热泵界 2024年10月29日 10:54 江苏
热泵干燥装置具有节能、易对热敏物料进行低温干燥、易对危险性物料进行惰性介质干燥、易对异味物料进行干燥介质全封闭循环干燥等特点，具有突出的应用优势。
内加热式热泵干燥装置是由热泵回收干燥器排气余热来制取热能，并主要通过导热方式加热物料使其中的水分汽化，装置中的循环空气主要用于带走物料中蒸发出的水蒸气，因此干燥器进口空气温度相对较低。而单位质量空气在干燥器中带走的水蒸气量则较多，使内加热式热泵干燥装置具有较高的能源效率和除湿能耗比。
内加热式热泵干燥装置中的内加热式干燥器可根据物料特性有多种选择，如内加热流化床式干燥器、盘式干燥器、转鼓式干燥器等，热泵则一般采用单级蒸气压缩式。
（1）内加热式热泵干燥装置的基本结构及原理
内加热式热泵干燥装置的基本结构如图2-7所示。图2-7
中压缩机、冷凝器（含冷凝器A、冷凝器B及辅助冷凝器）、节流阀与蒸发器组成热泵，热泵蒸发器用于回收干燥器排气余热，热泵冷凝器A用于加热循环空气，热泵冷凝器B用于加热物料并提供物料中水分汽化所需的热能。
含湿量很低的干燥空气进入干燥器，近似等温吸收物料中排出的水蒸气，到干燥器出口处变为含湿量较高的湿空气，经除湿器降温除湿，再经加热器加热升温后回到干燥器。循环空气通过风道在干燥器、除湿器、加热器之间循环流动，从物料中吸收水分，通过除湿器将水分凝结排出。
（2）物料衡算
①水分蒸发量
物料干燥过程中的水分蒸发量计算式为：
②干空气循环量
干燥器中从湿物料中蒸发出的水分由空气带走，故干空气循环量计算式为：
1——单位空气循环量（物料中蒸发1份水分所消耗的干空气量），kg。
③风机风量
风机风量计算式为：
（3）能量衡算
设空气仅用于带走干燥器中从物料中蒸发出的水分，物料的加热及其中水分汽化所需热量均由内加热器提供，此时干燥过程为等温干燥，即图2-7中点1和点2的温度t1=t2。
①系统能量平衡
设系统稳定运行时，干燥产品和凝结水出干燥器的温度约等于湿物料进干燥器的温度，且不计系统热损失和风机功耗，根据系统能量平衡，有：PCOM=QCF （2-24）
式中 PCOM——热泵压缩机的功率，kW；
QCF——辅助冷凝器的传热量，kW。
根据空气循环能量平衡，有：
QE=QCA+QCB （2-25）
式中 QE——热泵蒸发器传热量，kW；
QCA——热泵冷凝器A传热量，kW；
QCB——热泵冷凝器B传热量，kW。
②加热器和除湿器的传热量
加热器（冷凝器A、冷凝器B）和除湿器（蒸发器）的传热量计算式为：QCA=L（1.0046+1.9256×3）（t1-t3） （2-26）
QCB=Wrwd （2-27）
QE=L[1.0046+1.9256（0.5×2+0.5×3）]（t2-t3）+Wrwe （2-28）
式中 x3——出除湿器近似饱和湿空气的湿含量，kg（水蒸气）/kg（干空气）；
t1——循环空气进干燥器的温度，℃；
t2——循环空气出干燥器的温度（t1～t2），℃；
t3——循环空气出除湿器的温度，℃；
x2——出干燥器湿空气的湿含量，kg（水蒸气）/kg（干空气）；
rwd——干燥温度下物料中水分的汽化潜热，kJ/kg；
rwe——除湿器中水蒸气平均凝结温度下水蒸气的凝结潜热，kJ/kg。③内加热式热泵干燥装置的除湿能耗比 内加热式热泵干燥装置的除湿能耗比（specific moisture extractionrate）SMER的计算式为：
式中 SMER——热泵压缩机每消耗1度电（即1kW·h）从物料中除去的水分量，kg（水蒸气）/（kW·h）。
（4）主要部件选型参数确定
干燥器型式参数与具体物料特性有关，可参考专业资料 确定。在此着重给出热泵压缩机、空气加热器（冷凝器A）、干燥器中的内加热器（冷凝器B）、空气除湿器（蒸发器）选型及关键参数的确定方法。
①热泵压缩机
对小型内加热式热泵干燥装置，热泵压缩机可采用涡旋式或活塞式；对中大型装置可考虑螺杆式或离心式压缩机。中、小型热泵压缩机的功率计算式为：
②空气加热器
空气加热器（热泵冷凝器A）可采用翅片管式换热器，其空气侧传热面积计算式为：
式中 FCA——传热面积，m2；
QCA——传热量，kW；
kCA——传热系数，W/（m2·℃），迎面风速为2.5～3.5m/s时，传热系数为30～40W/（m·℃）；
ΔtCAM——空气与热泵工质之间的平均传热温差，℃。
③干燥器中内加热器
干燥器中内加热器（热泵冷凝器B）可为平板式、管式或与干燥器及物料相匹配的其他异形表面，其物料侧传热面积计算式为：
式中 FCB——传热面积，m2；
QCB——热量，kW；
kCB——热系数，W/（m2·℃），以内加热式流化床干燥器为例，流态化物料与内加热器表面的传热系数为250～350W/（m2·℃）；
ΔtCBM——物料与热泵工质之间的平均传热温差，℃。
④除湿器
除湿器（热泵蒸发器）可采用翅片管式换热器，由于空气中的水分要在除湿器表面凝结析出，除湿器下方需设置接水盘及凝水排出管。除湿器空气侧传热面积计算式为：
式中 FE——传热面积，m2；QE——传热量，kW；
kE——传热系数，W/（m·℃），迎面风速为2.5～3.0m/s时，传热系数为30～40W/（m2·℃），为防止穿过翅片管的空气夹带凝结水，风速不宜过高；
ΔtEM——空气与热泵工质之间的平均传热温差，℃。
（5）小结
物料衡算、能量衡算和主要部件选型参数计算是内加热式热泵干燥装置设计计算的基本内容，上述公式可为内加热式热泵干燥装置的设计和分析提供较好的基础。对内加热式热泵干燥装置中物料与空气及内加热器表面之间的传热传质过程、内加热器结构优化、内加热式热泵干燥装置的系统调控、典型物料专用内加热式热泵干燥装置研制及其应用测试等需进一步系统研究。
