空气源热泵烘干机组研究现状及发展趋势

2022-07-19蔡志敏李春来

科技创新与应用 2022年21期

蔡志敏，李凡，李春来

（1.河源职业技术学院，广东河源 517000；2.广东纽恩泰新能源科技有限公司，广东广州 511300）

《中国制造2025》提出绿色制造、制定了绿色企业标准体系。中国绿色发展的重点工作之一是推动资源的节约。当前，政府对散煤燃烧产生的环境污染愈加重视，对改善大气质量的要求越来越严，空气源热泵作为一种利用空气能将热量从低位热源空气流向高位热源的新节能装置，目前已被广泛应用于采暖、生活热水及工农业烘干等多个领域。

物料的干燥烘干过程在整个耗能过程中占了很大一部分比例，据不完全统计，烘干所消耗的能量占全国总能耗的10%左右，而热量的有效利用率不足总热量的一半。我国是全世界水果、蔬菜等农产品产量最高的国家之一，大多农产品非常重要的一个处理环节就是烘干处理。相比于一些发达国家，我国农产品干燥技术落后，2015 年之前，大部分烘干机械使用的热源以煤为主，经粗略估算，干燥过程一年消耗0.15～0.3 亿吨标煤，煤炭燃烧后排放含硫氮气体过高，干燥过程中的能耗高，烘干品质却不高；烘干室内的热湿环境不容易被控制，温湿度均匀性较差，而且不断补入的新空气中含有大量的氧气，从而使得烘干产品发生氧化及酶促反应，导致被烘干的物料的色泽、香气及营养物质等被破坏和流失，从而使烘干产品的品质不能得到保证。相比于传统的热风干燥，热泵烘干技术具有能源消耗少（1 kW 最高可以产生5 kW 以上的热量）、不污染环境、烘干品质高、适用范围广、安全可靠等优点，热泵烘干技术近年来发展非常迅速，尤其在农产品加工、药材、茶叶等烘干领域已经被广泛应用。

在全世界能源越来越紧张，石油、天然气等燃料价格不断创历史新高的形势下，物料烘干的热能利用率如何提高，在确保物料烘干质量的前提下，如何降低烘干成本，已成为物料烘干行业研究的重要课题和方向，因此热泵干燥技术的研究对减少能源消耗和环境保护具有重大意义。

1 空气源热泵烘干机组工作原理

空气源热泵是以周围的空气作为低温热源，通过制冷剂吸收空气中的热量，把热量搬运到被加热物体中的一种节能加热设备，常见的空气源热泵工作形式是将装置产生的热量用来加热空气或水，如空气源热泵供暖设备、空气源热泵热水器、空气源热泵烘干机以及空气源热泵中央空调等。空气能热泵作为一种高效的能量转换装置，在人们的日常生产生活中广泛被应用。空气源热泵系统主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀、风机以及循环的制冷剂、电控系统等组成，如图1 所示。

图1 空气源热泵原理图

空气源热泵烘干机组具有除湿效率高、节能、体积小、不污染环境、烘干品质高、运行可靠等优点，适合于果蔬、种子、食品、药材等低温干燥领域。现有的闭式烘干机组采用如下回路：来自于烘房的湿热空气首先经过回热器，回热器吸收湿热空气中的热量，降低湿热空气的温度，降温后的湿热空气进入蒸发器降温除湿，经过蒸发器降温除湿后的低温干空气再经过回热器升温，升温后的干空气进入到冷凝器进一步加热升温，空气的相对湿度进一步降低，形成相对湿度很低的干热空气，这些高温干热空气再进入烘房带走被烘干物品中的水分，形成湿热空气，再进入回热器循环。具体过程如图2 所示。

图2 常规空气源热泵烘干机组原理图

空气源热泵系统的工作原理是制冷剂在热泵系统各设备间不断进行气液转换，实现低温热源中的热量转移至被加热介质中的过程。首先在（1→2）过程中低温冷媒在蒸发器中通过液态转气态，吸收外界低温热能，然后进入压缩机，经过压缩机压缩后变成高温高压气态冷媒，在（2→3）过程中再经过冷凝器与低温介质进行热量交换，制冷剂由气态逐渐转变为液态，然后在（3→4）过程中经过膨胀阀变成低温低压液态冷媒，最后再由（4→1）的过程进入蒸发器开始下一个循环，从而实现热泵的连续制热，具体如图3 所示。

图3 热泵烘干过程工质状态变化

2 产业、产品及市场对烘干技术的需求

改革开放以来，我国经济快速发展的同时，政府也在不断加强节能减排的力度，改造高污染的热源，发展低碳经济，在这样的相关政策和背景下，近几年，我国空气源热泵行业得到了迅速的发展。根据BSRIA 的数据显示，空气源热泵在2013 年销量为100.4 万台，而2015 年已增长至到139.5 万台，在北方“煤改电”项目大力推行下，空气源热泵2016 年比2015 年销量增长了约45.8%，增加了大约64 万台，总体销量已达到203 万台。2017 年中国空气源热泵同比增长约43.7%，销量达到292 万台。2018 年同比增长约34.5%，总销量更是达到了393 万台，具体如图4 所示。这5 年数据表明，空气源热泵市场都以超过20%的增幅继续发展。

图4 空气源热泵历年销量统计表

目前我国食品、茶叶、药材、污泥等行业烘干率平均水平比较低，热泵烘干具有巨大的市场发展潜力，2010年，热泵烘干机全国销售量大约1 500 台，2017 年，销量已突破2.8 万台，7 年间烘干机销量增长了将近18 倍。2015 年，烘干机销售额约为2.3 亿元，2017 年，销售额已增至6.3 亿元，2017 年内销同比增加70.3%，烘干机占整个热泵产业的比例逐年增加。目前我国农产品烘干机存量基础非常低，随着我国经济的快速发展，预期热泵烘干国内市场刚性需求和驱动力非常强劲。随着经济的发展，人们的环保和节能意识日益加强，其优异的节能效果使热泵烘干技术显示出广阔的应用前景。

空气源热泵是替代燃煤、燃油等采暖、烘干设备的最佳途径之一，随着各行业对产品能耗、自动化、安全性等需求的提高，空气源热泵市场需求量还在不断的增加。空气源热泵既是传统行业，同时在新技术的引领下，也是朝阳行业，全球市场前景十分广阔。

3 相关技术国内外发展现状与趋势

3.1 国外研究现状

20 世纪70 年代，全球爆发能源危机，对能源的开发、有效利用尤为重要，在此背景下，在欧美等发达国家，空气源热泵技术也得到快速的发展，在土木建筑、供暖制冷和工业生产等领域热泵技术被广泛应用，热泵烘干技术也逐渐开始在各行业领域中得到应用与发展。日本、俄罗斯、西欧、美国等国外的一些发达国家，也较早地对热泵烘干技术进行了理论和实践研究，研究的方向总结归纳主要有以下几方面。

（1）对空气源热泵制冷剂工质及烘干介质本身特性的研究，热泵干燥系统中最为常见的制冷工质是R134a 等。

（2）对热泵烘干系统结构设计，控制系统及策略的研究。热泵烘干系统的结构设计以及各个设备之间的匹配程度，对整个烘干系统的性能影响很大。

（3）对热泵干燥系统性能及品质等方面的研究。

总之，欧美等发达国家对空气源热泵烘干技术的研究起步较早，主要对烘干过程中的制冷剂工质、干燥介质、热泵系统改进等方面进行了相关研究，在生产制造经验及关键工艺技术上有一定的优势。

3.2 国内研究现状

跟欧美等发达国家相比较，我国热泵干燥技术的发展相对比较晚，20 世纪80 年代初，我国才逐步开始进行热泵烘干技术相关的研究，近些年来，经过国内众多学者的不断努力，我国热泵烘干技术也已得到了较快的发展。研究方向主要有：（1）空气源热泵烘干除湿效率方面的研究；（2）空气源热泵系统控制方面的研究；（3）烘干介质特性的研究。

国内研究人员针对热泵烘干技术开展了相关的技术研究，在提高空气源热泵效率、开发辅助热源及提高物料干燥品质等方面取得了较大的成效，也逐步证明了热泵技术应用于烘干行业具有独特的优势，但在具体的热泵系统设计以及电气控制技术等方面的研究尚待提高，如何设计合理的干燥系统及控制系统来实现高效、节能、高质的干燥目的是今后研究的重点。

4 空气源热泵发展趋势研究

目前的闭式干燥机组采用的回热器体积大，除湿效果差，导致机组能耗高。热管式空气源热泵闭式烘干机组采用热管技术取代传统的回热器，提高除湿效率，简化结构，降低机组成本和机组运行费用。

4.1 解决换热器效率低、体积大的问题

传统热泵干燥系统加入换热器可以降低湿空气相对湿度和含湿量并提高干燥效率，目前常规机组采用气-气换热器用于热泵干燥系统，气-气换热器的体积较大，在闭式结构中会占据大量空间，循环结构设置不方便，也会影响闭式结构内湿空气流通性。

比如采用重力式热管作为热泵冷凝器和蒸发器之间的传热装置，重力式热管是一种十分高效的传热元件，在较小温差内就能正常工作，而且体积很小，在实际应用中可以根据需要选用单根或多根热管，应用灵活。相比气-气换热器热泵干燥机组，结合重力式热管研制的空气源闭式热泵烘干机组具有效率更高、体积更小的优势。回热器对比如图5 所示。