低温热泵干燥装置的技术方案分析

陈东郝建华谢继红项永曹雯莉王春虎

（1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)

低温热泵干燥装置的技术方案分析

陈东*1郝建华1，2谢继红1项永1曹雯莉1王春虎1

（1.天津科技大学机械工程学院2.内蒙古达拉特发电厂)

低温热泵干燥装置在化学品、食品、药品、农副产品的干燥中具有广泛需要。给出了基本型、真空型和吸附剂型三类低温热泵干燥装置，对其结构、工作原理和特性进行了简要分析。分析表明，在初投资方面，基本型最低，真空型最高；在能源效率方面，真空型最高，基本型最低；吸附剂型在初投资和能源效率方面均居中。上述工作可为低温热泵干燥装置的设计提供较好的参考。

热泵干燥低温技术方案干燥装置

0 引言

热泵干燥装置具有节能、易实现低温干燥、易进行无氧干燥等优点，适于食品、药品、农副产品、化学品、能源产品等物料的干燥[1-2]。

物料采用低温热泵干燥可取得很好的产品质量[3-4]。但当物料采用低于30℃的低温干燥时，热泵蒸发器中热泵制冷剂的蒸发温度可能会低于0℃，需考虑装置连续运行时的除霜问题[5]；此外，由于低温下物料内水蒸气压力低，干燥介质的饱和含湿量较小，物料的干燥速度和干燥介质除湿能力均相对较低，需采取适当技术措施进行强化。

本文给出了低温热泵干燥装置的三种技术方案，对其结构、工作过程及性能进行了介绍和分析。

1 基本型低温热泵干燥装置的结构及其特性

基本型低温热泵干燥装置的结构如图1所示。

图中压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器1、蒸发器2构成热泵，高温制冷剂在冷凝器中加热干燥介质，在蒸发器中对干燥介质进行降温除湿。装置开始工作时，阀1打开，阀2关闭，制冷剂进入蒸发器1中对干燥介质进行冷却；当蒸发器1表面霜结到一定厚度需除霜时，阀2打开，阀1关闭，制冷剂进入蒸发器2冷却干燥介质，同时对蒸发器1进行除霜；当蒸发器2表面霜也结到一定厚度时，再打开阀1，关闭阀2，蒸发器1工作而蒸发器2除霜。如此交替运行，实现装置的连续运行和干燥器中物料的连续干燥。

当蒸发器1工作时，风道阀1打开，风道阀2关闭，干燥介质在除湿器1（即热泵蒸发器1）中被降温除湿，再进入加热器（即热泵冷凝器）中升温到适宜温度（0～30℃），进入干燥器干燥物料；当蒸发器2工作时，风道阀2打开，风道阀1关闭，干燥器在装置中沿干燥器-除湿器2-加热器-干燥器流程进行循环。

普通干燥器中干燥介质与物料传热传质过程为等焓过程（物料中水分气化所需的热量全部由干燥介质提供）时，低温干燥时干燥介质流经干燥器携带水蒸气的能力较低，导致装置的能源效率也较低。为此，可采用有内加热器的干燥器，如图2所示。

干燥器内设内加热器后，物料中水分气化所需的热量主要由内加热器提供，进入干燥器的干燥介质主要起吸纳物料中气化出的水蒸气的作用，这样可使干燥介质从物料中携带水蒸气的能力大幅度提高。

以进干燥器干燥介质（如空气）温度25℃，出干燥器干燥介质温度15℃，出蒸发器干燥介质温度-8℃时为例，1 kg干燥介质流经普通干燥器只能从物料中带出约4 g水蒸气；采用内加热式干燥器后，干燥介质出干燥器温度可与进干燥器温度相近，1 kg干燥介质流经内加热式干燥器可从物料中带出约10 g水蒸气，比普通干燥器提高一倍以上。

此外，当物料低温干燥时，物料内水蒸气压力低，传质推动力小，干燥速度较慢。为此，可采用氢或含氢不可燃混合气体作为干燥介质，可明显提高物料的干燥速度[6-7]。

图1 基本型低温热泵干燥装置的结构

图2 干燥器中带内加热器的低温热泵干燥装置

2 真空型低温热泵干燥装置的结构及其特性

真空型低温热泵干燥装置的结构如图3所示。

图3 真空型低温热泵干燥装置的结构

装置中物料加热器即为热泵冷凝器，热泵制冷剂加热物料使其中水分气化，水蒸气从物料中逸出后被除湿器（即热泵蒸发器）冷却凝结或冷冻结霜。当水蒸气在除湿器表面结霜时，需两个除湿器交替工作，即阀1、真空阀1打开，蒸发器1、真空泵1工作（阀2、真空阀2关闭，蒸发器2、真空泵2不工作），将干燥器中的水蒸气除去；当蒸发器1表面结霜到一定厚度需除霜时，阀2、真空阀2打开，蒸发器2、真空泵2工作（阀1、真空阀1关闭，蒸发器1融霜、真空泵1不工作）；当蒸发器2表面也结霜到一定厚度时，再切换为蒸发器1工作。通过蒸发器1和蒸发器2的交替工作，可使压缩机、冷凝器连续工作，物料连续干燥。

由于真空型低温热泵干燥装置中无干燥介质，省去了加热或冷却干燥介质所需的能量，尽管真空泵也需少量耗能，其总体能源效率高于基本型低温热泵干燥装置，但其干燥器需为真空容器，初投资要高于基本型低温热泵干燥装置。

3 吸附剂型低温热泵干燥装置的结构及其特性

吸附剂型低温热泵干燥装置的结构如图4所示。

图4 吸附剂型低温热泵干燥装置的结构

图中吸附器1和吸附器2中放置硅胶、分子筛等吸附剂，吸附剂颗粒之间布置制冷剂管路。装置运行开始时，风道阀1和风道阀3关闭，四通阀1、3端连通，2、4端连通；干燥介质（如空气等）进入干燥器，吸收物料中气化出的水蒸气，水分气化所需热量由热泵冷凝器提供；出干燥器的湿空气进入吸附器2，其所携带的水蒸气被吸附剂吸收，又变为干燥空气进入干燥器开始下一个循环。热泵制冷剂从压缩机排出后，先进入干燥器内冷凝器放热加热物料，再通过四通阀流过吸附器1，并经节流阀降温后进入咐附器2吸收吸附热，最后通过四通阀返回压缩机。

待吸附器2达饱和时，风道阀2和风道阀4关闭，四通阀1、2端连通，3、4端连通，出干燥器的湿空气进入吸附器1被除去其中的水蒸气；热泵制冷剂从干燥器中的冷凝器出来后，经四通阀进入吸附器2，加热其中的吸附剂使其将所吸附的水分解吸排出，并经节流阀降温后进入吸附器1吸收其吸附热，最后通过四通阀返回压缩机。

通过吸附器1和吸附器2交替吸附干燥介质中的水蒸气和被解吸再生，实现干燥器中物料的连续干燥。

吸附剂型低温热泵干燥装置中由于干燥介质只起携带水蒸气的作用，对其进行的无效加热和冷却很少，故装置的能源效率可高于基本型；但由于吸附剂被加热和冷却时需消耗一定的冷量和热量，装置的能源效率低于真空型。

4 结论与建议

基本型、真空型和吸附剂型热泵干燥装置均可实现热敏物料的低温干燥（干燥温度可低至0℃）。就初投资而言，真空型最大，基本型最小，吸附剂型居中；就能源效率而言，真空型最高，基本型最低，吸附剂型也居中。具体选用时可根据物料特性和装置规模基于技术经济分析进行优选。

进一步宜就三种低温热泵干燥装置的操作参数、部件及结构优化等进行更深入的研究。

[1] 陈东，谢继红.热泵干燥装置[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] Chua K J,Chou S K，Ho J C，et al.Heat pump drying:Recent developments and future trends[J].Drying Technology,2002,20(8):1579-1610.

[3] Sosle V,Raghavan G S V,Kittler R.Low-temperature drying using a versatile heat pump dehumidifier[J].Drying Technology,2003,21(3):539-554.

[4] 田晓亮，孙晖，王兆俊.热泵系统干燥软胶丸的工艺[J].中国医药工业杂志，1998（9）：418-419.

[5] 龚建英，袁秀玲.空气源热泵蒸发器结霜过程数值模拟[J].低温与超导，2010，38（5）：53-57.

[6] 谢继红，周红，陈东，等.热泵干燥装置中干燥介质的物性及其应用分析[J].化工装备技术，2007，28（3）：1-5.

[7] 陈东，谢继红.氢气作为热泵干燥装置干燥介质的分析[J].化工装备技术，2008，29（5）：5-8.

Analysis of Technical Schemes for Low-temperature Heat Pump Dryers

Chen DongHao Jianhua Xie Jihong Xiang Yong Cao Wenli Wang Chunhu

Low-temperature heat pump dryers are widely needed in drying of chemical products,foods,medicines and agricultural products.Three kinds of low-temperature heat pump dryers known as basic type,vacuum type and adsorbent type are introduced,and their structures,working principles and characteristics are briefly analyzed.It shows that the basic type low-temperature heat pump dryers has the least initial cost while the vacuum type has the most,and the vacuum type low-temperature heat pump dryers has the highest energy efficiency while the basic type has the lowest,the adsorbent type low-temperature heat pump dryers are moderate both in initial cost and energy efficiency.The above results could provide good reference for the design of low-temperature heat pump dryers.

Heat pump;Drying;Low-temperature;Technical schemes;Dryer

TQ 051.8

*陈东，男，1968年生，博士，教授。天津市，300222。

2012-03-15）