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【摘要】热泵干燥能回收干燥废气中的潜热和显热,具有显著的节能效果。热泵干燥已广泛应用于谷物、种子及食品物料的干燥。本研究设计了一套热泵流化床干燥机,压缩机5马力,制冷工质为R22,并以胡萝卜丁为原料进行干燥实验。实验表明,在流化床干燥过程中,物料悬浮在空气中并不断翻滚,使得物料表面滞留边界层厚度变小,减少了传热与传质阻力,所以热泵流化床干燥强度比箱式热泵干燥效率高,干燥时间短。
【关键词】热泵;流化床;干燥
干燥是耗能较大的工艺过程,在发达国家,大约10%的燃料用于干燥,因此合理的工艺和设备对干燥过程的节能是至关重要的。热泵干燥具有热效率高、节能、干燥温度低、卫生安全、环境友好等特点,特别适合于谷物、种子及食品原料等热敏性物料的干燥。日本科学家利用热泵对谷物进行的干燥实验表明:从谷物中除去1㎏水,平均能耗为2063kJ;俄罗斯科学家的实验数据为1624kJ,均低于常规气流干燥法的平均能耗;
GiocoM1982、1983、1984三个年度的生产实验证明:热泵干燥应用于谷物干燥较常规气流干燥法节能约30%,zui多可节能50%,目前在英国、德国等发达国家热泵干燥已在谷物干燥加工生产实际中得已广泛应用。用热泵干燥机分别对玉米、大豆、稻谷种子进行了干燥实验研究,
结果表明:热泵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%。但是,目前应用的热泵干燥装置大多为箱式结构,干燥室内的传热和传质效率低,干燥不均匀,使得干燥时间长达12~16h。长时间的干燥过程导致微生物污染产品,
影响产品质量。采用热泵流化床干燥装置能进一步发挥热泵低温干燥和流化床干燥的优势,提高干燥效率,缩短干燥时间。
1热泵干燥的原理
热泵干燥装置由热泵和干燥器两大系统组成。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。热泵系统内的工作介质（简称工质）,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。
由于热泵干燥的实质也是对流干燥,同样存在传热传质效率的问题。干燥过程不仅涉及到热泵除湿单元的效率,干燥介质（空气）
在干燥室内的传热传质效率的提高同样能提高整个干燥系统的效能。在干燥系统中采用流化床干燥器,由于颗粒悬浮于干燥介质中,因而干燥介质与固体接触面积较大,加上物料剧烈搅动,大大地减少了气膜阻力,因而传热传质效率高。
2.热泵流化床干燥机的设计
2.1热泵流化床干燥机的设计原则为了能对热泵流化床干燥机进行全面的试验研究,干燥机的设计应遵循下面的设计原则:
（1）根据现代设计理念,采用积木式结构,各单元相互独立,按需要进行组装;
（2）为模拟不同的干燥工艺和热泵不同的运行工况,干燥介质（空气）的主要参数（温度、速度和湿度）可在一定的范围内进行调节,并能实时测量;
（3）为了能够对热泵流化床干燥机组进行开路式、半开路式和闭路式循环试验研究,试验装置应能实现各种循环的相互切换;
（4）试验装置中压缩机的转速、空气循环风机的转速采用变频器进行调节。
根据上述的设计原则,设计了一套热泵流化床干燥机组,其主要由热泵（制冷）
系统（全封闭压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、过滤器等）和干燥介质（空气）回路（离心风机、干燥器、加热器及管路等）
组成。热泵流化床干燥机的工作原理如图2
所示。干燥管路中阀门及空气进出口处的调节门可以调节干燥室内的空气的流速。干燥室内的风速可在0.5~3m/s范围内任意调节,
能满足不同的干燥工艺要求。
热泵干燥装置的基本流程为开路式、半开路式和闭路式3种,为了能够对热泵干燥系统3种主要循环进行对比实验,
本装置可通过调节各风门、挡板来完成。为了保证
系统在运行时,减少干燥高温段的热量损失,制冷低温段的冷量损失,对热泵干燥系统进行了全面保温隔热处理。
2.2热泵单元的热力计算
2.2.1热泵干燥空气循环系统的分析计算
热泵干燥过程中空气（干燥介质）的循环过程,可以在湿空气图上绘出,如图3所示。点a为干燥室的进风状态点,点b
为干燥室出风状态点,点c为经过热泵蒸发器除湿降温后的空气状态点。过程ca是空气在热泵冷凝器的加热过程,
在该过程中空气的含湿量保持不变,故为等含湿量的加热过程;过程ab是空气在干燥室内吸收被干燥物料的湿分,
若假设干燥室与外界的换热忽略不计,则该过程可视为等焓加湿过程;bc是循环空气在蒸发器的降温除湿过程,
实际过程中循环空气历经了bb`c途径,先降温,后去湿。
由上面的分析可知蒸发器所需的冷量为:
Q冷=G·（hb-hc）（1）
而冷凝器所需的热量为:
Q热=G·（ha-hc）（2）
这样,若忽略干燥室产生的各种热量损失,即ha=hb,则有Q冷=Q热。
实际过程中,干燥室与外界必然存在一定的热交换,干燥室四周与外界进行的热量交换以及进、出料温差导致的热量交换。一般说来,
当干燥室风温高于所处环境温度时,干燥室向外散发热量,有ha<hb;而当干燥室风温低于环境温度时,干燥室从外界吸取热量,
有ha>hb。
为保证热泵干燥系统能正常、稳定运行,防止热泵运行过程中蒸发器产生结霜而降低蒸发器的传热效果,通常取c
点的空气设计温度为5℃。显然有Φc=100%,c点的其他状态参数查空气的h-d图,可得:
hc=18.5kg/kgdc=5.4g/kg
对a点,有da=dc=5.4g/kg,而取ta=30℃,则a点的状态参数为:
ha=44kJ/kgΦa=12.5%
对b点,有ha=hb=44kJ/kg,而da的大小取决于循环空气量G
和干燥过程中在干燥室内空气从被干物料内吸取的水分W,db=da+（W/G）×1000。
按干燥装置初步设计方案,一次加料为25kg,6h内将胡萝卜丁等物料由含水90%左右干燥到20%以下,
放出总的水分是21.875kg,则W=21.875/6=3.646kg/h。
取G=3200kg/h,则有
Q冷=Q热=Q·（ha-hc）=3200×（44-18.5）=81600kJ/h
2.2.2热泵制冷循环的热力计算
单级蒸气压缩式热泵制冷循环各工作过程其内部工质循环的热力过程如图4所示。
根据设计要求,本干燥机的热泵单元采用一台压缩机完成对循环空气进行冷却除湿及加热任务。取蒸发温度为1.0℃,冷凝温度为40℃,
其他参数可由文献的图表查得,热泵的设计工况及设计计算结果分别见表1和表2。
2.2.3主要部件的选用
（1）干燥器
本干燥设备的干燥机为卧式多室流化床干燥器。底部为多孔板,面积为0.36m2（长度1.2m,宽度0.3m）,
孔径为Φ2.0mm,开孔率为8%。筛板上方有竖向挡板,把流化床分隔成4个小室。每挡板均可上下移动,
以调节其与筛板之间的距离。每一小室下部有一进气支管,支管上有调节气体流量的阀门。
（2）冷凝机组
冷凝机组包括压缩机、冷凝器、贮液罐等设备,其中压缩机是关键部件。考虑到运转稳定、维修方便,通过计算和分析对比,
我们选用了“百年泰康制冷设备（上海）有限公司”生产的TAG4561THR型,配套动力为3.7kW的全封闭式压缩机机组。
（3）蒸发器
根据装置的特性,自行设计,委托国内制冷企业加工制造,既保证了装置的性能接近进口设备,又显著地降低了造价。
（4）主风机
主循环风机根据干燥设备的特点,选用了额定功率为5.5kW,流量为2198~3847m3/h,风压为2940~3
851.4Pa水柱的9-26.No.4A型风机。主循环风机的实际风压和流量可通过变频器调节。
3热泵流化床干燥试验
3.1试验材料
1.材料:试验用的胡萝卜从农贸市场购得,
试验样品要求新鲜无腐烂的红皮胡萝卜。选用胡萝卜作为试验原料主要考虑是价格便宜、原料受季节影响少及物料具有典型性。
2.胡萝卜干燥试验前的预处理工艺为:
原料挑选、整理→清洗→切除根梢→切条→切丁（6mm×6mm×10mm）→5
倍的水中微沸漂烫→迅速冷却→沥水→按干燥要求均匀放在流化床筛板上。
3.2测试方法
（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WSB―005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）含水率的测定:常压烘箱干燥法。即在105℃下8h一次烘干法,检测样品的水分。
3.3试验结果
图5是一典型胡萝卜丁的热泵流化干燥曲线。试验条件是:干燥温度40℃、干燥介质空气相对湿度24.5%,原料为胡萝卜丁（
6mm×6mm×10mm）。从图中可以看出自0~0.5h有一个明显的恒速干燥段,这是因为胡萝卜在开始干燥时其表面有大量的附着水,
此时物料内部的水分变化不大。0.5～4.0h为降速区,物料的含水率呈现明显下降,4h以后,干燥速度非常小,
胡萝卜内部水分变化很慢。特别
是到了干燥的后期,
含水率从20%降到10%需要4~5h,这是低温干燥难以解决的问题。但是热泵流化床组合干燥比热泵箱式干燥缩短了很多时间,一般在9h内,
能将胡萝卜的含水率从90%左右干燥到10%以下。
干燥试验条件为进干燥室空气的温度38℃,空气相对湿度35%,穿流干燥时胡萝卜片的厚度为3mm,
而流化床干燥时胡萝卜丁的尺度为6mm×6mm×10mm。流化床干燥时循环主风机的频率分别为45Hz、40Hz及35Hz,
以保证物料处于正常流化状态。穿流干燥时循环主风机的频率分别为40Hz、35Hz和32Hz,以保证物料不被吹起。从图6可以看出,
在流化床干燥过程中,胡萝卜丁悬浮在空气中并不断翻滚,使得物料表面滞留边界层厚度变小,减少了传热与传质阻力,
所以流化床干燥强度比穿流干燥高。
热泵流化床干燥风机消耗的电能和系统总的耗电对比如图7所示,风机的耗能接近系统总耗能的50%。这是因为在流化床干燥过程中,为了保持物料在干燥时始终保持流化状态,必须使干燥介质（空气）有较高的压力和速度。因此,循环风机消耗的电能所占的比例较大。
4结论
（1）设计了一套热泵流化床干燥组合干燥试验装置,并对胡萝卜丁进行了流化干燥试验。试验表明,
将胡萝卜的含水率从90%左右干燥到10%以下,只需要9h,比箱式热泵干燥的干燥时间要短,适合于高水分果蔬类物料的干燥。
（2）以胡萝卜为原料进行了热泵流化床干燥和穿流干燥的对比试验。试验表明,在流化床干燥过程中,
胡萝卜丁悬浮在空气中并不断翻滚,使得物料表面滞留边界层厚度变小,减少了传热与传质阻力,所以流化床干燥强度比穿流干燥高。
（3）热泵流化床干燥过程中,为保证在干燥时物料能处于流化状态必须要求循环空气有一定的压力和流量,
主循环风机的动力消耗较大。实验结果表明,循环风机的能耗占系统总能耗的50%左右。因此,
对于热泵流化床干燥装置如何降低压缩机以外的辅助设备的能耗值得关注。
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