熱泵干燥熱力過(guò)程的能效研究

熱泵技術(shù)應用于干燥過(guò)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,并運用熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)二定律及變質(zhì)量熱力學(xué)進(jìn)行系統分析。為揭示物料在外部條件作用下的內部水分遷移機理,采用薄層干燥理論建立干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)簡(jiǎn)化數學(xué)模型,運用ANSYS數值模擬軟件模擬干燥物內部的溫度場(chǎng)分布。同時(shí)在干燥單元實(shí)驗臺上進(jìn)行四種干燥方案的試驗,根據模擬和實(shí)驗結果,確定了干燥物的最佳干燥溫度。

當前, 能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴峻, 節能減排越來(lái)越受到重視。在木材、農牧產(chǎn)品和漁產(chǎn)品的干燥領(lǐng)域, 節能和環(huán)保的干燥手段也成為大勢所趨, 熱泵干燥系統以其高效節能、環(huán)保無(wú)污染、干燥質(zhì)量高、運行安全可靠、使用壽命長(cháng)、維護費用低、適用范圍廣等諸多優(yōu)勢, 越來(lái)越多地受到行業(yè)的追捧[1,2,3]。

1 實(shí)驗方法

本實(shí)驗采用封閉式熱泵干燥系統, 主要由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、輔助電加熱器、節流裝置、溫度傳感器、干燥室、循環(huán)風(fēng)機和風(fēng)道等組成。干燥室內放置可調節的加濕器, 通過(guò)調節相對濕度, 模擬干燥過(guò)程中干燥室內濕度隨被干燥物料失水的變化過(guò)程[4]。

熱泵干燥裝置是利用冷凝除濕的方法來(lái)實(shí)現除濕。從熱泵冷凝器表面流過(guò)來(lái)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, 從而達到除濕的目的, 如圖1所示。

單因素實(shí)驗設計:

設定回風(fēng)恒定的干燥溫度, 通過(guò)加濕器調節干燥室內的相對濕度, 來(lái)分析相同溫度時(shí)不同濕度條件下熱泵的能效, 當所設定的溫度和濕度穩定后, 保持運行1h, 并記錄1h內凝結水質(zhì)量和系統耗電量等數據;

設定干燥室內恒定的相對濕度, 通過(guò)熱泵調節干燥回風(fēng)的溫度, 來(lái)分析相同濕度時(shí)不同溫度條件下熱泵的能效, 當所設定的溫度和濕度穩定后, 保持運行1h, 并記錄1h內凝結水質(zhì)量和系統耗電量等數據。

試驗工況按照表1來(lái)設置干燥室內的相對濕度和干燥回風(fēng)的溫度, 共24組工況, 記錄每組實(shí)驗數據。

2 實(shí)驗結果分析

蒸發(fā)器凝結水全部為來(lái)自加濕器的水分, 即模擬的被干燥物料所除去的水。根據單位時(shí)間內除去的水的質(zhì)量和熱泵系統耗電量數據, 可以根據公式 (1) 計算出干燥系統的單位能耗除濕量:

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

根據單位能耗除濕量, 可根據公式 (2) 計算出熱泵干燥系統的能效[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。

根據實(shí)驗數據計算, 得到同一溫度時(shí)不同相對濕度下熱泵的能效, 如圖2所示;以及同一相對濕度時(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, 熱泵系統在干燥的起始階段能效是處于較高的水平, 隨著(zhù)干燥室內相對濕度的下降, 熱泵COP逐漸下降。綜合來(lái)看, 當干燥室內相對濕度在60%～70%范圍時(shí), 熱泵運行狀態(tài)較節能。

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

由圖3可以看到, 當干燥室內相對濕度在80%這樣的高濕度狀況下, 干燥溫度越低, 熱泵COP越高, 節能效果越好。

隨著(zhù)干燥室內相對濕度從70%降到30%的變化過(guò)程中, 熱泵系統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。

因此, 在干燥的起始階段, 當干燥室相對濕度高時(shí), 使用低的干燥溫度能夠讓熱泵處于較高的能效;隨著(zhù)相對濕度的下降, 應逐漸提高干燥溫度, 以實(shí)現熱泵高能效運行。

3 結論

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

2) 在干燥的起始階段, 當干燥室相對濕度高時(shí), 使用低的干燥溫度能夠讓熱泵處于較高的能效;隨著(zhù)相對濕度的下降, 應逐漸提高干燥溫度, 以實(shí)現熱泵高能效運行。

3) 綜合來(lái)看, 當干燥室內相對濕度在60%～70%范圍, 干燥溫度在40℃～50℃范圍時(shí), 熱泵處于高能效運行。