热泵干燥技术的现状与发展
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热泵干燥技术的现状与发展张绪坤1毛志怀1赵有斌2(1.中国农业大学工学院2中国包装和食品机械总公司)泵干燥技术的应用现状和今后的发展趋势作了简单的阐述。

  干燥技术广泛应用于国民经济各个领域。同时,干燥也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。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。采用热泵技术对物料进行干燥是近期发展起来的一种节能效果明显而又切实可行的新方法。

  1热泵干燥技术的优缺点1。1热泵干燥技术的优点1。1节约能源热泵技术的热效率十分明显,1份电能可转换3~4份热能。热泵干燥过程是在封闭的系统内进行的。热泵系统内的工质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。干燥过程中不但回收了废气中的显热,而且回收了废气中的潜热。热能损耗仅限于系统的热阻和热漏,这是其他干燥技术无法相比的。

  1.1.2干燥参数易于控制热泵干燥过程中循环空气的温度、湿度及循环流量可精确、有效地控制,因此热泵干燥适合于热敏性物料的干燥,干燥成品的质量比一般对流干燥高。

  1。1。3干燥条件可调节范围宽热泵干燥的温度调节范围在(加辅助加热装置),相对湿度调节范围在15%~80%。较宽的调节范围使热泵能适合于多种物料的干燥加工。

  1。1。4干燥产品品质好由于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,使被干物品的品质好、色泽好、产品等级高。

  5生产效率高、运行费用低热泵干燥可24h不停地运转,保持24h都能干燥加工出产品。所以,热泵干燥虽然一次性投资大,但其生产效率高、运行成本低,故而总的费用反而减少了。

  1.2热泵干燥的缺点1环境保护问题大部分的热泵干燥装置使用的制冷剂仍是CFCs,此类物质对地球大气臭氧层的破坏引起环境专家的极大关注。针对这一问题,人们已开始应用对环境影响少的HCFCs类制冷剂或氨和水等自然制冷剂。这样就减少因环境问题给热泵干燥的应用带来的不利影响。

  1.2.2维修保养问题由于制冷工质的泄漏会对热泵系统的工作性能造成很大的影响,为了保持热泵干燥装置处于最佳工作状态,因此必须定期对压缩机、过滤器、冷凝器、蒸发器等进行保养维护。一旦发现制冷工质的泄漏,就应及时补充。对热泵干燥系统泄漏的检查是一项要求高、技术性强的工作,对维修人员的技术水平有一定要求……食品科技*粮油加工与食品机械2热泵干燥技术研究的新进展2.1相变材料应用于热泵干燥的试验研宄浙江大学制冷及低温工程研宄所王剑锋、欧阳应秀等人进行了相变材料应用于热泵干燥的试验研宄,指出相变材料应用于热泵干燥后期具有明显的节能效果。当干燥温度为45物料的平均质量百分比为24.3%时,放置相变材料,干燥节能21.9%.当干燥温度为50C物料的平均质量百分比为35.3%时,放置相变材料,干燥节能36.5%.针对不同的干燥物料,于适当的干燥期间在系统中放置相变材料,可以实现既保持一定的干燥除湿速度,又能节省热泵干燥系统需要消耗的电能。

  2二级蒸发热泵干燥系统的研宄国立新加坡大学机械工程系的K.J.Chua等人进行了两级蒸发热泵干燥试验,试验表明二级蒸发热泵干燥系统可在较大范围内改变干燥系统的温度和相对湿度,并能提高系统的操作系数(COP),节约能耗。二级蒸发热泵干燥系统的工作原理就是把来自冷凝器的制冷工质分成两部分,一部分制冷工质通过高压膨胀阀进入高压蒸发器,另一部分制冷工质通过低压膨胀阀进入低压蒸发器。两股制冷工质在蒸汽混合室内混合,来自高压蒸发器的工质进入混合室前必须用调节阀来降低压力。混合后的制冷工质再经压缩机压缩后进入冷凝器,完成二级制冷循环。

  2.3基于吸收式制冷循环的热泵干燥机的研制吸收式制冷机利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸汽,在另一条件下又能强烈吸收低沸点组分的蒸汽这一特性完成制冷循环,靠消耗热能作为补偿实现制冷,具有制冷制热能力大,燃料范围广等特点,非常适合于热泵干燥这类蒸发温度高的应用对象。吸收式热泵制冷剂为水等非氟里昂类物质,可利用太阳能、工业余热或地热资源作为驱动热源,从而缓解了传统压缩式热泵对大气臭氧层的破坏,符合当前环保要求。

  24自动控制技术的应用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适时调控干燥工艺参数,有利于提高能量利用率及产品品质。热泵干燥系统既可以调节空气湿度,又可实现对空气温度的双向调节,因此,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,很容易实现对干燥加工过程的全自动人工智能控制,从而降低操作成本,提高制品品质。

  5热泵组合干燥系统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低的问题。若把热泵干燥与红外线加热或电磁辐射加热相结合,可降低热泵系统压缩机的负荷,加快物料水分去除的速度,提高了整个干燥系统的效率。

  3热泵干燥技术的应用实例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一。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,木材热泵的生产现已完全立足于国内。

  3。2谷物的干燥谷物干燥是热泵干燥技术的主要研宄及应用领域之一,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2063kJ;俄罗斯科学家的试验数据为1624kJ,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。

  3.3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宄,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%.上海市能源研宄所于1992年研制了热泵式粮食种子干燥装置,试验结果表明:(1)能耗经多次测试为规干燥的能耗;()发芽率有一定的提高。

  3.4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一20~60C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。Chuaelal.(20⑴)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表1采用热泵干燥的食品产品研究人员干燥对象研究结果农产品及海产品(蘑菇、水果、海黄瓜、牡蛎)产品品质得到提高农产品(香蕉)适合于热泵干燥而且运行费用低〔澳大利亚〕谷物当干燥速率高时,适合采用开式热泵循环谷物存在一个最短的干燥时间,使得热泵干燥最经济蔬菜(洋葱)节能、节时、产品质量好海产品(鱼类)热泵干燥能很好地保持产品的多孔性、复水性、韧性、质地和颜色的损失分别下降87%和20%.近年来国外采用热泵干燥食品物料的应用研宄如表1. 4热泵干燥技术的发展趋势41研宄开发与干燥热泵相匹配的制冷工质和压缩机由于干燥热泵工作的特殊性,其工作温度高、排气温度高、排气压力高,应加强研制相适应的制冷工质,要求在较高的冷凝温度下,冷凝压力较低;有较高的单位容积制冷量,较高的热稳定性和化学稳定性。

  由于一般干燥用热泵压缩机是靠吸气冷却的封闭式压缩机,要防止压缩机产生过热现象,要在压缩机内设置温度传感器,以达到迅速保护电机的目的。要改进电机的绝缘性能,提高制冷剂一润滑油的耐高温能力。

  涡旋式压缩机是原理上非常先进的新型压缩机。它结构简单,没有气阀,可靠性大大提高;运转平稳,压力脉动小,振动和噪声低。在热泵装置中,能够在低环境温度和高压缩比条件下,提供较大的加热能力。涡旋压缩机在同样制冷能力下比往复压缩机尺寸小,可以设计成高压比型以满足热泵的工况需要。

  42空气回热闭式热泵干燥系统空气回热闭式热泵干燥循环系统就是在空气回路中增加一个空气换热器,将来自干燥器的较高温度的空气和经过蒸发器后的低温空气进行一次热交换,使进入蒸发器前的湿空气通过换热器时降温,从而实现了回热。由于循环空气实现了回热,在蒸发器吸热量不变的情况下,减少了蒸发器吸收湿空气的显热负荷,增加了蒸发器吸收湿空气的潜热负荷,提高了热泵系统的干燥能力。

  43多功能热泵的应用采用合理的结构和调节器,在同一系统中完成干燥、气调、贮藏等加工过程。多功能热泵主要由热泵单元、贮藏干燥室和存料架等组成,其中热泵单元除了装有压缩机、膨胀阀外,分别装有内外2个冷凝器和高低2个蒸发器。

  5结论在过去的20年里,热泵干燥技术已趋日益成熟,其优异的节能效果已被各种试验研宄及实践应用所证明,其一次性投资和运行费用的降低,热泵干燥技术已显现出广阔的应用前景。

  新型环保的制冷工质减少因环境问题给热泵干燥的应用带来的不利影响。多级蒸发热泵循环系统、组合热泵干燥系统、多种用途的热泵组合系统以及自动控制技术的应用,将是热泵干燥技术的主要发展方向。


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