車載熱泵烘干系統性能分析

張益飛，馮榮

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723001）

0 引言

干燥除濕在食品、工業產品以及農副產品加工過程中是很重要的存在，是缺一不可的必要環節之一。隨著工業化以及現代化的發展，使得不可再生能源（例如煤、天然氣、石油等）的日益枯竭。為了保護生活環境，以及尋找更加高效的干燥方式，在原有的干燥除濕設備以外，設計一種既節能環保又具有高效率干燥的設備就顯得至關重要，電力驅動的空氣源熱泵烘干機此時就很符合需求。

空氣源熱泵烘干機運行費用只有燃煤燃油的1/3、電熱的1/4，并且大大減少了人力管理成本。空氣源熱泵技術由于可獲得比輸入電能多數倍的熱能，同時對環境無污染，已在農特產品烘干技術領域有了一定的應用。但目前包括空氣源熱泵烘干技術在內的各種烘干技術還存在一些問題降低了其在農特產品烘干領域中發揮的作用。首先，現有的烘干房都建設在固定地點，由于大部分農特產品生產區域距離烘干區域有一定的距離，在將原材料運輸至烘干區域的過程中，原材料本身還未干燥，保留著水分，導致原材料的體積較大，運輸成本增高；在運輸中，原材料與外界發生接觸，易造成對原材料品質的損壞；其次，熱泵烘干機組是由三相電驅動的，在種植農特產品原材料的地區并不一定通電。為此，本文提出車載熱泵烘干系統的設想，烘干系統可隨車輛到距離農特產品最近的地點烘干，減少運輸成本，同時系統采用車輛發動機驅動，解決電力束縛問題[1]。

1 車載熱泵烘干系統

1.1 熱泵烘干機原理

空氣源熱泵烘干機組主要是由兩大主體部分組成，分別為熱泵主機和烘干室。主機主要由四大部件組成，分別為壓縮機、冷凝器、節流裝置以及蒸發器。

依據“逆卡諾“原理所設計的空氣源熱泵，其工作原理簡單就是：低溫低壓的制冷劑在蒸發器中吸收熱量成為制冷劑蒸氣，制冷劑蒸氣通過由銅管連接組成的管道系統進入壓縮機，壓縮成為高溫高壓的氣體，然后輸送至冷凝器，在冷凝器中將熱量釋放并冷凝液化，液化后的制冷劑經過節流裝置再次成為低溫低壓的制冷劑蒸氣進入蒸發器吸熱，如此制冷劑一直循環，不斷的吸收空氣中的熱量然后在安裝在烘干室內的冷凝器中釋放熱量對物料進行加熱烘干，空氣源熱泵裝置本身不產生熱量，它只是起到對熱量的流通[2]。

空氣源熱泵的重要部件是壓縮機，沒有壓縮機就無法運行熱泵，通過它的運作才能實現工質在熱泵中的循環，讓工質實現蒸發吸熱，冷凝放熱的物理變化。熱泵的性能高低采用性能系數COP來表示，COP是指在名義工況下，制熱量與消耗功率之比。空氣源熱泵的COP為3～4左右，也就是每消耗一份電能就可產生3～4份電能，節能效果異常突出。

1.2 由發動機驅動的車載空氣源熱泵系統工作原理

如圖1所示為本文設計的由車載發動機驅動的熱泵烘干系統流程圖，該系統的工作原理，發動機驅動壓縮機工作，完成上文所述的熱泵循環；環境中的空氣經蒸發器后放出熱量的同時其中的水蒸氣被冷凝排出，形成低溫低濕的空氣，該空氣進入回熱器，與從烘干室中排出的高溫高濕的空氣換熱，回收其中的熱量，形成中溫低濕的空氣，該空氣依次經冷凝器和尾氣換熱連續加熱后形成高溫低濕的空氣，該空氣進入烘干室中對待烘干物料進行烘干，吸收物料中的水分使物料干燥，然后變成高溫高濕的空氣從烘干室經回熱器排向環境。該系統可隨車輛到距離農特產品最近的地點烘干，減少運輸成本，同時系統采用車輛發動機驅動，解決電力束縛問題；此外，發動機廢熱還可用來加熱干燥介質，提高能源利用效率。

圖1 車載熱泵烘干系統設計流程圖

2 車載熱泵烘干系統的性能分析

2.1 烘干成本對比

目前，農產品領域的干燥方法主要有煤炭干燥、燃料干燥、氣體干燥、電熱干燥、空氣源熱泵干燥等，各種性能特點各不相同。以下將從能效、經濟效益、設備特點等方面對幾種主流干燥方式進行詳細比較[3]，如表1所示，可以看出，在相同條件下，空氣源熱泵干燥方式的運行成本僅需電加熱設備的25%，30%的油干燥器和60%的煤干燥器，比普通干燥設備更節能。

表1 多種烘干方式能效和經濟效益對比

基于相同條件，將本文設計的車載熱泵烘干系統與傳統的燃油烘干機烘干相同貨物時的耗能進行對比。以10噸/批次，稻谷含水率由28%烘干至安全儲糧水分14%，稻谷降水速率取0.7%每小時，每批次稻谷干燥時間為20小時，如果采用燃油為烘干熱源，烘干10噸稻谷需耗柴油175L，按照6元/L計，需花費1050元，稻谷干燥成本為0.105元/kg。若采用本文設計的由燃油驅動的熱泵烘干系統，烘干相同稻谷僅需要消耗柴油59L，按照6元/L計，需花費350元，稻谷干燥成本為0.035元/kg。從兩組實驗數據可以看出，使用車載熱泵系統可以節省生產成本，提升干燥效率。

2.2 運輸成本對比

假定原材料的產地與加工廠的距離為100km，卡車的時速為80km/h，卡車運輸費為1.08元/（t·km）。假設每批次運輸10t稻谷（含水分28%），比較兩組運輸10t稻谷的運輸成本。假定將原材料在產地裝車后運輸至加工廠烘干，則運輸成本為1.08×100×2×10=2160元。如果在原產地將10t稻谷烘干后再運輸，則其質量變為8.4噸，則運輸成本為1.08×100×2×8.4=1814元，可以看出，使用車載烘干系統的運輸車明顯比使用傳統運輸車的運輸成本要低。

3 車載熱泵烘干系統在農特產品烘干領域的應用特點

（1）利用文中的烘干系統，可以做到從原產地開始，就進行對農特產品的烘干，節省了農特產品從生產區域到加工廠之間的多余運輸成本，減少了農特產品烘干過程的時間。

（2）熱泵干燥機適用廣泛，不受氣候的影響，大多用于耐溫20～80攝氏度，但采用熱泵干燥更加安全、節能的物料。研究和應用廣泛的材料，例如皮革、海產品（如鮮蠔和扇貝）、農副產品、谷物、藥材（如人參）、木材（如橡木）、食用菌、茶葉、紙張等[4]。

（3）車載熱泵烘干系統既節能又環保，響應國家近些年來對環境的重視。燃油發動機32%的能力轉化為的廢熱被回收利用加熱冷空氣。熱泵系統中，只有工質在其中密閉循環，而且排放到環境的廢氣（不包含二氧化碳等氣體）不會造成污染。

（4）通過熱泵烘干機烘干的物料干燥質量好，因為物料在烘干機內處于低溫封閉循環。通過控制熱泵系統的工況條件，使烘干房的熱干空氣的溫度保持在20～80攝氏度之間，滿足于大多數物料對高質量干燥的要求；工質的封閉循環對提高物料的干燥質量尤為重要，可以阻擋外界與烘干機進行氣體交換時可能出現的雜質污染。此外，在物料對空氣中的氧氣敏感（燃燒爆炸或易氧化）時，還可用惰性介質來代替空氣作為干燥介質，用于實現無氧干燥。

（5）綜合經濟效益高。與其他低溫干燥設備（例如冷凍干燥、微波干燥、真空干燥）相比較，熱泵干燥設備具有顯著的經濟性，例如：初始投資小、運行成本低等。與以往的干燥裝置（進入干燥室的空氣溫度＞40℃）相比，熱泵烘干裝置的啟動資金一般會更高，但熱泵干燥機干燥裝置干燥效率高，平常的運行成本低，而且國家對節能環保的企業有一定的政策補貼，所以綜合經濟性仍有一定優勢。

（6）車載熱泵烘干系統不僅可以實現復合功能。熱泵干燥系統還具有制冷功能，除了干燥物料，還可利用其制冷功能來實現各種物料的低溫處理（如速凍、制冷）或保存。通過制冷和加熱功能，實現對某些物料冷凍干燥再熱風干燥，達到更高的品質[5]。

4 結語

在文中用車載熱泵系統經過運輸成本與烘干成本兩項做對比，得出了以下兩點結論：第一點，在烘干相同質量原材料的情況下，空氣源熱泵系統比燃煤、燃油、燃氣烘干更能夠節省烘干成本，提高干燥的效率；第二點，在運輸質量相同原材料的情況下，使用具有車載熱泵系統的運輸車比傳統的運輸車更能夠減少運輸的成本。從而看出，車載熱泵系統更符合現在的需求。