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热泵干燥木材的技术现状与发展趋势
张璧光1 ，李延军
(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083；2.浙江林学院 浙江临安311300)
摘要：热泵与常规热风干燥的区别在于前者的干燥系统中空气为闭式循环，依靠制冷原理对空气降湿；后者为开式循环，依靠换气使空气降湿。对热泵干燥木材进行了节能分析，其节能率在40%～70%之间。文中介绍了热泵在木材干燥工业中的国内外应用概况，分析了热泵干燥的优点、局限性与适用范围，指出了今后热泵干燥木材的发展趋向是与常规能源联合干燥或作为二段干燥中的预干燥。同时还指出，热泵也宜推广用于干燥种子、水产品及热敏类化工原料等适于低温干燥的物料。
关键词：木材干燥；热泵；现状；发展趋势
1 热泵干燥的原理
木材干燥是木制品加工过程中的重要环节，也是能耗最大的工序，约占产品总能耗的40％～70％[1]。传统的木材干燥方法是以蒸汽、热水、烟气或热油作热源，以湿空气作干燥介质的热风干燥，如图1所示。热风干燥时，干燥室内空气的湿度逐渐升高，需定期从排气道排出部分湿热空气，同时从吸气道吸入等量的冷空气。这种开式循环的干燥方式，其换气热损失很大，一次能源利用率仅30％左右[1]。
热泵干燥又称为除湿干燥，它与传统热风干燥的区别在于空气循环方式不同，干燥室空气降湿的方式也不同。热泵干燥时空气在干燥室与热泵干燥机间进行闭式循环，它利用热泵干燥机的制冷系统使来自干燥室的湿空气降温脱湿，如图2所示。热泵干燥机的制冷系统由压缩机、蒸发器、膨胀阀及
冷凝器等4个主要部件组成。当湿空气流经热泵蒸发器时，内部的低压制冷剂吸收空气的热量由液态变为气态，空气因降温而排出其中的大部分凝结水。来自蒸发器的低压制冷蒸汽由压缩机升压后送至冷凝器。当脱湿后的干冷空气流经冷凝器时，内部的高压制冷剂因冷凝而放出热量，外部的空气则被加热为热风又回到干燥室继续干燥木材。从冷凝器流出的高压制冷液经膨胀阀降压后流入蒸发器继续下一个循环。
热泵干燥机按功能的不同又可分为单热源和双热源两种形式。单热源热泵如图2，它只能回收湿空气脱湿时放出的热量，难以实现干燥室升温，而木材干燥过程则需逐渐升温，因此如果没有蒸汽或其它辅助热源，一般需要启动电加热器，故而单热源热泵干燥机电耗较高。
双热源热泵又称热泵除湿干燥机，如图3所示。与单热源热泵的主要区别在于它具有除湿和热泵两个工作循环，有两个蒸发器（除湿蒸发器和热泵蒸发器）和两个热源（干燥室湿空气和大气环境），具有使干燥室除湿和升温两种功能。当干燥室需要除湿时启动除湿工作循环；当干燥室需要升温时，则启动热泵工作循环，由热泵蒸发器从大气环境取热向干燥室供热风。热泵供热的多少取决于环境温度T0和供热温度T1，T0越高供热越多，（T1－T0）越小压缩机能耗越低。热泵供热量Q与压缩机耗功W之比称为供热系数，用Cop表示，即Cop＝Q/W。热泵的Cop值越大，节能效果越好。
2 热泵干燥木材的节能分析
热泵干燥时由于利用它的制冷系统回收了空气排湿时放出的汽化潜热（也包括显热），故热泵干燥的节能效果十分明显。热泵干燥的节能效果通常与以蒸汽为热源的热风干燥（简称蒸汽干燥）作对比；由于两者的用能形式不同，故需将两种干燥方式的能耗折算为一次能源才具有可比性。
2．1热泵干燥木材的能耗
根据有关资料[2，3]，单热源和双热源热泵干燥机的平均能耗分别为101kW.h/m3材和224 kW.h/m3材。近年我国的发电能耗为400g / kW.h，则两种热泵干燥机的标准煤耗分别为：双热源热泵101×400／1000=40.4（kg）标准煤，单热源热泵 224×400／1000=89.6（kg）标准煤。
2．2蒸汽为热源的热风干燥能耗
根据我国蒸汽干燥能耗的统计平均数[2]，干燥1m3材需耗蒸汽1t、耗电50 kW.h。取我国工业锅炉及管网的平均热效率为0.6，按有关资料[4]计算，1t蒸汽耗标准煤约为150kg，而50 kW.h电折标准煤耗为50×400/1000＝20kg，则用蒸汽为热源干燥1m3材的总能耗为170kg标准煤。
2．3热泵干燥木材的节能率
根据热泵和热风（以蒸汽为热源）干燥1m3材的标准煤耗可得双热源和单热源热泵干燥机的节能率分别为76.2%和47.3%。此节能率仅是根据笔者所查资料的计算举例，实际的热泵干燥节能率则与热泵和热风干燥的具体使用条件有关。根据多数资料报道，热泵干燥的节能率一般为40％～70％。
3 热泵在木材工业中的应用概况
热泵应用于木材干燥行业始于20世纪中期。在50年代美国首先将热泵用于干燥粮食，接着美国的Westair系统有限公司将热泵用于木材干燥，10年内发展到1000套装置[5]。20世纪80年代，在日本、加拿大、英、法、美及意大利等国的木材干燥设备中，热泵干燥已占有相当的比例（日本占1 /5，加拿大占1/3）。近十几年来日本的热泵干燥仍呈上升趋势，据日本木材行业2000年统计，热泵干燥已占木材干燥设备的26％[6～10]。
我国从1980年以后才开始从国外引进热泵木材干燥机，1985年以后从仿制逐渐转到独立设计制造，目前我国已有热泵干燥机生产厂约10个。从整体水平看，我国生产的热泵干燥机与国外先进水平尚有差距，其中大部分热泵生产厂以仿制为主，产品质量和性能没有保障，只有少数几个生产厂具有独立设计的能力。上海桑菱能源所生产的SRG系列热泵与北京林业大学设计的RCG系列热泵，其性能已接近或达到国际水平。北京林业大学设计的RCG系列热泵除湿干燥机，由于它在制冷系统过冷方式、热泵进风系统设计和二次风补充方式等几方面有创新，其节能率要比普通热泵干燥机高15%～20％，而制造成本却降低了5%～10％[3]。该创新成果已获得国家专利，并于1996至1998年先后获北京市、林业部及国家的多项科技进步奖。
目前我国热泵（除湿）干燥机的总干燥能力已占各类干燥机总干燥能力的1/10左右，居热风（以蒸汽为热源）干燥之后，处于第二位，有继续上升的趋势。
4 热泵干燥的优点与局限性
4．1热泵干燥的优点[11]
热泵木材干燥与传统的热风（以蒸汽为热源）干燥相比，其优点体现在以下几个方面：
⑴节能效果显著，由前述的节能分析已知，其节能率一般在40%～70％。
⑵安全，无污染，无火灾危险。
⑶热泵属于低温干燥且温度易于控制，干燥后的木材能保持天然本色，且无开裂、变形等干燥缺陷，干燥质量好。
⑷热泵干燥可不设锅炉设备，故总投资略低于以蒸汽作热源的热风干燥，且热泵干燥系统安装简单，只要干燥室建好，设备到货一个月内即可投产。
4．2热泵干燥的局限性
⑴热泵干燥温度通常在40℃～60℃之间，干燥温度低，干燥周期长，特别是在木材低含水率阶段，干燥速率很小。它与传统的热风干燥时间相比，对于难干材可能使干燥时间增加1 /5左右；而对于易干材则可能增加1倍或更多的时间。目前热泵干燥温度的提高主要受到制冷工质、压缩机及零配件的限制。
⑵热泵单机容量的增大受限制，目前我国生产的热泵木材干燥机其单机干燥容量一般≤60m3材。
⑶热泵干燥在电价高的地区使用会受一定的影响，特别是使用单热源热泵可能会出现节能不省钱现象。
5 热泵干燥的适用范围及发展趋
5．1热泵干燥的适用范围
⑴对于木材干燥而言，适于高档的珍贵材、难干材。
⑵由于热泵干燥在木材的高含水率阶段节能效果显著，故用热泵作木材预干燥更为适宜。
⑶热泵在高温、潮湿地区节能效果好，建议在这些地区用双热源热泵。
⑷对于适于低温干燥的种子、水产品及热敏类化工原料建议推广热泵干燥。
5．2热泵干燥木材的发展趋
⑴ 热泵与常规能源联合干燥或作预干 根据热泵干燥的特点，对木材干燥而言，若要兼顾节能和高的干燥速率，今后的发展趋势是采用热泵与常规能源的联合干燥。目前在日本和加拿大用热泵与以蒸汽作能源的常规热风联合干燥的形式较多[10]，即首先采用传统热风干燥的方法对木材预热，当木材热透后进入干燥初期和中期，这两个阶段不需要高温，否则木材易开裂、变形，同时这段时间的空气湿度大，用热泵干燥节能显著。进入干燥后期，木材含水率低，干燥速率很小，需要提高干燥温度才能加大干燥速率，且在此阶段已不易发生干燥缺陷，故此阶段用常规热风干燥更合适。此外热泵（除湿）干燥作为常规干燥预干的趋势也较明显，即用热泵将木材干燥到含水率25％左右，再送至常规干燥室干燥
⑵ 建立集约化的木材干燥基地 从国际干燥技术总的发展趋向看[12]，各种联合（组合）干燥符合干燥技术发展趋势，但联合干燥初投资大，只有在集约化的大型干燥基地使用才能有效地降低干燥成本。木材干燥的集约化也是今后的发展趋势之一。据有关资料[13]报道，美国仅西佛利亚洲专营木材干燥的公司已达21％。
6 结束语
热泵干燥是一种有效的节能干燥技术，它安全、卫生，对环境无污染，是一种绿色干燥技术。热泵宜于干燥珍贵材、难干材，也适于干燥种子、水产品和热敏类化工原料等适于低温干燥的物料。它在气温高、潮湿的南方地区使用，其节能效果更显著。热泵今后的发展趋向是与常规能源的联合干燥或作为常规热风干燥的预干。热泵的规模化应用可能出现在大型集约化的干燥基地。
参考文献：
[1] Howood N Rosen et al（南华译）．2000年木材干燥方法展望［J］．北京林业工业,1989（２）:12～16． [2] 张璧光，等．除湿(热泵)干燥的节能分析［Ｊ］．林产工业，1995，2(6):35~38． [3] 张璧光，等．高温双热源除湿(热泵)干燥机的研制［Ｊ］．北京林业大学学报，1995，(增2):25~29． [4] 张璧光，乔启宇．热工学［Ｍ］．中国林业出版社，1992:227~232． [5] 刘元森．热泵设计和应用［Ｊ］．新能源，1983，7(5):15~20． [6] 姚才华，等．热泵木材干燥技术的新进展［Ｊ］．林业机械和木工设备，1999，27(11):7~9． [7] 张璧光．我国木材干燥技术现状与国内外发展趋势［Ｊ］ 北京林业大学学报，2002，24(5/6):262~266． [8] Paul Bannister et al．Heat Pump Dehumidifier Drying Technology-StatusPotential and Prospects 7th International Energy Agency Conference Beijing［Ｍ］．中国建筑工业出版社，2002:219~230． [9] R. Rose Heat Pump in Europe 7th International Energy Agency Conference Beijing［Ｍ］．中国建筑工业出版社，2002:47~53． [10] Takuoki Hisada Present State of the Wood Drying in Japan and Problems to be solved 7th International IUFRO Wood Drying ConfrenceJapan［Ｍ］．2001:2~13． [11] 赵寿岳．木材除湿(热泵)干燥技术特点及应用前景［Ｊ］．林业科技开发，1997，11(6):25~27． [12] A S Mujumdar et al. 干燥—研究和发展中的创新技术和趋向［Ｊ］．化工进展 1999(干燥专辑):2~9． [13] 王进武．对我国木材干燥事业的回顾与展望［Ｊ］．林产工业，1998，25(2):2~4．
Status and prospect of heat pump drying of wood ZHANG Bi-guang1，LI Yan-jun2 1.Beijing Forestry University material science and technology Institute ,Beijing 100083,China; 2.Zhejiang Forestry University，Linan 311300,China Keywords: wood drying； heat pump；status；prospect
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