閉式熱泵干燥系統(tǒng)運(yùn)行過程熱力學(xué)分析計(jì)算

王 芳

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閉式熱泵干燥系統(tǒng)運(yùn)行過程熱力學(xué)分析計(jì)算

王 芳

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710302）

利用閉式熱泵干燥系統(tǒng)研究了50℃下海棠果的干燥曲線，并對(duì)干燥過程中熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和?分析。新鮮海棠果干燥300min后其含水率由672%下降至194%，同時(shí)，系統(tǒng)的單位能耗除濕量也由1.99kg/kW下降至0.11kg/kW，且其趨勢(shì)幾乎與干燥速率的變化一致。通過對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行?損失和?效率計(jì)算，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)和干燥箱處的損失比例較大。

能量分析；?分析；閉式熱泵干燥系統(tǒng)；海棠果

0 引言

能源匱乏、環(huán)境污染等危機(jī)對(duì)各工藝過程都提出了新的時(shí)代要求，使得更多的科學(xué)家致力于尋求能源循環(huán)利用和提高能源利用效率的途徑。以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，對(duì)各環(huán)節(jié)的能量效率和?效率進(jìn)行計(jì)算，揭示能量在傳遞和轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)量特征變化和不可逆性，可以為設(shè)備和工藝改造提供方向[1,2]。

食物的腐敗大多由于其內(nèi)部微生物的大量繁殖導(dǎo)致的，而干燥可降低物料中的水分，有效地抑制微生物的生長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)食品的保存周期[3,4]。由于不同干燥技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，干燥領(lǐng)域呈現(xiàn)多元化，目前已知的干燥機(jī)有400多種，其中常用的有50多種[5]。另外，不同物料對(duì)干燥條件需求也不同，這些問題都導(dǎo)致干燥領(lǐng)域耗能的不均勻性。而干燥的耗能又是巨大的，約占整個(gè)工業(yè)能耗的10-25%[6]。所以有必要研究如何在低能耗低成本的前提下提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。

能量分析是在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)之上，忽略了能量的品質(zhì)高低，簡(jiǎn)單表征能量在數(shù)值大小上的守恒關(guān)系的分析方法，其可計(jì)算系統(tǒng)直接散失到環(huán)境的能量，而無法得到能量轉(zhuǎn)換過程能量品質(zhì)降低導(dǎo)致的內(nèi)部損失。衡量能量品質(zhì)的大小的確切指標(biāo)就是能量的?值。在除環(huán)境外無其他熱源的條件下，當(dāng)系統(tǒng)由任意狀態(tài)可逆地變化到與給定的環(huán)境相平衡的狀態(tài)時(shí)，能夠最大限度轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量，稱之為?[7]。?分析能在能量分析的基礎(chǔ)上，指出系統(tǒng)能量品質(zhì)下降最嚴(yán)重的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)指明一定的方向，保證高品質(zhì)能量的高效利用。

海棠果，可入藥，能祛風(fēng)濕、平肝舒筋，制成干果后可沖水飲用，具有良好的食療保健作用。在我國(guó)北方有大面積種植，但其果多用于新鮮食用，其干燥工藝尚不明確，本文以海棠果為待干物料，利用閉式熱泵干燥系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行干燥，研究干燥過程熱泵系統(tǒng)的耗能狀況，為進(jìn)一步的研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

圖1所示為閉式熱泵干燥系統(tǒng)原理圖。閉式熱泵干燥系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)和干燥介質(zhì)循環(huán)兩部分，干燥介質(zhì)在冷凝器處吸收制冷劑放熱，然后在蒸發(fā)器處再釋放給制冷劑。通常情況下，為分析方便，假設(shè)如下：在所研究的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行過程為穩(wěn)態(tài)；流體循環(huán)時(shí)中無動(dòng)能、勢(shì)能、化學(xué)能和核能變化；干燥空氣為理想氣體；空氣初始狀態(tài)參數(shù)0=25℃，0=101.3kPa和0=50.5%；制冷劑初始狀態(tài)參數(shù)為0=25℃和0=101.3kPa。另外不考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程各環(huán)節(jié)間的相互作用。

圖1 熱泵干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.1 質(zhì)量守恒

干燥過程質(zhì)量變化涉及熱泵系統(tǒng)內(nèi)制冷劑、干燥介質(zhì)以及水分蒸發(fā)和凝結(jié)，故質(zhì)量守恒方程可按表1所示計(jì)算。

表中，m是熱泵內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量，kg·s-1；m是干燥箱內(nèi)空氣的質(zhì)量流量，kg·s-1；m是干燥物料中水分的蒸發(fā)速率，kg·s-1；m是蒸發(fā)器處水蒸汽的冷凝速率，kg·s-1；下標(biāo)a，b，c表示干燥介質(zhì)分別位于冷凝器后，干燥物料后及蒸發(fā)器后的狀態(tài)。

表1 干燥過程質(zhì)量守恒公式

1.2 能量分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量平衡方程可表示如下：

具體為功、熱量和內(nèi)能時(shí)：

制冷劑的焓熵值可通過查表獲得，而對(duì)于濕空氣來說，其焓的計(jì)算可用下列公式：

h=CT＋ωh（6）

其中，表示相對(duì)濕度，%；0表示大氣壓，Pa；P表示干空氣分壓力，Pa；P表示水蒸汽分壓力，Pa。

單位能耗除濕量（SMER）主要用于衡量干燥系統(tǒng)的整體能量利用效率：

其中，M表示該階段初海棠果重量，kg；M表示該階段末海棠果重量，kg；表示該階段系統(tǒng)總耗功，kW。

1.3 ?分析

為了解工作過程系統(tǒng)能量的品質(zhì)變化，計(jì)算閉式熱泵干燥系統(tǒng)的不可逆性。計(jì)算方程形式如下：

具體為：

?效率是?值收益與支出之比，主要針對(duì)系統(tǒng)某一部件或過程，通常表示如下[115]：

干燥過程主要為液態(tài)水吸熱蒸發(fā)，所以Dincer和Sahin[8]將干燥過程的?效率為物料內(nèi)部水分蒸發(fā)所耗?與干燥空氣所提供?之比：

熱泵系統(tǒng)內(nèi)制冷劑循環(huán)流動(dòng)時(shí)比焓?計(jì)算公式：

ex=(-0)-0(-0) （14）

而因物料中水分蒸發(fā)而導(dǎo)致的比焓?為[9]：

其中，T是蒸發(fā)溫度，℃；h是T溫度下水的蒸發(fā)潛熱，kJ·kg-1。

本系統(tǒng)所用干燥介質(zhì)為濕空氣，其比焓?可用下面公式計(jì)算，具體參數(shù)只需代入相應(yīng)位置數(shù)據(jù)即可：

其中，ω、ω分別表示環(huán)境空氣、a處濕空氣中水分的相對(duì)濕度，%；是理想氣體常數(shù)，J·kg-1·K-1。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)所需海棠果采摘于天津市某所高校，選取大小相似無傷疤的新鮮樣品待用。將海棠果居中切開，平分為兩半，放于烘爐內(nèi)維持103℃，烘烤72小時(shí)后測(cè)定其初始含水率。試驗(yàn)時(shí)取5000g樣品平分為兩半后放入干燥箱內(nèi)，干燥300min。干燥溫度為50℃，并測(cè)定干燥過程制冷劑和干燥空氣的狀態(tài)參數(shù)用于后續(xù)分析。

3 結(jié)果和分析

3.1 干燥曲線及單位能耗除濕量

在閉式熱泵干燥箱內(nèi)干燥300分鐘后，海棠果含水率由初始的672%降至194%，其干燥曲線和單位能耗除濕量如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，初始階段海棠果的脫水速率近似為恒速，而隨著干燥的進(jìn)行，進(jìn)入到降速干燥階段。我們將研究該階段內(nèi)干燥系統(tǒng)的熱力學(xué)特性。系統(tǒng)的單位能耗除濕量隨干燥的進(jìn)行而不斷減小，從開始的1.99kg/kW下降至0.11kg/kW，很明顯是其趨勢(shì)幾乎與干燥速率的變化一致。

圖2 海棠果干燥曲線

圖3 干燥過程單位能耗除濕量變化圖

3.2 ?效率計(jì)算公式

閉式熱泵干燥過程可分為升溫環(huán)節(jié)和降溫環(huán)節(jié)，工作時(shí)不斷在兩者之間相互轉(zhuǎn)化，且不同環(huán)節(jié)工作部件略有不同，比如升溫時(shí)由壓縮機(jī)流出的高溫制冷劑進(jìn)入室內(nèi)冷凝器，而降溫時(shí)則進(jìn)入室外冷凝器，所以在計(jì)算效率時(shí)就分別進(jìn)行考慮，如表2所示。制冷劑流經(jīng)室內(nèi)冷凝器將熱量傳遞給干燥空氣，因此制冷劑放熱表現(xiàn)為?支出而干燥空氣吸熱表現(xiàn)為?收益，故室內(nèi)冷凝器處?效率計(jì)算公式如式（19）所示。對(duì)室外冷凝器而言，流經(jīng)的空氣重新歸于環(huán)境，在計(jì)算系統(tǒng)能量變化時(shí)可不考慮其?值變化，只需計(jì)算冷凝器內(nèi)的制冷劑的?變化和?效率。

表2 系統(tǒng)各部件的?效率計(jì)算公式

3.3 分析結(jié)果討論

前面分析海棠果干燥曲線可知，海棠果的含水率和干燥速率不斷下降，使得系統(tǒng)除濕量下降，會(huì)對(duì)干燥箱內(nèi)干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度造成影響。干燥初期，物料中含有大量液態(tài)水，吸熱蒸發(fā)后進(jìn)入空氣，導(dǎo)致空氣溫濕度劇烈變化；隨著物料中水分含量降低，蒸發(fā)進(jìn)入空氣的水分也隨之降低，同時(shí)物料吸熱能力也降低，使得干燥后期空氣的參數(shù)變化趨于不明顯。

本文所計(jì)算數(shù)據(jù)為干燥進(jìn)行150min后采集的系統(tǒng)各部位參數(shù)計(jì)算所得，包括?損失和?效率，如表3所示。按系統(tǒng)運(yùn)行特性將計(jì)算過程按升降溫分成兩個(gè)階段。很明顯，升溫過程各部件?損失由大到小依次為壓縮機(jī)、干燥箱、蒸發(fā)器、電子膨脹閥和冷凝器，壓縮機(jī)和干燥箱處?損失之和占總?損失的67.6%。而降溫過程?損失最嚴(yán)重的是干燥箱，其次為壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電子膨脹閥和冷凝器，壓縮機(jī)和干燥箱處?損失之和占總?損失的73.2%。比較發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程蒸發(fā)器的?效率都是最低的，這點(diǎn)與Erbya和Hepbasli的研究相吻合[6]。

表3 閉式熱泵干燥系統(tǒng)?分析計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算可知，與普通熱泵系統(tǒng)相比，熱泵干燥過程系統(tǒng)增加了干燥箱內(nèi)因物料內(nèi)部水分蒸發(fā)及擴(kuò)散的?損失。因此提高系統(tǒng)的整體?效率的途徑主要有以下幾方面：（1）采用高效換熱器，盡量減小制冷劑與空氣換熱溫差；（2）減小節(jié)流前后壓差，并降低進(jìn)入電子膨脹閥的制冷劑溫度，有助于減小節(jié)流過程?損失；（3）采用高效壓縮機(jī)，降低壓縮機(jī)出口溫度等降低壓縮過程的?損失；（4）提高干燥箱的絕熱和密封特性，避免熱量擴(kuò)散入環(huán)境，以及設(shè)置合理的空氣循環(huán)速率，都有助于提高干燥箱?效率。有些部件?效率低，但整體?損失小，改進(jìn)后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率影響不大，因此在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)必須結(jié)合各部件特性及系統(tǒng)升降溫運(yùn)行時(shí)間比例進(jìn)行綜合考慮，將重點(diǎn)考慮損失大的干燥箱和壓縮機(jī)。

4 結(jié)論

本文以海棠果50℃下的干燥特性為基礎(chǔ)，分別計(jì)算了閉式熱泵干燥系統(tǒng)的單位能耗除濕量和各部件的?損失和?效率，分析了系統(tǒng)的用能特性和薄弱部件，并針對(duì)特點(diǎn)提出了一些可行的改進(jìn)方法，為進(jìn)一步的提高閉式熱泵干燥系統(tǒng)的能量利用效率提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

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Thermal Characteristics of a Closed-loop Heat Pump Dryer for Plum-leaf Crab Drying

Wang Fang

( Shanxi Inititute of Technology, Xi’an, 710302 )

We investigated the drying curve of plum-leaf crab at 50 in a closed-loop heat pump dryer, and analyzed the energy and exergy efficiencies of the system. The fresh plum-leaf crab with initial moisture content of 672% was dried down to 194% dry basis after 300 minutes. And the SMER decreased from 1.99kg/kW to 0.11kg/kW, which was accordance with the drying rate of plum-leaf crab. By the analysis of exergy destruction and efficiency, we found that the compressor and drying chamber were the key point to improve the whole efficiency of system.

energy analysis; exergy analysis; closed-loop heat pump dryer; plum-leaf crab

1671-6612（2018）01-086-05

TU83

A

王 芳（1981-），女，講師，E-mail：wangfang9902@163.com

2017-06-12