式、闭式和半开式干燥介质循环,可在干燥过程中转换工艺、调节工况的热泵干燥装置,以热泵工质R134a为例进行了1匹热泵干燥装置的设计计算,就同一装置在变工况下的性能进行理论分析。结果表明,蒸发温度的提高可有效提高装置的性能及除湿能耗比,冷凝温度的降低可使装置的COP值升高,除湿能耗比下降。关键词:多功能;变工况;热泵干燥装置;COP值;除湿能耗比中图分类号:TB6文献标志码:A文章编号:1673-9159(200806-0061-05TheDesignandAnalysisofMulti-functionVariableConditionsofHeatPumpDryerLIMin1,GUANZhi-qiang2,ZHANGJie-wen1,LIULan1College,Maoming525000,ChinaAbstract:Aheatpumpdryerwhichcanbecarriedoutasopen,closedandsemi-drymediumcycleatthesametimewasdesigned.Thedevicecandryatthehigh-temperature,lowandmoderatetemperaturefortheconfigurationofequipment,andchangethedryingprocess,andrealizethedryingprocessofwarming-cooling-warmingup.AstheR134ahasbeenusedasaheatpumprefrigerant,thedesignoftheheatpumpdryerwascalculated.Atlast,theperformanceofthesameequipmentatthedifferentconditionsisanalyzed.ResultsshowedthattheincreaseofevaporationtemperaturecaneffectivelyimprovetheperformanceofdeviceandSMER,butthedecreaseofcondensationtemperatureleadstotheraiseofCOP,andthelowerofSMER.Keywords:multi-function;variableconditions;heatpumpdryer;COP;SMER热泵是一种高效、节能的热回收装置。它是以消耗少量高质能(机械能、电能等或高温热能为代价的能量利用装置[1]。由于热泵运转所需要的能量只是它提供的全部能量的一部分,因此具有显著的节能效果,对合理利用能源、减轻环境污染具有重大的意义。将其应用于干燥过程可以同时利用蒸发器的降温去湿作用和冷凝器对空气放热作用,用含水量较低的干燥空气去干燥湿物料[2]。与常规加热干燥方式相比,热泵干燥装置属于低温干燥,特别适用于热敏性物质的干燥,例如种子、茶叶、中药材以及生物制品和水产品等。热泵干燥系统的形式较多,按照干燥介质(空气的循环情况可分为开路式、部分乏气循环式和闭路式3种[3,4],以适应不同物品对干燥介质参数的需要。为强化不同类型农海产品的加工适应性,笔者参考文献[5],自行开发了同一装置可以实现开式、半开式和闭式干燥介质循环系统,并可在干燥过程中转换干燥工艺(干冷互换,调节工况的热泵干燥装广东海洋大学学报第28卷62置。1装置的方案设计及基本构成1.1方案设计图及基本构成能实现开路式、半开路式和闭路式循环干燥介质循环的方案设计如图1所示。装置按双冷凝器和和双蒸发器设计,并配有辅助加热器以提高装置的调节性能。1,2,3:调节风门;4:挡板;5:冷凝器;6:电加热器;7:离心风机;8:干燥厢;9:蒸发器;10:压缩机;11:电动三通阀;12:辅助水冷冷凝器;13:热力膨胀阀;14:感温包图1热泵干燥装置的方案设计Fig.1ProgramdesignsketchoftheHeatPumpDryer1.2设计方案说明如图1所示,当风门1、2、3全开时,挡板4关闭,形成开路式循环。在开式热泵干燥装置中,进入干燥器的干燥介质全部来自环境,从干燥器内干燥物料后排出的废气经蒸发器也全部排入环境。当1、2、4打开,3关闭时,形成半开路式循环。所谓半开路式热泵干燥装置,就是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。当风门1、2、3关闭,挡板4打开,形成闭路式循环。封闭式热泵干燥装置,干燥介质在完全封闭的循环通道中循环。本设计的干燥空气温度通过辅助冷凝器和电加热器调节在20℃~80℃之间,干燥室内风机装置变频装置可实现风速在0.1m/s~3m/s范围内的调节。装置可同时作为热回收热泵干燥,也可根据需要只采用电加热来实现高温热风干燥,也可作为冷冻箱使用,实现干冷互相,从而改善干燥工艺。在干燥系统风管进出干燥箱的部位均设有温湿度测试仪和风速测试仪,可对风速和温湿度实行在线检测和适时记录,并设有物品温度在线测试,随时掌握物品所处的干燥阶段,以适时调整干燥过程的机组运行参数。2热泵系统的设计拟设计一台1匹容量的热泵干燥机组,用电能驱动。根据湛江最冷月月平均温度为15℃,相对湿度为78%,所以按在最不利环境下工作,低温热源tL=15℃。选热泵工质为R134a[6],采用直接式,不用载热介质,干燥介质为空气。根据要求,选高温热汇tH=45℃,传热温差为5℃。2.1热泵的循环特性计算根据干燥所需的热空气温度和环境温度,为保证热泵在最低环境温度下正常工作。取循环参数如下[7,8]:冷凝温度,tC=50℃;蒸发温度,tE=5℃;冷凝器出口处工质温度tSC=45℃(过冷度为5℃;蒸发器出口处工质温度tSH=10℃(过热度为5℃;按工况作出相应的压焓图,如图2所示:图2热泵循环的p-h图Fig.2Thep-hoftheheatpumpcycle热泵工质循环工况参数的确定,查文献[2]和计算得出相应的状态点的参数如表1所示。2.2压缩机的确定由于1匹压缩机的功率为735W,由此可求得热泵工质的质量流量,按式(1计算得到质量流量qm为0.023kg/s。即P=qm(h2-h1’;(1压缩机的输气量qv按式(2计算为4.388m3/h。1vmqqv′=⋅;(2表1热泵介质循环参数Tab.1State-pointparametersoftheheatpumpmedium状态点压力/kPa焓值/(kJ·kg-1比容/(m3·kg-11350250.71ˊ350255.30.0532(60℃287313181214350113.1热泵蒸发器从干燥器排出空气中的吸热量按式(3计算得Φe=3.27kW。Φe14(mqhh′=⋅−;(3热泵冷凝器加给干燥器进气空气的总热量Φc按式(4计算为4.0kW;Φc23(mqhh′=⋅−;(4热泵理想循环制热系数按(5式计算为5.442。εh=Φc/P;(5根据热泵工质及压缩机功率,输气量等参数选定压缩机。2.3翅片管冷凝器面积的确定翅片管冷凝器面积的确定,按式(6计算为7.0m2。11mF=(6式中传热系数K1按翅片管冷凝器计算所得,对数平均温差mtΔ按进出口空气的温度计算所得。2.4翅片管蒸发器面积的确定翅片管蒸发器面积的确定按式(7计算为8.96m2。即22mF=(7式中传热系数K2按翅片管蒸发器计算所得,对数平均温差mtΔ按进出口空气的温度计算所得。为了调节工况,系统中配置蒸发面积为10m2翅片管式蒸发器2个。可满足系统在不同蒸发温度下工作的需要。2.5节流部件的确定由于热泵的制冷制热量不大,节流阀可采用内平衡式热力膨胀阀,按容量换算后选用热力膨胀阀PF2。2.6辅助部件的确定2.6.1选定干燥过滤器设计一小型热泵装置中的干燥过滤器,安装在节流部件前,冷凝器之后,目的是干燥制冷剂中的水分和过滤杂质。取液态工质在过滤器中速度v=0.02m/s,由工质的质量流量qm=0.023kg/s,算出过滤器的外径为36mm,干燥剂取粒状硅胶,两端有铜网,纱布等。用网孔为0.1mm的铜丝网。2.6.2选定气液分离器安装在蒸发器后,压缩机之前。其功能是将出蒸发器,进压缩机气流中的液滴分离出来,防止压缩机发生液击现象。设计一小型气液分离器,其结尺构尺寸为:直径100mm,高度80mm的筒体。2.6.3选定辅助冷凝器选一冷却面积与主冷凝器一致的水冷冷凝器。2.6.4选定储液器通常安装在冷凝器之后,用来储存冷凝器出来的工质液体。其容量可按机组每小时工质循环量的1/3~1/2确定。计算得长h=120mm,直径D=80mm的筒型贮液器。2.6.5电磁阀选配为了使系统适应几种运行方式便于调节工况和干燥工艺,在每个冷凝器之前均配置电磁阀,在节流部件之前和不同的蒸发器管组之前也配置电磁阀。按配管通径选配FDF型号的电磁阀。3干燥系统的设计3.1确定干燥器形状及计算参数的选定干燥箱做成长方体形,其外壁绝热。假设用来干燥罗非鱼,物料中水分含量可以用湿基湿含量表示,一般用wm表示;其定义为物料中的水分质量mW与物料的总物质质量md之比。测得罗非鱼的湿基湿含量wm=78%,干燥后湿基湿含量wmO=30%。干燥时间定为15h,物料进入干燥箱时的温度为15℃。取热泵干燥装置的基本参数为:进入干燥器的热空气温度ta=45℃,出干燥器的空气温度tb=30℃,出蒸发器的空气温度tc=15℃,相对湿度为100%(蒸发温度为5℃凝结水排入环境。3.2干燥器设计计算(装置按闭式循环运行3.2.1物料计算由前面计算可知,设定的工况下1匹热泵干燥机组的冷凝器提供的热量Qc为4kW。1物料的干基湿含量Xm按式(8计算。即Xm=1mmWW−;(8按条件算出干燥前干基湿含量为3.545;干燥后干基湿含量为0.437。当tc=15℃时查文献[2]得饱和湿空气的含湿量:dc=10.78g/kg,在干燥箱进气状态下的空气的湿球广东海洋大学学报第28卷64温度为24.7℃,并查得此时水的气化潜热2441.3kJ/kg;那么出蒸发器15℃的空气进入冷凝器加热到ta=45℃时,含湿量不变,da=dc=10.78g/kg,含有1kg干空气的热风在干燥器中由45℃降至30℃时,则吸收的水分量dΔ由公式(9计算可得为6.206g/kg。即1(pabCttdr⋅⋅−Δ=。(92干燥器出口处tb=30℃时,干燥器出口处湿空气的湿含量增加了dΔ,所以进口含湿量加上湿含量的增量即为出口含湿度,经计算db为16.986g/kg。查湿空气的焓湿图得当tb=30℃时,湿空气的饱和含湿量为27.30g/kg。故计算出干燥器出口处空气的相对湿度为:62.23%。3.2.215h所干燥物品量的计算1每蒸发1kg的水分所需要的干空气的质量由式(10计算后为161.13kg。即V=mdΔ。(102物料中蒸发1kg水分所需的加热量Qm由公式(11计算得4854.97kJ/kg。即((mpaccpwacQVCttVdCtt=⋅⋅−+⋅⋅⋅−(11式中,Cp为空气定压比热容;Cpw为水蒸气定压比热容。3实际干燥过程向环境散热的热损失Qx,由于实际干燥过程中往往有一定的热量损失,假设热损失为理论耗热量的5%,经计算为242.75kJ/kg;4实际干燥1kg的水分需要的总的热量Qd为按式(12计算为5097.72kJ。Qd=Qm+Qx(125此装置能在单位时间内除去的水分量按式(13计算为7.847×10-4kg/s。即/dcdWQ=Φ。(136装置在15h内干燥的物品量按式(14计算为29.06kg。即。(143.2.3干燥风管计算蒸发7.847×10-4kg/s的水分所需要的空气循环量Va按(15式计算0.126kg/s。47.84710abaVdd−×=−。(15干燥箱进口的空气的体积流量Vm按式(16计算,查得相应状态下湿空气的比容v=0.917m3/kg,计算结果为415.84m3/h。Vm=aVv⋅。(16由此即可确定系统所配离心风机的大小。若取干燥系统中风管风速为3m/s,则风管的截面积确定为0.039m2。取风道尺寸0.2m×0.2m,干燥箱外加保温层的尺寸1m×2m×1m。箱里分四层料网,网盘里放物料。4冷凝温度的变化对装置干燥物量及其效率的影响同一装置当设定的干燥介质温度变化时,其冷凝温度也会发生变化,同时也会引起相同时间内的物料干燥量和装置的能效发生变化。表2是在蒸发温度保持不变,冷凝温度变化时,相同时间内的干燥物料量、COP值和除湿能耗比的计算结果(假设整个过程均处于恒速干燥阶段。表2冷凝温度变化情况下干燥的物量及效率比较Tab.2Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeofthecondensationtemperature冷凝温度/℃干燥的物料量/kgCOP值除湿能耗比5531.585.2724.1785029.175.4423.8584524.255.5833.208401说明:工况为蒸发温度5℃和传热温差不变由表2的计算分析可知,同一台装置随着冷凝温度的升高,其装置的制热量减小,COP值下降,但其相同时间内的物料的干燥量增大,其除湿能耗比也增大了。但随着冷凝温度的升高,干燥物料量和除湿能耗比增大的幅度越来越小,当冷凝温度从50℃升高到55℃时,其增大的幅度已减少了。这可能是由于冷凝温度升高,使干燥介质的温度升高,其相对湿度较小,吸湿能力增大。虽然冷凝温度的153600100mmoddmWWGWW−=⋅××−升高直接导致了装置COP值的降低,但本装置采用R134a作为热泵工质,冷凝温度的升高导致冷凝器的散热量减小的效果远不及由于干燥介质温度升高所引起干燥介质吸湿能力的增大,所以反而使装置的除湿能耗比增大及同一装置的干燥量增大,这一结论还有待实验验证。5蒸发温度变化对装置干燥物料量及其效率的影响本装置在设计时配有2个蒸发器,目的是为了调节不同的蒸发器的传热温差,从而调节蒸发温度。表3是在蒸发器温度变化,冷凝温度不变时,其相同时间内的干燥物料量,COP值和除湿能耗比的计算结果。从表3的计算分析可知,同一台装置随着蒸发温度的升高,其装置的制冷量增大,COP值增大,且装置在相同时间内的物料的干燥量增大,其除湿能耗比也增大了。所以蒸发温度的增大是有利的,但蒸发温度的高低受着蒸发器出口饱和空气温度的限制。当蒸发温度高于设定的蒸发器出口空气的温度时,循环空气不能有效除湿,装置的性能变化就不具备可比性了。表3冷凝温度变化情况下干燥的物量及效率比较Tab.3Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeoftheevaporationtemperature蒸发温度/℃干燥的物料量/kgCOP值除湿能耗比说明:工况为冷凝温度50℃和传热温差不变6讨论进行了定工况条件下的1匹热泵干燥装置的设计计算及相应设备的选型和设计,为同类设备的改进设计提供了参考。对耗功一定的热泵干燥装置来说,