多功能變工況熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)分析 CAJ-

收稿日期:2008-07-09基金項(xiàng)目:廣東省科技廳項(xiàng)目資助(編號(hào):2004B20401011第一作者:李敏(1967-女,碩士,副教授,主要從事水產(chǎn)品加工及貯藏工程的工藝和設(shè)備的研究。多功能變工況熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)分析李敏1,關(guān)志強(qiáng)2,張杰文1,劉蘭1(1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院,湛江524025;2.茂名學(xué)院,茂名525000摘要:設(shè)計(jì)了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)開式、閉式和半開式干燥介質(zhì)循環(huán),可在干燥過(guò)程中轉(zhuǎn)換工藝、調(diào)節(jié)工況的熱泵干燥裝置,以熱泵工質(zhì)R134a為例進(jìn)行了1匹熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算,就同一裝置在變工況下的性能進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明,蒸發(fā)溫度的提高可有效提高裝置的性能及除濕能耗比,冷凝溫度的降低可使裝置的COP值升高,除濕能耗比下降。關(guān)鍵詞:多功能;變工況;熱泵干燥裝置;COP值;除濕能耗比中圖分類號(hào):TB6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1673-9159(200806-0061-05TheDesignandAnalysisofMulti-functionVariableConditionsofHeatPumpDryerLIMin1,GUANZhi-qiang2,ZHANGJie-wen1,LIULan1College,Maoming525000,ChinaAbstract:Aheatpumpdryerwhichcanbecarriedoutasopen,closedandsemi-drymediumcycleatthesametimewasdesigned.Thedevicecandryatthehigh-temperature,lowandmoderatetemperaturefortheconfigurationofequipment,andchangethedryingprocess,andrealizethedryingprocessofwarming-cooling-warmingup.AstheR134ahasbeenusedasaheatpumprefrigerant,thedesignoftheheatpumpdryerwascalculated.Atlast,theperformanceofthesameequipmentatthedifferentconditionsisanalyzed.ResultsshowedthattheincreaseofevaporationtemperaturecaneffectivelyimprovetheperformanceofdeviceandSMER,butthedecreaseofcondensationtemperatureleadstotheraiseofCOP,andthelowerofSMER.Keywords:multi-function;variableconditions;heatpumpdryer;COP;SMER熱泵是一種高效、節(jié)能的熱回收裝置。它是以消耗少量高質(zhì)能(機(jī)械能、電能等或高溫?zé)崮転榇鷥r(jià)的能量利用裝置[1]。由于熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量只是它提供的全部能量的一部分,因此具有顯著的節(jié)能效果,對(duì)合理利用能源、減輕環(huán)境污染具有重大的意義。將其應(yīng)用于干燥過(guò)程可以同時(shí)利用蒸發(fā)器的降溫去濕作用和冷凝器對(duì)空氣放熱作用,用含水量較低的干燥空氣去干燥濕物料[2]。與常規(guī)加熱干燥方式相比,熱泵干燥裝置屬于低溫干燥,特別適用于熱敏性物質(zhì)的干燥,例如種子、茶葉、中藥材以及生物制品和水產(chǎn)品等。熱泵干燥系統(tǒng)的形式較多,按照干燥介質(zhì)(空氣的循環(huán)情況可分為開路式、部分乏氣循環(huán)式和閉路式3種[3,4],以適應(yīng)不同物品對(duì)干燥介質(zhì)參數(shù)的需要。為強(qiáng)化不同類型農(nóng)海產(chǎn)品的加工適應(yīng)性,筆者參考文獻(xiàn)[5],自行開發(fā)了同一裝置可以實(shí)現(xiàn)開式、半開式和閉式干燥介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng),并可在干燥過(guò)程中轉(zhuǎn)換干燥工藝(干冷互換,調(diào)節(jié)工況的熱泵干燥裝廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷62置。1裝置的方案設(shè)計(jì)及基本構(gòu)成1.1方案設(shè)計(jì)圖及基本構(gòu)成能實(shí)現(xiàn)開路式、半開路式和閉路式循環(huán)干燥介質(zhì)循環(huán)的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。裝置按雙冷凝器和和雙蒸發(fā)器設(shè)計(jì),并配有輔助加熱器以提高裝置的調(diào)節(jié)性能。1,2,3:調(diào)節(jié)風(fēng)門;4:擋板;5:冷凝器;6:電加熱器;7:離心風(fēng)機(jī);8:干燥廂;9:蒸發(fā)器;10:壓縮機(jī);11:電動(dòng)三通閥;12:輔助水冷冷凝器;13:熱力膨脹閥;14:感溫包圖1熱泵干燥裝置的方案設(shè)計(jì)Fig.1ProgramdesignsketchoftheHeatPumpDryer1.2設(shè)計(jì)方案說(shuō)明如圖1所示,當(dāng)風(fēng)門1、2、3全開時(shí),擋板4關(guān)閉,形成開路式循環(huán)。在開式熱泵干燥裝置中,進(jìn)入干燥器的干燥介質(zhì)全部來(lái)自環(huán)境,從干燥器內(nèi)干燥物料后排出的廢氣經(jīng)蒸發(fā)器也全部排入環(huán)境。當(dāng)1、2、4打開,3關(guān)閉時(shí),形成半開路式循環(huán)。所謂半開路式熱泵干燥裝置,就是進(jìn)入干燥器的干燥介質(zhì)一部分來(lái)自環(huán)境,另一部分來(lái)自干燥器排出的廢氣。當(dāng)風(fēng)門1、2、3關(guān)閉,擋板4打開,形成閉路式循環(huán)。封閉式熱泵干燥裝置,干燥介質(zhì)在完全封閉的循環(huán)通道中循環(huán)。本設(shè)計(jì)的干燥空氣溫度通過(guò)輔助冷凝器和電加熱器調(diào)節(jié)在20℃~80℃之間,干燥室內(nèi)風(fēng)機(jī)裝置變頻裝置可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速在0.1m/s~3m/s范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。裝置可同時(shí)作為熱回收熱泵干燥,也可根據(jù)需要只采用電加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫?zé)犸L(fēng)干燥,也可作為冷凍箱使用,實(shí)現(xiàn)干冷互相,從而改善干燥工藝。在干燥系統(tǒng)風(fēng)管進(jìn)出干燥箱的部位均設(shè)有溫濕度測(cè)試儀和風(fēng)速測(cè)試儀,可對(duì)風(fēng)速和溫濕度實(shí)行在線檢測(cè)和適時(shí)記錄,并設(shè)有物品溫度在線測(cè)試,隨時(shí)掌握物品所處的干燥階段,以適時(shí)調(diào)整干燥過(guò)程的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。2熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一臺(tái)1匹容量的熱泵干燥機(jī)組,用電能驅(qū)動(dòng)。根據(jù)湛江最冷月月平均溫度為15℃,相對(duì)濕度為78%,所以按在最不利環(huán)境下工作,低溫?zé)嵩磘L=15℃。選熱泵工質(zhì)為R134a[6],采用直接式,不用載熱介質(zhì),干燥介質(zhì)為空氣。根據(jù)要求,選高溫?zé)釁RtH=45℃,傳熱溫差為5℃。2.1熱泵的循環(huán)特性計(jì)算根據(jù)干燥所需的熱空氣溫度和環(huán)境溫度,為保證熱泵在最低環(huán)境溫度下正常工作。取循環(huán)參數(shù)如下[7,8]:冷凝溫度,tC=50℃;蒸發(fā)溫度,tE=5℃;冷凝器出口處工質(zhì)溫度tSC=45℃(過(guò)冷度為5℃;蒸發(fā)器出口處工質(zhì)溫度tSH=10℃(過(guò)熱度為5℃;按工況作出相應(yīng)的壓焓圖,如圖2所示:圖2熱泵循環(huán)的p-h圖Fig.2Thep-hoftheheatpumpcycle熱泵工質(zhì)循環(huán)工況參數(shù)的確定,查文獻(xiàn)[2]和計(jì)算得出相應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如表1所示。2.2壓縮機(jī)的確定由于1匹壓縮機(jī)的功率為735W,由此可求得熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量,按式(1計(jì)算得到質(zhì)量流量qm為0.023kg/s。即P=qm(h2-h1’;(1壓縮機(jī)的輸氣量qv按式(2計(jì)算為4.388m3/h。1vmqqv′=?;(2表1熱泵介質(zhì)循環(huán)參數(shù)Tab.1State-pointparametersoftheheatpumpmedium狀態(tài)點(diǎn)壓力/kPa焓值/(kJ·kg-1比容/(m3·kg-11350250.71ˊ350255.30.0532(60℃287313181214350113.1熱泵蒸發(fā)器從干燥器排出空氣中的吸熱量按式(3計(jì)算得Φe=3.27kW。Φe14(mqhh′=??;(3熱泵冷凝器加給干燥器進(jìn)氣空氣的總熱量Φc按式(4計(jì)算為4.0kW;Φc23(mqhh′=??;(4熱泵理想循環(huán)制熱系數(shù)按(5式計(jì)算為5.442。εh=Φc/P;(5根據(jù)熱泵工質(zhì)及壓縮機(jī)功率,輸氣量等參數(shù)選定壓縮機(jī)。2.3翅片管冷凝器面積的確定翅片管冷凝器面積的確定,按式(6計(jì)算為7.0m2。11mF=(6式中傳熱系數(shù)K1按翅片管冷凝器計(jì)算所得,對(duì)數(shù)平均溫差mtΔ按進(jìn)出口空氣的溫度計(jì)算所得。2.4翅片管蒸發(fā)器面積的確定翅片管蒸發(fā)器面積的確定按式(7計(jì)算為8.96m2。即22mF=(7式中傳熱系數(shù)K2按翅片管蒸發(fā)器計(jì)算所得,對(duì)數(shù)平均溫差mtΔ按進(jìn)出口空氣的溫度計(jì)算所得。為了調(diào)節(jié)工況,系統(tǒng)中配置蒸發(fā)面積為10m2翅片管式蒸發(fā)器2個(gè)?？蓾M足系統(tǒng)在不同蒸發(fā)溫度下工作的需要。2.5節(jié)流部件的確定由于熱泵的制冷制熱量不大,節(jié)流閥可采用內(nèi)平衡式熱力膨脹閥,按容量換算后選用熱力膨脹閥PF2。2.6輔助部件的確定2.6.1選定干燥過(guò)濾器設(shè)計(jì)一小型熱泵裝置中的干燥過(guò)濾器,安裝在節(jié)流部件前,冷凝器之后,目的是干燥制冷劑中的水分和過(guò)濾雜質(zhì)。取液態(tài)工質(zhì)在過(guò)濾器中速度v=0.02m/s,由工質(zhì)的質(zhì)量流量qm=0.023kg/s,算出過(guò)濾器的外徑為36mm,干燥劑取粒狀硅膠,兩端有銅網(wǎng),紗布等。用網(wǎng)孔為0.1mm的銅絲網(wǎng)。2.6.2選定氣液分離器安裝在蒸發(fā)器后,壓縮機(jī)之前。其功能是將出蒸發(fā)器,進(jìn)壓縮機(jī)氣流中的液滴分離出來(lái),防止壓縮機(jī)發(fā)生液擊現(xiàn)象。設(shè)計(jì)一小型氣液分離器,其結(jié)尺構(gòu)尺寸為:直徑100mm,高度80mm的筒體。2.6.3選定輔助冷凝器選一冷卻面積與主冷凝器一致的水冷冷凝器。2.6.4選定儲(chǔ)液器通常安裝在冷凝器之后,用來(lái)儲(chǔ)存冷凝器出來(lái)的工質(zhì)液體。其容量可按機(jī)組每小時(shí)工質(zhì)循環(huán)量的1/3~1/2確定。計(jì)算得長(zhǎng)h=120mm,直徑D=80mm的筒型貯液器。2.6.5電磁閥選配為了使系統(tǒng)適應(yīng)幾種運(yùn)行方式便于調(diào)節(jié)工況和干燥工藝,在每個(gè)冷凝器之前均配置電磁閥,在節(jié)流部件之前和不同的蒸發(fā)器管組之前也配置電磁閥。按配管通徑選配FDF型號(hào)的電磁閥。3干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1確定干燥器形狀及計(jì)算參數(shù)的選定干燥箱做成長(zhǎng)方體形,其外壁絕熱。假設(shè)用來(lái)干燥羅非魚,物料中水分含量可以用濕基濕含量表示,一般用wm表示;其定義為物料中的水分質(zhì)量mW與物料的總物質(zhì)質(zhì)量md之比。測(cè)得羅非魚的濕基濕含量wm=78%,干燥后濕基濕含量wmO=30%。干燥時(shí)間定為15h,物料進(jìn)入干燥箱時(shí)的溫度為15℃。取熱泵干燥裝置的基本參數(shù)為:進(jìn)入干燥器的熱空氣溫度ta=45℃,出干燥器的空氣溫度tb=30℃,出蒸發(fā)器的空氣溫度tc=15℃,相對(duì)濕度為100%(蒸發(fā)溫度為5℃凝結(jié)水排入環(huán)境。3.2干燥器設(shè)計(jì)計(jì)算(裝置按閉式循環(huán)運(yùn)行3.2.1物料計(jì)算由前面計(jì)算可知,設(shè)定的工況下1匹熱泵干燥機(jī)組的冷凝器提供的熱量Qc為4kW。1物料的干基濕含量Xm按式(8計(jì)算。即Xm=1mmWW?;(8按條件算出干燥前干基濕含量為3.545;干燥后干基濕含量為0.437。當(dāng)tc=15℃時(shí)查文獻(xiàn)[2]得飽和濕空氣的含濕量:dc=10.78g/kg,在干燥箱進(jìn)氣狀態(tài)下的空氣的濕球廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)第28卷64溫度為24.7℃,并查得此時(shí)水的氣化潛熱2441.3kJ/kg;那么出蒸發(fā)器15℃的空氣進(jìn)入冷凝器加熱到ta=45℃時(shí),含濕量不變,da=dc=10.78g/kg,含有1kg干空氣的熱風(fēng)在干燥器中由45℃降至30℃時(shí),則吸收的水分量dΔ由公式(9計(jì)算可得為6.206g/kg。即1(pabCttdr???Δ=。(92干燥器出口處tb=30℃時(shí),干燥器出口處濕空氣的濕含量增加了dΔ,所以進(jìn)口含濕量加上濕含量的增量即為出口含濕度,經(jīng)計(jì)算db為16.986g/kg。查濕空氣的焓濕圖得當(dāng)tb=30℃時(shí),濕空氣的飽和含濕量為27.30g/kg。故計(jì)算出干燥器出口處空氣的相對(duì)濕度為:62.23%。3.2.215h所干燥物品量的計(jì)算1每蒸發(fā)1kg的水分所需要的干空氣的質(zhì)量由式(10計(jì)算后為161.13kg。即V=mdΔ。(102物料中蒸發(fā)1kg水分所需的加熱量Qm由公式(11計(jì)算得4854.97kJ/kg。即((mpaccpwacQVCttVdCtt=???+????(11式中,Cp為空氣定壓比熱容;Cpw為水蒸氣定壓比熱容。3實(shí)際干燥過(guò)程向環(huán)境散熱的熱損失Qx,由于實(shí)際干燥過(guò)程中往往有一定的熱量損失,假設(shè)熱損失為理論耗熱量的5%,經(jīng)計(jì)算為242.75kJ/kg;4實(shí)際干燥1kg的水分需要的總的熱量Qd為按式(12計(jì)算為5097.72kJ。Qd=Qm+Qx(125此裝置能在單位時(shí)間內(nèi)除去的水分量按式(13計(jì)算為7.847×10-4kg/s。即/dcdWQ=Φ。(136裝置在15h內(nèi)干燥的物品量按式(14計(jì)算為29.06kg。即。(143.2.3干燥風(fēng)管計(jì)算蒸發(fā)7.847×10-4kg/s的水分所需要的空氣循環(huán)量Va按(15式計(jì)算0.126kg/s。47.84710abaVdd?×=?。(15干燥箱進(jìn)口的空氣的體積流量Vm按式(16計(jì)算,查得相應(yīng)狀態(tài)下濕空氣的比容v=0.917m3/kg,計(jì)算結(jié)果為415.84m3/h。Vm=aVv?。(16由此即可確定系統(tǒng)所配離心風(fēng)機(jī)的大小。若取干燥系統(tǒng)中風(fēng)管風(fēng)速為3m/s,則風(fēng)管的截面積確定為0.039m2。取風(fēng)道尺寸0.2m×0.2m,干燥箱外加保溫層的尺寸1m×2m×1m。箱里分四層料網(wǎng),網(wǎng)盤里放物料。4冷凝溫度的變化對(duì)裝置干燥物量及其效率的影響同一裝置當(dāng)設(shè)定的干燥介質(zhì)溫度變化時(shí),其冷凝溫度也會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)也會(huì)引起相同時(shí)間內(nèi)的物料干燥量和裝置的能效發(fā)生變化。表2是在蒸發(fā)溫度保持不變,冷凝溫度變化時(shí),相同時(shí)間內(nèi)的干燥物料量、COP值和除濕能耗比的計(jì)算結(jié)果(假設(shè)整個(gè)過(guò)程均處于恒速干燥階段。表2冷凝溫度變化情況下干燥的物量及效率比較Tab.2Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeofthecondensationtemperature冷凝溫度/℃干燥的物料量/kgCOP值除濕能耗比5531.585.2724.1785029.175.4423.8584524.255.5833.208401說(shuō)明:工況為蒸發(fā)溫度5℃和傳熱溫差不變由表2的計(jì)算分析可知,同一臺(tái)裝置隨著冷凝溫度的升高,其裝置的制熱量減小,COP值下降,但其相同時(shí)間內(nèi)的物料的干燥量增大,其除濕能耗比也增大了。但隨著冷凝溫度的升高,干燥物料量和除濕能耗比增大的幅度越來(lái)越小,當(dāng)冷凝溫度從50℃升高到55℃時(shí),其增大的幅度已減少了。這可能是由于冷凝溫度升高,使干燥介質(zhì)的溫度升高,其相對(duì)濕度較小,吸濕能力增大。雖然冷凝溫度的153600100mmoddmWWGWW?=?××?升高直接導(dǎo)致了裝置COP值的降低,但本裝置采用R134a作為熱泵工質(zhì),冷凝溫度的升高導(dǎo)致冷凝器的散熱量減小的效果遠(yuǎn)不及由于干燥介質(zhì)溫度升高所引起干燥介質(zhì)吸濕能力的增大,所以反而使裝置的除濕能耗比增大及同一裝置的干燥量增大,這一結(jié)論還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。5蒸發(fā)溫度變化對(duì)裝置干燥物料量及其效率的影響本裝置在設(shè)計(jì)時(shí)配有2個(gè)蒸發(fā)器,目的是為了調(diào)節(jié)不同的蒸發(fā)器的傳熱溫差,從而調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度。表3是在蒸發(fā)器溫度變化,冷凝溫度不變時(shí),其相同時(shí)間內(nèi)的干燥物料量,COP值和除濕能耗比的計(jì)算結(jié)果。從表3的計(jì)算分析可知,同一臺(tái)裝置隨著蒸發(fā)溫度的升高,其裝置的制冷量增大,COP值增大,且裝置在相同時(shí)間內(nèi)的物料的干燥量增大,其除濕能耗比也增大了。所以蒸發(fā)溫度的增大是有利的,但蒸發(fā)溫度的高低受著蒸發(fā)器出口飽和空氣溫度的限制。當(dāng)蒸發(fā)溫度高于設(shè)定的蒸發(fā)器出口空氣的溫度時(shí),循環(huán)空氣不能有效除濕,裝置的性能變化就不具備可比性了。表3冷凝溫度變化情況下干燥的物量及效率比較Tab.3Comparisonwithdryingvolumeandefficiencyaschangeoftheevaporationtemperature蒸發(fā)溫度/℃干燥的物料量/kgCOP值除濕能耗比說(shuō)明:工況為冷凝溫度50℃和傳熱溫差不變6討論進(jìn)行了定工況條件下的1匹熱泵干燥裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算及相應(yīng)設(shè)備的選型和設(shè)計(jì),為同類設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。對(duì)耗功一定的熱泵干燥裝置來(lái)說(shuō),