全封閉空氣能CO2熱泵干燥系統的研制

程同　李娟玲　楊道龍

摘要：為了達到高干燥溫度、節能環保的目的，以CO2為工質開發了1臺小型帶回熱器的CO2熱泵干燥樣機。該樣機設計為全封閉式結構，含有雙蒸發器，通過控制系統控制內外蒸發器的開閉從而達到除濕、節能的目的。以胡蘿卜為干燥對象，在該樣機上研究CO2工質的參數變化對系統性能的影響、內外蒸發器對系統節能的影響。干燥試驗結果表明，該干燥裝置方便可控、性能穩定，干燥介質溫度可穩定在75 ℃，COPh（系統能效比）為3.5，SMER（單位能耗除濕量）達到1.03 kg/（kW·h），實際干燥介質最佳投放量為12 kg，為CO2熱泵干燥裝置市場化提供了研究基礎。

關鍵詞：空氣能；CO2熱泵；干燥；數據采集；控制

中圖分類號： S226.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0403-04

干燥作為農產品加工中的重要過程，其能耗約占國家工業能耗的7%～15%[1]。熱泵干燥以其節能優勢于20世紀70年代迅速被推廣到各個領域。傳統熱泵干燥裝置中的制冷工質多為氯氟烴及其混合物，破壞臭氧層且產生溫室效應。近年來制冷劑對臭氧層的破壞和全球溫室效應等環保問題日益突出，氟氯烴工質的替代問題引起全世界共同關注。根據《蒙特利爾議定書》第19次締約方大會最新規定，中國須完成2030年氯氟烴的全面淘汰的任務[2]。天然工質CO2以其無毒、環保、不可燃、具有再生性以及良好的經濟性等特點，成為國際上替代氟利昂工質的理想制冷劑[3]。

目前國際上已經開展了對CO2跨臨界熱泵干燥研究，德國Essen大學的Schmidt等分析和討論了CO2在熱泵干燥方面應用的可行性[4-5]：CO2的物性特征使其利于流動和傳熱，高的容積制冷量使干燥系統部件的尺寸減小，CO2跨臨界循環特性使得系統運行時氣體冷卻器的放熱過程為變溫過程，可以實現與干燥介質之間的良好溫度匹配，正好滿足熱泵干燥中梯級放熱的要求，使得系統有效能損失減小，能源利用率提高；CO2跨臨界熱泵干燥能夠達到較高的干燥溫度和除濕率；CO2自身優良的環境性能和熱力學特性，使其在熱泵干燥系統中用CO2作為制冷工質具有可行性。

國內的西安交通大學和天津大學熱能研究所對CO2熱泵干燥進行了相關的理論研究，將其與電加熱干燥機及傳統工質熱泵干燥機相對比得出：電加熱干燥機干燥介質溫度高，但其單位能耗除濕量約為0.72 kg/（kW·h）；傳統工質熱泵干燥機將其單位能耗除濕量提高至1.54～2.05 kg/（kW·h），但干燥介質溫度只能維持在50 ℃左右[6-10]；本研究開發的全封閉空氣能CO2熱泵干燥裝置可以兼顧干燥空氣溫度和單位能耗除濕量。全封閉循環結構不需要進氣預處理，對環境的依賴性??；系統中加入新型高效的回熱器，相對常規循環提高了系統能效比[11]；設計雙蒸發器熱泵干燥裝置，內部蒸發器開啟時，制冷工質吸收干燥介質的余熱對其除濕；外部蒸發器開啟時，制冷工質吸收外部空氣能，節約能源。雙蒸發器設計既保證了干燥介質濕度在設定的范圍內，又可以吸收空氣能達到節能效果。

1 CO2熱泵干燥裝置

CO2熱泵干燥裝置主要由熱泵系統、干燥介質循環系統和數據采集及控制系統組成。其中熱泵系統包括壓縮機、換熱器、節流裝置和輔助裝置；干燥介質循環系統包括干燥室和風機?？刂葡到y包括數據采集模塊和控制模塊。全封閉空氣能CO2熱泵的工作原理見圖1，其中CO2循環為單線流程，干燥介質循環過程為雙線流程。

當干燥室中濕度較高，未達到設定值時，熱泵系統內的CO2氣體首先經過壓縮機壓縮成為高溫高壓的超臨界氣體，在氣體冷卻器中向干燥介質放熱成為低溫高壓的氣體，進入回熱器高壓側進一步降溫，再經過手動調節閥膨脹成低溫低壓的氣液混合物，經過內部蒸發器中吸收熱量蒸發，在回熱器低壓側過熱后再次被吸入壓縮機完成制冷循環[12]。干冷空氣由氣體冷卻器加熱到設定的溫度后，進入干燥室吸取物料中的濕分；高溫濕空氣進入內部蒸發器降溫到露點溫度以下，凝結出水蒸氣并排出到干燥系統外；除濕后的空氣再次成為干冷空氣進入氣體冷卻器完成整個干燥介質循環。

當干燥室中濕度達到設定值時，經過膨脹閥的氣液混合物在外部蒸發器中吸收空氣能蒸發再進入回熱器過熱[12]，干燥室吸濕后的空氣經過內部蒸發器再次進入氣體冷卻器完成整個干燥介質循環。

2 主要系統

2.1 熱泵系統和干燥系統

熱泵系統主要部件包括壓縮機、換熱器、節流裝置。干燥系統主要組成部件為干燥器和主風機。

2.1.1 壓縮機 壓縮機是熱泵系統的心臟?？紤]到技術成熟、運轉穩定，并通過計算和分析對比，本系統采用意大利DORIN生產的CD-H系列，配套動力為1.8 HP的全封閉活塞式壓縮機。

2.1.2 換熱器 熱泵系統換熱器的設計包括氣體冷卻器、蒸發器和回熱器。氣體冷卻器是熱泵干燥裝置中的關鍵設備之一，考慮到系統承壓、技術成熟、經濟性等因素，氣體冷卻器和蒸發器都選用不銹鋼管翅式換熱器，結構為正三角形叉排，逆流布置。設計氣體冷卻器將干燥介質由30 ℃加熱到60 ℃，尺寸為50 cm×8.66 cm×43 cm，換熱量為5.27 kW；設計蒸發器尺寸為45 cm×8.66 cm×30 cm，換熱量4.02 kW。委托國內制冷企業加工制造，既保證了裝置的性能，又顯著地降低了造價?；責崞鬟x用自行設計套管式，外管為光管，外徑為10 mm，內徑為9 mm?；責崞鲀裙艿膬缺砻鏋楣饣?，外表面為微肋面，平均外徑為0.6 cm，內徑為0.5 cm。來自氣體冷卻器的高壓CO2在內管內流動，而來自蒸發器的低壓CO2在環狀空間內流動?；責崞鏖L度為0.92 m，換熱量為0.5 kW。

2.1.3 節流裝置 節流裝置是熱泵系統中基本部件之一，目前在CO2系統中常用的節流裝置為毛細管、針閥、電子膨脹閥。為了實現調節方便、經濟性好的目的，本設計選用hip超高壓不銹鋼針型閥，其接頭內徑為0.752 cm，節流口尺寸為0.317 5 cm。

2.1.4 干燥器 本干燥設備的干燥器為臥式多孔干燥器，設計為上、中、下3層，每層為多孔板，直徑為0.4 m，孔徑為 0.5 cm，開孔率為30%。

2.1.5 主風機 風機為整個干燥裝置中干燥介質循環提供動力。根據干燥設備的特點，選用額定功率為105 W、額定流量為980 m3/h的離心風機。主循環風機的實際風壓和流量可通過變頻器調節。

2.2 數據采集與控制系統

2.2.1 數據采集單元

2.2.1.1 制冷工質數據采集 制冷工質采集的數據包括壓縮機吸氣的壓力P1和溫度T1、壓縮機排氣的壓力P2和溫度T2、氣體冷卻器出口處制冷劑的壓力P3和溫度T3、蒸發器入口處制冷劑的壓力P4和溫度T4。壓力表選用上海正定普通壓力表，量程為0～40 MPa。溫度表選擇REX-C系列的溫度控制器，量程為0～200 ℃。安裝好的溫度表和壓力表數值顯示在干燥系統的外表面板上。

2.2.1.2 干燥數據采集 CO2熱泵干燥系統的數據采集過程為：傳感器將現場采集的溫度、濕度、風速、重量信號輸入到EM231模塊，經過EM231模塊的D/A轉換后將數字量存儲在輸入映像寄存器中；CPU226將數字量換算成實際工程值并儲存在變量存儲器中，通過通訊電纜將其中的數據傳給計算機；計算機上的PC Access將作為OPC服務器從PLC數據寄存器中獲取數據，組態軟件WinCC作為OPC客戶端從PC Access中讀取數據，并在監測畫面上實時顯示并保存。數據采集過程如圖2所示[13]。

2.2.2 參數控制 干燥系統中，制冷循環各個參數如CO2充注量、節流閥開度變化可能引起壓縮機吸排氣壓力與溫度、冷卻壓力與溫度、蒸發壓力與溫度的變化，從而引起系統性能如COPh、MER、SMER的變化。

制冷工質參數控制通過直角針形閥調節CO2充注量，通過手動節流閥“T”形旋鈕調節節流閥開度。外部輔助蒸發器的開閉通過入口處的電磁閥進行調節，開閉原則是既保證內部蒸發器可以有效除濕，又保證干燥介質的濕度在合理范圍。

3 試驗驗證

3.1 試驗設備及材料

在自行研制的CO2熱泵干燥系統上進行干燥試驗，CO2熱泵干燥系統的整體見圖3。

考慮經濟性、典型性及原料受季節影響小，選用胡蘿卜作為試驗對象。將新鮮無損的胡蘿卜整理、清洗、除根切蒂，切成2 mm薄片，一部分樣本使用鹵素快速水分測定儀測得濕基含水率為92.10%，另外一部分用電子天平測得初始質量，按照干燥要求均勻撒在干燥器板上進行干燥。

3.2 性能指標與方法

用來衡量熱泵干燥裝置性能最主要的參數有：熱泵干燥系統性能系數（COPh）、單位時間除濕量（MER）、單位能耗除濕量（SMER）。

熱泵干燥系統理論的性能系數COPh[13]的定義為：

COPh=高溫下熱泵輸出的有用能量/壓縮機消耗的電能。

實際情況中熱泵性能系數COPh總是小于其相應的逆卡諾循環熱泵性能系數。COPh只反映熱泵的性能，而沒有體現整個熱泵干燥裝置，MER、SMER是在工程中常用的參數，更直觀地反映熱泵干燥系統的性能。其中單位時間除濕量MER為：

MER=水分去除量/時間。

單位能耗除濕量SMER定義為：

SMER=水分去除量/消耗的電能。

熱泵干燥裝置的COPh、SMER和MER往往不能同時達到最大值，這是由于在熱泵干燥裝置中同時存在熱泵工質循環和干燥介質循環，2種循環是相互影響的。評價一個熱泵干燥裝置的性能，應綜合考察上述3項參數指標。

在研究制冷工質參數對熱泵干燥裝置系統性能的影響時，關閉外輔助蒸發器，設定溫度為60 ℃，切片厚度為2 mm，選用1 000 g干燥物料，分別做2組試驗。第1組試驗分別設定停機后的平衡壓力為4.4、5.1、5.5 MPa，研究CO2充注量對熱泵干燥系統性能的影響；第2組試驗將節流閥開度分別調節為10%、20%、30%，研究節流閥開度對系統性能的影響。

將系統參數調節為試驗得出的最佳CO2充注量和最佳節流閥開度，根據干燥介質濕度間歇開啟外部蒸發器，研究外部輔助蒸發器的節能效果。

在研究物料的最佳放入量時，設定溫度為60 ℃，切片厚度為2 mm，分別設定物料放入量為4、8、12 kg，得出系統最佳的COPh和SMER。

4 結果與分析

4.1 制冷工質參數變化對系統性能的影響

4.1.1 CO2充注量對系統性能的影響 試驗中系統停機時的平衡壓力分別為4.4、5.1、5.5 MPa時停止充注，保持節流閥開度不變，穩定運行后發現：系統的CO2充注量越大，停機時的平衡壓力越高，穩定運行后其冷卻溫度越高，蒸發溫度也越高。

系統停機時的平衡壓力分別為4.4、5.1、5.5 MPa時停止充注，第1組系統停機時的平衡壓力為4.4 MPa，第2組系統停機時的平衡壓力為5.1 MPa，第3組系統停機時的平衡壓力為5.5 MPa。運行系統，調整節流閥開度，使蒸發溫度保持為設計值10 ℃。分別由壓力表和溫度表得到的參數如表1所示?？梢钥闯?，當蒸發溫度不變時，改變CO2的充注量可以改變干燥室溫度。在后續試驗中，可以通過調節CO2充注量來調節干燥室的溫度。

4.1.2 節流閥開度對CO2熱泵系統性能的影響 由表2可知，當氣體冷卻器出口溫度保持35 ℃不變、氣體冷卻器壓力保持9 MPa不變、蒸發溫度升高時，系統COPh和SMER隨之升高。當排氣壓力保持不變時，壓縮機吸氣壓力升高，壓縮機壓縮比降低，排氣溫度隨之降低。

4.2 外部蒸發器的節能效果

根據數據采集系統采集的濕度曲線，如圖4所示。在快速干燥階段，吸濕量大于蒸發器除濕量，空氣濕度逐漸增大，此時開啟內部換熱器；隨著干燥的進行，進入恒速干燥階段，此時空氣濕度漸漸平穩，交替開啟內外蒸發器以達到除濕和節能的效果。到了降速干燥階段，干燥室內吸濕量減小，小于內部蒸發器除濕量，干燥介質的濕度逐漸減小，此時可以開啟外部換熱器使熱泵系統吸收空氣能。

手動間歇啟動外蒸發器的電磁閥，使系統可從空氣中吸取空氣能，使得干燥介質溫度更高（表3）。

4.3 系統最佳一次性物料投放量

為了驗證干燥機的除濕性能，設定溫度為60 ℃、風速為 1.5 m/s，第1組加入物料4 kg、第2組加入物料8 kg、第3組加入物料12 kg進行試驗， 將物料的濕基含水率從92%下降到30%。物料實時質量變化曲線如圖5所示，計算的單位時間除濕量如表4所示。

由表4可以看出，當物料太少時，干燥機未得到充分利用，干燥的單位時間除濕量??；增加物料使得熱泵干燥裝置的單位時間除濕量增大；當物料投放量為12 kg時，實際的熱泵干燥裝置的平均單位時間除濕量（MER）約為 1.52 kg/h，平均單位能耗除濕量（SMER）為1.03 kg/（kW·h）。

5 結論

CO2熱泵干燥系統能夠手動調節工質充注量以及節流閥開度達到所需值，平穩運行后各個參數點的溫度和壓力能夠平衡。干燥循環中，干燥介質的溫濕度、風機的風速在合適的范圍。通過熱泵干燥數據采集系統能夠很好地監測系統工作過程，并手動根據干燥介質濕度來開啟或關閉外部蒸發器。

充注CO2使得系統停機時平衡壓力為5.1 MPa，此時系統的壓縮機在額定功率下運行，系統COPh達3.5。保證壓縮機排氣壓力為9.5 MPa，調節手動節流閥使其開度為20%，此時蒸發溫度為10 ℃，既能保證壓縮機的排氣溫度，又能夠使系統COPh維持在3.56。

系統停機時平衡壓力為5.1 MPa時，將節流閥開度調節為20%，一次性放入12 kg物料將其從含水率92.1%干燥至30%以下，保證干燥介質濕度在30%以下，間歇開啟外輔助蒸發器，得出干燥介質平均溫度為75 ℃，系統的COPh為3.50，單位能耗除濕量為1.10 kg/（kW·h）。

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