热泵烘干技术的运用
时间：2024-09-01 阅读：357
闭路式热泵干燥系统有内外两个工作循环，即制冷剂在热泵系统内的循环和干燥介质的干燥循环。制冷剂在蒸发器中吸收由干燥系统排出的废气中的热量后，使液体蒸发为蒸气；经压缩机压缩后，送到冷凝器中；在高压下，热泵工质冷凝液化，放出的高温冷凝热去加热来自蒸发器的降温除湿的低温干空气，把低温干空气加热到要求的温度后，排入干燥室作为干燥介质循环使用；液化后的热泵工质经膨胀阀再次返回到蒸发器内，如此循环往复。同时，废气中的大部分水蒸汽在蒸发器中被冷凝下来直接排掉。
该系统的热泵部分采取辅助冷凝器的形式。此结构的优势在于控制干燥温度灵活方便，且辅助冷凝器的换热系数较高，不需要特殊技术的换热器。另外，若采用辅助冷凝器加热外界空气对物料进行预干，可以回收这部分温度比较高的冷凝热，节约能源，提高系统效率。在蒸发器设置旁通的目的在于使通过蒸发器的湿热空气能较好地与蒸发器中的制冷量相匹配，允分地发挥蒸发器的除湿能力；同时，还可以调节冷凝器和蒸发器的热负荷，使之较好地匹配，以减少损失和强化冷凝器的换热，兼顾了热泵和干燥两个单元各自的要求。
（1）节约能源
节约能源是热泵zui初应用的出发点，也是主要的优点。热泵低温（15～45℃）干燥木材时可节约能耗40％～70％。干燥大米的适宜温度为35～50℃。温度虽低，但是需要大量的热。传统干燥器的效率只有3％～5％，而用热泵干燥效率将明显提高。布匹对干燥温度有严格的要求，热泵干燥机组不但能满足此要求，而且比传统的热泵干燥机组节能50％左右。热泵干燥技术应用在蔬菜脱水中节能高达90％。近年来，越来越多的研究人员也证实了热泵干燥机组的节能特性。
（2）干燥产品品质好
热泵干燥是一种温和的干燥方式，接近自然干燥。表面水分的蒸发速度与内部水分向表面迁移速度比较接近，使被干燥物品的品质好、色泽好、产品等级高。用普通的干燥方法得到的芳香类挥发性物质保留少、耐热性差的维生素保留低、颜色变化较大。例如：用滚筒干燥机得到生姜的生姜素保持率仅为20％，而用热泵干燥得到的生姜素保持率高达26％。VanBlarcom和Mason的试验表明，即使在50℃下，采用热泵干燥的澳大利亚坚果也不会出现上面所说的褐变现象，能较好地保持坚果原有的色泽、风味及营养成分。
（3）干燥参数易于控制且可调范围宽
热泵干燥过程中，循环空气的温度、湿度及循环流量可得到、有效的控制，且温度调节范围为-20～100℃（加辅助加热装置），相对湿度调节范围为15％～80％，适合于热敏性物料的干燥。
（4）环境友好
物料干燥不仅要求提高产品质量和节约能耗，同时必须对环境友好。基于相同的评价标准，热泵对变暖的影响与电释放的CO2相比是很小的。对环境的友好是热泵干燥的优点。目前，国外提倡应用热泵来减少CO2的排放，它必将得到进一步应用。
（1）烟草烘干
针对我国烟叶烘烤质量及目前国内节能烘烤设施缺陷等问题，由东莞市永淦节能科技有限公司科研小组历近十年，研制了高温热泵烟草全自动烘干系统，已在烟草、食用菌、农作物烘烤领域已经获得规模化的生产应用。该设备应用已获国家发明的热泵加热和冷凝除湿技术，经检测设备热效比达1∶3～5，安全、环保；使用已获国家实用新型的烟叶烘烤监控仪，采用数字式温度传感器，精度达0.1℃，内置多种烘烤“专家系统”，并具备在线调节功能，可实现不同生态条件下烟叶烘烤的温湿度自动控制。
本项目自1998年开始，从更深层次研究了影响烟叶烘烤过程zui主要的生理生化变化规律及其与烘烤环境条件的关系，揭示了烟叶烘烤质量形成的本质；研究开发了适合我国国情的烤烟适度规模种植的热泵供热，冷凝排湿的密集烤房及其自控设备，其热效比zui高达到5左右，烘烤性能稳定，能有效准确地实现烘烤工艺要求的各项指标，确保烟叶内在和外观品质，烤干1kg干烟叶耗电量仅有1kW·h。而且，烘烤过程污染达到*，能够一机多用，随着我国电力供应逐渐达到富裕程度，该技术具有广阔的应用前景。
（2）木材的干燥
木材干燥是较成功的应用热泵干燥技术的领域之一。虽然用热泵技术干燥木材较常规气流干燥耗时多，但显著的节能效果和较高的木材利用率使热泵干燥法成为木材干燥加工的主要手段之一，特别适用于那些商业价值高、干燥难度大的“难干木材”。近年来，北京林业大学一直致力于木材热泵干燥的理论研究（1992，张璧光；1996，张璧光），积累了大量实验数据和实践经验，而在实际运行中节能效果和干燥效果均较理想。
（3）谷物的干燥
谷物干燥是热泵干燥技术的主要研究及应用领域之一。美国于1950年就试验采用空气／空气热泵干燥谷物。实际现场试验表明，电热式干燥谷物的除水率约为1．1kg／kW·h，而热泵法干燥谷物的除水率约为1．8kg／kW·h，后者比前者能量消耗约少40％。目前，英国、德国等发达国家的热泵干燥技术已在谷物干燥加T生产实践中得到广泛应用。
（4）茶叶的干燥
采用水／水热泵烘干茶叶，每吨茶叶大约消耗能源1250kW·h（相当于0．45t标准燃料）；而烟气或热空气烘干茶叶，每吨茶叶大约消耗1833kW·h（相当于0．66t标准燃料），大约节约32％的能源。同时可以控制*的温度状态，提高了产品质量，防止了茶叶过度干燥。采用热泵干燥技术，可溶性鞣酸的损失可减少11％～13％。
（5）种子的干燥
热泵干燥技术的低温干燥特性比较适合于种子干燥，相关研究人员用热泵干燥机分别对玉米、大豆、稻谷、白菜种子进行了干燥试验研究。
天津大学的马一太教授通过热泵干燥种子的实验”研究证实了热泵干燥是一种良好的种子干燥方法，能够保证种子的干燥品质，提高干燥温度，减小干燥空气相对湿度，降低初含水率，缩短干燥时间。在干燥空气流速较低的情况下，干燥空气流速对干燥速率影响很小。种子的发芽率和健芽率受干燥温度影响zui大，建议白菜种子的干燥温度不宜超过40℃。在条件允许的情况下，热干燥可采用双干燥室和较低温度进行间歇干燥，从而提高种子的干燥质量。
（6）食品的干燥
把热泵干燥技术应用于食品物料的干燥愈来愈得到人们的关注。一方面是过去对食品等热敏感性物料的干燥一般采取冷冻干燥，但干燥成本太高；另一方面是热泵干燥的干燥条件温和，干燥参数易于控制，能够得到与冷冻干燥品质相近的产品热泵干燥食品物料时其干燥温度能在-20～60℃范同内调节，采用恰当的控制方法，热泵干燥系统可在常压下实现冷冻干燥。Chuaeta1．（2000）应用他们自己设计的二级蒸发热泵干燥系统，根据不同的农产品，设定了不同的干燥介质温度，得到的产品质量好，而且在整个干燥过程中颜色和*的损失分别下降87％和20％。近几年，国内外采用热泵干燥食品物料的应用研究如表2－1所示。
高温热泵干燥原理：
热泵干燥设备由热泵系统和热风干燥循环系统组成。热泵系统为热风干燥系统提供高温热源和降低热风湿度。为系统补充损失热量，热风干燥系统，通过循环热风与物料直接接触，提供蒸发水份热量，带走物料中的水份。所谓“热泵”，是耗用一定的机械功，吸取环境或废弃物中低品位热能，将其提高成为可利用的热能的一种节能装置。正如“水泵”一样，耗用一定机械功，将水从低水位提高到所需的水位。
热泵系统由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器组成，如图5－1所示。系统内运行的工质，在蒸发器中吸取干燥室排出湿热空气中的热量，从低压液态工质蒸发成低压蒸汽，经压缩机增压成为高温高压的蒸汽；在冷凝器中，高温高压的工质蒸汽放出热量加热进入干燥室的空气，而工质本身则从气体冷凝成高压液体；通过节流装置，液体工质产生阻塞效应，降低了压力和温度，成为低压低温液体，再度进入蒸发器中吸收湿热气体的热量，如此反复循环将低温热量输送到高温介质中去，形成热泵循环。
从热风干燥循环系统来看，其热风流程如图5－2所示。干燥室排出气体，是含水份较高的湿热气体，其状态如图5－3的h-d图上的点a，其相对湿度在ψ＝70～80%左右，通过热泵的蒸发器时，由于蒸发器表面温度低于空气露点温度，不仅降低了空气的温度并且在蒸发器表面将水汽冷凝下来，以液体水的状态排出系统外。气体离开蒸发器变成低温而湿润，如图5－3上点b其相对湿度一般在ψ=95-97%。脱湿后的气体在热泵冷凝器中得到等湿加热，提高了气体温度，同时也降低了相对湿度，如图5－3上的C点成为干热气体进入干燥室。在干燥室中，干热气体与被干燥物料直接接触，提供物料烘干的热量，同时也带走了水份。空气在干燥室内为等焓增湿降温过程，在离开干燥室时又回复到图5－3的a点。从图5－3上可见每公斤气体通过一个循环可以脱除水份△d＝da－dc。
从上述热泵干燥原理来看，与一般干燥工艺差别是没有湿热气体排放，通过二个密闭循环系统，物料中的水份zui终以液态水排除。采用该原理有二大优点：
（1）节约能源：在热泵干燥中。不排放湿热气体而将其显热和潜热进行了回收，由太阳能补充部分损失热量，只耗用了一定的机械功。
（2）污不染环境：由于热泵烘干在封闭的环境中进行，在烘干过程中不产生有臭有害气体，对周围环境可以减少到zui低的污染。
热泵腐竹技术烘干的特点
（1）能耗费用低——热泵烘干装置在运行中能回收湿热空气的显热和潜热，能量得到充分而合理利用，是一种*的节能设备。
（2）不污染环境——由于热泵烘干的全过程是在封闭系统中进行，不需向周围环境排湿，同时也会排出有害、有臭味的气体。若将进出料系统全部封闭在管道中，会使整个操作保持清洁环境。这与其他干燥方法相比，是一个*的优点。
（3）烘干质量好——热泵干燥装置中的干燥介质是在封闭的空间循环；不受外界气候条件的影响，一年四季均在同一条件下平稳运行，所以干燥质量良好
（4）间接密闭加热，环保节能，减少物料损失。
（5）投资省，占地小，配套土建少
（6）干燥水分可控，zui低可达10%以下