近几年来,干燥技术在农产品的加工过程中应用广泛,目前我国是全球果蔬等农产品产量最高的国家。
干燥也是众多农产品必要的处理加工环节,其目的是为了在保证农产品品质特性的基础上除去农产品中多余的水分,干制处理后的农产品便于加工、贮藏、运输和使用。
热泵干燥系统按干燥气体的循环情况可分为闭式、开式和半开式三种形式。其中闭式热泵干燥系统在干燥过程中不与外界空气进行交换,在提升干燥品质和节能方面有显著的优势[1]。
热泵干燥技术近年来发展迅速,其在农产品加工、烟草药材茶叶烘干、陶瓷烘焙等领域已经广泛应用。
针对闭式系统应用,机组的加热能力和除湿能力是用户尤为重视的,机组升温能力取决于两器配比,大多数厂家都会在能力和性价比上权衡两器的合适配比;而关于除湿能力,则可优化的因素更多,以下就由小编浅显地做些介绍。
机组蒸发器除湿能力设计工况往往只对应干燥过程中的某一阶段湿空气参数,该工况下取得最优除湿状态,其他工况下除湿能力并非最优,有时甚至不能除去空气中的水分。
譬如高温低湿工况,蒸发温度可能超过露点温度。这时除了节流阀的调节外,还可通过将回风温度预冷或者改变通过除湿蒸发器的风量来调节蒸发温度,以保证除湿能力。
回风温度预冷一般采用交叉逆流板式热交换器进行预冷,其风道流路如图所示;
在烘干除湿系统中,关于进蒸发器前的空气预冷原则是将温度降到露点温度为最低;而关于评价该换热芯体优劣的主要指标则是该芯体的换热效率,计算公式如下:
目前,其质量较好的换热芯体效率能做到60%以上。
改变通过蒸发器风量一般有采用变频风机或者风道旁通方案,而闭式除湿系统一般是冷凝器和蒸发器在同一风道,采用变频风机改小风量时会导致冷凝器风量偏小,故更多的是采用风道旁通方案。而旁通的风量用旁通率来衡量,即未流经蒸发器的风量与流经蒸发器的风量的比值。旁通率增大,通过蒸发器的风量减少,则相应蒸发温度可以低于露点温度,需冷却的空气量也随之减少,在制冷量变化不大的情况下,除湿能力增加。
其中,国内关于热泵干燥除湿效率方面的研究。张振涛在研究中给出了两级压缩高温热泵空气旁通率理论的计算方法和露点温差理论,并指出干燥热泵的制冷量、压缩机功率等参数以及中间换热器的换热量都与系统的空气旁通率成线性关系[2]。
张绪坤等经试验研究发现:开式热泵干燥机组和半开式机组,蒸发器除湿效率一般,随着经过蒸发器的高温高湿废气越多,蒸发器表面经冷却析出水的速率逐渐提高;并指出,闭式烘干机组烘干过程中,空气旁通率对除湿能耗比影响大,当空气旁通率为0.4和0.6时,除湿能耗比最低[3]。
从除湿量与制冷量、风量及温差的验公式[4]看,除湿量跟制冷量成正比、与风量和进出风温差成反比,系统的制冷量和功率又同时跟蒸发风量和进出风温度正相关,因此并不是旁通率越大越好,每个阶段的湿空气参数都对应着一个最佳的空气旁通率;同时,最佳的旁通率提升了除湿量,系统的性能也会有一定量的提升。
M--烘干机的除湿量(kg/h)
Q/V--制冷量和通过蒸发器的风量,单位分别是W和m³/h
t进、t出--进、 出风干球温度,单位是℃
按某烤烟除湿工况计算为例:
干球温度50℃,湿球温度39℃,露点温度37℃,压缩机选用英华特YW132J1-100;
其中,蒸发器进出风温差7℃,T进-T出=7;代入公式(2),求得:
T进=32.5℃;T出=39.5℃;预设计蒸发温度在25℃左右;
此时YW132J1-100压缩机制冷量为22kw;则该工况下的除湿量为:
综上所述,在提升闭式烘干系统除湿能力的研究中,有以下关键的因素:
1、最优的蒸发温度,一般是略低于露点温度,使得系统制冷量最大;
2、最优旁通率,使得在不同湿空气参数下,可以保证蒸发温度与露点温度的差值以及系统制冷量最优平衡;
3、还需考虑流经蒸发器风速、风道风阻等参数对冷凝水凝结以及风量的影响。
参考文献
[1] 黄佳兵。闭式热泵干燥系统除湿性能与调控技术研究[D].广州:广州大学,2018.
[2] 张振涛.两级压缩高温热泵干燥木材的研究[D].南京:南京林业大学,2008.
[3] 张绪坤.热泵干燥系统性能试验研究[J].农业工程学报,2006,(22):4.
[4]管善建。广东地区空调器除湿量简易计算公式[J].制冷,1996(03):83-84.