開(kāi)式吸收式熱泵型真空干燥系統(tǒng)建模及性能分析

潘永坤，馬素霞，王玉坤，李豐澤

(太原理工大學(xué)熱能工程系，太原 030024)

目前，中國(guó)三大糧食作物水稻、小麥和玉米產(chǎn)后綜合損失率分別高達(dá)6.9%、7.8%和9%[1]，主要原因是糧食在收獲季節(jié)干燥不及時(shí)或干燥方法不當(dāng)而引起霉變、發(fā)芽等損失。目前，中國(guó)谷物干燥機(jī)主要使用機(jī)型為連續(xù)式、批式循環(huán)谷物干燥機(jī)，干燥方式不溫和，且干燥能耗高達(dá)5 280 kJ/(kg·H2O)左右[2]；干燥方式主要采用熱風(fēng)快速干燥，干燥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵和廢熱污染，干燥后品質(zhì)較差，裂紋率和爆腰率高，這些因素嚴(yán)重制約著中國(guó)糧食干燥業(yè)的發(fā)展，迫切需要研制節(jié)能高效的新型糧食干燥設(shè)備。

真空干燥能降低干燥能耗，且是低溫干燥，能夠有效避免蛋白質(zhì)、糖分等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遭到破壞[3]；同熱風(fēng)干燥相比，真空干燥速度快，更易達(dá)到安全水分[4]；真空干燥易于回收干燥過(guò)程中產(chǎn)生的飽和水蒸氣。目前，應(yīng)用于糧食領(lǐng)域的真空干燥系統(tǒng)研究較少，前人研究大多集中在真空干燥箱。張志軍[3]、尹麗妍[4]等進(jìn)行了玉米在真空干燥箱中的干燥特性研究；程長(zhǎng)青等[5]提出的滾筒式真空干燥設(shè)備也只能實(shí)現(xiàn)批式干燥，操作復(fù)雜；鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司完成了20 t/d玉米連續(xù)真空低溫干燥中試生產(chǎn)性相關(guān)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)降水幅度10%，單位熱耗低于5 000 kJ/(kg·H2O)，較熱風(fēng)干燥節(jié)能28.6%，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)[3]。但是沒(méi)有對(duì)干燥過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行回收利用。

研發(fā)基于開(kāi)式吸收式熱泵(open absorption heat punp，OAHP)的連續(xù)型真空干燥系統(tǒng)，采用開(kāi)式吸收式熱泵將谷物干燥出的水蒸氣潛熱回收利用，升溫升壓后重新加熱物料，提升節(jié)能效果，減少?gòu)U熱污染。研制滾筒真空干燥機(jī)，實(shí)驗(yàn)獲得基本性能參數(shù)。依據(jù)基本性能參數(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)式吸收式熱泵+滾筒真空干燥機(jī)系統(tǒng)。

Aspen Plus具有最完備的物性系統(tǒng)[6]，被應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)流程模擬。Somers等[7]和Bi等[8]應(yīng)用Aspen plus軟件對(duì)熱泵和吸收式制冷機(jī)進(jìn)行了模擬，并分析了模擬結(jié)果；車(chē)德勇等[9]采用Aspen Plus軟件對(duì)LiBr吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱進(jìn)行了模擬研究。基于此，采用Aspen Plus軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流程進(jìn)行建模，分析了干燥壓力、加熱溫度、稀溶液濃度及溶液熱交換器效率等對(duì)熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)和干燥能耗的影響，以此為系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)行提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)流程

基于開(kāi)式吸收式熱泵的連續(xù)型真空干燥系統(tǒng)工作流程如圖1所示，主要部件有：連續(xù)型真空干燥滾筒、發(fā)生器、吸收器、溶液熱交換器、閃蒸罐、節(jié)流閥、集水箱、水泵及溶液泵組成。連續(xù)型真空干燥滾筒作為糧食干燥的場(chǎng)所，為物料提供真空干燥環(huán)境，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出物料；干燥產(chǎn)生的飽和蒸汽出口與開(kāi)式吸收式熱泵吸收器連接，穩(wěn)定流動(dòng)的水蒸氣被吸收器中的溴化鋰溶液吸收；從發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣通入干燥機(jī)內(nèi)外筒體的環(huán)形空腔繼續(xù)加熱物料，實(shí)現(xiàn)了干燥蒸汽的再利用；加熱蒸汽的冷凝水通入閃蒸罐閃蒸部分蒸汽補(bǔ)充到吸收器，以達(dá)到谷物干燥所需的熱量需求，剩余的熱水同吸收器的冷卻水一并匯入儲(chǔ)水箱，可作為生活用水供給熱用戶(hù)。系統(tǒng)中發(fā)生器加熱熱源的形式不做限制，可以是就地取材的生物質(zhì)鍋爐提供的高壓蒸汽也可以是其他形式，發(fā)生器熱負(fù)荷用Qg表示，發(fā)生器加熱蒸汽流量和溫度的變化最終體現(xiàn)在發(fā)生壓力和發(fā)生溫度的變化上。

1為滾筒干燥機(jī)；2為閃蒸罐；3為集水箱；4為吸收器；5為濃溶液節(jié)流閥；6為溶液熱交換器；7為發(fā)生器；P1為真空泵；P2、P3均為水泵；P4為溶液泵；P5為熱源泵

1.2 連續(xù)型真空滾筒干燥機(jī)

連續(xù)型真空滾筒干燥機(jī)是物料干燥的場(chǎng)所，在溴化鋰吸收式熱泵循環(huán)中既充當(dāng)冷凝器又充當(dāng)蒸發(fā)器的角色，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該設(shè)備中(圖2)，儲(chǔ)料倉(cāng)、給料裝置、內(nèi)筒體、成品倉(cāng)和干燥蒸汽出口貫通連接，內(nèi)部保持密封，提供真空的干燥環(huán)境；外筒體固定，外敷保溫層，與內(nèi)筒體同軸心安裝，與內(nèi)筒體形成的環(huán)形空腔便于通入來(lái)自熱泵的加熱蒸汽，將熱量通過(guò)內(nèi)筒體傳遞給被干燥物料；內(nèi)筒體在驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)壁焊有螺旋葉片和揚(yáng)料板，可以一邊加熱物料，一邊將物料均勻的輸送到成品倉(cāng)。

1為儲(chǔ)料倉(cāng)；2為給料機(jī)；3動(dòng)密封結(jié)構(gòu)；4為軸承；5為外筒體；6為內(nèi)筒體；7為螺旋葉片；8為加熱蒸汽入口；9為干燥蒸汽出口；10為成品倉(cāng)

經(jīng)試驗(yàn)，連續(xù)型真空滾筒干燥機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定且密封性良好，能夠滿(mǎn)足玉米干燥后要求的含水率和裂紋率標(biāo)準(zhǔn)[10]。在20 kg/h干燥量、80 ℃的加熱條件下，玉米含水率由25%降低至13.5%，以此為干燥機(jī)性能基本參數(shù)，對(duì)開(kāi)式吸收式熱泵真空干燥系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

2 系統(tǒng)模型與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)建模時(shí)作如下假設(shè)：①吸收器和發(fā)生器始終處于相平衡；②谷物干燥產(chǎn)生的水蒸氣和干燥機(jī)內(nèi)外筒體之間的冷凝水均為飽和狀態(tài)；③熱損失、壓力損失和流動(dòng)阻力忽略不計(jì)；④工質(zhì)在節(jié)流裝置前后焓不變。在以上假設(shè)條件下，可得到系統(tǒng)及各部件的能量、質(zhì)量守恒方程式。

發(fā)生器中LiBr質(zhì)量、能量守恒方程為

mgs1xgs1=mgs2xgs2

(1)

mgs1hgs1+Qg=mgs2hgs2+mgvhgv

(2)

式中：mgs1和mgs2分別為發(fā)生器進(jìn)口和出口溶液質(zhì)量流量(即吸收器出口和進(jìn)口溶液質(zhì)量流量)，kg/h；xgs1和xgs2分別為發(fā)生器進(jìn)口和出口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；hgs1和hgs2分別為發(fā)生器進(jìn)口和出口溶液焓，kJ/kg；Qg為發(fā)生器熱負(fù)荷，kJ/h；mgv為發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量流量，kg/h；hgv為發(fā)生器出口蒸汽的焓，kJ/kg。

吸收器中水質(zhì)量、能量守恒方程為

mgs2+mdv+mf=mgs1

(3)

mgs1hgs1+Qa=mgs2hgs2+mdvhdv+mfhf

(4)

式中：mdv和mf分別為干燥蒸汽和閃蒸罐補(bǔ)氣質(zhì)量流量，kg/h；hdv和hf分別為干燥蒸汽和閃蒸罐補(bǔ)氣焓值，kJ/kg；Qa為吸收器熱負(fù)荷，kJ/h。

溶液熱交換器能量守恒方程為

mgs1(hgs1-has2)=mgs2(hgs2-has1)

(5)

QAHX=mgs1(hgs1-has2)

(6)

式中：has1和has2分別為吸收器進(jìn)口和出口溶液焓，kJ/kg；QAHX為溶液熱交換器熱流量，kJ/h。

溶液熱交換器的換熱效率會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大影響，換熱器有效度為

εSHX=QAHX/Qmax

(7)

式(7)中：Qmax為理論最大換熱量，即假設(shè)熱流體出口溫度等于冷流體進(jìn)口溫度。

干燥滾筒中的能量守恒方程為

mgv(hc1-hc2)=Qc

(8)

式(8)中：hc1和hc2分別為來(lái)自發(fā)生器加熱蒸汽在冷凝器進(jìn)口和出口的焓，kJ/kg；Qc為干燥所需熱量，包括固體顆粒及內(nèi)部水分升溫吸收的熱量及水分蒸發(fā)需要的熱量，kJ/h。

系統(tǒng)性能系數(shù)COP計(jì)算公式如式(9)所示：

COP=(Qa+Qc)/Qg

(9)

干燥能耗計(jì)算公式如式(10)所示：

W=Qg/mw

(10)

式(10)中：mw為玉米中干燥水分的速率，kg/h。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

以玉米顆粒為干燥對(duì)象，基于以上假設(shè)，吸收器壓力近似等于滾筒內(nèi)的的干燥壓力和閃蒸罐的補(bǔ)氣壓力；發(fā)生器壓力近似等于蒸汽在內(nèi)外筒體間的冷凝壓力，是冷凝溫度對(duì)應(yīng)下的飽和壓力；稀溶液濃度根據(jù)吸收器壓力和吸收溫度確定，取放氣范圍為4%，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 系統(tǒng)流程模擬與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)流程建模

使用Aspen Plus軟件中的Heater、HeatX、Mixer、Flash2、Pump及Valve模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，系統(tǒng)循環(huán)流程如圖3所示，模型中的模塊說(shuō)明如表2所示，模型中實(shí)線(xiàn)為物質(zhì)流，虛線(xiàn)為熱流。建模后，水及LiBr溶液的各狀態(tài)參數(shù)和物性參數(shù)可直接從軟件中調(diào)用，系統(tǒng)運(yùn)行后可以方便地獲得各部件的熱負(fù)荷，便于進(jìn)行性能分析。

圖3 開(kāi)式吸收式熱泵真空干燥系統(tǒng)模型

表2 模型中單元操作模塊說(shuō)明

3.2 計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。設(shè)計(jì)工況下：給料速率為20 kg/h、初溫為25 ℃的玉米顆粒在6 kPa、內(nèi)筒壁溫度80 ℃的干燥環(huán)境下，含水率由25%降低至13.5%，干燥過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣流量為2.66 kg/h，系統(tǒng)COP為1.726 7，干燥能耗為3 357.42 kJ/kg，并能產(chǎn)生數(shù)量可觀(guān)的50～60 ℃的生活用水。

表3 系統(tǒng)循環(huán)中各典型狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

表4 各關(guān)鍵模塊熱負(fù)荷

3.3 系統(tǒng)性能分析

在干燥速率及干燥含水率不變的情況下，分析干燥壓力、溶液熱交換器效率、加熱溫度和稀溶液濃度對(duì)熱泵系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響。

3.3.1 干燥壓力

圖4為干燥壓力對(duì)熱泵COP及干燥能耗的影響，隨著干燥壓力的提高，熱泵COP和干燥能耗均上升。干燥壓力越低，水蒸發(fā)的溫度越低，所需的干燥能耗越少，但降低干燥壓力會(huì)使吸收壓力降低，吸收器稀溶液出口溫度降低，在發(fā)生溫度不變的情況下使系統(tǒng)COP降低。從圖4可以看出，干燥壓力從4 kPa升高到8 kPa，干燥能耗從3 280.98 kJ/(kg·H2O)升高到3 401.77 kJ/(kg·H2O)，增幅僅為3.68%，但干燥滾筒要維持4 kPa的絕對(duì)壓力，其加工難度將大幅提高，因此在合理干燥溫度的范圍內(nèi)，可適當(dāng)提高干燥壓力，既可提高系統(tǒng)COP又能降低設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本。

圖4 干燥壓力對(duì)系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響

3.3.2 溶液熱交換器效率

圖5為溶液熱交換器效率對(duì)系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響，由圖5可知，隨著熱交換器效率的提高，系統(tǒng)COP提高，干燥能耗降低。對(duì)于開(kāi)式吸收式熱泵，溶液換熱器性能的高低將直接影響系統(tǒng)的整體性能，換熱器效率的提高可使進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液溫度更加接近發(fā)生溫度，減少發(fā)生過(guò)程中用于加熱溶液而消耗的能量，從而降低發(fā)生器能耗，提高系統(tǒng)COP，同時(shí)干燥能耗也會(huì)下降。

圖5 溶液熱交換器效率對(duì)系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響

3.3.3 加熱溫度

加熱溫度近似等于冷凝溫度，發(fā)生器熱源的改變會(huì)引起發(fā)生器壓力和溫度的變化，最直接體現(xiàn)在加熱溫度的變化，因此加熱溫度也是考察系統(tǒng)性能的重要變量。由圖6可以看出，隨著加熱溫度的提高，系統(tǒng)COP逐漸降低并且干燥能耗逐漸升高。單效溴化鋰吸收式熱泵循環(huán)可以看成是由一個(gè)制冷循環(huán)和一個(gè)動(dòng)力循環(huán)構(gòu)成，提高加熱溫度會(huì)相應(yīng)的提高冷凝壓力，導(dǎo)致發(fā)生溫度明顯提高，使得動(dòng)力循環(huán)耗能明顯增加，系統(tǒng)COP降低。

圖6 加熱溫度對(duì)系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響

3.3.4 稀溶液濃度

在設(shè)計(jì)工況下改變稀溶液濃度，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著稀溶液濃度的提高，系統(tǒng)COP降低，同時(shí)干燥能耗升高。因?yàn)樵诜艢夥秶３忠恢碌那闆r下，提高稀溶液濃度，發(fā)生器濃溶液的濃度也會(huì)相應(yīng)提高，發(fā)生過(guò)程所需的能量就越高，因此導(dǎo)致系統(tǒng)COP降低而干燥能耗升高。

圖7 稀溶液濃度對(duì)系統(tǒng)COP及干燥能耗的影響

4 結(jié)論

基于開(kāi)式吸收式熱泵的連續(xù)型真空干燥系統(tǒng)既能發(fā)揮低溫真空干燥的優(yōu)勢(shì)，提高谷物干燥品質(zhì)，又能體現(xiàn)熱泵節(jié)能的特點(diǎn)，在理論上具有可行性，設(shè)計(jì)工況下，該干燥系統(tǒng)COP為1.728 5，干燥能耗為3 346.92 kJ/(kg·H2O)，并能產(chǎn)生50～60 ℃的生活用水；適當(dāng)提高干燥壓力會(huì)稍許增加干燥能耗，但有利于提高系統(tǒng)COP，也會(huì)降低設(shè)備的制造和維護(hù)成本；溶液熱交換器效率從70%升高到90%，系統(tǒng)COP可提高5%，干燥能耗下降10%；降低加熱溫度、降低稀溶液濃度均有利于提高系統(tǒng)COP、降低干燥能耗。