多功能变工况热泵干燥装置的设计分析.CAJ
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收稿日期：2008-07-09基金项目：广东省科技厅项目资助（编号：2004B20401011）第一作者：李敏（1967－）女，硕士，副教授，主要从事水产品加工及贮藏工程的工艺和设备的研究。
多功能变工况热泵干燥装置的设计分析李 敏1，关志强2，张杰文1，刘 兰1（1. 广东海洋大学工程学院，湛江524025；2. 茂名学院，茂名525000）摘 要：设计了可同时实现开式、闭式和半开式干燥介质循环，可在干燥过程中转换工艺、调节工况的热泵干燥装置，以热泵工质 R134a 为例进行了1匹热泵干燥装置的设计计算，就同一装置在变工况下的性能进行理论分析。
结果表明，蒸发温度的提高可有效提高装置的性能及除湿能耗比，冷凝温度的降低可使装置的COP 值升高，除湿能耗比下降。
关键词：多功能；变工况；热泵干燥装置；COP 值；除湿能耗比中图分类号：TB6 文献标志码：A 文章编号：1673-9159(2008)06-0061-05The Design and Analysis of Multi-function VariableConditions of Heat Pump DryerLI Min 1，GUAN Zhi-qiang 2，ZHANG Jie-wen 1，LIU Lan 1(1.Guangdong Ocean University,Engineering College, Zhanjiang 524025；2.MaomingCollege,Maoming 525000，China )Abstract: A heat pump dryer which can be carried out as open, closed and semi-dry medium cycle at the same time was designed. The device can dry at the high-temperature, low and moderate temperature for the configuration of equipment, and change the drying process, and realize the drying process of warming - cooling - warming up. As the R134a has been used as a heat pump refrigerant, the design of the heat pump dryer was calculated. At last, the performance of the same equipment at the different conditions is analyzed. Results showed that the increase of evaporation temperature can effectively improve the performance of device and SMER, but the decrease of condensation temperature leads to the raise of COP, and the lower of SMER.Key words: multi-function; variable conditions; heat pump dryer; COP; SMER热泵是一种高效、节能的热回收装置。
它是以消耗少量高质能(机械能、电能等)或高温热能为代价的能量利用装置[1]。
由于热泵运转所需要的能量只是它提供的全部能量的一部分，因此具有显著的节能效果，对合理利用能源、减轻环境污染具有重大的意义。
将其应用于干燥过程可以同时利用蒸发器的降温去湿作用和冷凝器对空气放热作用，用含水量较低的干燥空气去干燥湿物料[2]。
与常规加热干燥方式相比，热泵干燥装置属于低温干燥，特别适用于热敏性物质的干燥，例如种子、茶叶、中药材以及生物制品和水产品等。
热泵干燥系统的形式较多，按照干燥介质(空气)的循环情况可分为开路式、部分乏气循环式和闭路式3 种[3,4] ，以适应不同物品对干燥介质参数的需要。
为强化不同类型农海产品的加工适应性，笔者参考文献[5]，自行开发了同一装置可以实现开式、半开式和闭式干燥介质循环系统，并可在干燥过程中转换干燥工艺（干冷互换），调节工况的热泵干燥装广 东 海 洋 大 学 学 报 第28卷 62置。
1 装置的方案设计及基本构成1.1 方案设计图及基本构成能实现开路式、半开路式和闭路式循环干燥介质循环的方案设计如图1所示。
装置按双冷凝器和和双蒸发器设计，并配有辅助加热器以提高装置的调节性能。
1，2，3：调节风门；4：挡板；5：冷凝器；6：电加热器；7：离心风机；8：干燥厢；9：蒸发器；10：压缩机；11：电动三通阀；12：辅助水冷冷凝器；13：热力膨胀阀；14：感温包图1 热泵干燥装置的方案设计Fig.1 Program design sketch of the Heat Pump Dryer1.2 设计方案说明如图1所示，当风门1、2、3全开时，挡板4关闭，形成开路式循环。
在开式热泵干燥装置中，进入干燥器的干燥介质全部来自环境，从干燥器内干燥物料后排出的废气经蒸发器也全部排入环境。
当1、2、4打开，3关闭时，形成半开路式循环。
所谓半开路式热泵干燥装置，就是进入干燥器的干燥介质一部分来自环境，另一部分来自干燥器排出的废气。
当风门1、2、3关闭，挡板4打开，形成闭路式循环。
封闭式热泵干燥装置，干燥介质在完全封闭的循环通道中循环。
本设计的干燥空气温度通过辅助冷凝器和电加热器调节在20℃～80℃之间，干燥室内风机装置变频装置可实现风速在0.1 m/s～3 m/s 范围内的调节。
装置可同时作为热回收热泵干燥,也可根据需要只采用电加热来实现高温热风干燥,也可作为冷冻箱使用，实现干冷互相,从而改善干燥工艺。
在干燥系统风管进出干燥箱的部位均设有温湿度测试仪和风速测试仪，可对风速和温湿度实行在线检测和适时记录，并设有物品温度在线测试，随时掌握物品所处的干燥阶段，以适时调整干燥过程的机组运行参数。
2 热泵系统的设计拟设计一台1匹容量的热泵干燥机组，用电能驱动。
根据湛江最冷月月平均温度为15℃，相对湿度为78%，所以按在最不利环境下工作，低温热源t L =15℃。
选热泵工质为R134a [6]，采用直接式，不用载热介质，干燥介质为空气。
根据要求，选高温热汇t H =45℃，传热温差为5℃。
2.1 热泵的循环特性计算根据干燥所需的热空气温度和环境温度，为保证热泵在最低环境温度下正常工作。
取循环参数如下[7,8]： 冷凝温度， t C = 50℃； 蒸发温度， t E = 5℃；冷凝器出口处工质温度t SC = 45℃（过冷度为5℃）；蒸发器出口处工质温度t SH = 10℃（过热度为5℃）；按工况作出相应的压焓图，如图2所示：图2 热泵循环的p －h 图 Fig.2 The p -h of the heat pump cycle热泵工质循环工况参数的确定，查文献[2]和计算得出相应的状态点的参数如表1所示。
2.2 压缩机的确定由于1匹压缩机的功率为735 W ，由此可求得热泵工质的质量流量，按式（1）计算得到质量流量q m 为0.023 kg/s 。
即P = q m (h 2-h 1’) ； （1）压缩机的输气量q v 按式（2）计算为4.388 m 3/h 。
1v m q q v ′=⋅ ； （2）表1 热泵介质循环参数Tab.1 State-point parameters of the heat pump medium状态点 压力/ kPa 焓值 /（kJ·kg -1） 比容/（m 3·kg -1）1 350 250.7 1ˊ 350 255.3 0.053 2（60℃） 2873 1318 1214 350 113.1 热泵蒸发器从干燥器排出空气中的吸热量按式（3）计算得Φe ＝3.27 kW 。
Φe 14()m q h h ′=⋅−； （3）热泵冷凝器加给干燥器进气空气的总热量Φc 按式（4）计算为4.0 kW ；Φc 23()m q h h ′=⋅−； （4）热泵理想循环制热系数按（5）式计算为5.442 。
εh = Φc /P ； （5）根据热泵工质及压缩机功率，输气量等参数选定压缩机。
2.3 翅片管冷凝器面积的确定翅片管冷凝器面积的确定，按式（6）计算为7.0 m 2。
11m F=(6)式中传热系数K 1按翅片管冷凝器计算所得，对数平均温差m t Δ按进出口空气的温度计算所得。
2.4 翅片管蒸发器面积的确定翅片管蒸发器面积的确定按式（7）计算为8.96 m 2。
即22mF =（7） 式中传热系数K 2按翅片管蒸发器计算所得，对数平均温差m t Δ按进出口空气的温度计算所得。
为了调节工况，系统中配置蒸发面积为10 m 2翅片管式蒸发器2个。
可满足系统在不同蒸发温度下工作的需要。
2.5 节流部件的确定由于热泵的制冷制热量不大,节流阀可采用内平衡式热力膨胀阀,按容量换算后选用热力膨胀阀PF2。
2.6 辅助部件的确定2.6.1 选定干燥过滤器 设计一小型热泵装置中的干燥过滤器，安装在节流部件前，冷凝器之后，目的是干燥制冷剂中的水分和过滤杂质。
取液态工质在过滤器中速度 v = 0.02 m/s ，由工质的质量流量q m = 0.023 kg/s ，算出过滤器的外径为36 mm ，干燥剂取粒状硅胶，两端有铜网，纱布等。
用网孔为0.1 mm 的铜丝网。
2.6.2 选定气液分离器 安装在蒸发器后，压缩机之前。
其功能是将出蒸发器，进压缩机气流中的液滴分离出来，防止压缩机发生液击现象。
设计一小型气液分离器，其结尺构尺寸为：直径100 mm ，高度80 mm 的筒体。
2.6.3 选定辅助冷凝器 选一冷却面积与主冷凝器一致的水冷冷凝器。
2.6.4 选定储液器 通常安装在冷凝器之后，用来储存冷凝器出来的工质液体。
其容量可按机组每小时工质循环量的1/3~1/2 确定。
计算得长h = 120 mm ，直径D = 80 mm 的筒型贮液器。
2.6.5 电磁阀选配 为了使系统适应几种运行方式便于调节工况和干燥工艺，在每个冷凝器之前均配置电磁阀，在节流部件之前和不同的蒸发器管组之前也配置电磁阀。
按配管通径选配FDF 型号的电磁阀。
3 干燥系统的设计 3.1 确定干燥器形状及计算参数的选定 干燥箱做成长方体形，其外壁绝热。
假设用来干燥罗非鱼，物料中水分含量可以用湿基湿含量表示，一般用w m 表示；其定义为物料中的水分质量m W 与物料的总物质质量m d 之比。
