閉式熱泵干燥系統(tǒng)回?zé)岱绞皆O(shè)計及熱力學(xué)分析
2024-12-31 00:00:00張茜穎王迪袁俊球鄧中誠秦斌孫立
中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2024年12期
摘要：針對水稻烘干的應(yīng)用場景，為提升閉式熱泵干燥CHPD系統(tǒng)的單位能耗除濕量SMER，設(shè)計2種回?zé)岱绞剑ㄟ^配置回?zé)崞鲗Ω稍锸页隹跐窨諝夂洼o助冷凝器出口制冷劑進(jìn)行預(yù)冷和余熱回收。建立各式CHPD系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，計算其熱力學(xué)特性，并進(jìn)行敏感性分析和對比分析。結(jié)果表明，2種回?zé)岱绞绞沟脽o回?zé)岬腃HPD系統(tǒng)的SMER分別提升0.46 kg/kWh和0.50 kg/kWh。此外，二者能夠?qū)崿F(xiàn)良性的耦合，在不同的干燥室入口和出口溫度組合下，耦合2種回?zé)岱绞降腃HPD系統(tǒng)的SMER平均提升量為0.85 kg/kWh。
關(guān)鍵詞：水稻烘干；閉式熱泵干燥；熱力學(xué)建模；回?zé)岱绞?/p>
中圖分類號：TK123
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：2095-5553（2024）12-0216-08收稿日期：2023年5月30日
修回日期：2023年7月10日
*基金項目：常州金壇金能電力有限公司科技項目（2023CJTJNJS00443）
第一作者：張茜穎，女，1990年生，江蘇常州人，碩士研究生，工程師；研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化。E-mail：zhangxiying0820@hotmail.com
通訊作者：孫立，男，1989年生，江蘇揚(yáng)州人，博士，教授；研究方向為先進(jìn)能源系統(tǒng)。E-mail：sunli12@seu.edu.cn
Design and thermodynamic analysis of heat recovery method for closed-cycle heat pump drying system
Zhang Xiying1， 2， Wang Di2， Yuan Junqiu1， 2， Deng Zhongcheng2， Qin Bin2， Sun Li3
（1. Jiangsu Engineering Research Center of Electrothermal Coupling Integrated Energy System， Changzhou Jintan Jingneng Power Co.， Ltd.， Changzhou， 213200， China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Changzhou Jintan District Power Supply Branch， Changzhou， 213200， China; 3. Southeast University Liyang Research Institute， Changzhou， 213300， China）
Abstract： In order to improve the specific moisture extraction rate （SMER） of the closed-cycle heat pump drying （CHPD） system， two heat recovery methods are designed for the application scenario of rice drying， which are equipped with a regenerator to pre-cool and recover waste heat from the moist air at the outlet of the drying chamber and the refrigerant at the outlet of the auxiliary condenser. The thermodynamic models of various CHPD systems were established， their thermodynamic characteristics were calculated， and sensitivity analysis and comparative analysis were conducted. The results show that the two heat recovery methods improve the SMER of the CHPD system without heat recovery by 0.46 kg/kWh and 0.50 kg/kWh， respectively. Moreover， the two can achieve a benign coupling， and the average SMER improvement of the CHPD system coupled with the two heat recovery methods is 0.85 kg/kWh at different drying chamber inlet and outlet temperature combinations.
Keywords： rice drying; closed-cycle heat pump drying; thermodynamic modeling; heat recovery method
0 引言
干燥技術(shù)作為一種高能耗技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、木材和化工等行業(yè)［1］。據(jù)統(tǒng)計，干燥能耗在我國各種工業(yè)部門的總能耗占比為4%～35%，干燥總能耗占比我國國民經(jīng)濟(jì)總能耗的12%［2， 3］。而我國作為農(nóng)業(yè)大國，目前糧食烘干方式多為自然烘干，機(jī)械化水平不到10%，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家水平［4］。為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，大規(guī)模發(fā)展節(jié)能低碳、機(jī)械化程度高的糧食干燥技術(shù)迫在眉睫［5］。現(xiàn)有糧食干燥技術(shù)主要有熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥、紅外干燥和熱泵干燥組成［6， 7］。熱風(fēng)干燥技術(shù)是目前使用最廣泛的糧食干燥技術(shù)，驅(qū)動源主要有燃煤和電直熱，前者因為其高污染的特性正逐漸面臨淘汰，且兩者都存在能耗高、能效低的特點［8］。至于真空干燥、微波干燥和紅外干燥，其成本都較為高昂，多應(yīng)用于干燥高經(jīng)濟(jì)作物，不適用于大規(guī)模應(yīng)用于糧食烘干領(lǐng)域［9， 10］。熱泵干燥HPD技術(shù)作為目前最有望大規(guī)模發(fā)展的一種糧食烘干技術(shù)，具備著高效節(jié)能、干燥產(chǎn)品質(zhì)量高、環(huán)境友好和自動化程度高等優(yōu)點，引起了各國學(xué)者的重點關(guān)注［11， 12］。
Duc等［13］從干燥動力學(xué)模型出發(fā)，為了更加準(zhǔn)確的描述Soursop Fruit在干燥過程中的失水特性，使用了12種經(jīng)典的動力學(xué)模型來描述試驗數(shù)據(jù)與模型的適合性。結(jié)果表明，干燥時間和溫度會影響決定系統(tǒng)，當(dāng)干燥溫度為30 ℃，Singh模型是最準(zhǔn)確的，此時的決定系數(shù)為0.978 15。為提高干燥室空氣分布的均勻性，錢睿等［14］基于干燥室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，提出9種不同角度導(dǎo)流葉片與不同變方孔徑勻風(fēng)板的組合方案，結(jié)果表明，導(dǎo)流葉片角度為15°和采用B類變方孔徑勻風(fēng)板的組合方案是最優(yōu)，XZ和XY平面的平均均勻性系數(shù)分別提升了0.07和0.06。Babu等［15］設(shè)計了多種干燥室的送風(fēng)方式，分別上送風(fēng)、上下同時送風(fēng)以及平行送風(fēng)，并基于CFD和Fluent軟件進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，上送風(fēng)使干燥室入口處氣流速度較高，速度分布明顯不均勻；上下同時送風(fēng)能夠優(yōu)化干燥室入口和出口氣流的均勻性，而平行送風(fēng)優(yōu)于上下同時送風(fēng)，因為平行送風(fēng)時內(nèi)部氣流一次性經(jīng)過托盤，流速較高且分布均勻。在可再生能源耦合方面，Kosan等［16］設(shè)計并測試了一種新型可持續(xù)光伏/熱輔助HPD系統(tǒng)，利用蒸發(fā)器的冷量來對PV/T板進(jìn)行冷卻，提高其發(fā)電效率，并將PV/T板的發(fā)電用于CHPD系統(tǒng)的壓縮機(jī)，實現(xiàn)了HPD系統(tǒng)和太陽能發(fā)電的良性耦合。試驗結(jié)果表明，PV/T系統(tǒng)的平均發(fā)電效率和熱效率分布為12.27%和56.37%，整個HPD系統(tǒng)的（Coefficient of performance，COP）高達(dá)4.18。在多級熱泵干燥方面，Dong等［17］提出了一種用于玉米干燥多級封閉串聯(lián)干燥系統(tǒng)，通過建立干燥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行了仿真研究。計算結(jié)果表明，四級閉式HPD （closed-cycle HPD， CHPD）系統(tǒng)的COP在夏季可達(dá)5.5，冬季可達(dá)4.5，該系統(tǒng)的投資回收期約為1.22年。不同干燥方法都有其優(yōu)缺點，采用單一的熱泵干燥模式往往難以達(dá)到理想的干燥效果。
在熱泵聯(lián)合干燥方面，Zhu等［18］探究了微波輔助對熱泵干燥扇貝的影響，發(fā)現(xiàn)微波輔助能夠提高有效水分?jǐn)U散系統(tǒng)，加快物料內(nèi)部固定水向自由水的轉(zhuǎn)化，有效提升干燥速率。Hao等［19］提出了一種應(yīng)用于香菇干燥的太陽能輔助的直接膨脹的熱泵輔助干燥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以提高室外空氣溫度9.8 ℃，維持干燥室空氣溫度在40 ℃以上，且平均COP最大可以達(dá)到6.01。在經(jīng)濟(jì)性分析方面，Erbay等［20］運用先進(jìn)經(jīng)濟(jì)分析的方法，指出地源熱泵食品干燥系統(tǒng)的最重要的部件為干燥管道和冷凝器，通過制定以干燥管道和冷凝器為重點的改進(jìn)策略，可以降低總成本的34.60%。
然而，上述研究針對的研究對象多為開式HPD系統(tǒng)，而這種干燥系統(tǒng)依舊存在著干燥能效低和存在一定污染的問題，這是因為其干燥室出口的濕空氣直接排向大氣，沒有進(jìn)行余熱回收。CHPD系統(tǒng)可以很好地解決這個問題，但依舊存在著兩點問題。第一是由于回風(fēng)的存在，冷凝器入口濕空氣溫度較高，且為了保證冷凝器具備較好的換熱端差，導(dǎo)致冷凝溫度和膨脹閥入口溫度較高，嚴(yán)重限制了制冷劑在蒸發(fā)器中提供冷量的能力；第二，干燥室出口濕空氣存在一定顯熱占比，在干燥后期尤為嚴(yán)重，這將浪費掉蒸發(fā)器的冷量，大幅限制蒸發(fā)器的冷凝除濕能力。
目前針對CHPD系統(tǒng)的這些問題的研究較少，存在一定空白。為了解決上述問題，基于水稻烘干的應(yīng)用場景，對CHPD系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，提出多種回?zé)岱桨福\用回?zé)崞鱽斫档团蛎涢y入口溫度和回收干燥室出口濕空氣的顯熱，并對不同回?zé)岱绞降腃HPD系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析和對比分析，進(jìn)而得出各種回?zé)岱绞降膬?yōu)勢所在。
1 系統(tǒng)介紹及其熱力學(xué)建模
1.1 系統(tǒng)介紹
1.1.1 CHPD系統(tǒng)
CHPD系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及冷凝器組成，此外還配備有輔助冷凝器，這是因為為了保證水稻的烘干品質(zhì)，降低爆腰率，就需要對干燥室入口溫度和水稻的脫水速率進(jìn)行一定的限制［21］。由于干燥室入口溫度受限，熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能夠完全被濕空氣吸收，所以為了保證冷凝器的冷凝效果，配備了輔助冷凝器來對制冷劑進(jìn)行輔助冷凝。該系統(tǒng)的工作流程：從蒸發(fā)器出來的冷干空氣進(jìn)入到冷凝器中吸熱升溫為熱干空氣，再進(jìn)入到干燥室中對水稻進(jìn)行烘干，烘干完成后的溫濕空氣再進(jìn)入到蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻并凝結(jié)出部分水蒸氣，降溫后的冷干空氣再次進(jìn)入到冷凝器中，并以此循環(huán)，達(dá)到烘干除濕的目的，該系統(tǒng)運行過程中濕空氣的T-d圖（1′-2′-3′-1′）和制冷劑的T-s圖（1-2-3-4-1）分別如圖2所示［22］。
1.1.2 回?zé)岱桨冈O(shè)計
從圖2（a）中可以看出，干燥室出口濕空氣進(jìn)入到蒸發(fā)器的凝結(jié)過程中釋放的熱量主要由顯熱（3′-3a′）和潛熱（3a′-1′）兩部分組成，所以當(dāng)濕空氣直接進(jìn)入到蒸發(fā)器時，顯熱會浪費掉一部分冷量，所以對濕空氣進(jìn)行預(yù)冷，使其達(dá)到露點溫度，在相同的冷量下，能夠讓更多的水蒸氣凝結(jié)掉，加強(qiáng)除濕效果。此外，從圖2（b）可以看出，由于干燥室入口溫度較高，為了保證較好的換熱端差，就會導(dǎo)致冷凝溫度處于較高的水平，進(jìn)而使得進(jìn)入到膨脹閥中的制冷劑溫度偏高，增加制冷劑在膨脹閥中的液化率，最終會降低制冷劑在蒸發(fā)器中提供冷量的能力。基于這兩點，本文提出了2種回?zé)岱绞较碌腃HPD系統(tǒng)，其原理圖分別如圖3（a）和圖3（b）所示。
從圖3（a）中可以看出，回?zé)岱绞?在干燥室和蒸發(fā)器之間采用了一個回?zé)崞鱽韺Ω稍锸页隹诘臐窨諝膺M(jìn)行預(yù)冷和對蒸發(fā)器出口的冷干空氣進(jìn)行預(yù)熱，這樣能夠回收掉濕空氣的顯熱，提高除濕效果，并對余熱進(jìn)行回收，濕空氣在T-d圖中的工作過程為1aa′-2a′-3′-3a′-1a′-1aa′。
從圖3（b）中可以看出，回?zé)岱绞?為了降低膨脹閥入口制冷劑的溫度和制冷劑在膨脹閥中的液化程度，提升制冷劑提供冷量的能力，在輔助冷凝器和蒸發(fā)器之間增加了一個回?zé)崞鱽眍A(yù)冷輔助冷凝器出口的制冷劑，并對蒸發(fā)器出口濕空氣進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到余熱回收的目的，該回?zé)岱绞较孪到y(tǒng)制冷劑在T-s圖中的工作過程為1-2-2b-3b-4-1。
1.2 熱力學(xué)模型
本節(jié)對CHPD系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模。為了簡化模型，采用以下假設(shè)［17］：（1）系統(tǒng)的工作過程均為穩(wěn)態(tài)過程；（2）壓縮過程假定為絕熱過程，且所有部件的熱損失均忽略不計；（3）忽略制冷劑和濕空氣在循環(huán)運行過程中的壓力和流量損失。
1.2.1 壓縮機(jī)
壓縮機(jī)絕熱效率［23］
式中： h′ ——壓縮機(jī)入口比焓，kJ/kg；
hs″ ——等熵壓縮過程壓縮機(jī)出口比焓，kJ/kg；
h″ ——實際壓縮過程壓縮機(jī)出口比焓，kJ/kg。
壓縮機(jī)耗功率
Pc=qmr（h″-h′） （2）
式中： qmr ——制冷劑的質(zhì)量流量，kg/h。
1.2.2 干燥室
在干燥室中，熱干空氣和含水量較高的水稻進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，進(jìn)行對流干燥，本文將該過程近似為等焓絕熱加濕過程，以此來計算干燥室的烘干能力。干燥過程中的循環(huán)濕空氣的質(zhì)量流量可以定義為［17］
式中： md ——干燥室內(nèi)水稻的脫水速率，kg/h；
din ——干燥室入口濕空氣的含濕量，kg/kg；
dout ——干燥室出口濕空氣的含濕量，kg/kg。
其中 md 可以用式（4）來計算。
式中： M ——干燥前水稻的總質(zhì)量，kg；
w1 ——水稻干燥前的含水量，%；
w2 ——水稻干燥后的目標(biāo)含水量，%；
td ——干燥時長，h。
1.2.3 換熱器
1）輔助冷凝器。采用常溫冷卻水作為冷源來輔助冷凝器將冷凝器出口制冷劑冷凝成液態(tài)，冷卻水在輔助冷凝器中的吸熱量為［24］
Qcw=qmw（houtcw－h(huán)incw）=qmr（hincr－h(huán)outcr） （5）
式中： qmw ——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/h；
hincw ——冷卻水的入口比焓，kJ/kg；
houtcw ——冷卻水的入口和出口比焓，kJ/kg；
hincr ——輔助冷凝器制冷劑入口比焓，kJ/kg；
houtcr ——輔助冷凝器制冷劑出口比焓，kJ/kg。
2）冷凝器。循環(huán)濕空氣在冷凝器中的吸熱量為
Qca=qma（houtca－h(huán)inca） （6）
式中： qma ——循環(huán)濕空氣的質(zhì)量流量，kg/h；
hinca ——循環(huán)濕空氣入口比焓，kJ/kg；
houtca ——循環(huán)濕空氣出口比焓，kJ/kg。
3）蒸發(fā)器。循環(huán)濕空氣在蒸發(fā)器中的放熱量為
Qea=qma（hinea－h(huán)outea）+mdΔh=qmr（houter－h(huán)iner） （7）
式中： hinea ——濕空氣在蒸發(fā)器的入口比焓，kJ/kg；
houtea ——濕空氣在蒸發(fā)器的出口比焓，kJ/kg；
Δh ——水蒸汽的凝結(jié)潛熱，kJ/kg；
hiner ——蒸發(fā)器中制冷劑的入口比焓，kJ/kg；
houter ——蒸發(fā)器中制冷劑的出口比焓，kJ/kg。
4）回?zé)崞鳌ｈb于回?zé)崞骶鶠闅鈿鈸Q熱，換熱過程中不存在相變，換熱系數(shù)較低，因此引入換熱效能來體現(xiàn)回?zé)崞鞯膿Q熱效率。換熱器效能的定義為實際換熱效果與理論最大換熱效果的比值［25］
ε=cphqmh（Tinh－Touth）/（cpqm）min（Tinh－Tinc）=cpcqmc（Toutc－Tinc）/（cpqm）min（Tinh－Tinc） （8）
式中： qmh ——熱流體的質(zhì)量流量，kg/h；
qmc ——冷流體的質(zhì)量流量，kg/h；
cph ——熱流體的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；
cpc ——冷流體的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；
（cpqm）min ——熱流體和冷熱流體的質(zhì)量流量與定壓比熱容之積的較小值，kJ/（℃·h）；
Tinh ——熱流體入口溫度，℃；
Tinc ——冷流體入口溫度，℃；
Touth ——熱流體出口溫度，℃；
Toutc ——冷流體出口溫度，℃。
回?zé)崞鞒隹跓崃黧w出口溫度
Touth=Tinh－ε（cpqm）min/cphqmh（Tinh－Tinco） （9）
1.2.4 膨脹閥
在系統(tǒng)中，通過膨脹閥來降低制冷劑的溫度，進(jìn)而為蒸發(fā)器中濕空氣的凝結(jié)提供冷量，膨脹閥入口和出口的焓值的關(guān)系式為
hinv=houtv （10）
式中： hinv ——膨脹閥入口比焓，kJ/kg；
houtv ——膨脹閥出口比焓，kJ/kg。
1.3 系統(tǒng)評價指標(biāo)
采用COP和SMER作為對CHPD系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)。COP定義為循環(huán)濕空氣在冷凝器中吸收的熱量與壓縮機(jī)耗功的比值［26］
COP=Qca/Pc （11）
SMER定義為干燥除濕量與壓縮機(jī)耗功的比值
SMER=md/Pc （12）
2 數(shù)值結(jié)果與分析
2.1 基本參數(shù)
對提出的3種CHPD系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)性能計算以及對比分析，CHPD系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示。此外，在計算過程中，選取R134a作為熱泵循環(huán)系統(tǒng)的制冷劑。其具備安全無毒、環(huán)境友好以及不易燃易爆等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)良，是目前廣泛應(yīng)用的一種中低溫制冷劑，基本物性參數(shù)如表2所示［18］。
2.2 熱力學(xué)分析
根據(jù)表1的基本參數(shù)，通過計算，可以得到如表3所示的各式CHPD系統(tǒng)的熱力參數(shù)以及系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)匯總。
由表3可知，首先，在相同除濕量的情況下，相較于無回?zé)岬腃HPD系統(tǒng)，2種回?zé)岱绞较碌腃HPD系統(tǒng)的壓縮機(jī)耗功率均明顯下降，降低幅度分別為14.84%和16.03%。因此，2種回?zé)岱桨赶碌腃HPD系統(tǒng)的SMER均顯著提升，分別達(dá)到了3.07 kg/kWh和3.11 kg/kWh，提高了0.46 kg/kWh和0.50 kg/kWh。其次，可以發(fā)現(xiàn)2種回?zé)岱绞降难h(huán)濕空氣吸熱量是降低的，表明這2種回?zé)岱绞侥軌蛴行ьA(yù)冷干燥室出口濕空氣和冷凝器出口制冷劑，并將該部分熱量用來預(yù)熱蒸發(fā)器出口濕空氣，達(dá)到余熱回收的目的。最后，由于2種回?zé)岱绞降难h(huán)濕空氣的吸熱量的降低幅度是高于壓縮機(jī)耗功的增加幅度的，所以這兩種回?zé)岱绞较碌腃HPD系統(tǒng)的COP都是減小的。
3 討論
3.1 敏感性分析
在CHPD系統(tǒng)的運行過程中，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度不僅會影響制冷劑在膨脹閥中的液化率和供冷量，還會影響壓縮機(jī)入口和出口壓力，通過降低冷凝溫度和提高蒸發(fā)溫度均能夠有效提高CHPD系統(tǒng)的性能。鑒于冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對CHPD系統(tǒng)的影響機(jī)制較為清晰，干燥室入口和出口溫度決定干燥室內(nèi)的干燥情況，蒸發(fā)器和回?zé)崞髯鳛橄到y(tǒng)中的關(guān)鍵部件，因此本文對干燥室入口溫度、蒸發(fā)器換熱端差、回?zé)崞餍芎透稍锸页隹跍囟葘ο到y(tǒng)性能的影響展開分析，這4個關(guān)鍵參數(shù)的變化范圍如表4所示。
3.1.1 干燥室入口溫度
在冷凝溫度為60 ℃和其他參數(shù)為基本參數(shù)的情況下，干燥室入口溫度對各式CHPD系統(tǒng)性能的影響如圖4所示。由于干燥室入口溫度的提高會使得干燥室出口濕空氣的相對濕度和露點溫度的提高，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)溫度的提高，所以壓縮機(jī)的耗功是逐漸降低的，而循環(huán)濕空氣的吸熱量也是逐漸降低的。因此，各式CHPD系統(tǒng)的COP和SMER均是逐漸提高的，且COP的增加速率是小于SMER的增加速率的。此外，當(dāng)干燥室入口溫度較低時，回?zé)岱绞?的SMER將超過回?zé)岱绞?，但其COP也會低于回?zé)岱绞?。基于圖4（b）中的趨勢，當(dāng)干燥室入口溫度為50 ℃時，相較于回?zé)岱绞?，回?zé)岱绞?的SMER的超過量為0.13 kg/kWh。
3.1.2 蒸發(fā)器換熱端差
在基本參數(shù)的條件下，圖5為蒸發(fā)器換熱端差對各式CHPD系統(tǒng)性能的影響。
由圖5可知，隨著蒸發(fā)器端差的提高，各式CHPD系統(tǒng)的COP和SMER均顯著降低。這是因為蒸發(fā)器換熱端差的降低會導(dǎo)致膨脹閥出口溫度的降低，而膨脹閥入口溫度是保持不變的，所以膨脹閥的入口和出口溫差是提高的，這會導(dǎo)致制冷劑在膨脹閥中的氣化程度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致制冷劑在蒸發(fā)器中的供冷能力的下降，在除濕量一定的情況下，制冷劑的質(zhì)量流量也會增加，因此壓縮機(jī)的耗功也會隨之逐漸增加。此外，由于蒸發(fā)器換熱端差的降低會使得冷凝器入口濕空氣溫度的降低，濕空氣的循環(huán)吸熱量會逐漸增加，但其增加幅度遠(yuǎn)小于壓縮機(jī)耗功的增加幅度。以回?zé)岱绞?為例，當(dāng)蒸發(fā)器端差從4 ℃增加到10 ℃時，COP將從3.12降低到2.55，降低幅度為18.27%；SMER將從3.22 kg/kWh增加到2.63 kg/kWh，降低幅度為18.32%。
3.1.3 回?zé)崞餍?/p>
在基本參數(shù)的條件下，圖6為回?zé)崞餍軐Ω魇紺HPD系統(tǒng)性能的影響。由圖6可知：隨著回?zé)崞餍艿慕档停瑫沟酶稍锸页隹跐窨諝夂洼o助冷凝器出口制冷劑預(yù)冷不充分，進(jìn)而導(dǎo)致干燥室出口濕空氣在蒸發(fā)器中顯熱比例和制冷劑在膨脹閥中氣化程度的增加，在除濕量一定的情況下，制冷劑的質(zhì)量流量和壓縮機(jī)耗功均顯著提高。此外，回?zé)崞餍艿慕档瓦€會導(dǎo)致預(yù)熱不充分，冷凝器入口濕空氣溫度的降低，濕空氣在冷凝器中的循環(huán)吸熱量的增加，且其增加幅度是大于壓縮機(jī)耗功的增加幅度。因此，2種回?zé)岱绞较碌腃HPD系統(tǒng)的COP是逐漸增加的，但SMER確實逐漸降低的，以回?zé)岱绞?為例，當(dāng)回?zé)崞餍軓?.9降低到0.6時，SMER將從2.97增加到3.10，增加幅度為4.40%；SMER將從3.17 kg/kWh降低到2.98 kg/kWh，降低幅度為6.00%。至于無回?zé)岬腃HPD系統(tǒng)，其性能不受回?zé)崞餍艿挠绊懀虼似銫OP和SMER均保持不變。
3.1.4 干燥室出口溫度
在基本參數(shù)的條件下，圖7為干燥室出口溫度對各式CHPD系統(tǒng)性能的影響。對于無回?zé)帷⒒責(zé)岱绞?和回?zé)岱绞?來說，由于干燥室出口溫度的提高會使得干燥室出口濕空氣的相對濕度和露點溫度的提高，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功和循環(huán)濕空氣在冷凝器中吸熱量的增加，且前者的提高速率高于后者，所以COP都是逐漸減小的，尤其是回?zé)岱绞?，幅度更為明顯。而回?zé)岱绞?的壓縮機(jī)耗功的增加速率是先低于后高于循環(huán)吸熱量的增加速率的，所以其COP整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，但波動的幅度較小。
此外，在除濕量一定的情況下，干燥室出口溫度的提升會導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功的增加，所以各式系統(tǒng)的SMER均是逐漸降低，且回?zé)岱绞?因為其回收顯熱的能力，其降低幅度更為平緩。當(dāng)干燥室出口溫度較高時，回?zé)岱绞?的SMER將超過回?zé)岱绞?，但其COP也會低于回?zé)岱绞?。當(dāng)干燥室出口溫度為42 ℃時，相較于回?zé)岱绞?，回?zé)岱绞?的SMER的超過量為0.32 kg/kWh。
3.2 結(jié)果分析
從3.1節(jié)可以看出，回?zé)岱绞?和2均能顯著提升CHPD系統(tǒng)的性能，當(dāng)干燥室入口溫度較高和出口溫度較低的情況下，回?zé)岱绞?帶來的提升是更加顯著的，但是，當(dāng)干燥室入口溫度較低和出口溫度較高時，回?zé)岱绞?的提升效果將超越回?zé)岱绞?。此外，通過減小蒸發(fā)器換熱端差和提高回?zé)崞餍芫苡行嵘責(zé)岱绞?和2的CHPD系統(tǒng)的SMER。為了同時發(fā)揮2種回?zé)岱绞降膬?yōu)勢，將回?zé)岱绞?和回?zé)岱绞?進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步提出了一種雙回?zé)崾紺HPD系統(tǒng)（回?zé)岱绞?+2），其系統(tǒng)原理圖如圖8所示。為了清晰闡述雙回?zé)崾紺HPD系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計了如表5所示的4種干燥室入口和出口溫度組合，并計算了不同溫度組合下各種回?zé)崾紺HPD系統(tǒng)的性能。在冷凝溫度為60 ℃和其余參數(shù)為基本參數(shù)的情況下，不同回?zé)岱绞皆诓煌稍锸胰肟诤统隹跍囟冉M合下的SMER提升效果，如圖9所示。
由圖9可知：在不同的溫度組合下，回?zé)岱绞?、回?zé)岱绞?和回?zé)岱绞?+2的平均SMER提升量分別為0.38 kg/kWh、0.46 kg/kWh和0.85 kg/kWh，不同溫度組合下二者的SMER平均提升量之和與回?zé)岱绞?+2的平均SMER提升量十分接近，這表明回?zé)岱绞?和2可以實現(xiàn)良性的耦合，尤其是在干燥室入口溫度較低和干燥室出口溫度較高的惡劣工況，回?zé)岱绞?和2的SMER提升量分別為0.56 kg/kWh和0.24 kg/kWh，二者之和為0.80 kg/kWh，而回?zé)岱绞?+2的SMER提升量為0.85 kg/kWh，還額外多提升了0.05 kg/kWh，這表明回?zé)岱绞?+2能夠在惡劣工況下進(jìn)一步發(fā)揮耦合的優(yōu)勢。
4 結(jié)論
1）相比于無回?zé)岬腃HPD系統(tǒng)，回?zé)岱绞?和2均能有效提升CHPD系統(tǒng)的SMER，分別提升0.46 kg/kWh和0.50 kg/kWh，增加幅度分別為17.62%和19.16%。
2）基于敏感性分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)提高干燥室入口溫度和回?zé)崞餍埽档驼舭l(fā)器換熱端差和干燥室出口溫度均能有效提升各式CHPD系統(tǒng)的SMER，且回?zé)岱绞?適用于較低的干燥室入口溫度和較高的干燥室出口溫度，回?zé)岱绞?適用于較高的干燥室入口溫度和較低的干燥室出口溫度。
3）在不同的干燥室入口和出口溫度組合下，回?zé)岱绞?、回?zé)岱绞?和回?zé)岱绞?+2的平均SMER提升量分別為0.38 kg/kWh、0.46 kg/kWh和0.85 kg/kWh，這表明回?zé)岱绞?和回?zé)岱绞?可以實現(xiàn)良性的耦合，尤其是在干燥室入口溫度較低和出口溫度較高的惡劣工況，回?zé)岱绞?+2的SMER提升量比回?zé)岱绞?和2的SMER提升量之和還高0.05 kg/kWh。
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