閉式熱泵干燥系統(tǒng)的除濕特性試驗(yàn)

曾文良 陳柏霖 陳 萱 揭雪飛

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300)

干燥普遍存在于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活之中，是一項(xiàng)較高能耗的單元操作過(guò)程，在工業(yè)過(guò)程中約占過(guò)程能耗的4%～35%(化學(xué)工業(yè)約4%，造紙工業(yè)約35%)[1-2]，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家中占全社會(huì)總能耗的9%～25%[2-3]，因此對(duì)干燥系統(tǒng)及其節(jié)能的研究具有十分重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

早在20世紀(jì)40年代，德國(guó)工程師就提出熱泵干燥技術(shù)并獲得相應(yīng)專利，但真正應(yīng)用始于20世紀(jì)的第二次石油危機(jī)之后。相比于傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥，熱泵干燥具有節(jié)能、綠色環(huán)保和干燥溫度低等特點(diǎn)，促使其應(yīng)用范圍廣泛且形式多樣。近些年隨著節(jié)能與環(huán)保要求的提高，開(kāi)式和半開(kāi)半閉熱泵干燥循環(huán)系統(tǒng)將逐步退出應(yīng)用，而閉式熱泵干燥系統(tǒng)即將成為主流，特別是在農(nóng)林產(chǎn)品、食品加工、環(huán)境保護(hù)和生物制藥等領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。

熱泵干燥系統(tǒng)的研究主要在兩個(gè)方面，一是應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，主要通過(guò)熱力學(xué)分析[4-5]和數(shù)值模擬[6-7]的方法，探索熱泵干燥中的參數(shù)優(yōu)化等[8-9]，為熱泵應(yīng)用設(shè)計(jì)提供適當(dāng)?shù)睦碚撘罁?jù)；二是具體的應(yīng)用研究，主要通過(guò)試驗(yàn)，探索適用不同干燥物料的工藝參數(shù)[10-12]、操作條件[13-14]、優(yōu)化控制與設(shè)計(jì)方案[15-16]等。前期研究盡管有大量有益的研究成果，為熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用提供眾多有益的參考。但由于閉式熱泵系統(tǒng)中物料在干燥過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)(溫度、濕度、含濕量)變化較大，對(duì)于如何優(yōu)化閉式干燥系統(tǒng)的整體參數(shù)，最大限度同時(shí)滿足干燥工藝條件和干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量(SMER)，迫切需要尋找熱泵干燥系統(tǒng)在不同的工作參數(shù)條件下的SMER的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)閉式熱泵干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制。研究擬通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)探索閉式熱泵干燥過(guò)程中空氣流量、相對(duì)濕度、熱管回?zé)崞鞯葘?duì)系統(tǒng)SMER的變化規(guī)律，以期達(dá)到對(duì)閉式熱泵干燥性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制和應(yīng)用提供有力的支撐。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置與流程如圖1所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)4 000 mm×2 500 mm×2 700 mm(長(zhǎng)×寬×高)的干燥室，干燥室設(shè)置有獨(dú)立的內(nèi)置循環(huán)風(fēng)道和相應(yīng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照曾文良等[17]的方法，試驗(yàn)過(guò)程中將熱泵冷凝器作為分機(jī)單獨(dú)安裝在循環(huán)風(fēng)道內(nèi)，冷媒通過(guò)連管直接連通主機(jī)，并由循環(huán)風(fēng)機(jī)供風(fēng)，風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

熱泵主機(jī)(帶獨(dú)立控制的風(fēng)機(jī))設(shè)置在干燥區(qū)域的回風(fēng)區(qū)域，采用谷輪熱泵專用壓縮機(jī)，其型號(hào)為ZR61KC-PFJ，排氣量為14.37 m3/h，ARI工況下的制冷量和輸入功率分別為14.60，4.43 kW；系統(tǒng)采用熱力膨脹閥為主，并輔以手動(dòng)截止閥進(jìn)行蒸發(fā)溫度的調(diào)節(jié)；熱管為重力自返回?zé)峁埽瑐鳠峤橘|(zhì)為R22，在熱管中間設(shè)置獨(dú)立的手動(dòng)截止閥，以便控制熱管使用，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

1. 回風(fēng)口 2. 熱管沸騰段(高溫) 3. 蒸發(fā)器 4. 壓縮機(jī)系統(tǒng) 5. 熱管冷凝段(低溫) 6. 主機(jī)風(fēng)機(jī) 7. 主機(jī)分機(jī)連管 8. 冷凝器(分機(jī)) 9. 循環(huán)風(fēng)機(jī) 10. 循環(huán)風(fēng)道 11. 排熱排濕風(fēng)門 12. 干燥物料及支架 ①～⑤. 溫濕度測(cè)量位置與編號(hào)

表1 風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)量控制方法

(1) 溫濕度的測(cè)量：干燥介質(zhì)溫度和濕度采用TH10R-EX溫濕度測(cè)試儀在線測(cè)量，分別在主機(jī)回風(fēng)口、熱管沸騰段與蒸發(fā)器之間、蒸發(fā)器之后、熱管冷凝段之后、冷凝器(分機(jī))之后5個(gè)位置檢測(cè)空氣的溫濕度，具體位置見(jiàn)圖1中的①～⑤。

(2) 空氣流量的測(cè)定與控制：① 主機(jī)流量。系統(tǒng)正常，不同風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率下，在回風(fēng)口均勻布置了6個(gè)測(cè)量位置，用熱線風(fēng)速儀測(cè)量其風(fēng)速并取平均值，處理轉(zhuǎn)化為頻率—流量曲線，試驗(yàn)中通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的頻率來(lái)控制空氣的流量。② 冷凝器流量。冷凝器的流量測(cè)試方法與主機(jī)流量一致，試驗(yàn)中冷凝器空氣質(zhì)量流量(干基)維持在2.0～2.2 kg/s。

(3) 電功率的測(cè)量：直接用功率表測(cè)量讀數(shù)而得，該數(shù)據(jù)不包含循環(huán)風(fēng)扇的電機(jī)功率。

(4) 濕度的控制：在物料區(qū)域設(shè)置由廢舊紙板代替濕物料，通過(guò)加飽和水蒸氣來(lái)控制濕度的濕源。蒸汽來(lái)自于電熱鍋爐，壓力控制在0.01 MPa(表)。

(5) 溫度的控制：通過(guò)控制排熱排濕風(fēng)門的開(kāi)度實(shí)施，在干燥室的兩側(cè)設(shè)置有多個(gè)均勻的小孔，以便外界空氣進(jìn)入系統(tǒng)，干燥箱內(nèi)維持其壓強(qiáng)控制在5～-5 Pa(表)。

(6) 蒸發(fā)溫度的控制：手動(dòng)截止閥調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和過(guò)熱度。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法 試驗(yàn)中空氣的壓力維持在101.3 kPa 不變，故空氣的濕度和焓可以分別計(jì)算為：

(1)

Hi=(1.01+1.88hi)×ti+2 500×hi，

(2)

式中：

hi——該狀態(tài)下空氣的絕對(duì)濕度，kg/kg干空氣；

Hi——該狀態(tài)下空氣的焓，kJ/kg干空氣；

φi——空氣的相對(duì)濕度，%；

ti——空氣的溫度，℃。

空氣的質(zhì)量流量(干基)，SMER的計(jì)算：

(3)

SMER=[3 600×(h1-h3)×qm]/P，

(4)

式中：

qm——該狀態(tài)下空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

qV——該狀態(tài)下空氣的體積流量，m3/s；

SMER——單位能耗除濕量，kg/(kW·h)；

ρh——濕空氣的密度，kg/m3；

P——主機(jī)功率(不含循環(huán)風(fēng)扇)，kW。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣流量的影響

恒定空氣溫度為50 ℃，且分別保持相對(duì)濕度為30%，50%，70%的條件下，改變不同的空氣流量，熱泵干燥系統(tǒng)在無(wú)熱管和有熱管條件下的SMER的變化關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖2、3。從圖2可以看出，在沒(méi)有熱管回?zé)嶙饔玫那闆r下，系統(tǒng)的SMER隨流量的增加而減小，當(dāng)φ=70%，流量為0.15 kg/s時(shí)，系統(tǒng)的SMER最高約為3.3，而當(dāng)流量升高至0.8 kg/s時(shí)，SMER降低至2.5，φ=50%和φ=30%的SMER變化趨勢(shì)與上述基本一致；至于進(jìn)一步降低空氣流量，系統(tǒng)的SMER值是否會(huì)出現(xiàn)最大值，由于當(dāng)空氣流量降低至0.15 kg/s以下時(shí)，對(duì)應(yīng)換熱器的迎面風(fēng)速將降至0.3 m/s以下，此時(shí)傳熱效果將急劇惡化，因此試驗(yàn)未進(jìn)一步探索更低流量下的SMER性能參數(shù)變化；比較圖2中3條曲線，可以發(fā)現(xiàn)φ越小，SMER的變化曲線的斜率越大，也就是SMER減小的幅度越大；在φ=30%且流量接近0.70 kg/s時(shí)，系統(tǒng)的SMER值接近于0，說(shuō)明如果繼續(xù)加大空氣流量，將無(wú)法除濕。

理論上，空氣進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，首先是溫度降低，其放出的是顯熱，只有當(dāng)溫度降低至空氣露點(diǎn)溫度以下時(shí)，才開(kāi)始有液態(tài)水析出，總體上說(shuō)熱泵的制冷量是一定的，如果空氣顯熱過(guò)多，其潛熱就不足，除濕量自然減小，因此采用除濕效率[8]能夠更好解釋上述試驗(yàn)結(jié)果。除濕效率(ε)的定義為：ε=除濕潛熱量/總制冷量，通過(guò)簡(jiǎn)化可表達(dá)為：

(5)

圖2 干空氣流量對(duì)無(wú)熱管熱泵干燥系統(tǒng)單位

圖3 干空氣流量對(duì)有熱管熱泵干燥系統(tǒng)單位

由圖3可以看出，在具有熱管回收余冷的前提下，隨著空氣流量的增大，系統(tǒng)的SMER先增大，達(dá)到最大值以后將逐漸減小，因此其具有一個(gè)最佳的空氣流量值，從而使得系統(tǒng)的SMER達(dá)到最大，而且φ越低，SMER的最大趨勢(shì)越明顯；隨著流量的增大，SMER值經(jīng)歷了最大之后是一直下降的，且下降的趨勢(shì)與無(wú)熱管情況下基本一致，當(dāng)φ=70%時(shí)，流量對(duì)SMER的影響較小，流量為0.15 kg/s 和0.80 kg/s，SMER分別為3.90和3.55，僅僅下降8.9%，而在φ=30%時(shí)，對(duì)應(yīng)的SMER分別為2.50和0.82，SMER下降達(dá)79.2%，說(shuō)明若要提高閉式熱泵干燥系統(tǒng)的除濕效率，干燥操作時(shí)的相對(duì)濕度不能過(guò)低。

比較圖3與圖2可以看出，在相同的工況下，熱管的應(yīng)用將使得SMER大幅提高，在φ=70%，流量為0.15 kg/s，SMER比無(wú)熱管提高了18.8%，而在φ=30%，流量為0.6 kg/s，SMER提高了約2倍以上，隨著流量的增大，提高更加明顯，說(shuō)明采用熱管回收系統(tǒng)余冷，對(duì)節(jié)能價(jià)值非常明顯，特別是在較低的相對(duì)濕度條件下，這種節(jié)能效果更加突出。綜合來(lái)說(shuō)，采用熱管換熱器的前提下，維持熱泵的空氣流量在0.2～0.4 kg/s比較合適，但是應(yīng)該綜合考慮溫度和相對(duì)濕度的共同影響，尤其是相對(duì)濕度的影響。

2.2 相對(duì)濕度的影響

根據(jù)前述的研究結(jié)果，恒定空氣流量為0.35 kg/s，且分別恒定t=45 ℃和t=55 ℃條件下，閉式熱泵干燥系統(tǒng)在有、無(wú)熱管的條件下，φ的變化對(duì)SMER的影響曲線分別見(jiàn)圖4、5。比較圖4和圖5看出，無(wú)論是有、無(wú)熱管情況下，系統(tǒng)的SMER是隨著相對(duì)濕度升高而增大的，且基本是呈線性上升；比較不同溫度下φ對(duì)SMER的影響，無(wú)熱管時(shí)，φ從25%升高至75%，t=45 ℃和t=55 ℃，SMER升高幅度基本一致且維持在260%～270%，而有熱管時(shí)，SMER大約提高了220%～240%，說(shuō)明φ的變化對(duì)無(wú)熱管系統(tǒng)更加敏感。

圖4 空氣相對(duì)濕度對(duì)無(wú)熱管熱泵干燥系統(tǒng)

圖5 空氣相對(duì)濕度對(duì)有熱管熱泵干燥系統(tǒng)

3 結(jié)論

(1) 文章系統(tǒng)地對(duì)空氣流量、相對(duì)濕度及有無(wú)熱管對(duì)閉式熱泵干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果亦與部分文獻(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，并揭示出在恒定溫度和相對(duì)濕度且有熱管條件下，系統(tǒng)的單位能耗除濕量將隨著流量變化有一個(gè)最大值，最佳空氣流量大約在0.2～0.4 kg/s。

(2) 相同的工況下，熱管的應(yīng)用使系統(tǒng)單位能耗除濕量大幅提高，提高幅度在20%～200%，流量越大，單位能耗除濕量的提高幅度越大，相對(duì)濕度越小，單位能耗除濕量的提高幅度越大，溫度對(duì)單位能耗除濕量的提高幅度相對(duì)較小。

(3) 恒定空氣流量(干基)為0.35 kg/s，系統(tǒng)的單位能耗除濕量隨著相對(duì)濕度的升高而增大，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，單位能耗除濕量的提高幅度在220%～280%。盡管相對(duì)濕度的變化對(duì)系統(tǒng)單位能耗除濕量的影響大，但在實(shí)際干燥過(guò)程中，如何選擇合適的相對(duì)濕度應(yīng)根據(jù)物料脫濕的內(nèi)在物理機(jī)制而定，如何使得干燥速度和系統(tǒng)能效達(dá)到最佳匹配將對(duì)閉式熱泵干燥系統(tǒng)具體應(yīng)用起到重要的作用，有待在后續(xù)論文中進(jìn)一步分析。