熱泵干燥系統(tǒng)設計

　　干燥是工農業(yè)生產中廣泛使用且耗能巨大的加工工藝，世界各國都在對干燥工藝的節(jié)能技術進行大量的研究。作為一種新型技術的熱泵干燥系統(tǒng)，由于其較常規(guī)氣流干燥在能源消耗和干燥成本方面具有明顯的優(yōu)勢，因而逐漸成為人們研究的熱點。熱泵實質上是一種熱量提升裝置，其作用是從周圍環(huán)境中吸取熱量并把它傳遞給溫度更高的被加熱對象(原理與制冷機相同，都按照逆卡諾循環(huán)原理來工作，區(qū)別在于工作溫度范圍不一樣)。

　　干燥的目的是除去某些原料、半成品中的水分或溶劑，以便于物料的包裝、運輸、貯藏、加工和使用。工程上將物料中水分除去的方法包括機械法(離心、壓榨等)、加熱方法、化學吸附方法等。干燥一般是指利用加熱方法除去物料中水分的過程(熱傳導、熱對流和熱輻射三種)。常規(guī)干燥裝置通常直接用電加熱或燃料燃燒來獲得干燥所需的熱能，能耗大，污染大。而熱泵是一種高效制熱裝置(產出的熱能>消耗的能量)。

　　熱泵干燥系統(tǒng)是一種不采用電加熱絲加熱或其它熱源輻射加熱的除濕干燥設備，因而其具有節(jié)能、低溫、安全、環(huán)保等優(yōu)點。目前所開發(fā)的熱泵干燥系統(tǒng)按照熱泵特性劃分，主要有如下幾類：

空氣能熱泵干燥系統(tǒng)設計

　　蒸氣壓縮式熱泵干燥系統(tǒng)，由壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件和蒸發(fā)器構成封閉系統(tǒng)。蒸氣壓縮式熱泵也稱為機械壓縮式熱泵，該類熱泵用電機、內燃機、燃氣輪機、蒸汽輪機等驅動壓縮機，使熱泵工質在熱泵中循環(huán)流動，實現(xiàn)高效制熱，是應用最廣泛的熱泵裝置。

　　吸收式熱泵干燥系統(tǒng)，由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流

　　閥、溶液泵、溶液閥、溶液交換器組成封閉回路。吸收式熱泵以熱能為驅動能源，使發(fā)生器中的工質對(工質吸收劑)溶液沸騰，產生工質蒸汽，并在熱泵中循環(huán)流動，實現(xiàn)熱泵的制熱功能，也是目前應用較多的熱泵裝置。

　　化學熱泵干燥系統(tǒng)(如吸附式熱泵干燥系統(tǒng)等)以熱能為驅動能源，可以利用低品位的工業(yè)余熱、太陽能熱源等，因此具有節(jié)能、清潔的優(yōu)點。然而此類熱泵的單位制冷、制熱量較低，且總體除濕率偏低。

　　其它熱泵干燥系統(tǒng)(蒸汽噴射式等)，因能源效率或者技術問題應用不如前三種廣泛。

　　此處僅對應用最廣泛的蒸氣壓縮式熱泵干燥系統(tǒng)詳加介紹，有工作原理、設計步驟等相關知識。

　　蒸氣壓縮式熱泵由壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件和蒸發(fā)器構成封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)中沖入一定量的熱泵工質。熱泵工質在蒸發(fā)器中為低壓低溫狀態(tài)，可吸收低溫熱源的熱能，發(fā)生液-氣相變(蒸發(fā))，變?yōu)榈蛪赫羝M入壓縮機并被壓縮機升壓后進入冷凝器，高壓高溫的工質蒸汽在冷凝器中放熱給熱用戶，工質變?yōu)楦邏阂后w進入節(jié)流閥，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏氐娘柡蜌夂惋柡鸵旱幕旌衔镞M入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)，如此不斷循環(huán)。

　　由于熱泵工作時不可避免地存在各種損失，因此實際循環(huán)特性與卡諾循環(huán)有較大的偏離。在熱泵循環(huán)的分析和計算中，采用較多的是對實際循環(huán)作適當簡化，分析處理也較方便、與實際循環(huán)較接近，且能代表實際循環(huán)本質特性的理論循環(huán)。當冷凝器和蒸發(fā)器中與熱泵

　　工質換熱的介質在冷凝器或蒸發(fā)器中溫度變化不大時(如換熱介質是水或其它載熱介質)，此種情況簡稱為定溫低溫熱源或定溫低溫熱匯，熱泵可采用定壓下冷凝溫度與蒸發(fā)溫度恒定的工質，相應的熱泵理想循環(huán)是卡諾循環(huán)。工質在冷凝器出口為飽和液、在蒸發(fā)器出口為飽和氣的理論循環(huán)稱為基本理論循環(huán);工質在冷凝器出口為過冷液、在蒸發(fā)器出口為過熱氣的理論循環(huán)為過冷過熱循環(huán)。相反，當換熱介質的溫度變化較大時(如換熱介質是空氣或其它載熱介質)，此種情況簡稱為變溫低溫熱源或變溫低溫熱匯，熱泵可采用定壓下冷凝溫度與蒸發(fā)溫度與換熱介質溫度變化相適應的變溫工質，相應的熱泵理想循環(huán)是勞倫茲循環(huán)。與理想的勞倫茲循環(huán)相對應的是變溫熱源和熱匯時熱泵的理論循環(huán)。

　　熱泵設計時，應先根據(jù)用戶的條件和要求，確定熱泵的形式(蒸氣壓縮式，吸收式或吸附式，或其它形式，不同熱泵的設計細節(jié)相差很大)。此處以蒸氣壓縮式熱泵為例，其設計步驟大致如下：

　　首先，根據(jù)用戶條件，確定熱泵的驅動能源、低溫熱源;根據(jù)用戶所需的熱能溫度及低溫熱源介質、高溫熱匯介質，確定熱泵工質。理想的熱泵工質，從熱力學、物理化學、生理學、經(jīng)濟性等幾方面考慮，應滿足如下幾個要求：1.良好的熱力學特性2.良好的傳熱和流動性能3.良好的物理化學性能4.與潤滑油有較好的互溶性5.安全性好6.環(huán)境友好7.電氣絕緣性好8.經(jīng)濟性好。在為熱泵確定循環(huán)工質時，要綜合考慮以上各方面性能，再根據(jù)高溫熱匯與低溫熱源的特性，確定最佳的熱泵循環(huán)工質(純工質或混合工質)。

　　然后，根據(jù)用戶的需熱量，確定熱泵各部件的關鍵參數(shù)。

　　根據(jù)熱泵工質及壓縮機的功率、輸氣量選定壓縮機。熱泵壓縮機可以選擇的類型很多，按密封方式分類可分為開啟式壓縮機和封閉式壓縮機;按工作原理分類可分為容積型壓縮機(往復式和回轉式)和速度型壓縮機(離心式和軸流式);按熱泵工質分類主要分為氟利昂壓縮機、氨壓縮機、碳氫化合物壓縮機、二氧化碳壓縮機等類型，不同的熱泵工質對壓縮機的結構和材料均有某些特殊的要求，如氨對銅有腐蝕性等等。

　　根據(jù)熱泵工質、載熱劑和冷凝器的傳熱量、傳熱溫差選定冷凝器。根據(jù)載熱劑的不同，冷凝器可分為氣體式和液體式。

　　根據(jù)熱泵工質、載冷劑和蒸發(fā)器的傳熱量、傳熱溫差選定蒸發(fā)器。根據(jù)載冷劑的不同，蒸發(fā)器也可分為氣體式和液體式。

　　根據(jù)熱泵工質、熱泵制熱量、熱泵工作溫度(熱泵工質的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度)選定節(jié)流閥。節(jié)流部件的主要作用是控制熱泵工質的流量與壓縮機的輸氣量相匹配。常用的節(jié)流部件有毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥。1.毛細管適用于冷凝壓力和蒸發(fā)壓力較穩(wěn)定的小型熱泵干燥裝置，其特點是成本低，故障率低。2.熱力膨脹閥安裝在蒸發(fā)器的進口處，由感溫包測知蒸發(fā)器出口工質的過熱度，由此判斷工質流量的適當與否(過熱度較大時，說明工質流量不足;相反則說明工質流量過大)，并通過感溫包內工作介質的壓力調整閥的開度控制熱泵工質的流量。熱力膨脹閥適用于中小型熱泵干燥裝置。熱力膨脹閥主要分為內平衡式和外平衡式。前者用于蒸發(fā)器中工質流動阻力

　　不大的場合，后者則可用于蒸發(fā)器中工質流動壓降較大的場合。3.電子膨脹閥是通過電子感溫元件測知蒸發(fā)器出口處工質過熱度的變化，并通過電動執(zhí)行機構(步進電機等)驅動閥桿運動，具有感溫快、調節(jié)范圍大、閥桿運動規(guī)律智能化等優(yōu)點，但價格也明顯高于熱力膨脹閥。

　　最后，根據(jù)熱泵工質、熱泵制熱量、熱泵自動化要求選定輔助部件。