车载热泵烘干系统性能分析

张益飞，冯荣

（陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723001）

0 引言

干燥除湿在食品、工业产品以及农副产品加工过程中是很重要的存在，是缺一不可的必要环节之一。随着工业化以及现代化的发展，使得不可再生能源（例如煤、天然气、石油等）的日益枯竭。为了保护生活环境，以及寻找更加高效的干燥方式，在原有的干燥除湿设备以外，设计一种既节能环保又具有高效率干燥的设备就显得至关重要，电力驱动的空气源热泵烘干机此时就很符合需求。

空气源热泵烘干机运行费用只有燃煤燃油的1/3、电热的1/4，并且大大减少了人力管理成本。空气源热泵技术由于可获得比输入电能多数倍的热能，同时对环境无污染，已在农特产品烘干技术领域有了一定的应用。但目前包括空气源热泵烘干技术在内的各种烘干技术还存在一些问题降低了其在农特产品烘干领域中发挥的作用。首先，现有的烘干房都建设在固定地点，由于大部分农特产品生产区域距离烘干区域有一定的距离，在将原材料运输至烘干区域的过程中，原材料本身还未干燥，保留着水分，导致原材料的体积较大，运输成本增高；在运输中，原材料与外界发生接触，易造成对原材料品质的损坏；其次，热泵烘干机组是由三相电驱动的，在种植农特产品原材料的地区并不一定通电。为此，本文提出车载热泵烘干系统的设想，烘干系统可随车辆到距离农特产品最近的地点烘干，减少运输成本，同时系统采用车辆发动机驱动，解决电力束缚问题[1]。

1 车载热泵烘干系统

1.1 热泵烘干机原理

空气源热泵烘干机组主要是由两大主体部分组成，分别为热泵主机和烘干室。主机主要由四大部件组成，分别为压缩机、冷凝器、节流装置以及蒸发器。

依据“逆卡诺“原理所设计的空气源热泵，其工作原理简单就是：低温低压的制冷剂在蒸发器中吸收热量成为制冷剂蒸气，制冷剂蒸气通过由铜管连接组成的管道系统进入压缩机，压缩成为高温高压的气体，然后输送至冷凝器，在冷凝器中将热量释放并冷凝液化，液化后的制冷剂经过节流装置再次成为低温低压的制冷剂蒸气进入蒸发器吸热，如此制冷剂一直循环，不断的吸收空气中的热量然后在安装在烘干室内的冷凝器中释放热量对物料进行加热烘干，空气源热泵装置本身不产生热量，它只是起到对热量的流通[2]。

空气源热泵的重要部件是压缩机，没有压缩机就无法运行热泵，通过它的运作才能实现工质在热泵中的循环，让工质实现蒸发吸热，冷凝放热的物理变化。热泵的性能高低采用性能系数COP来表示，COP是指在名义工况下，制热量与消耗功率之比。空气源热泵的COP为3～4左右，也就是每消耗一份电能就可产生3～4份电能，节能效果异常突出。

1.2 由发动机驱动的车载空气源热泵系统工作原理

如图1所示为本文设计的由车载发动机驱动的热泵烘干系统流程图，该系统的工作原理，发动机驱动压缩机工作，完成上文所述的热泵循环；环境中的空气经蒸发器后放出热量的同时其中的水蒸气被冷凝排出，形成低温低湿的空气，该空气进入回热器，与从烘干室中排出的高温高湿的空气换热，回收其中的热量，形成中温低湿的空气，该空气依次经冷凝器和尾气换热连续加热后形成高温低湿的空气，该空气进入烘干室中对待烘干物料进行烘干，吸收物料中的水分使物料干燥，然后变成高温高湿的空气从烘干室经回热器排向环境。该系统可随车辆到距离农特产品最近的地点烘干，减少运输成本，同时系统采用车辆发动机驱动，解决电力束缚问题；此外，发动机废热还可用来加热干燥介质，提高能源利用效率。

图1 车载热泵烘干系统设计流程图

2 车载热泵烘干系统的性能分析

2.1 烘干成本对比

目前，农产品领域的干燥方法主要有煤炭干燥、燃料干燥、气体干燥、电热干燥、空气源热泵干燥等，各种性能特点各不相同。以下将从能效、经济效益、设备特点等方面对几种主流干燥方式进行详细比较[3]，如表1所示，可以看出，在相同条件下，空气源热泵干燥方式的运行成本仅需电加热设备的25%，30%的油干燥器和60%的煤干燥器，比普通干燥设备更节能。

表1 多种烘干方式能效和经济效益对比

基于相同条件，将本文设计的车载热泵烘干系统与传统的燃油烘干机烘干相同货物时的耗能进行对比。以10吨/批次，稻谷含水率由28%烘干至安全储粮水分14%，稻谷降水速率取0.7%每小时，每批次稻谷干燥时间为20小时，如果采用燃油为烘干热源，烘干10吨稻谷需耗柴油175L，按照6元/L计，需花费1050元，稻谷干燥成本为0.105元/kg。若采用本文设计的由燃油驱动的热泵烘干系统，烘干相同稻谷仅需要消耗柴油59L，按照6元/L计，需花费350元，稻谷干燥成本为0.035元/kg。从两组实验数据可以看出，使用车载热泵系统可以节省生产成本，提升干燥效率。

2.2 运输成本对比

假定原材料的产地与加工厂的距离为100km，卡车的时速为80km/h，卡车运输费为1.08元/（t·km）。假设每批次运输10t稻谷（含水分28%），比较两组运输10t稻谷的运输成本。假定将原材料在产地装车后运输至加工厂烘干，则运输成本为1.08×100×2×10=2160元。如果在原产地将10t稻谷烘干后再运输，则其质量变为8.4吨，则运输成本为1.08×100×2×8.4=1814元，可以看出，使用车载烘干系统的运输车明显比使用传统运输车的运输成本要低。

3 车载热泵烘干系统在农特产品烘干领域的应用特点

（1）利用文中的烘干系统，可以做到从原产地开始，就进行对农特产品的烘干，节省了农特产品从生产区域到加工厂之间的多余运输成本，减少了农特产品烘干过程的时间。

（2）热泵干燥机适用广泛，不受气候的影响，大多用于耐温20～80摄氏度，但采用热泵干燥更加安全、节能的物料。研究和应用广泛的材料，例如皮革、海产品（如鲜蚝和扇贝）、农副产品、谷物、药材（如人参）、木材（如橡木）、食用菌、茶叶、纸张等[4]。

（3）车载热泵烘干系统既节能又环保，响应国家近些年来对环境的重视。燃油发动机32%的能力转化为的废热被回收利用加热冷空气。热泵系统中，只有工质在其中密闭循环，而且排放到环境的废气（不包含二氧化碳等气体）不会造成污染。

（4）通过热泵烘干机烘干的物料干燥质量好，因为物料在烘干机内处于低温封闭循环。通过控制热泵系统的工况条件，使烘干房的热干空气的温度保持在20～80摄氏度之间，满足于大多数物料对高质量干燥的要求；工质的封闭循环对提高物料的干燥质量尤为重要，可以阻挡外界与烘干机进行气体交换时可能出现的杂质污染。此外，在物料对空气中的氧气敏感（燃烧爆炸或易氧化）时，还可用惰性介质来代替空气作为干燥介质，用于实现无氧干燥。

（5）综合经济效益高。与其他低温干燥设备（例如冷冻干燥、微波干燥、真空干燥）相比较，热泵干燥设备具有显著的经济性，例如：初始投资小、运行成本低等。与以往的干燥装置（进入干燥室的空气温度＞40℃）相比，热泵烘干装置的启动资金一般会更高，但热泵干燥机干燥装置干燥效率高，平常的运行成本低，而且国家对节能环保的企业有一定的政策补贴，所以综合经济性仍有一定优势。

（6）车载热泵烘干系统不仅可以实现复合功能。热泵干燥系统还具有制冷功能，除了干燥物料，还可利用其制冷功能来实现各种物料的低温处理（如速冻、制冷）或保存。通过制冷和加热功能，实现对某些物料冷冻干燥再热风干燥，达到更高的品质[5]。

4 结语

在文中用车载热泵系统经过运输成本与烘干成本两项做对比，得出了以下两点结论：第一点，在烘干相同质量原材料的情况下，空气源热泵系统比燃煤、燃油、燃气烘干更能够节省烘干成本，提高干燥的效率；第二点，在运输质量相同原材料的情况下，使用具有车载热泵系统的运输车比传统的运输车更能够减少运输的成本。从而看出，车载热泵系统更符合现在的需求。