閉式熱泵干燥系統運行過程熱力學分析計算

王 芳

?

閉式熱泵干燥系統運行過程熱力學分析計算

王 芳

（陜西國防工業職業技術學院 西安 710302）

利用閉式熱泵干燥系統研究了50℃下海棠果的干燥曲線，并對干燥過程中熱泵系統進行了能量分析和?分析。新鮮海棠果干燥300min后其含水率由672%下降至194%，同時，系統的單位能耗除濕量也由1.99kg/kW下降至0.11kg/kW，且其趨勢幾乎與干燥速率的變化一致。通過對系統各部件進行?損失和?效率計算，發現壓縮機和干燥箱處的損失比例較大。

能量分析；?分析；閉式熱泵干燥系統；海棠果

0 引言

能源匱乏、環境污染等危機對各工藝過程都提出了新的時代要求，使得更多的科學家致力于尋求能源循環利用和提高能源利用效率的途徑。以熱力學定律為基礎，對各環節的能量效率和?效率進行計算，揭示能量在傳遞和轉化過程中的數量特征變化和不可逆性，可以為設備和工藝改造提供方向[1,2]。

食物的腐敗大多由于其內部微生物的大量繁殖導致的，而干燥可降低物料中的水分，有效地抑制微生物的生長，從而延長食品的保存周期[3,4]。由于不同干燥技術和設備的發展，干燥領域呈現多元化，目前已知的干燥機有400多種，其中常用的有50多種[5]。另外，不同物料對干燥條件需求也不同，這些問題都導致干燥領域耗能的不均勻性。而干燥的耗能又是巨大的，約占整個工業能耗的10-25%[6]。所以有必要研究如何在低能耗低成本的前提下提高干燥產品的品質。

能量分析是在熱力學第一定律的基礎之上，忽略了能量的品質高低，簡單表征能量在數值大小上的守恒關系的分析方法，其可計算系統直接散失到環境的能量，而無法得到能量轉換過程能量品質降低導致的內部損失。衡量能量品質的大小的確切指標就是能量的?值。在除環境外無其他熱源的條件下，當系統由任意狀態可逆地變化到與給定的環境相平衡的狀態時，能夠最大限度轉換為有用功的那部分能量，稱之為?[7]。?分析能在能量分析的基礎上，指出系統能量品質下降最嚴重的薄弱環節，為改進指明一定的方向，保證高品質能量的高效利用。

海棠果，可入藥，能祛風濕、平肝舒筋，制成干果后可沖水飲用，具有良好的食療保健作用。在我國北方有大面積種植，但其果多用于新鮮食用，其干燥工藝尚不明確，本文以海棠果為待干物料，利用閉式熱泵干燥系統對其進行干燥，研究干燥過程熱泵系統的耗能狀況，為進一步的研究提供試驗數據和科學基礎。

1 實驗方案

圖1所示為閉式熱泵干燥系統原理圖。閉式熱泵干燥系統包括制冷劑循環和干燥介質循環兩部分，干燥介質在冷凝器處吸收制冷劑放熱，然后在蒸發器處再釋放給制冷劑。通常情況下，為分析方便，假設如下：在所研究的時間內，系統運行過程為穩態；流體循環時中無動能、勢能、化學能和核能變化；干燥空氣為理想氣體；空氣初始狀態參數0=25℃，0=101.3kPa和0=50.5%；制冷劑初始狀態參數為0=25℃和0=101.3kPa。另外不考慮系統運行過程各環節間的相互作用。

圖1 熱泵干燥系統結構原理圖

1.1 質量守恒

干燥過程質量變化涉及熱泵系統內制冷劑、干燥介質以及水分蒸發和凝結，故質量守恒方程可按表1所示計算。

表中，m是熱泵內制冷劑的質量流量，kg·s-1；m是干燥箱內空氣的質量流量，kg·s-1；m是干燥物料中水分的蒸發速率，kg·s-1；m是蒸發器處水蒸汽的冷凝速率，kg·s-1；下標a，b，c表示干燥介質分別位于冷凝器后，干燥物料后及蒸發器后的狀態。

表1 干燥過程質量守恒公式

1.2 能量分析

根據熱力學第一定律，能量平衡方程可表示如下：

具體為功、熱量和內能時：

制冷劑的焓熵值可通過查表獲得，而對于濕空氣來說，其焓的計算可用下列公式：

h=CT＋ωh（6）

其中，表示相對濕度，%；0表示大氣壓，Pa；P表示干空氣分壓力，Pa；P表示水蒸汽分壓力，Pa。

單位能耗除濕量（SMER）主要用于衡量干燥系統的整體能量利用效率：

其中，M表示該階段初海棠果重量，kg；M表示該階段末海棠果重量，kg；表示該階段系統總耗功，kW。

1.3 ?分析

為了解工作過程系統能量的品質變化，計算閉式熱泵干燥系統的不可逆性。計算方程形式如下：

具體為：

?效率是?值收益與支出之比，主要針對系統某一部件或過程，通常表示如下[115]：

干燥過程主要為液態水吸熱蒸發，所以Dincer和Sahin[8]將干燥過程的?效率為物料內部水分蒸發所耗?與干燥空氣所提供?之比：

熱泵系統內制冷劑循環流動時比焓?計算公式：

ex=(-0)-0(-0) （14）

而因物料中水分蒸發而導致的比焓?為[9]：

其中，T是蒸發溫度，℃；h是T溫度下水的蒸發潛熱，kJ·kg-1。

本系統所用干燥介質為濕空氣，其比焓?可用下面公式計算，具體參數只需代入相應位置數據即可：

其中，ω、ω分別表示環境空氣、a處濕空氣中水分的相對濕度，%；是理想氣體常數，J·kg-1·K-1。

2 試驗

試驗所需海棠果采摘于天津市某所高校，選取大小相似無傷疤的新鮮樣品待用。將海棠果居中切開，平分為兩半，放于烘爐內維持103℃，烘烤72小時后測定其初始含水率。試驗時取5000g樣品平分為兩半后放入干燥箱內，干燥300min。干燥溫度為50℃，并測定干燥過程制冷劑和干燥空氣的狀態參數用于后續分析。

3 結果和分析

3.1 干燥曲線及單位能耗除濕量

在閉式熱泵干燥箱內干燥300分鐘后，海棠果含水率由初始的672%降至194%，其干燥曲線和單位能耗除濕量如圖2所示。可以發現，初始階段海棠果的脫水速率近似為恒速，而隨著干燥的進行，進入到降速干燥階段。我們將研究該階段內干燥系統的熱力學特性。系統的單位能耗除濕量隨干燥的進行而不斷減小，從開始的1.99kg/kW下降至0.11kg/kW，很明顯是其趨勢幾乎與干燥速率的變化一致。

圖2 海棠果干燥曲線

圖3 干燥過程單位能耗除濕量變化圖

3.2 ?效率計算公式

閉式熱泵干燥過程可分為升溫環節和降溫環節，工作時不斷在兩者之間相互轉化，且不同環節工作部件略有不同，比如升溫時由壓縮機流出的高溫制冷劑進入室內冷凝器，而降溫時則進入室外冷凝器，所以在計算效率時就分別進行考慮，如表2所示。制冷劑流經室內冷凝器將熱量傳遞給干燥空氣，因此制冷劑放熱表現為?支出而干燥空氣吸熱表現為?收益，故室內冷凝器處?效率計算公式如式（19）所示。對室外冷凝器而言，流經的空氣重新歸于環境，在計算系統能量變化時可不考慮其?值變化，只需計算冷凝器內的制冷劑的?變化和?效率。

表2 系統各部件的?效率計算公式

3.3 分析結果討論

前面分析海棠果干燥曲線可知，海棠果的含水率和干燥速率不斷下降，使得系統除濕量下降，會對干燥箱內干燥介質的相對濕度造成影響。干燥初期，物料中含有大量液態水，吸熱蒸發后進入空氣，導致空氣溫濕度劇烈變化；隨著物料中水分含量降低，蒸發進入空氣的水分也隨之降低，同時物料吸熱能力也降低，使得干燥后期空氣的參數變化趨于不明顯。

本文所計算數據為干燥進行150min后采集的系統各部位參數計算所得，包括?損失和?效率，如表3所示。按系統運行特性將計算過程按升降溫分成兩個階段。很明顯，升溫過程各部件?損失由大到小依次為壓縮機、干燥箱、蒸發器、電子膨脹閥和冷凝器，壓縮機和干燥箱處?損失之和占總?損失的67.6%。而降溫過程?損失最嚴重的是干燥箱，其次為壓縮機、蒸發器、電子膨脹閥和冷凝器，壓縮機和干燥箱處?損失之和占總?損失的73.2%。比較發現，整個過程蒸發器的?效率都是最低的，這點與Erbya和Hepbasli的研究相吻合[6]。

表3 閉式熱泵干燥系統?分析計算結果

通過計算可知，與普通熱泵系統相比，熱泵干燥過程系統增加了干燥箱內因物料內部水分蒸發及擴散的?損失。因此提高系統的整體?效率的途徑主要有以下幾方面：（1）采用高效換熱器，盡量減小制冷劑與空氣換熱溫差；（2）減小節流前后壓差，并降低進入電子膨脹閥的制冷劑溫度，有助于減小節流過程?損失；（3）采用高效壓縮機，降低壓縮機出口溫度等降低壓縮過程的?損失；（4）提高干燥箱的絕熱和密封特性，避免熱量擴散入環境，以及設置合理的空氣循環速率，都有助于提高干燥箱?效率。有些部件?效率低，但整體?損失小，改進后對整個系統的效率影響不大，因此在進行優化時必須結合各部件特性及系統升降溫運行時間比例進行綜合考慮，將重點考慮損失大的干燥箱和壓縮機。

4 結論

本文以海棠果50℃下的干燥特性為基礎，分別計算了閉式熱泵干燥系統的單位能耗除濕量和各部件的?損失和?效率，分析了系統的用能特性和薄弱部件，并針對特點提出了一些可行的改進方法，為進一步的提高閉式熱泵干燥系統的能量利用效率提供試驗數據和科學依據。

[1] Ahamed J U, Saidur R, Masjuki H H. A review on exergy analysis of vapor compression refrigeration system[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011,15(3):1593-600.

[2] Dincer I. Exergy as a potential tool for sustainable drying systems[J]. Sustainable Cities and Society, 2011,1(2): 91-96.

[3] Queiroz R, Gabas A L, Telis V R N. Drying kinetics of tomato by using electric resistance and heat pump dryers[J]. Drying Technology, 2004,22(7):1603-1620.

[4] Doymaz I. Air-drying characteristics of tomatoes[J]. Journal Of Food Engineering, 2007, 78(4):1291-1297.

[5] Aghbashlo M, Mobli H, Rafiee S, et al. A review on exergy analysis of drying processes and systems[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013,22:1-22.

[6] Erbay Z, Hepbasli A. Advanced Exergy Analysis of a Heat Pump Drying System Used in FoodDrying[J]. Drying Technology, 2013,31(7):802-810.

[7] 張緒坤.熱泵干燥熱力學分析及典型物料干燥性能研究[D].北京:中國農業大學,2005.

[8] Dincer I, Sahin A Z. A new model for thermodynamic analysis of a drying process[J]. International Journal of Heat And Mass Transfer, 2004,47(4):645-652.

[9] Doymaz I. Drying kinetics of white mulberry[J]. Journal of Food Engineering, 2004,61(3):341-346.

Thermal Characteristics of a Closed-loop Heat Pump Dryer for Plum-leaf Crab Drying

Wang Fang

( Shanxi Inititute of Technology, Xi’an, 710302 )

We investigated the drying curve of plum-leaf crab at 50 in a closed-loop heat pump dryer, and analyzed the energy and exergy efficiencies of the system. The fresh plum-leaf crab with initial moisture content of 672% was dried down to 194% dry basis after 300 minutes. And the SMER decreased from 1.99kg/kW to 0.11kg/kW, which was accordance with the drying rate of plum-leaf crab. By the analysis of exergy destruction and efficiency, we found that the compressor and drying chamber were the key point to improve the whole efficiency of system.

energy analysis; exergy analysis; closed-loop heat pump dryer; plum-leaf crab

1671-6612（2018）01-086-05

TU83

A

王 芳（1981-），女，講師，E-mail：wangfang9902@163.com

2017-06-12