热泵干燥装置的基础知识与设计

干燥的目的是除去某些原料、半成品中的水分或溶剂，以便于物料的包装、运输、贮藏、加工和使用。工程上将物料中水分除去的方法包括机械法（离心、压榨等）、加热方法、化学吸附方法等。干燥一般是指利用加热方法除去物料中水分的过程（热传导、热对流和热辐射三种）。常规干燥装置通常直接用电加热或燃料燃烧来获得干燥所需的热能，能耗大，污染大。而热泵是一种高效制热装置（产出的热能>消耗的能量）。

干燥是工农业生产中广泛使用且耗能巨大的加工工艺，世界各国都在对干燥工艺的节能技术进行大量的研究。作为一种新型技术的热泵干燥系统，由于其较常规气流干燥在能源消耗和干燥成本方面具有明显的优势，因而逐渐成为人们研究的热点。热泵实质上是一种热量提升装置，其作用是从周围环境中吸取热量并把它传递给温度更高的被加热对象（原理与制冷机相同，都按照逆卡诺循环原理来工作，区别在于工作温度范围不一样）。

热泵干燥系统是一种不采用电加热丝加热或其它热源辐射加热的除湿干燥设备，因而其具有节能、低温、安全、环保等优点。目前所开发的热泵干燥系统按照热泵特性划分，主要有如下几类：

1.蒸气压缩式热泵干燥系统，由压缩机、冷凝器、节流部件和蒸发器构成封闭系统。蒸气压缩式热泵也称为机械压缩式热泵，该类热泵用电机、内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机等驱动压缩机，使热泵工质在热泵中循环流动，实现高效制热，是应用最广泛的热泵装置。

2.吸收式热泵干燥系统，由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流

阀、溶液泵、溶液阀、溶液交换器组成封闭回路。吸收式热泵以热能为驱动能源，使发生器中的工质对（工质+吸收剂）溶液沸腾，产生工质蒸汽，并在热泵中循环流动，实现热泵的制热功能，也是目前应用较多的热泵装置。

3.化学热泵干燥系统（如吸附式热泵干燥系统等）以热能为驱动能源，可以利用低品位的工业余热、太阳能热源等，因此具有节能、清洁的优点。然而此类热泵的单位制冷、制热量较低，且总体除湿率偏低。

4.其它热泵干燥系统（蒸汽喷射式等），因能源效率或者技术问题应用不如前三种广泛。

此处仅对应用最广泛的蒸气压缩式热泵干燥系统详加介绍，有工作原理、设计步骤等相关知识。

蒸气压缩式热泵由压缩机、冷凝器、节流部件和蒸发器构成封闭系统，系统中冲入一定量的热泵工质。热泵工质在蒸发器中为低压低温状态，可吸收低温热源的热能，发生液-气相变（蒸发），变为低压蒸汽进入压缩机并被压缩机升压后进入冷凝器，高压高温的工质蒸汽在冷凝器中放热给热用户，工质变为高压液体进入节流阀，经节流阀节流后变为低压低温的饱和气和饱和液的混合物进入蒸发器，开始下一个循环，如此不断循环。

由于热泵工作时不可避免地存在各种损失，因此实际循环特性与卡诺循环有较大的偏离。在热泵循环的分析和计算中，采用较多的是对实际循环作适当简化，分析处理也较方便、与实际循环较接近，且能代表实际循环本质特性的理论循环。当冷凝器和蒸发器中与热泵

工质换热的介质在冷凝器或蒸发器中温度变化不大时（如换热介质是水或其它载热介质），此种情况简称为定温低温热源或定温低温热汇，热泵可采用定压下冷凝温度与蒸发温度恒定的工质，相应的热泵理想循环是卡诺循环。工质在冷凝器出口为饱和液、在蒸发器出口为饱和气的理论循环称为基本理论循环；工质在冷凝器出口为过冷液、在蒸发器出口为过热气的理论循环为过冷过热循环。相反，当换热介质的温度变化较大时(如换热介质是空气或其它载热介质)，此种情况简称为变温低温热源或变温低温热汇，热泵可采用定压下冷凝温度与蒸发温度与换热介质温度变化相适应的变温工质，相应的热泵理想循环是劳伦兹循环。与理想的劳伦兹循环相对应的是变温热源和热汇时热泵的理论循环。

热泵设计时，应先根据用户的条件和要求，确定热泵的形式（蒸气压缩式，吸收式或吸附式，或其它形式，不同热泵的设计细节相差很大）。此处以蒸气压缩式热泵为例，其设计步骤大致如下：首先，根据用户条件，确定热泵的驱动能源、低温热源；根据用户所需的热能温度及低温热源介质、高温热汇介质，确定热泵工质。理想的热泵工质，从热力学、物理化学、生理学、经济性等几方面考虑，应满足如下几个要求：1.良好的热力学特性2.良好的传热和流动性能3.良好的物理化学性能4.与润滑油有较好的互溶性5.安全性好6.环境友好7.电气绝缘性好8.经济性好。在为热泵确定循环工质时，要综合考虑以上各方面性能，再根据高温热汇与低温热源的特性，确定最佳的热泵循环工质（纯工质或混合工质）。

然后，根据用户的需热量，确定热泵各部件的关键参数。

1.根据热泵工质及压缩机的功率、输气量选定压缩机。热泵压缩机可以选择的类型很多，按密封方式分类可分为开启式压缩机和封闭式压缩机；按工作原理分类可分为容积型压缩机（往复式和回转式）和速度型压缩机（离心式和轴流式）；按热泵工质分类主要分为氟利昂压缩机、氨压缩机、碳氢化合物压缩机、二氧化碳压缩机等类型，不同的热泵工质对压缩机的结构和材料均有某些特殊的要求，如氨对铜有腐蚀性等等。

2.根据热泵工质、载热剂和冷凝器的传热量、传热温差选定冷凝器。根据载热剂的不同，冷凝器可分为气体式和液体式。

3.根据热泵工质、载冷剂和蒸发器的传热量、传热温差选定蒸发器。根据载冷剂的不同，蒸发器也可分为气体式和液体式。

4.根据热泵工质、热泵制热量、热泵工作温度（热泵工质的蒸发温度和冷凝温度）选定节流阀。节流部件的主要作用是控制热泵工质的流量与压缩机的输气量相匹配。常用的节流部件有毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀。1.毛细管适用于冷凝压力和蒸发压力较稳定的小型热泵干燥装置，其特点是成本低，故障率低。2.热力膨胀阀安装在蒸发器的进口处，由感温包测知蒸发器出口工质的过热度，由此判断工质流量的适当与否（过热度较大时，说明工质流量不足；相反则说明工质流量过大），并通过感温包内工作介质的压力调整阀的开度控制热泵工质的流量。热力膨胀阀适用于中小型热泵干燥装置。热力膨胀阀主要分为内平衡式和外平衡式。前者用于蒸发器中工质流动阻力

不大的场合，后者则可用于蒸发器中工质流动压降较大的场合。3.电子膨胀阀是通过电子感温元件测知蒸发器出口处工质过热度的变化，并通过电动执行机构（步进电机等）驱动阀杆运动，具有感温快、调节范围大、阀杆运动规律智能化等优点，但价格也明显高于热力膨胀阀。

最后，根据热泵工质、热泵制热量、热泵自动化要求选定辅助部件。