熱泵干燥熱力過程的能效研究

熱泵技術(shù)應(yīng)用于干燥過程不但可以減少能量消耗,而且可以提高干燥產(chǎn)品質(zhì)量。本文以阜平婆棗為干燥物,根據(jù)干燥物的生物特性,選用帶輔助冷凝器的閉式熱泵干燥系統(tǒng),并運(yùn)用熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)二定律及變質(zhì)量熱力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)分析。為揭示物料在外部條件作用下的內(nèi)部水分遷移機(jī)理,采用薄層干燥理論建立干燥過程的傳熱傳質(zhì)簡化數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬軟件模擬干燥物內(nèi)部的溫度場分布。同時(shí)在干燥單元實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行四種干燥方案的試驗(yàn),根據(jù)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了干燥物的最佳干燥溫度。

當(dāng)前, 能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻, 節(jié)能減排越來越受到重視。在木材、農(nóng)牧產(chǎn)品和漁產(chǎn)品的干燥領(lǐng)域, 節(jié)能和環(huán)保的干燥手段也成為大勢所趨, 熱泵干燥系統(tǒng)以其高效節(jié)能、環(huán)保無污染、干燥質(zhì)量高、運(yùn)行安全可靠、使用壽命長、維護(hù)費(fèi)用低、適用范圍廣等諸多優(yōu)勢, 越來越多地受到行業(yè)的追捧[1,2,3]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用封閉式熱泵干燥系統(tǒng), 主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、輔助電加熱器、節(jié)流裝置、溫度傳感器、干燥室、循環(huán)風(fēng)機(jī)和風(fēng)道等組成。干燥室內(nèi)放置可調(diào)節(jié)的加濕器, 通過調(diào)節(jié)相對(duì)濕度, 模擬干燥過程中干燥室內(nèi)濕度隨被干燥物料失水的變化過程[4]。

熱泵干燥裝置是利用冷凝除濕的方法來實(shí)現(xiàn)除濕。從熱泵冷凝器表面流過來的干熱空氣先將被干燥物料加熱, 產(chǎn)生熱濕空氣, 然后被風(fēng)機(jī)輸送到熱泵蒸發(fā)器表面, 熱濕空氣在蒸發(fā)器表面被吸熱冷卻到露點(diǎn)溫度以下, 析出水分, 形成冷卻干空氣, 然后進(jìn)一步被輸送到熱泵冷凝器加熱, 得到高溫的干空氣, 高溫干空氣再去給被干燥物料加熱[5,6]。如此循環(huán)往復(fù), 從而達(dá)到除濕的目的, 如圖1所示。

單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):

設(shè)定回風(fēng)恒定的干燥溫度, 通過加濕器調(diào)節(jié)干燥室內(nèi)的相對(duì)濕度, 來分析相同溫度時(shí)不同濕度條件下熱泵的能效, 當(dāng)所設(shè)定的溫度和濕度穩(wěn)定后, 保持運(yùn)行1h, 并記錄1h內(nèi)凝結(jié)水質(zhì)量和系統(tǒng)耗電量等數(shù)據(jù);

設(shè)定干燥室內(nèi)恒定的相對(duì)濕度, 通過熱泵調(diào)節(jié)干燥回風(fēng)的溫度, 來分析相同濕度時(shí)不同溫度條件下熱泵的能效, 當(dāng)所設(shè)定的溫度和濕度穩(wěn)定后, 保持運(yùn)行1h, 并記錄1h內(nèi)凝結(jié)水質(zhì)量和系統(tǒng)耗電量等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)工況按照表1來設(shè)置干燥室內(nèi)的相對(duì)濕度和干燥回風(fēng)的溫度, 共24組工況, 記錄每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

蒸發(fā)器凝結(jié)水全部為來自加濕器的水分, 即模擬的被干燥物料所除去的水。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)除去的水的質(zhì)量和熱泵系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù), 可以根據(jù)公式 (1) 計(jì)算出干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量:

其中, M為除去的水的質(zhì)量, 單位kg;W為熱泵干燥系統(tǒng)耗電量, 單位kW·h。

根據(jù)單位能耗除濕量, 可根據(jù)公式 (2) 計(jì)算出熱泵干燥系統(tǒng)的能效[7,8]:

其中, hr是水在100℃時(shí)的蒸發(fā)潛熱, 為2257.2kJ/kg, 即0.627 (kW·h) /kg。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算, 得到同一溫度時(shí)不同相對(duì)濕度下熱泵的能效, 如圖2所示;以及同一相對(duì)濕度時(shí), 不同溫度下熱泵的能效, 如圖3所示。

由圖2可以看到, 使用不同的干燥溫度時(shí), 就總體趨勢而言, 熱泵系統(tǒng)在干燥的起始階段能效是處于較高的水平, 隨著干燥室內(nèi)相對(duì)濕度的下降, 熱泵COP逐漸下降。綜合來看, 當(dāng)干燥室內(nèi)相對(duì)濕度在60%～70%范圍時(shí), 熱泵運(yùn)行狀態(tài)較節(jié)能。

在干燥溫度由30℃提高到40℃時(shí), 熱泵在整個(gè)干燥過程的COP都有顯著的上升。當(dāng)干燥溫度繼續(xù)提高, 從50℃提高到60℃, 此時(shí)熱泵能效變化不大。

由圖3可以看到, 當(dāng)干燥室內(nèi)相對(duì)濕度在80%這樣的高濕度狀況下, 干燥溫度越低, 熱泵COP越高, 節(jié)能效果越好。

隨著干燥室內(nèi)相對(duì)濕度從70%降到30%的變化過程中, 熱泵系統(tǒng)在較低的干燥溫度時(shí) (30℃) COP都最低, 而在中高溫 (40℃～50℃) 的干燥溫度時(shí), 熱泵的COP較高。且濕度越低時(shí), 能效的峰值越趨于高溫時(shí)出現(xiàn)。

因此, 在干燥的起始階段, 當(dāng)干燥室相對(duì)濕度高時(shí), 使用低的干燥溫度能夠讓熱泵處于較高的能效;隨著相對(duì)濕度的下降, 應(yīng)逐漸提高干燥溫度, 以實(shí)現(xiàn)熱泵高能效運(yùn)行。

3 結(jié)論

1) 熱泵系統(tǒng)在干燥的起始階段能效是處于較高的水平, 隨著干燥室相對(duì)濕度的下降, 熱泵COP逐漸下降。

2) 在干燥的起始階段, 當(dāng)干燥室相對(duì)濕度高時(shí), 使用低的干燥溫度能夠讓熱泵處于較高的能效;隨著相對(duì)濕度的下降, 應(yīng)逐漸提高干燥溫度, 以實(shí)現(xiàn)熱泵高能效運(yùn)行。

3) 綜合來看, 當(dāng)干燥室內(nèi)相對(duì)濕度在60%～70%范圍, 干燥溫度在40℃～50℃范圍時(shí), 熱泵處于高能效運(yùn)行。