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热泵干燥的性能试验研究
张绪坤1 毛志怀1 李华栋2 徐 刚2
（1 中国农业大学（东区）工学院 北京 100083；江西省科学院 南昌 330029）
摘 要：本研究设计了一套热泵干燥装置，压缩机5马力，制冷工质为R22，并在此实验装置上进行了热泵干燥系统的性能实验。实验结果表明，在开路式热泵干燥运行时，蒸发器析水的速率较低，但热泵运行稳定；而在半开路式热泵运行时，随着外排干燥废气的减少，蒸发器析水速率不断增加。闭路式热泵干燥循环过程中，空气旁通率（BAR）对热泵的运行状况影响较大。开路式、半开路式热泵干燥循环中，系统的单位能耗除湿量（ ）较高。在闭路式热泵干燥循环过程中，当BAR=0.4和BAR=0.6时， 系统的单位能耗除湿量（ ）有最大值。
关键词：热泵干燥；性能试验；析水速率；单位能耗除湿量（ ）
Study on the Performances of Heat Pump Drying system
Zhang Xukun1 Mao Zhihuai1 LI huadong2 Xu Gang2
（1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100083;；
2. Center of Food Engineering, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang Jiangxi 330029）
Abstract：In the present study, a heat pump dryer was designed and constructed. By using R22 the system was operated. The performances of opening air cycle, semi-opening air cycle and closed air cycle configurations were studied. When the heat pump works with the opening air cycle, the heat pump unit works at the steady state and extraction water from the process air is lower than the semi-opening air cycle. When the heat pump works with the semi-opening air cycle, the extraction water from the process air will increase by exhausted air loss. In the closed system, the bypass air rate (BAR) play a significant role in the system performance. As BAR increases, the amount of air passing the evaporator is reduced and the BAR directly alters the HPD performance. The extraction water from the process was not sensitive to BAR values within the range from 0.4 to 0.7. To obtain the peak SMER, the system should be operated with BAR between 0.4 and 0.6. At BAR greater than 0.6, the peak values seem to be reduced. It was, therefore, concluded that the bypassing air rate (BAR) is effective at the maximum SMER.
Keywords：Heat pump drying；Performances；Moisture extraction rates；Specific moisture extraction rate (SMER)
0 引言
热泵是利用水、空气及各种余热等低温热源的一种清洁节能的装置。热泵可以从自然环境或余热资源吸热，从而获得比输入能更多的输出热能，因此可以节省采暖、空调、供热水和工业加热所需的初级能源。和常规的对流干燥相比，热泵干燥具有以下特点：节约能源、产品质量高、干燥条件可调节范围宽和环境友好等显著优点。
热泵干燥系统是热泵与干燥两个单元的有机结合，这两个单元互为条件，相互影响。热泵干燥的循环方式多种多样，而且不同运行工况的运行特性均不相同，为了使热泵干燥系统具有节能的效果，应全面考察各参数对系统性能的影响。
1 热泵干燥的结构与原理
热泵干燥装置由热泵和干燥两大系统组成。热泵主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵系统内的制冷工质，首先在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后，由液体蒸发为蒸汽；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，放出高温的冷凝热去加热来自蒸发器的降温去湿的低温干空气，把低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使用；液化后的热泵制冷工质经膨胀阀再次回到蒸发器内，如此循环下去。废气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉，从而达到除湿干燥的目的。
热泵干燥的工作原理如图1所示。其主要结构部件为（1）冷凝机组： TAG4561THR型；额定功率：5马力；制冷工质为R22。（2）蒸发器：强制对流空气蒸发器，尺寸：935×630×330mm（长×宽×厚）。（3）循环风机：额定功率：5.5 KW；流量：2198—3847 m3/h；风压：300~393 mm水柱。 
2 热泵干燥的性能评价指标
为了对热泵干燥装置的性能进行深入的研究。常用 （热泵干燥系统的性能系数）、 （单位时间除湿量 kg/h）和 （单位能耗除湿量 kg/kWh）来综合评价一个热泵干燥系统[1，2]。
对热泵单元而言，一般用热泵性能系数
3实验材料和方法
1.实验材料
纯棉布碎片，实验前加湿挤干至不滴水为止，根据实验要求加料。
2.测试仪器及方法
(1)温度和湿度：温度和湿度的测量用武汉仪器仪表研究所的WSB005变送器。
(2)风速：风速的测量选用沈阳加野麦克斯仪器有限公司的KA22型热式风速仪。
(3)压力：用压力表在压缩机进出口分别测得制冷工质的低压和高压。
(3)除水量：称重法，即除水量 (kg)=干燥前物料重(kg)-干燥后物料重(kg)。
(4)能耗的测定：在热泵系统的进线处和压缩机的进线处分别安装了三相功率表，分别对干燥系统消耗和压缩机消耗的电能进行记录。
4实验结果与讨论
4.1开路式、半开路式热泵干燥运行特性的实验
1.开路式、半开路式热泵干燥实验的运行条件
该三种运行状态的实验条件为：1）干燥的物料量为25kg，分三层均匀放置在干燥室内。2）压缩机运行的频率为35Hz，循环风机运行的频率为35Hz。3）环境温度和湿度分别对应为：(1)开路式：26℃，70%；（2）半开路式1：26℃，69%；半开式2：25.5℃，71%。4）开路式热泵干燥循环时的空气总流量为0.883m3/s，经过干燥室后全部向外排放。5）半开路式热泵干燥循环时的空气总流量为0.883m3/s，其中半开路式1向外排放40%，半开路式2向外排放20%。
2.开路式、半开路式热泵干燥运行时干燥室进出口的温度
从图2、3可以看出，在开路式热泵干燥运行时，干燥室入口、出口处的温度变化不大，进出口温度的差值保持在6～7℃左右。而半开路式热泵干燥运行时，随着时间的延长，干燥室进出口处的温度不断上升。
3.开路式、半开路式热泵干燥循环蒸发器析出冷凝水的变化
从图4能看出，不同的热泵干燥运行方式，蒸发器的析水速率是变化的。在开路式热泵干燥运行时，蒸发器析出的冷凝水来自于环境空气中的水分，经过蒸发表面空气的相对湿度比较低，因此，析水的速率较低。而在半开路式热泵干燥运行时，蒸发器析出的冷凝水一部分来自于环境空气中的水分，另一部分来自于干燥室排出的高含湿的干燥废气，因此，析水的速率比开路式热泵干燥循环高。并且随着外排干燥废气的减少，蒸发器析水速率不断增加
4.2闭路式热泵干燥运行特性的实验
1.闭路式热泵干燥运行特性实验的条件
1)实验时空气的旁通率分别取BAR=0、BAR=0.2、BAR=0.4、BAR=0.6、BAR=0.7。2)压缩机运行的频率为35Hz，循环风机运行的频率为35Hz，空气的循环总量为0.883m3/s。3)实验物料为25kg，分三层均匀放置在干燥室内。4)环境温度和湿度分别对应为:(1)26.5℃，74%（BAR=0时）；（2）27℃，74%（BAR=0.2时）；（3）27℃，72%（BAR=0.4时）；（4）28℃，74%（BAR=0.6时）；（5）25.5℃，70%(BAR=0.7时)。
2. 闭路式热泵干燥循环干燥室进出口温度的变化
从图5、6可以看出，在闭路式热泵干燥系统运行时，干燥室入口、出口处的温度变化较大，随着时间的延长，干燥室进出口处的温度不断上升，特别是干燥出口处的温度上升较快。
3.闭路式热泵干燥循环蒸发器的析水速率
热泵干燥过程中蒸发流出冷凝水的多少，能反映出热泵运行过程中吸收来自废气中水蒸汽潜热的多寡。在外部条件基本相同的情况下，从图7可以看出不同的空气旁通率，蒸发器的析水速率变化很大。当BAR=0时，循环空气全部通过蒸发器的表面，蒸发器迎风面风速最大，循环空气中的水蒸汽不易在蒸发器表面冷凝，因此，冷凝效果最差。随着空气旁通率BAR的增加，通过蒸发表面空气流量的减少，蒸发器迎风面风速的降低，冷凝效果不断提高。从BAR=0.4到BAR=0.7，总的析水量变化不大。
4.3 热泵干燥综合性能指标的实验研究
1. 热泵干燥系统的单位能耗除湿量（SMER ）和系统的平均性能系数（COP）
热泵干燥系统的综合性能考核指标主要为单位能耗除湿量（SMER ）和热泵干燥系统的性能系数（COP），不同热泵干燥循环的实验结果如表1所示。
不同热泵干燥循环系统的SMER和系统的平均COP的比较见图8及9所示。从表1及图8可以看出，本实验装置系统的单位能耗除湿量（SMER ）最大仅为1.64 kg/（kWh），低于理论上的2～2.5kg/（kWh）。其原因是为了便于进行热泵流化床干燥试验，系统的循环风机选用了9-26型的高压离心风机，实验过程中循环风机的电耗占系统总能耗的50%左右，因此系统单位能耗除湿量（SMER ）偏低。另外，从表1及图8也可以看出，开路式及半开路式热泵干燥循环中系统单位能耗除湿量（SMER ）均较高。这是因为在开路式及半开路式循环中由于有新鲜空气的补入，热泵系统运行平稳，压缩机消耗的电能低，因此，热泵系统的单位能耗除湿量（SMER ）增高。在闭式热泵干燥循环过程中，当BAR=0.4和BAR=0.6时，热泵系统处于较合理的工况运行，制冷工质在冷凝器中得到较好的冷凝，也在蒸发器中得到充分的蒸发，系统运行平稳、能耗降低，因此，热泵系统的单位能耗除湿量（SMER ）比其它几种运行方式高。系统的性能系数（COP）的变化与系统单位能耗除湿量（SMER ）的变化基本相似。
2.闭路式循环的空气旁通率（BAR）对系统的单位能耗除湿量（ ）的影响
在闭路式循环热泵干燥系统中，不同的空气旁通率（BAR）对系统的单位能耗除湿量（ ）的影响是比较明显的。从图10可以看出，随着空气旁通率（BAR）的增加，系统的单位能耗除湿量（ ）值也在增加，在BAR=0.4到BAR=0.6时， 有最大值。当BAR的值超过0.6时，系统的单位能耗除湿量（ ）反而下降，说明空气旁通率（BAR）有一个合理的范围
5 结论
1.在开路式热泵干燥运行时，蒸发器析出的冷凝水来自于环境空气中的水分，经过蒸发表面空气的相对湿度比较低，因此，析水的速率较低。而在半开路式热泵干燥运行时，冷凝水有一部分来自于干燥室排出的高含湿的干燥废气，因此，析水的速率比开路式热泵干燥循环高。并且随着外排干燥废气的减少，蒸发器析水速率不断增加。
2.闭路式热泵干燥循环过程中，在循环空气总量不变的情况下，空气旁通率（BAR）对热泵的运行状况影响较大。随着空气旁通率BAR的增加，通过蒸发表面空气流量的减少，蒸发器迎风面风速的降低，冷凝效果不断提高。
3.开路式、半开路式热泵干燥循环中，因为热泵系统运行平稳，压缩机消耗的电能低，因而，系统的单位能耗除湿量（SMER ）较高。在闭路式热泵干燥循环过程中，当BAR=0.4和BAR=0.6时，系统运行平稳、能耗降低，因此，热泵系统的单位能耗除湿量（SMER ）比其它几种运行方式高。系统的性能系数（COP）的变化与系统单位能耗除湿量（SMER ）的变化基本相似。
5.闭路式热泵干燥循环过程中，不同的空气旁通率（BAR）对系统的单位能耗除湿量（SMER ）的影响是比较明显的。随着空气旁通率（BAR）的增加，系统的单位能耗除湿量（SMER ）值也在增加，在BAR=0.4到BAR=0.6时， 有最大值。当BAR的值超过0.6时，系统的单位能耗除湿量（SMER ）反而下降，说明空气旁通率（BAR）有一个合理的范围。 参考文献
[1] 潘永康，王喜忠. 现代干燥技术[M]. 北京：化学工业出版社，1998
[2] 陈坤杰，李娟玲，张瑞合. 热泵干燥技术的应用现状与展望. 农业机械学报，2000，31(3)：109~111
[3] 王如竹，丁国良，吴静怡等. 制冷原理与技术. 北京：科学技术出版社，2003
[4] Chau, K. J.; Chou, S. K.; Ho, J. C.; et. Al., Heat pump drying: recent developments and future trends. Drying Technology，2002, 20, 1579-1610
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