闭式热泵干燥系统的除湿特性试验

曾文良 陈柏霖 陈 萱 揭雪飞

(广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300)

干燥普遍存在于工农业生产和日常生活之中，是一项较高能耗的单元操作过程，在工业过程中约占过程能耗的4%～35%(化学工业约4%，造纸工业约35%)[1-2]，在西方发达国家中占全社会总能耗的9%～25%[2-3]，因此对干燥系统及其节能的研究具有十分重要的社会和经济价值。

早在20世纪40年代，德国工程师就提出热泵干燥技术并获得相应专利，但真正应用始于20世纪的第二次石油危机之后。相比于传统的热风干燥，热泵干燥具有节能、绿色环保和干燥温度低等特点，促使其应用范围广泛且形式多样。近些年随着节能与环保要求的提高，开式和半开半闭热泵干燥循环系统将逐步退出应用，而闭式热泵干燥系统即将成为主流，特别是在农林产品、食品加工、环境保护和生物制药等领域表现尤为突出。

热泵干燥系统的研究主要在两个方面，一是应用基础理论研究，主要通过热力学分析[4-5]和数值模拟[6-7]的方法，探索热泵干燥中的参数优化等[8-9]，为热泵应用设计提供适当的理论依据；二是具体的应用研究，主要通过试验，探索适用不同干燥物料的工艺参数[10-12]、操作条件[13-14]、优化控制与设计方案[15-16]等。前期研究尽管有大量有益的研究成果，为热泵干燥技术应用提供众多有益的参考。但由于闭式热泵系统中物料在干燥过程中的状态参数(温度、湿度、含湿量)变化较大，对于如何优化闭式干燥系统的整体参数，最大限度同时满足干燥工艺条件和干燥系统的单位能耗除湿量(SMER)，迫切需要寻找热泵干燥系统在不同的工作参数条件下的SMER的变化规律，从而实现闭式热泵干燥系统的优化设计及系统控制。研究拟通过试验方法来探索闭式热泵干燥过程中空气流量、相对湿度、热管回热器等对系统SMER的变化规律，以期达到对闭式热泵干燥性能优化设计、控制和应用提供有力的支撑。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

试验装置与流程如图1所示，设计了一个4 000 mm×2 500 mm×2 700 mm(长×宽×高)的干燥室，干燥室设置有独立的内置循环风道和相应的循环风机，系统设计参照曾文良等[17]的方法，试验过程中将热泵冷凝器作为分机单独安装在循环风道内，冷媒通过连管直接连通主机，并由循环风机供风，风机的主要参数见表1。

热泵主机(带独立控制的风机)设置在干燥区域的回风区域，采用谷轮热泵专用压缩机，其型号为ZR61KC-PFJ，排气量为14.37 m3/h，ARI工况下的制冷量和输入功率分别为14.60，4.43 kW；系统采用热力膨胀阀为主，并辅以手动截止阀进行蒸发温度的调节；热管为重力自返回热管，传热介质为R22，在热管中间设置独立的手动截止阀，以便控制热管使用，进行试验对比。

1. 回风口 2. 热管沸腾段(高温) 3. 蒸发器 4. 压缩机系统 5. 热管冷凝段(低温) 6. 主机风机 7. 主机分机连管 8. 冷凝器(分机) 9. 循环风机 10. 循环风道 11. 排热排湿风门 12. 干燥物料及支架 ①～⑤. 温湿度测量位置与编号

表1 风机的主要参数

1.2 试验方法

1.2.1 测量控制方法

(1) 温湿度的测量：干燥介质温度和湿度采用TH10R-EX温湿度测试仪在线测量，分别在主机回风口、热管沸腾段与蒸发器之间、蒸发器之后、热管冷凝段之后、冷凝器(分机)之后5个位置检测空气的温湿度，具体位置见图1中的①～⑤。

(2) 空气流量的测定与控制：① 主机流量。系统正常，不同风机电机频率下，在回风口均匀布置了6个测量位置，用热线风速仪测量其风速并取平均值，处理转化为频率—流量曲线，试验中通过控制风机的频率来控制空气的流量。② 冷凝器流量。冷凝器的流量测试方法与主机流量一致，试验中冷凝器空气质量流量(干基)维持在2.0～2.2 kg/s。

(3) 电功率的测量：直接用功率表测量读数而得，该数据不包含循环风扇的电机功率。

(4) 湿度的控制：在物料区域设置由废旧纸板代替湿物料，通过加饱和水蒸气来控制湿度的湿源。蒸汽来自于电热锅炉，压力控制在0.01 MPa(表)。

(5) 温度的控制：通过控制排热排湿风门的开度实施，在干燥室的两侧设置有多个均匀的小孔，以便外界空气进入系统，干燥箱内维持其压强控制在5～-5 Pa(表)。

(6) 蒸发温度的控制：手动截止阀调节蒸发温度和过热度。

1.2.2 数据处理方法 试验中空气的压力维持在101.3 kPa 不变，故空气的湿度和焓可以分别计算为：

(1)

Hi=(1.01+1.88hi)×ti+2 500×hi，

(2)

式中：

hi——该状态下空气的绝对湿度，kg/kg干空气；

Hi——该状态下空气的焓，kJ/kg干空气；

φi——空气的相对湿度，%；

ti——空气的温度，℃。

空气的质量流量(干基)，SMER的计算：

(3)

SMER=[3 600×(h1-h3)×qm]/P，

(4)

式中：

qm——该状态下空气的质量流量，kg/s；

qV——该状态下空气的体积流量，m3/s；

SMER——单位能耗除湿量，kg/(kW·h)；

ρh——湿空气的密度，kg/m3；

P——主机功率(不含循环风扇)，kW。

2 结果与讨论

2.1 空气流量的影响

恒定空气温度为50 ℃，且分别保持相对湿度为30%，50%，70%的条件下，改变不同的空气流量，热泵干燥系统在无热管和有热管条件下的SMER的变化关系曲线分别见图2、3。从图2可以看出，在没有热管回热作用的情况下，系统的SMER随流量的增加而减小，当φ=70%，流量为0.15 kg/s时，系统的SMER最高约为3.3，而当流量升高至0.8 kg/s时，SMER降低至2.5，φ=50%和φ=30%的SMER变化趋势与上述基本一致；至于进一步降低空气流量，系统的SMER值是否会出现最大值，由于当空气流量降低至0.15 kg/s以下时，对应换热器的迎面风速将降至0.3 m/s以下，此时传热效果将急剧恶化，因此试验未进一步探索更低流量下的SMER性能参数变化；比较图2中3条曲线，可以发现φ越小，SMER的变化曲线的斜率越大，也就是SMER减小的幅度越大；在φ=30%且流量接近0.70 kg/s时，系统的SMER值接近于0，说明如果继续加大空气流量，将无法除湿。

理论上，空气进入热泵系统，首先是温度降低，其放出的是显热，只有当温度降低至空气露点温度以下时，才开始有液态水析出，总体上说热泵的制冷量是一定的，如果空气显热过多，其潜热就不足，除湿量自然减小，因此采用除湿效率[8]能够更好解释上述试验结果。除湿效率(ε)的定义为：ε=除湿潜热量/总制冷量，通过简化可表达为：

(5)

图2 干空气流量对无热管热泵干燥系统单位

图3 干空气流量对有热管热泵干燥系统单位

由图3可以看出，在具有热管回收余冷的前提下，随着空气流量的增大，系统的SMER先增大，达到最大值以后将逐渐减小，因此其具有一个最佳的空气流量值，从而使得系统的SMER达到最大，而且φ越低，SMER的最大趋势越明显；随着流量的增大，SMER值经历了最大之后是一直下降的，且下降的趋势与无热管情况下基本一致，当φ=70%时，流量对SMER的影响较小，流量为0.15 kg/s 和0.80 kg/s，SMER分别为3.90和3.55，仅仅下降8.9%，而在φ=30%时，对应的SMER分别为2.50和0.82，SMER下降达79.2%，说明若要提高闭式热泵干燥系统的除湿效率，干燥操作时的相对湿度不能过低。

比较图3与图2可以看出，在相同的工况下，热管的应用将使得SMER大幅提高，在φ=70%，流量为0.15 kg/s，SMER比无热管提高了18.8%，而在φ=30%，流量为0.6 kg/s，SMER提高了约2倍以上，随着流量的增大，提高更加明显，说明采用热管回收系统余冷，对节能价值非常明显，特别是在较低的相对湿度条件下，这种节能效果更加突出。综合来说，采用热管换热器的前提下，维持热泵的空气流量在0.2～0.4 kg/s比较合适，但是应该综合考虑温度和相对湿度的共同影响，尤其是相对湿度的影响。

2.2 相对湿度的影响

根据前述的研究结果，恒定空气流量为0.35 kg/s，且分别恒定t=45 ℃和t=55 ℃条件下，闭式热泵干燥系统在有、无热管的条件下，φ的变化对SMER的影响曲线分别见图4、5。比较图4和图5看出，无论是有、无热管情况下，系统的SMER是随着相对湿度升高而增大的，且基本是呈线性上升；比较不同温度下φ对SMER的影响，无热管时，φ从25%升高至75%，t=45 ℃和t=55 ℃，SMER升高幅度基本一致且维持在260%～270%，而有热管时，SMER大约提高了220%～240%，说明φ的变化对无热管系统更加敏感。

图4 空气相对湿度对无热管热泵干燥系统

图5 空气相对湿度对有热管热泵干燥系统

3 结论

(1) 文章系统地对空气流量、相对湿度及有无热管对闭式热泵干燥系统的单位能耗除湿量的影响进行了试验，结果亦与部分文献数值模拟结果相吻合，并揭示出在恒定温度和相对湿度且有热管条件下，系统的单位能耗除湿量将随着流量变化有一个最大值，最佳空气流量大约在0.2～0.4 kg/s。

(2) 相同的工况下，热管的应用使系统单位能耗除湿量大幅提高，提高幅度在20%～200%，流量越大，单位能耗除湿量的提高幅度越大，相对湿度越小，单位能耗除湿量的提高幅度越大，温度对单位能耗除湿量的提高幅度相对较小。

(3) 恒定空气流量(干基)为0.35 kg/s，系统的单位能耗除湿量随着相对湿度的升高而增大，在试验范围内，单位能耗除湿量的提高幅度在220%～280%。尽管相对湿度的变化对系统单位能耗除湿量的影响大，但在实际干燥过程中，如何选择合适的相对湿度应根据物料脱湿的内在物理机制而定，如何使得干燥速度和系统能效达到最佳匹配将对闭式热泵干燥系统具体应用起到重要的作用，有待在后续论文中进一步分析。