热泵干燥技术

热泵干燥技术

摘要：热泵是一种高效、节能装置，应用于干燥过程可以降低能耗，对于缓解我国能源紧张局面具有重要意义。为此，本文将介绍了热泵干燥系统的组成；指出了热泵干燥技术具有提高产品干燥品质、易于控制和环境友好等特点，可用于木材、谷物、茶叶、种子和食品等物料的干燥；根据目前热泵干燥技术存在的干燥速率低等问题，分析了热泵干燥技术的发展趋势。

关键词：热泵干燥技术；不足；高效节能；发展趋势；特点

Abstract: the pump is a kind of high efficiency, energy saving device, used in dry process can reduce energy consumption, in China's energy for alleviating tension to have the important meaning. Therefore, this paper introduces the composition of dry heat pump system; Points out that the heat pump technology has the dry improve product quality, easy to

control the dry and environment friendly and other characteristics, can be used in wood, grain, tea, seeds and food material such as dry;

According to the current dry heat pump technology in the drying rate of low, analyses the development trend of the technology of dry. Key words: dry heat pump technology; Insufficient; High efficiency and energy saving; Development tendency; characteristics

1引言

干燥工艺是最古老的单元操作之一,广泛应用于国民经济各个领域。干燥行业是耗能较大的产业,在发达国家,大约10%～20%的燃料应用于干燥工艺[1]。随着社会和科学技术的不断发展,热泵技术逐渐应用于干燥领域。热泵的最早应用出现于20世纪20年代,到了50年代,才作为商品出现在市场上。但是,早期由于产品销售

价高、可靠性差等原因,使热泵生产发展缓慢。70年代,随着石油危机的出现和热泵技术本身的不断改进和完善,热泵又以其独特的优势重新进入市场。热泵干燥技术因为具有高效节能、成本较低、不污染环境、能对干燥介质的温度、湿度、气流速度进行准确独立控制，并且干燥质量也好,因而已广泛应用于木材干燥、种子干燥、食品加工、陶瓷烘焙、纺织行业等领域。

2. 热泵干燥原理

热泵从低温热源吸取热量,使低品位热能转化为高品位热能，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。热泵干燥系统由两个子系统组成：制冷剂回路和干燥介质回路。制冷剂回路由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀组成。系统工作时，热泵压缩机做功并利用蒸发器回收低品位热能，在冷凝器中则使之升高为高品位热能。热泵工质在蒸发器内吸收干燥室排出的热空气中的部分余热，蒸发变成蒸气，经压缩机压缩后进入冷凝器中冷凝，并将热量传给空气。由冷凝出来的热空气再进入干燥室，对湿物料进行干燥出干燥室的湿空气再经蒸发器将部分显热和潜传给工质，达到回收余热的目的;同时，湿空气的度降至露点析出冷凝水，达到除湿的目的。干燥质回路主要有干燥室与风机。热泵干燥系统原理图1所示。

3.1 节约能源

节约能源是热泵最初应用的出发点，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。

3.2 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%。Van Blarcom和Mason的试验表明，即使在50℃下，采用热泵干燥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。

3.3 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精确、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。

3.4 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，热泵对全球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(1996 Odilio)。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。

4.1木材的干燥

木材的干燥加工,是较早成功应用热泵干燥技术的领域,虽然用热泵干燥技术干燥木材所需时间较常规气流干燥法耗时多,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—。特别是对那些商业价值高、干燥难度大的“难干木材”,例如,澳大利亚的红山毛榉、硬山毛榉等,更适合于热泵干燥。我国20世纪80年代首先在木材加工中引入热泵干燥技术,目前热泵干燥法已被全国许多地区的木材加工企业广泛使用,木材热泵干燥设备的生产现已完全立足于国内。

4.2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,日本科学家利用热泵干燥技术对谷物进行的干燥试验表明:从谷物中除去1%水,平均能耗为2 063kJ;俄罗斯科学家的试验数据为1 624kJ,均低于常规气流干燥法的平均能耗;GiocoM指出, 1982、1983、1984 3个年度的生产试验证明:热泵干燥技术应用于谷物干燥较常规气流干燥法平均节能约30%,最多可节能50%。目前在英国、德国等发达国家热泵干燥技术已在谷物干燥加工生产实际中得到广泛应用。

4.3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,用热泵干燥机分别对玉米、大豆、稻谷种子进行了干燥试验研究,结果表明:热泵干燥技术是一种很适合各种子干燥加工的技术,它不仅能保持种子的品质,和日晒相比,还可使种子发芽率提高5%。上海市能源研究所于1992年研制了热泵式粮食种子干燥装置,试验结果表明:(1)能耗经多次测试为1 700～2 500kJ/kgH2O,明显低于常规干燥的能耗;(2)发芽率有一定的提高。

4.4食品物料的干燥

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,可得与冷冻干燥相近的产品。热泵干燥食

品物料时其干燥温度能在-20～60℃范围内调节,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。Chua.et.al1(2000)应用他们自己设计的二级蒸发热泵干燥系统,根据不同的农产品品种,设计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维生素C《粮油加工与食品机械》2004年第4期的损失分别下降87%和20%。近年来国外采用热泵干燥食品物料的应用研究如表

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5.热泵干燥现存的问题和发展趋势

热泵干燥技术虽然具有节能、干燥温度低等优点,但存在干燥时间长,维护要求较高等问题。

5.1存在问题

5.1.1干燥时间长受其工作原理的限制,热泵干燥温度一般在45~60[5]之间.在干燥加工中,为了保证产品品质,一般采用较低干燥温度,使干燥速率下降,生产能力降低,从而延长了干燥时间.为了缩短干燥时间,必须提高干燥温度,必须提高压缩机的压缩比以增大冷凝压力,但这样会对压缩机产生负面影响,而且热泵系统性能也会因此下降.此外,热泵干燥机采用的是空气闭式循环方式,虽然提高了能量利用率,但压缩机却始终处于高温高湿状态,这样就对压缩机的性能及可靠性提出了很高的要求,目前国产的制冷压缩机还不能满足这样的要求.

5.1.2能级消耗高热泵干燥技术过程消耗的是能级最高的电能,不少学者认为热泵干燥节约了能源,但从经济上分析未必合算.因此,从热力学第一定律和热力学第二定律出发,将能量的质量和数量加以统一的度量标准.按能量的做功能力大小作为衡量能量的统一尺度,来分析热泵干燥过程能量的利用程度是很有必要的。

5.1.3制冷剂泄漏,影响环境由于采用了加压系统,若管路发生开裂,则制冷剂会泄漏到环境中[4].一旦发生泄漏,热泵循环系统的压力明显下降,干燥机的工况将受到影响,消耗臭氧的制冷剂CFCs会影响环境.

5.1.4维护要求较高热泵干燥机的压缩机、制冷剂过滤器、热交换器等装置均要求定期进行维护、检修,以保证干燥机处于优良的工作状态.制冷剂发生泄漏时应及时补充或更换,否则热泵循环系统将受到较大影响。

5.1.5干燥规模小同蒸汽锅炉规模相比,热泵干

燥规模小.如木材干燥,用蒸汽干燥,最大干燥房可达300 m2以上,而热泵干燥最大为100m2

5.2目前热泵干燥技术的研究与发展，主要集中在以下几个方面:

5.2.1关于热泵干燥机组设计、性能、干燥介质、新产品等的研究。①提高干燥温度。提高热泵的干燥温度是目前的主要课题。通过加装辅助加热系统，使通过冷凝器的空气进一步加热以提高干燥温度，是目前广泛采用的方式之一。②采用新型绿色热泵工质，应用高温高压压缩机，提高其冷凝温度，从而满足较高的干燥温度要求。其中制约压缩机发展的两个主要因素是热泵工质和润滑油，无油润滑压缩机也是一个发展方向。目前已有学者进行了这方面的尝试并取得了初步进展，证明这个途径是可行有效的。③研究开发新产品。为在供电不足或供电设施不全地区使用热泵干燥技术，开发基于电机以外的其它动力驱动的热泵干燥装置具有重要意义。④改进热泵性能。通过应用高效换热器来提高热泵效率和脱水能力。

5.2.2联合式、辅助热源热泵干燥系统的开发研究，特别是太阳能热泵干燥系统极有发展潜力。①多用途热泵系统开发与应用。根据生产实际，调整热泵系统的模块组合，从而使之具有干燥、空气调节、冷冻储藏等多种功能。②与其它干燥方式联合应用。在热泵干燥装置中采用高频电磁波或红外加热等作为辅助加热源，这

样既提高了干燥速度和温度，又减小了热泵干燥装置本身的热负载量。③太阳能、地热及废热等可再生或低品位能源在干燥领域的应用成为研究热点。

5.2.3自动控制、信息技术、模拟技术等的发展为热泵干燥机组性能进一步优化创造了条件。干燥加工是一个复杂多变的过程，根据物料脱水情况及环境状况实时调控干燥工艺参数，有利于提高能量利用率及产品品质。热泵干燥装置既可以调节干燥介质湿度又可以调节干燥介质的温度。因此，可将现代检测、传感及控制技术结合起来应用于热泵干燥加工，实现对干燥加工过程的全自动人工智能实时控制，以降低操作成本和提高干燥品质。

5 结束语

热泵干燥技术具有干燥除湿快、热效率高和显著的节能效果,在常温下即可获得较为理想的干燥速度,既大幅度节省了资源,又提高了产品的质量,经济效益显著,并可消除废气和噪声的污染,改善了工作环境,从而受到广泛关注,但同时热泵干燥所存在的问题需要逐步得以解决.提高干燥温度,开发新型热泵干燥系统,广泛应用现代测试技术、传感技术以及自动控制技术,将是热泵干燥技术今后的主要发展方向.同时,我国是能源短缺的农业大国,有大量农产品需要储藏和运输,热泵干燥技术将有广阔的发展前景.

6 参考文献

[1] 张宏飞，张联英 热泵干燥技术研究现状及发展趋势（西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西710049）

[2] 余克明 热泵干燥技术的发展及其应用的前景(上海桑菱环境能源研究所,上海 200040) 王 崎 (厦门均和评估咨询有限公司,厦门 361004)

[3] 张绪坤 毛志怀 赵有斌 热泵干燥技术的现状与发展 (11中国农业大学工学院 21中国包装和食品机械总公司)

[4] 谢英柏，宋蕾娜，杨先亮 热泵干燥技术的应用及其发展趋势（华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003）

[5] 刘贵珊,何建国,韩小珍,张海波 热泵干燥技术的应用现状与发展展望(1.宁夏大学农学院,银川750021;2.盐池县林业科,宁夏盐池751500)