多功能熱泵干燥裝置恒溫干燥模式性能研究

穆 歡 唐 蘭 孫艷紅

(廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006)

干燥技術的應用涉及很多領域，如食品加工、藥物及生物制品的滅菌與干燥等。中國干燥能耗占工業總能耗的12%[1]，發達國家干燥能耗占工業總能耗的7%～15%[2]。傳統干燥技術如常壓熱風干燥、微波干燥等具有能耗高、干燥速度慢、運行費用高等缺點。因此開發低能耗、環境友好、保證產品質量的干燥新技術、新產品和新過程，對能源匱乏的今天意義重大。

熱泵干燥技術是20世紀40年代初發展起來的一項新技術，在果蔬干燥方面相對于其他干燥技術有更好的節能效果和產品綜合品質[3-5]。研究者對不同的熱泵干燥系統進行了研究，Fatouh等[6]采用開式熱泵干燥機組干燥草本植物，將高溫高濕的廢氣直接排放到室外，余熱沒有回收利用；而Hawlader等[7]則采用封閉式干燥循環回收了余熱，提高了系統的能效；Xanthopoulos等[8]將部分干燥廢氣排出并補入新風，提高了系統的干燥性能；Shi等[9]采用旁通法只讓一部分空氣經過蒸發器，進一步地提高了系統的干燥性能。目前常采用的封閉式熱泵干燥系統雖然改善了開式與半開式熱泵干燥系統在低溫環境下性能較差的缺點，但其存在熱濕不平衡及功能單一等問題[10-12]，有學者[13-14]對干燥介質旁通率對熱泵干燥系統性能的影響進行了理論分析，但在熱泵干燥系統實現熱濕平衡的條件下，還沒有相關的試驗研究。

本試驗設計了一種多功能熱泵干燥裝置，具有加熱模式、常規干燥模式、恒溫干燥模式、冷藏模式，可滿足不同情況下的需求，擴大了設備的應用范圍。對于干燥領域而言，恒溫干燥模式是最主要的運行模式，對整個干燥過程的能耗、干燥時間等影響較大，本試驗擬以濕棉布為干燥物料，研究不同送風溫度與不同旁通率對恒溫干燥模式性能的影響，旨在為熱泵干燥裝置在實際應用中選擇最佳的運行工況提供理論參考。

1 熱泵干燥系統與性能評價指標介紹

1.1 多功能熱泵干燥系統各模式的介紹

熱泵干燥裝置由熱泵系統和干燥介質循環系統組成。熱泵系統主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器以及膨脹閥等組成，干燥介質通過冷凝器吸收制冷劑的冷凝熱升溫后被循環風機送入干燥室內吸收物料的水分，然后通過蒸發器冷卻除濕，提高了吸濕能力的干燥介質再通過冷凝器升溫，如此形成干燥介質循環而達到干燥的目的[15]。圖1為本試驗所研究的多功能熱泵干燥系統的原理圖，其特點在于設置了3個換熱器，2個室內換熱器與1個室外換熱器，可通過控制制冷劑及不同的換熱器組合而實現不同的運行模式，各模式的工作原理如下。

(1)加熱模式：四通閥2處于默認狀態(D、E通，S、C通)，三通閥12處于默認狀態(b、c通)，膨脹閥5關閉，膨脹閥8打開，制冷劑先進入室外換熱器9中蒸發吸收室外環境的熱量，后經壓縮機1壓縮后經過室內換熱器3與室內干燥介質進行換熱，從而達到加熱的目的。

(2)常規干燥模式：該模式與加熱模式的區別在于膨脹閥5打開，膨脹閥8關閉，壓縮機排出的高溫制冷劑先進入室內換熱器3中與干燥介質換熱，后進入室內換熱器6中對干燥介質進行降溫除濕處理而達到干燥的目的。

(3)恒溫干燥模式：四通閥2處于默認狀態(D、E通，S、C通)，三通閥12處于通電狀態(a、b通)，膨脹閥5和8都打開，壓縮機排出的高溫的制冷劑并聯通過室內換熱器3和室外換熱器9分別于干燥介質與室外環境進行換熱，再進入室內換熱器6對干燥介質進行降溫除濕處理。在該模式下，一部分冷凝熱因排至室外而使室內兩個換熱器釋放的熱量和冷量一致，從而達到恒定干燥溫度的目的。

(4)冷藏模式：四通閥2處于通電狀態(D、C通，S、E通)，三通閥12處于默認狀態(b、c通)，膨脹閥5和8都打開，壓縮機排出的高溫制冷劑先經過室外換熱器9將熱量釋放到室外環境中，再進入室內換熱器3和6中蒸發吸收室內干燥介質的熱量而達到冷藏的目的。

1.壓縮機 2.四通閥 3.換熱器A 4.儲液器 5.電子膨脹閥A 6.換熱器B 7.循環風機 8.電子膨脹閥B 9.換熱器C 10.室外風機 11.氣液分離器 12.三通閥 13.回風電動風閥 14.旁通電動風閥

圖1 多功能熱泵干燥系統流程圖
Figure 1 Multi-function heat pump drying system flow chart

1.2 熱泵干燥系統性能評價指標

熱泵干燥系統性能的評價指標主要有單位時間除濕量(MER)、單位能耗除濕量(SMER)以及熱泵系統性能系數(COP)[16-17]。

本試驗采用瞬時COP反映制冷劑側性能，干燥介質處理過程焓濕圖如圖2所示，則性能系數COP可由式(1)確定。

(1)

式中：

COP——熱泵系統性能系數，W/W；

Ma——循環空氣質量流量，kg/s；

h2——蒸發器前空氣比焓值，kJ/kg；

h5——冷凝器器前空氣比焓值，kJ/kg；

Cp——空氣定壓比熱，取1.01 kJ/(kg·℃)；

U——壓縮機瞬時電壓，V；

I——壓縮機瞬時電流，A；

cosφ——功率因素，取0.8。

機組的SMER可由式(2)確定，其中SMER為計算值，mw和W為實測值，因SMER中涉及了MER，則本試驗不再重復討論。

(2)

式中：

SMER——單位能耗除濕量，kg/(kW·h)；

mw——單位時間除濕量，kg；

W——單位時間壓縮機消耗電能，kW·h。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本試驗材料采用碎棉布，總干重為36 kg。首先用水將碎棉布完全浸濕，然后用脫水機脫水至不滴水，再稱一次濕重，每組試驗重復上述過程，使每組試驗物料的濕重保持一致。本試驗的干燥介質為空氣。

圖2 干燥介質處理過程焓濕圖Figure 2 Drying medium treatment process wetting diagram

2.2 測試方法

試驗各測點位置如圖1所示。將物料均勻放置在物料架上，先運行加熱模式，當干燥室入口送風溫度(干燥溫度)達到試驗的要求時切換至恒溫干燥模式，待恒溫干燥模式運行穩定后開始記錄各測點數據，溫度傳感器采用T型熱電偶，并采用34972A型安捷倫每10 s自動采集一次數據；濕度、風速、電壓、電流每隔10 min記錄1次，每隔30 min 記錄1次重量以計算除濕量；采用型號為DT862-4三相四線電度表測量壓縮機的耗電量，每隔30 min 記錄1次讀數。不同干燥溫度(40，45，50 ℃)對應不同空氣旁通率(20%，40%，60%，80%)總共做12組試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 恒溫干燥模式不同運行條件的SMER

當干燥溫度為50 ℃，循環空氣旁通率分別為20%和40%時熱泵系統會出現排氣溫度過高(>110 ℃)的情況，原因在于在制冷劑流量一定的條件下，經過蒸發器的風量大，空氣溫度較高導致制冷劑蒸發溫度高，蒸發效果好，過熱度較大使壓縮機回氣溫度高，最終導致壓縮機排氣溫度高。因試驗機組的控制系統設置了高溫等保護，當機組運行參數超出設置的安全范圍時，機組將自動停止運行。因此本試驗對干燥溫度為50 ℃、旁通率分別為20%和40%這2種運行條件不做討論。

圖3為不同干燥溫度下試驗裝置SMER隨運行時間的變化規律，可以看出在所有運行條件下，SMER都隨運行時間逐漸減小，原因在于隨干燥過程進行，物料中的水分逐漸變少，水分蒸發需要的熱量減小，在送風溫度不變的情況下，回風溫度隨之增加，且相對濕度在逐漸減小，則將回風處理到露點溫度所需的冷量增加，在制冷量保持不變的條件下，用于除濕的冷量減少，除濕量也隨之減少。在溫度為40 ℃時，旁通率為80%的折線與旁通率為60%和40%的折線有交點，且在交點之前旁通為80%時的SMER小于旁通率為60%和40%的，交點之后結果相反，這是因為在干燥的初期，物料中的水分較多，蒸發量較大，干燥介質的相對濕度較大，將回風處理到露點溫度所需的冷量較小，在旁通率為40%，60%，80%時，蒸發器處理的空氣終狀態點基本一致，即單位質量空氣除濕量相差不大，當旁通率較大(80%)時，經過蒸發器的干燥介質流量較小，處理的空氣量較小，除濕量較小，而在旁通率較小(40%，60%)時，處理的空氣量增加，除濕量也隨之增加，隨著干燥過程的進行，物料的水分減少，回風溫度增加，相對濕度減小，回風處理到露點溫度所需的冷量增加，在制冷量不變的條件下，不同的旁通率下空氣處理終狀態點差異變大，即單位質量空氣的除濕量變化較大，這時在旁通率較小的情況下，因處理的空氣量較大，大量冷量被用于降溫，只有少量的冷量用于除濕，除濕量降低，反之旁通率較大時除濕量較大。此外，在其他溫度條件下，SMER隨旁通率增加而增大也是這個原因。

在旁通率相同的條件下，SMER隨送風溫度增加而減小，原因在于送風溫度增加，回風溫度也隨之增加，回風相對濕度減小，將回風處理到露點溫度所需的冷量也會增加，在制冷量保持不變的條件下，用于除濕的冷量減少，除濕量也隨之減少。

3.2 恒溫干燥模式不同運行條件的COP

圖4為不同干燥溫度下試驗裝置COP隨運行時間的變化規律，可以看出在所有運行條件下性能系數COP都隨運行時間有降低的趨勢，其中在相同溫度條件下，COP隨旁通率的增加而減小，原因在于旁通率增加，經過蒸發器的空氣量減小，制冷劑的蒸發效果變差，甚至不能完全蒸發，導致系統制冷量降低，在壓縮機的功率變化較小的情況下，性能系數隨之減小。在旁通率為20%和60%的情況下，系統性能系數COP隨干燥溫度的增加而增加，這是因為在風量、制冷劑流量一定的情況下，溫度越高，制冷劑的蒸發效果越好，過熱度越大，制冷量也就越大，性能系數隨之增大。

圖3 不同干燥溫度下單位能耗除濕量隨時間的變化Figure 3 Variation of the specific moisture extraction rate with time at different drying temperatures

圖4(a)、(b)比較發現，在旁通率為40%時，在前60 min 內，溫度為40，45 ℃的COP相差不大，之后溫度為40 ℃條件下的COP大于溫度為45 ℃時的，原因在于溫度為40 ℃時蒸發器前后空氣的含濕量差值大于45 ℃時的，且在前60 min內2種情況下蒸發器前后空氣的含濕量的差值逐漸增大，之后趨于恒定，如圖3(a)、(b)所示，由式(1)可知，h2-h5=1.01Δt+2 500Δd+1.84(t2d2-t5d5)中2 500遠大于1.01和1.84，即在60 min后含濕量變化對COP的影響超過了溫度變化所引起的。在旁通率為80%時，由于溫度差異導致的影響與含濕量差值的影響相差無幾，溫度為45，50 ℃時的COP相差不大，而40 ℃時的COP在210 min前小于45，50 ℃的，在之后出現了相反的結果，即含濕量差值導致的影響在210 min 后超過了溫度差異引起的。

4 結論

(1)熱泵干燥裝置的SMER隨溫度的升高而下降，隨旁通率的增大而增加，原因在于系統的制冷量分別用于空氣的降溫和除濕，溫度越高，用于降溫的冷量大，用于除濕的冷量少，SMER隨之降低；旁通率增加，經過蒸發器的空氣量減小，制冷量的分配隨之偏于除濕，SMER隨之增加。

(2)干燥溫度為40 ℃時，旁通率為80%的SMER曲線與旁通率為40%，60%時的曲線有交點，即不同的空氣狀態對應著不同的最佳旁通率。因此在實際干燥過程中應選擇合理的干燥溫度，且應根據不同的干燥介質的狀態調節旁通率的大小以保證最佳的SMER。

(3)熱泵干燥系統的COP隨旁通率的增大而減小，隨溫度的升高的增大，且試驗結果表明性能系數COP與SMER不能同時達到最大值，因此應該綜合考慮各個性能系數選擇合理的運行工況，以達到最佳的干燥效率和節能效果。

(4)需進一步改良試驗樣機熱泵子系統結構不合理的地方以提高制冷循環性能，以及對干燥室結構進行優化以改善干燥介質的氣流組織，提高干燥介質與物料之間的熱濕交換效率。

(5)應針對該熱泵干燥系統開發專門的自動控制系統，根據機組運行參數實時調節干燥介質旁通率、膨脹閥開度等參數，進一步提高系統的性能。