收稿日期:2008-07-09基金項目:廣東省科技廳項目資助(編號:2004B20401011第一作者:李敏(1967-女,碩士,副教授,主要從事水產品加工及貯藏工程的工藝和設備的研究。多功能變工況熱泵干燥裝置的設計分析李敏1,關志強2,張杰文1,劉蘭1(1.廣東海洋大學工程學院,湛江524025;2.茂名學院,茂名525000摘要:設計了可同時實現開式、閉式和半開式干燥介質循環,可在干燥過程中轉換工藝、調節工況的熱泵干燥裝置,以熱泵工質R134a為例進行了1匹熱泵干燥裝置的設計計算,就同一裝置在變工況下的性能進行理論分析。結果表明,蒸發溫度的提高可有效提高裝置的性能及除濕能耗比,冷凝溫度的降低可使裝置的COP值升高,除濕能耗比下降。關鍵詞:多功能;變工況;熱泵干燥裝置;COP值;除濕能耗比中圖分類號:TB6文獻標志碼:A文章編號:1673-9159(200806-0061-05TheDesignandAnalysisofMulti-functionVariableConditionsofHeatPumpDryerLIMin1,GUANZhi-qiang2,ZHANGJie-wen1,LIULan1College,Maoming525000,ChinaAbstract:Aheatpumpdryerwhichcanbecarriedoutasopen,closedandsemi-drymediumcycleatthesametimewasdesigned.Thedevicecandryatthehigh-temperature,lowandmoderatetemperaturefortheconfigurationofequipment,andchangethedryingprocess,andrealizethedryingprocessofwarming-cooling-warmingup.AstheR134ahasbeenusedasaheatpumprefrigerant,thedesignoftheheatpumpdryerwascalculated.Atlast,theperformanceofthesameequipmentatthedifferentconditionsisanalyzed.ResultsshowedthattheincreaseofevaporationtemperaturecaneffectivelyimprovetheperformanceofdeviceandSMER,butthedecreaseofcondensationtemperatureleadstotheraiseofCOP,andthelowerofSMER.Keywords:multi-function;variableconditions;heatpumpdryer;COP;SMER熱泵是一種高效、節能的熱回收裝置。它是以消耗少量高質能(機械能、電能等或高溫熱能為代價的能量利用裝置[1]。由于熱泵運轉所需要的能量只是它提供的全部能量的一部分,因此具有顯著的節能效果,對合理利用能源、減輕環境污染具有重大的意義。將其應用于干燥過程可以同時利用蒸發器的降溫去濕作用和冷凝器對空氣放熱作用,用含水量較低的干燥空氣去干燥濕物料[2]。與常規加熱干燥方式相比,熱泵干燥裝置屬于低溫干燥,特別適用于熱敏性物質的干燥,例如種子、茶葉、中藥材以及生物制品和水產品等。熱泵干燥系統的形式較多,按照干燥介質(空氣的循環情況可分為開路式、部分乏氣循環式和閉路式3種[3,4],以適應不同物品對干燥介質參數的需要。為強化不同類型農海產品的加工適應性,筆者參考文獻[5],自行開發了同一裝置可以實現開式、半開式和閉式干燥介質循環系統,并可在干燥過程中轉換干燥工藝(干冷互換,調節工況的熱泵干燥裝廣東海洋大學學報第28卷62置。1裝置的方案設計及基本構成1.1方案設計圖及基本構成能實現開路式、半開路式和閉路式循環干燥介質循環的方案設計如圖1所示。裝置按雙冷凝器和和雙蒸發器設計,并配有輔助加熱器以提高裝置的調節性能。1,2,3:調節風門;4:擋板;5:冷凝器;6:電加熱器;7:離心風機;8:干燥廂;9:蒸發器;10:壓縮機;11:電動三通閥;12:輔助水冷冷凝器;13:熱力膨脹閥;14:感溫包圖1熱泵干燥裝置的方案設計Fig.1ProgramdesignsketchoftheHeatPumpDryer1.2設計方案說明如圖1所示,當風門1、2、3全開時,擋板4關閉,形成開路式循環。在開式熱泵干燥裝置中,進入干燥器的干燥介質全部來自環境,從干燥器內干燥物料后排出的廢氣經蒸發器也全部排入環境。當1、2、4打開,3關閉時,形成半開路式循環。所謂半開路式熱泵干燥裝置,就是進入干燥器的干燥介質一部分來自環境,另一部分來自干燥器排出的廢氣。當風門1、2、3關閉,擋板4打開,形成閉路式循環。封閉式熱泵干燥裝置,干燥介質在完全封閉的循環通道中循環。本設計的干燥空氣溫度通過輔助冷凝器和電加熱器調節在20℃~80℃之間,干燥室內風機裝置變頻裝置可實現風速在0.1m/s~3m/s范圍內的調節。裝置可同時作為熱回收熱泵干燥,也可根據需要只采用電加熱來實現高溫熱風干燥,也可作為冷凍箱使用,實現干冷互相,從而改善干燥工藝。在干燥系統風管進出干燥箱的部位均設有溫濕度測試儀和風速測試儀,可對風速和溫濕度實行在線檢測和適時記錄,并設有物品溫度在線測試,隨時掌握物品所處的干燥階段,以適時調整干燥過程的機組運行參數。2熱泵系統的設計擬設計一臺1匹容量的熱泵干燥機組,用電能驅動。根據湛江最冷月月平均溫度為15℃,相對濕度為78%,所以按在最不利環境下工作,低溫熱源tL=15℃。選熱泵工質為R134a[6],采用直接式,不用載熱介質,干燥介質為空氣。根據要求,選高溫熱匯tH=45℃,傳熱溫差為5℃。2.1熱泵的循環特性計算根據干燥所需的熱空氣溫度和環境溫度,為保證熱泵在最低環境溫度下正常工作。取循環參數如下[7,8]:冷凝溫度,tC=50℃;蒸發溫度,tE=5℃;冷凝器出口處工質溫度tSC=45℃(過冷度為5℃;蒸發器出口處工質溫度tSH=10℃(過熱度為5℃;按工況作出相應的壓焓圖,如圖2所示:圖2熱泵循環的p-h圖Fig.2Thep-hoftheheatpumpcycle熱泵工質循環工況參數的確定,查文獻[2]和計算得出相應的狀態點的參數如表1所示。2.2壓縮機的確定由于1匹壓縮機的功率為735W,由此可求得熱泵工質的質量流量,按式(1計算得到質量流量qm為0.023kg/s。即P=qm(h2-h1’;(1壓縮機的輸氣量qv按式(2計算為4.388m3/h。1vmqqv′=?;(2表1熱泵介質循環參數Tab.1State-pointparametersoftheheatpumpmedium狀態點壓力/kPa焓值/(kJ·kg-1比容/(m3·kg-11350250.71ˊ350255.30.0532(60℃287313181214350113.1熱泵蒸發器從干燥器排出空氣中的吸熱量按式(3計算得Φe=3.27kW。Φe14(mqhh′=??;(3熱泵冷凝器加給干燥器進氣空氣的總熱量Φc按式(4計算為4.0kW;Φc23(mqhh′=??;(4熱泵理想循環制熱系數按(5式計算為5.442。εh=Φc/P;(5根據熱泵工質及壓縮機功率,輸氣量等參數選定壓縮機。2.3翅片管冷凝器面積的確定翅片管冷凝器面積的確定,按式(6計算為7.0m2。11mF=(6式中傳熱系數K1按翅片管冷凝器計算所得,對數平均溫差mtΔ按進出口空氣的溫度計算所得。2.4翅片管蒸發器面積的確定翅片管蒸發器面積的確定按式(7計算為8.96m2。即22mF=(7式中傳熱系數K2按翅片管蒸發器計算所得,對數平均溫差mtΔ按進出口空氣的溫度計算所得。為了調節工況,系統中配置蒸發面積為10m2翅片管式蒸發器2個。可滿足系統在不同蒸發溫度下工作的需要。2.5節流部件的確定由于熱泵的制冷制熱量不大,節流閥可采用內平衡式熱力膨脹閥,按容量換算后選用熱力膨脹閥PF2。2.6輔助部件的確定2.6.1選定干燥過濾器設計一小型熱泵裝置中的干燥過濾器,安裝在節流部件前,冷凝器之后,目的是干燥制冷劑中的水分和過濾雜質。取液態工質在過濾器中速度v=0.02m/s,由工質的質量流量qm=0.023kg/s,算出過濾器的外徑為36mm,干燥劑取粒狀硅膠,兩端有銅網,紗布等。用網孔為0.1mm的銅絲網。2.6.2選定氣液分離器安裝在蒸發器后,壓縮機之前。其功能是將出蒸發器,進壓縮機氣流中的液滴分離出來,防止壓縮機發生液擊現象。設計一小型氣液分離器,其結尺構尺寸為:直徑100mm,高度80mm的筒體。2.6.3選定輔助冷凝器選一冷卻面積與主冷凝器一致的水冷冷凝器。2.6.4選定儲液器通常安裝在冷凝器之后,用來儲存冷凝器出來的工質液體。其容量可按機組每小時工質循環量的1/3~1/2確定。計算得長h=120mm,直徑D=80mm的筒型貯液器。2.6.5電磁閥選配為了使系統適應幾種運行方式便于調節工況和干燥工藝,在每個冷凝器之前均配置電磁閥,在節流部件之前和不同的蒸發器管組之前也配置電磁閥。按配管通徑選配FDF型號的電磁閥。3干燥系統的設計3.1確定干燥器形狀及計算參數的選定干燥箱做成長方體形,其外壁絕熱。假設用來干燥羅非魚,物料中水分含量可以用濕基濕含量表示,一般用wm表示;其定義為物料中的水分質量mW與物料的總物質質量md之比。測得羅非魚的濕基濕含量wm=78%,干燥后濕基濕含量wmO=30%。干燥時間定為15h,物料進入干燥箱時的溫度為15℃。取熱泵干燥裝置的基本參數為:進入干燥器的熱空氣溫度ta=45℃,出干燥器的空氣溫度tb=30℃,出蒸發器的空氣溫度tc=15℃,相對濕度為100%(蒸發溫度為5℃凝結水排入環境。3.2干燥器設計計算(裝置按閉式循環運行3.2.1物料計算由前面計算可知,設定的工況下1匹熱泵干燥機組的冷凝器提供的熱量Qc為4kW。1物料的干基濕含量Xm按式(8計算。即Xm=1mmWW?;(8按條件算出干燥前干基濕含量為3.545;干燥后干基濕含量為0.437。當tc=15℃時查文獻[2]得飽和濕空氣的含濕量:dc=10.78g/kg,在干燥箱進氣狀態下的空氣的濕球廣東海洋大學學報第28卷64溫度為24.7℃,并查得此時水的氣化潛熱2441.3kJ/kg;那么出蒸發器15℃的空氣進入冷凝器加熱到ta=45℃時,含濕量不變,da=dc=10.78g/kg,含有1kg干空氣的熱風在干燥器中由45℃降至30℃時,則吸收的水分量dΔ由公式(9計算可得為6.206g/kg。即1(pabCttdr???Δ=。(92干燥器出口處tb=30℃時,干燥器出口處濕空氣的濕含量增加了dΔ,所以進口含濕量加上濕含量的增量即為出口含濕度,經計算db為16.986g/kg。查濕空氣的焓濕圖得當tb=30℃時,濕空氣的飽和含濕量為27.30g/kg。故計算出干燥器出口處空氣的相對濕度為:62.23%。3.2.215h所干燥物品量的計算1每蒸發1kg的水分所需要的干空氣的質量由式(10計算后為161.13kg。即V=mdΔ。(102物料中蒸發1kg水分所需的加熱量Qm由公式(11計算得4854.97kJ/kg。即((mpaccpwacQVCttVdCtt=???+????(11式中,Cp為空氣定壓比熱容;Cpw為水蒸氣定壓比熱容。3實際干燥過程向環境散熱的熱損失Qx,由于實際干燥過程中往往有一定的熱量損失,假設熱損失為理論耗熱量的5%,經計算為242.75kJ/kg;4實際干燥1kg的水分需要的總的熱量Qd為按式(12計算為5097.72kJ。Qd=Qm+Qx(125此裝置能在單位時間內除去的水分量按式(13計算為7.847×10-4kg/s。即/dcdWQ=Φ。(136裝置在15h內干燥的物品量按式(14計算為29.06kg。即。(143.2.3干燥風管計算蒸發7.847×10-4kg/s的水分所需要的空氣循環量Va按(15式計算0.126kg/s。47.84710abaVdd?×=?。(15干燥箱進口的空氣的體積流量Vm按式(16計算,查得相應狀態下濕空氣的比容v=0.917m3/kg,計算結果為415.84m3/h。Vm=aVv?。(16由此即可確定系統所配離心風機的大小。若取干燥系統中風管風速為3m/s,則風管的截面積確定為0.039m2。取風道尺寸0.2m×0.2m,干燥箱外加保溫層的尺寸1m×2m×1m。箱里分四層料網,網盤里放物料。4冷凝溫度的變化對裝置干燥物量及其效率的影響同一裝置當設定的干燥介質溫度變化時,其冷凝溫度也會發生變化,同時也會引起相同時間內的物料干燥量和裝置的能效發生變化。表2是在蒸發溫度保持不變,冷凝溫度變化時,相同時間內的干燥物料量、COP值和除濕能耗比的計算結果(假設整個過程均處于恒速干燥階段。表2冷凝溫度變化情況下干燥的物量及效率比較Tab.2Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeofthecondensationtemperature冷凝溫度/℃干燥的物料量/kgCOP值除濕能耗比5531.585.2724.1785029.175.4423.8584524.255.5833.208401說明:工況為蒸發溫度5℃和傳熱溫差不變由表2的計算分析可知,同一臺裝置隨著冷凝溫度的升高,其裝置的制熱量減小,COP值下降,但其相同時間內的物料的干燥量增大,其除濕能耗比也增大了。但隨著冷凝溫度的升高,干燥物料量和除濕能耗比增大的幅度越來越小,當冷凝溫度從50℃升高到55℃時,其增大的幅度已減少了。這可能是由于冷凝溫度升高,使干燥介質的溫度升高,其相對濕度較小,吸濕能力增大。雖然冷凝溫度的153600100mmoddmWWGWW?=?××?升高直接導致了裝置COP值的降低,但本裝置采用R134a作為熱泵工質,冷凝溫度的升高導致冷凝器的散熱量減小的效果遠不及由于干燥介質溫度升高所引起干燥介質吸濕能力的增大,所以反而使裝置的除濕能耗比增大及同一裝置的干燥量增大,這一結論還有待實驗驗證。5蒸發溫度變化對裝置干燥物料量及其效率的影響本裝置在設計時配有2個蒸發器,目的是為了調節不同的蒸發器的傳熱溫差,從而調節蒸發溫度。表3是在蒸發器溫度變化,冷凝溫度不變時,其相同時間內的干燥物料量,COP值和除濕能耗比的計算結果。從表3的計算分析可知,同一臺裝置隨著蒸發溫度的升高,其裝置的制冷量增大,COP值增大,且裝置在相同時間內的物料的干燥量增大,其除濕能耗比也增大了。所以蒸發溫度的增大是有利的,但蒸發溫度的高低受著蒸發器出口飽和空氣溫度的限制。當蒸發溫度高于設定的蒸發器出口空氣的溫度時,循環空氣不能有效除濕,裝置的性能變化就不具備可比性了。表3冷凝溫度變化情況下干燥的物量及效率比較Tab.3Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeoftheevaporationtemperature蒸發溫度/℃干燥的物料量/kgCOP值除濕能耗比說明:工況為冷凝溫度50℃和傳熱溫差不變6討論進行了定工況條件下的1匹熱泵干燥裝置的設計計算及相應設備的選型和設計,為同類設備的改進設計提供了參考。對耗功一定的熱泵干燥裝置來說,