印刷烘干用熱泵系統的管板式回熱裝置設計及性能分析

蘇 勇 熊一民 周曉斯 楊 斌

（西北大學化工學院）

熱風烘干技術采用空氣作為干燥介質，通過一定量的熱空氣經過物料表面帶走水分而達到干燥的效果，是一種簡單、經濟、易于推行的干燥技術。 熱風干燥速度快，在較高工作溫度環境下效能高，適用范圍廣，可干燥多種物料，是目前工業化應用較為廣泛的干燥技術之一［1～6］。

印刷行業中尤其是包裝品印刷過程中干燥效果的好壞直接影響印刷品的質量和印刷速度。熱風烘干系統是印刷流程中能耗最高、VOC排放量最大的裝置，為此大多采用全新風系統，將高溫廢氣直接排入大氣， 導致普遍存在能耗高、污染嚴重的問題。 面對能源和環境兩大全球性問題， 印刷企業面臨著向綠色印刷轉型的巨大壓力。 為了進一步回收利用廢棄余熱，印刷烘干用熱泵系統采用了回熱結構。 但是回熱過程中通常會將廢氣與新空氣直接混合，廢氣中夾帶的墨料雜質會二次進入印刷機，對印刷品造成污染。 此外，廢氣中的水蒸氣含量較高，也會影響干燥效果。

筆者設計了一種熱平衡回熱式空氣能熱泵系統應用于印刷油墨烘干［7，8］，采用管板式回熱裝置在實現余熱回收再利用的同時，避免了回風中攜帶的墨料雜質污染新風進而影響印刷質量。 此外，該裝置還可保障熱泵系統在環境溫度-20℃的極端工作條件下得以正常運行。 應用FLUENT數值模擬了回熱裝置內的流動換熱過程，在此基礎上計算了熱泵系統COP值， 比較分析了回熱裝置的節能效果。

1 熱平衡回熱式熱泵系統

1.1 熱泵系統原理

圖1為針對印刷油墨熱風烘干提出的熱平衡回熱式空氣能熱泵系統結構示意圖。 該熱泵系統的工作原理是：制冷劑在蒸發腔內經蒸發器吸收空氣中的低品位能發生汽化，通至壓縮機被升溫升壓，形成高溫氣體，進入換熱腔的冷凝器中，與冷凝器外部的氣流發生間接換熱后循環進入蒸發器循環；新流體經預熱腔利用循環流體的余熱進行間接換熱達到預熱溫度，之后向換熱腔和蒸發腔內輸入預熱后的新流體，保證蒸發腔內蒸發器的吸收熱量與換熱腔內冷凝器釋放的熱量達到平衡；進入換熱腔內的新流體與冷凝器的高溫氣體發生熱交換后升溫至預設溫度， 經第1流體機排出干燥熱流體，干燥熱流體在完成干燥處理后連同雜質一起進入管殼式換熱器作為新流體預熱的熱源進行間接換熱降溫后排出。 熱平衡回熱式空氣能熱泵系統利用回熱器回收回風的余熱對新風進行加熱，使熱泵即使在冬天極端條件（-20℃）時依然可以正常工作。

圖1 熱平衡回熱式空氣能熱泵系統結構示意圖

1.2 管板式回熱裝置模型

回熱裝置采用管板式結構（圖2），管內通入新風即冷風，殼內對向流過干燥后的回風即熱風，回風和新風之間通過換熱管進行對流換熱， 實現對新風的預熱，并將回風和新風隔離，防止回風攜帶的雜質污染新風。新風的入口與出口設在同一側，回風的入口設在新風口的對面， 回風的出口設在緊鄰新風一側， 通過擋板使新風和回風逆向多程對流，提高換熱效率。在保證回熱裝置結構緊湊的前提下， 設計殼體尺寸為2000mm×1160mm×1110mm；回風入口尺寸350mm×1110mm，出口尺寸600mm×1110mm；換熱管直徑為150mm；設有擋板4塊，尺寸為1700mm×1110mm×10mm。

圖2 回熱裝置三維模型

2 回熱裝置內的流動換熱模擬

2.1 數學模型

結合回熱裝置殼程流體的流動和換熱特點，對殼程流體進行假設： 流體為不可壓縮牛頓流體；流體物性不隨溫度變化，無化學反應且忽略重力影響。 流體遵循質量、動量和能量守恒，其穩態流動與換熱控制方程通用形式為：

式中 Sφ——廣義源項；

U——三維坐標上的流體速度u、v、w；

ρ——流體密度；

φ——通用變量；

Γφ——廣義擴散系數。

2.2 網格劃分及無關性分析

模型采用非結構化網格，局部進行加密。 網格無關性驗證采用Roache P J提出的網格收斂指數（GCI）對細網格上離散誤差的不確定度進行估算［10］，GCI=Fs|f2-f1|/（rp-1），其中f1、f2為密網格和粗網格的計算數據，r為網格加密比率，p為精度，Fs為安全因子，取值范圍在1.25～3.00，筆者取3.00。模型網格數分別為668 368、366 294、168 812時GCI分別為3.3%、8.4%、15.3%。 GCI值隨著網格的加密而減小，加密效果顯著。 當網格數取668 368時，離散化誤差產生的數值不確定性不會對模擬精度造成較大影響［11］，此時模擬結果已可滿足網格無關性要求。

2.3 邊界條件及數值方法

新/回風入口邊界均采用速度入口條件， 出口邊界均采用壓力出口條件。 管殼與折流板設置為耦合邊界條件，進行流固耦合計算。 根據某印刷廠單臺烘干機的實際工作風量為1 200～1 500m3/h，模擬中的新風入口速度為4.71m/s，回風入口速度為1.28m/s，保證風量在1 800m3/h左右，比印刷廠實際風量高近20%。 印刷油墨熱風干燥的工作溫度通常為50～60℃， 則干燥后廢氣溫度閾值范圍在40～60℃之間，模擬中回風入口溫度（即印刷干燥后的排氣溫度）TI，r分別設為313、323、333K， 新風入口溫度TI，f即環境溫度分別設為253、263、266、273、293K，其中266K為常規熱泵正常工作的臨界值。

湍流模型采用RNG k-ε模型， 壓力和速度耦合計算采用基于有限體積法的SIMPLE算法，動量和能量方程的離散均采用迎風格式。 收斂條件設為：質量和動量方程殘差為10-3，能量方程殘差為10-6。

2.4 模擬結果及分析

圖3為TI，r=313K、TI，f=273K時回熱裝置內中心剖面上的溫度場分布。 由圖3可見，回熱裝置中新風與回風交錯流動均勻換熱，新風溫度沿管程平穩升高，而回風溫度沿殼程逐步下降，換熱過程穩定，新風出入口溫升ΔTf=TO，f-TI，f=13.2K，回風出入口溫降ΔTr=TO，r-TI，r=12.5K（其中TO，f、TO，r分別為新風和回風管道出口溫度）。

圖3 回熱裝置內中心剖面上的溫度場分布

圖4、5分別為新風管道內沿程壓降Δp和表面換熱系數heff隨新風入口溫度TI，f的變化關系。可以看出，二者基本保持恒定，不隨新風入口溫度TI，f和回風入口溫度TI，r而變化。沿程壓降Δp平均值為188.05Pa，相對標準偏差為0.11%；表面換熱系數平 均 值 為 19.376W/（m2·K）， 相 對 標 準 偏 差 為0.047%。 上述結果說明，回熱裝置中新風流動換熱過程具有較高的置信度，回熱裝置結構設計滿足穩定連續工作要求。

圖4 新風管道出入口壓降Δp

圖5 新風管道表面換熱系數heff

圖6為新風出口溫度TO，f和回風出口溫度TO，r隨新風入口溫度TI，f的變化關系。回風入口溫度TI，r給定，由于表面換熱系數保持恒定，則新風的出口溫度隨新風入口溫度線性變化，相應地，回風出口溫度也隨之線性變化。 回風入口溫度升高，新/回風出口溫度等比升高。不同回風入口溫度下新/回風出口溫度隨新風入口溫度的變化曲線基本平行。 由圖6a可見，當環境溫度即新風入口溫度為-20℃時，3種不同回風入口溫度 （即印刷干燥后的排氣溫度）條件下的新風出口溫度均已預熱到常規熱泵正常工作溫度范圍內。 當TI，r=313K、TI，f=253K時，TO，f=272.7K時， 相比采用超低溫工況壓縮機和特種制冷劑［12］或采用噴氣增焓等超低溫熱泵技術保證低溫天氣下空氣能熱泵的正常運行，熱泵系統回熱裝置結構簡單、工作穩定、熱泵性能提升顯著。

設印刷油墨干燥過程中熱風的工作溫度為60℃， 實際印刷烘干用熱泵系統的電動機效率為90%，壓縮機效率為80%，換熱器效率為90%，系統效率為80%， 熱泵系統能效比COP的理論值按逆卡諾循環計算。 熱泵系統無回熱裝置和有回熱裝置 （排氣溫度即回風入口溫度TI，r分別為313、323、333K） 時熱泵COP值隨環境溫度即新風入口溫度TI，f的變化如圖7所示，二者成指數關系。 回熱裝置的存在有效利用了印刷干燥后的廢氣余熱，熱泵COP得到大幅提升， 環境溫度和排氣溫度越高則COP增長越顯著。 但是排氣溫度升高則必然導致回風出口溫度遠高于環境溫度（圖6b），大量的余熱沒有被利用， 對環境造成熱污染。 考慮到50℃熱風對印刷油墨的干燥效果與60℃熱風的干燥效果相差不大［13］，印刷油墨干燥過程中熱風的工作溫度可設為50℃， 則回風入口溫度即排氣溫度在40～50℃之間，給定回風入口溫度分別為313、323K，此時不同環境溫度TI，f下回熱式空氣能熱泵的COP值如圖8所示?？芍獦O端環境溫度-20℃時熱泵COP值在2.81～3.04之間，環境溫度為20℃時熱泵COP值可達6.73～7.94。 在此工作溫度下印刷烘干用回熱式空氣能熱泵具有最優能效比。

圖6 新/回風出口溫度與新風入口溫度的關系曲線

圖7 熱泵COP值（熱風工作溫度60℃）

圖8 熱泵COP值（熱風工作溫度50℃）

3 結束語

印刷油墨熱風烘干后的廢氣中含有大量余熱，在空氣能熱泵的基礎上設計的管板式結構回熱裝置在回收利用廢氣余熱的同時可避免廢氣中墨料雜質和水蒸氣對新風的污染。 數值模擬結果說明， 管板式回熱裝置中新/回風流動換熱穩定，新風管道沿程壓降Δp和表面換熱系數heff不受溫度影響，保持恒定；新/回風出口溫度隨新風入口溫度線性變化，新風入口溫度越低新風溫升越顯著，而回風溫降則與之相反；極端環境溫度-20℃時新風通過回熱裝置預熱后溫度可達272.7K，可保證熱泵系統正常工作。 印刷烘干用回熱式熱泵系統COP值計算結果顯示， 回熱大幅提升了熱泵系統的COP值，50℃是熱風烘干最優工作溫度； 環境溫度-20℃時熱泵COP值在2.81～3.04之間， 夏季環境溫度為20℃時熱泵COP值可達6.73～7.94， 與此同時回風出口溫度相應降低，有效減輕了廢氣對環境的熱污染。