小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置的理论探讨

吕金虎++张平湖++邓玉艳++李金成++陈嘉澍

摘 要 针对在农副产品干燥加工中传统的封闭式热泵干燥装置存在的不足，介绍了一种蓄冷蓄热型热泵干燥装置，提出了蓄热时间数与蓄冷时间数的概念，以及采用控制蓄热剂温度来控制制冷压缩机的开机与停机的控制方式；并以小型装置为例，计算出采用石蜡作为蓄冷剂与蓄热剂时所需的最小用量，给出了高温中间换热器与低温中间换热器的设计。

关键词 蓄冷蓄热型 ；热泵干燥装置 ；蓄热时间数 ；蓄冷时间数

中图分类号 S226.6

Abstract The paper introduces the cool storage and heat storage type heat pump dryer in order to overcome the faults of the traditional closed type heat pump in farm and sideline products drying. It presents the concept of the number of heat storage time and the number of cool storage time， and the way of controlling starting up and stopping of the refrigeration compressor by controlling the temperature of regenerative agent. The paper takes a small device as an example，gives the minimum amount of paraffin as the cool storage agent and regenerative agent，and provides the design of the intermediate heat exchangers of high temperature and low temperature.

Key words cool storage and heat storage type ；heat pump dryer ；number of heat storage time ；number of cool storage time

熱泵干燥技术具有高效节能、温度可调、内环境卫生、外环境环保和干燥产品品质高等优点，因而在农副产品的干燥加工中得到广泛的应用[1]，但是，传统的封闭式热泵干燥装置存在缺陷。在传统的封闭式热泵干燥系统中，循环空气既作为干燥介质，又作为制冷系统冷凝器的冷却介质。循环空气通过蒸发器降温除湿，通过冷凝器加热升温，因而当环境温度较高时，尤其是在夏季，循环空气的温度上升导致冷凝器的冷凝压力升高、制冷压缩机的排气温度上升，使得制冷压缩机出现高压保护或过热保护频繁动作，热泵干燥装置无法正常工作，干燥过程无法正常进行，从而限制了热泵干燥装置在农副产品干燥加工中的应用。为了解决此问题，有的热泵干燥装置采用了辅助冷凝器等结构形式[2-3]。本文提出了蓄冷蓄热型热泵干燥装置在此探讨。

1 理论分析

1.1 蓄冷蓄热型热泵干燥装置的结构

蓄冷蓄热型热泵干燥装置结构如图1所示。蓄冷蓄热型热泵干燥装置由4个系统组成：制冷系统、低温载冷系统、高温载热系统和空气循环系统。

1.1.1 制冷系统

制冷系统是由压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、节流元件和连接管道组成。其中，蒸发器设置在低温中间换热器中，冷凝器设置在高温中间换热器中。制冷系统工作时，从蒸发器出来的制冷剂蒸汽在制冷压缩机的作用下变为高压高温的蒸汽，然后进入冷凝器进行冷凝并成为液体，冷凝器将热量传递给高温中间换热器中的蓄热剂；液体制冷剂经节流元件降压后进入蒸发器，在蒸发器中，制冷剂从液体蒸发为蒸汽，蒸发器将冷量传递给低温中间换热器中的蓄冷剂，制冷剂蒸汽再次进入制冷压缩机进行压缩，制冷循环如此进行。

1.1.2 低温载冷系统

低温载冷系统包括低温中间换热器、载冷剂循环泵、空气冷却器和连接管道。低温中间换热器由蓄冷剂、蒸发器和载冷剂冷却器构成。制冷剂在蒸发器中通过蒸发而将冷量传递给蓄冷剂，蓄冷剂又通过载冷剂冷却器将冷量传递给载冷剂，使得载冷剂温度下降；然后，循环泵把载冷剂输送到空气冷却器，对从干燥箱出来的高温高湿循环空气进行降温除湿，载冷剂温度升高后通过管道进入载冷剂冷却器再次降温，载冷剂循环如此进行。

1.1.3 高温载热系统

高温载热系统包括高温中间换热器、载热剂循环泵、空气加热器和连接管道。高温中间换热器是由冷凝器、蓄热剂和载热剂加热器组成。高温制冷剂通过冷凝器将热量传递给蓄热剂，蓄热剂又通过载热剂加热器将热量传递给载热剂，使得载热剂温度升高；载热剂再由循环泵输送至空气加热器中，对风道中经过空气冷却器降温除湿后的循环空气加热；载热剂温度降低后通过管道进入载热剂加热器再次进行加热升温，载热剂循环如此进行。

1.1.4 空气循环系统

空气循环系统包括干燥箱、风道、风机、空气冷却器和空气加热器。循环空气从干燥箱中吸收被干燥物料的水分，在风机的驱动下进入风道，先流过空气冷却器进行降温除湿，冷凝水由排水管排出干燥装置外；然后，冷凝水经空气加热器加热升温成为低湿高温的空气，再次进入干燥室对物料进行干燥，循环空气如此循环往复。

热泵干燥装置因环境温度过高引发制冷压缩机停机，使得干燥过程无法进行，为了解决这一问题，蓄冷蓄热型热泵干燥装置通过低温中间换热器中蓄冷剂所蓄的冷量与高温中间换热器中蓄热剂所蓄的热量来满足在制冷压缩机停机时空气冷却器和空气加热器分别对冷量与热量的需求，实现对循环空气进行正常的除湿与加热，使得干燥过程得以持续进行。

为了便于分析，本文在此只針对小型蓄热蓄冷型热泵干燥装置进行分析。小型热泵干燥装置一般是指节流元件采用毛细管的系统，在这种装置中制冷压缩机采用过热保护器。

1.2 制冷系统理论计算

对于制冷系统而言，在冷凝温度与蒸发温度给定的条件下，制冷系统的理论循环如图2所示。

制冷系统可提供的热量为：Qk=m（h2-h3）

式中：Qk—制冷系统提供的热量，kW；m—制冷剂质量流量，kg/s；h2—制冷剂进冷凝器的焓值，kJ/kg；h3—制冷剂进节流机构的焓值，kJ/kg。

制冷系统可提供的冷量为：Q0=m（h1-h3）

式中：Q0—制冷系统提供的冷量，kW；h1—制冷剂出蒸发器的焓值，kJ/kg。

以小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置为例，热泵装置采用1P制冷压缩机，制冷剂为R134a。假定热泵的运行工况为：冷凝温度54 ℃，蒸发温度为1 ℃，过冷温度为50.6 ℃，过热温度为5.5 ℃。则可以通过制冷剂的压-焓图查出各状态点的焓值，从而计算出：

Q0为3.01 kW；

Qk为3.745 kW。

2 蓄热剂用量与蓄冷剂用量的确定

2.1 蓄热剂用量的确定

蓄热时间数是确定蓄热剂用量的主要参数。对于小型蓄热蓄冷热泵干燥装置而言，当制冷压缩机因过热停机时，下一次启动的时间必须满足制冷系统的冷凝压力与蒸发压力通过毛细管达到平衡，一般时间为3-5 min，因而蓄热时间数有一个理论最小值。最小蓄热时间数可以根据停机启动所需时间确定。

2.2 蓄冷剂用量的确定

蓄冷时间数是确定蓄冷剂用量的主要参数。对于小型蓄热蓄冷热泵干燥装置而言，在满足制冷压缩机因过热而停机启动所需时间的条件下，同样，蓄冷时间数有一个理论最小值。最小蓄冷时间数由制冷压缩机停机启动所需时间确定。

在运行工况确定的情况下，热泵干燥装置所提供的冷量与热量是不变的，同时，蓄热剂与蓄冷剂所储存的热量与冷量均需保证制冷压缩机停机所需时间内热泵干燥过程的正常进行，而二者的这一时间是相同的，因此，对于蓄热蓄冷热泵干燥装置而言，蓄热时间数等于蓄冷时间数。

2.3 相变材料石蜡

作为相变蓄热材料，石蜡具有无腐蚀、安全可靠和价格低廉等优点，在500 ℃以下表现出化学惰性与稳定性，相变时体积变化很小，熔化时蒸汽压很低，因而作为蓄热蓄冷用石蜡具有良好的特性，并得到广泛的应用。纯石蜡的缺点是导热系数低，为提高石蜡的热导率，可以加入导热率高、相容性好的物质（如金属粉末、石墨、碳纤维、纳米粒子等）与石蜡组成复合相变材料，可更有效提高热导率，且不影响石蜡的相变潜热[4]。

假定小型蓄热蓄冷热泵干燥装置制冷压缩机因过热停机时，下一次启动的时间必须满足停机5 min的要求；为保障干燥装置在制冷压缩机停机时能正常工作，分别采用石蜡（十四烷）、相变温度5.5 ℃、相变潜热228 kJ/kg作为蓄冷剂；石蜡（二十四烷）、相变温度50.6 ℃、相变潜热248 kJ/kg作为蓄热剂时，可以计算出所需的蓄热剂与蓄冷剂的最小用量。

在5 min停机的情况下，蓄热剂与蓄冷剂必须满足5 min干燥过程所要提供的热量与冷量，此时，最小蓄热时间数与最小蓄冷时间数都为300 s。因此，对于采用1P制冷压缩机的小型蓄热蓄冷型热泵干燥装置，根据上述的运行工况可以计算出蓄热剂在相变温度50.6 ℃时所需储存的最小热量和蓄冷剂在相变温度5.5 ℃时所需储存的最小冷量。

蓄热剂所需储存的最小热量为：1 123.5 kJ。

蓄冷剂所需储存的最小冷量为：903 kJ。

根据上述值可以计算出：

蓄热剂石蜡（二十四烷）最小用量为：4.52 kg。

蓄冷剂石蜡（十四烷）最小用量为：3.95 kg。

3 装置的控制

传统的封闭式热泵干燥装置在夏季高温环境中，由于冷凝压力过高与排气温度过高，制冷压缩机因压力保护或过热保护而被迫停机，因此，控制冷凝压力或排气温度是保障热泵干燥装置平稳运行的有效方法。

蓄冷蓄热型热泵干燥装置可以通过控制蓄热剂的温度来控制制冷压缩机的运行与停机。通过设置蓄热剂的最高温度与最低温度来控制制冷压缩机的开停，而停机时间的长短由蓄热剂的蓄热能力确定。

采用相变蓄热剂时，在保证一定的传热温差的条件下，选择的蓄热剂的相变温度必须保证制冷系统的冷凝压力处于制冷压缩机的正常压力工作范围之内，同时，对于小型装置而言，制冷压缩机的排气温度不能使过热保护器动作动作。此时，可以以相变温度为基准，设置当蓄热剂温度高于相变温度0.5-1 ℃时，制冷压缩机停机；设置当蓄热剂温度低于相变温度0.5-1 ℃时，制冷压缩机开机，这样可保障热泵干燥装置的安全平稳运行与干燥过程的正常进行。

4 主要部件的设计

4.1 高温中间换热器

高温中间换热器是由冷凝器、蓄热剂、载热剂加热器和保温箱体构成。

4.1.1 冷凝器

对于小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置，采用相变蓄热剂时，冷凝器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积计算式为：

式中：Fn—冷凝器传热面积，m2；kn—冷凝器的传热系数，W/（m2·℃）；tk—冷凝温度，℃；tn—蓄热剂的相变温度，℃。

4.1.2 载热剂加热器

载热剂加热器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积的计算式为：

式中：Fr—载热剂加热器的传热面积；m2；kr—载热剂加热器的传热系数，W/（m2·℃）；△tmr—载热剂加热器的平均对数传热温差，℃。

对于农副产品的干燥，载热剂可以采用水。

4.2 低温中间换热器

低温中间换热器是由蒸发器、蓄冷剂、载冷剂冷却器和保温箱体构成。

4.2.1 蒸发器

对于小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置，采用相变蓄冷剂时，蒸发器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积计算式为：

式中：Fz—蒸发器的传热面积，m2；kz—蒸发器的传热系数，W/（m2·℃）；tz—蓄冷剂的相变温度，℃；to—蒸发温度，℃。

4.2.2 载冷剂冷却器

载冷剂冷却器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积的计算式为：

式中：Fl—载冷剂冷却器的传热面积；m2；kl—载冷剂冷却器的传热系数，W/（m2·℃）；△tml—载冷剂冷却器的平均对数传热温差，℃。

对于农副产品的干燥，载冷剂可以采用水。

5 结论

蓄冷蓄热型热泵干燥装置是以通过蓄冷和蓄热的方式，有效地解决制冷压缩机因环境温度过高而停机时干燥过程无法进行的问题。为了确定蓄冷剂与蓄热剂的用量，本文提出了蓄热时间数与蓄冷时间数的概念，同时，提出采用控制蓄热剂温度的方式来控制制冷压缩机的开机与停机。并以小型装置为例，在制冷压缩机因过热停机启动所需时间确定的情况下，计算出了最小蓄热时间数与最小蓄冷时间数，以及采用石蜡作为蓄冷剂和蓄热剂的最小用量，给出了高温中间换热器与低温中间换热器的设计公式，为小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置的设计与分析提供了良好的依据。

参考文献

[1] 吕金虎，赵春芳，李金成. 热泵干燥技术在农副产品加工中的应用与分析[J]. 农机化研究，2010（1）：212-217.

[2] 李阳春，王剑锋. 热泵干燥系统几种循环的对比分析与研究[J]. 农业机械学报，2003，34（6）：20-24.

[3] 许树学，陈 东，乔 木. 热泵干燥装置的结构及其应用特性分析[J]. 化工装备技术，2005，26（5）：1-5.

[4] 王小鹏，张 毅，李东旭. 石蜡在相变储能中的研究与应用进展[J]. 材料导报，2010，24（专辑16）：307-311.