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CO_2热泵干燥机的性能分析


  干燥是耗能较大的工艺过程之一。在发达国家,干燥能耗占到国家工业能耗的7%15%.在我国,一般干燥过程的能耗约占整个加工过程总能耗的10%.传统的燃油、耗电干燥机由于能源消耗大、污染环境,其使用受到了很大的限制。尤其是大中型的干燥机,结构复杂、利用率低,随着我国农村的发展,农用干燥机趋向于小型化,而小型干燥机又可能朝着家用、多功能的方向发展。因此在我国节能要求越来越高时,如何减少干燥工艺的耗能受到重视。20世纪70年代末80年代初,热泵干燥技术逐渐发展起来并应用于干燥领域。因其独特的干燥原理、高效节能、热效率高、除湿快并能较好地保持物料的品质而受到重视。近几年来,主要在木材干燥领域、食品干燥、农副产品加工,以及粮食、药材、陶瓷坯料和化工、轻工产品等领域,热泵干燥技术更是得到了广泛的应用和发展。

  1C2的特性及热泵干燥机的原理1.1CO2的应用及物性特点热泵系统的循环离不开制冷工质,传统制冷剂CFCs,由于其对臭氧层的破坏已经被淘汰,HFCs因为对臭氧层没有破坏能力,成为CFCs的替代工质。但是它化学性能稳定,释放后能够积累,这将最终导致明显的温室效应。以二氧化碳作为制冷剂替代物,不同之处在于它不仅对臭氧层没有损害(臭氧层破坏势ODP=0),而且最主要的是它是一种自然工质,对环境没有危害,具有良好的安全性和化学稳定性,温室效应势GWP=1,因此,研究以自然工质C2为制冷工质的C2热泵干燥技术完全符合节能和环保的社会发展趋势,具有广阔的发展前景。

  C2跨临界制冷循环的研究是由挪威SINTEF研究所的GLorentzen、。Petterson等人率先发起的,将自然工质C2作为制冷剂用于热泵循环中,除了前面所说的作为制冷剂的优点之外,它还具有比热容大、导热系数高、动力粘度小的特点,可以减少管道和换热器的尺寸,使整个系统结构紧凑。CO2作为循环工质的放热过程为一变温过程,有较大温度滑移,能够实现与冷却介质之间的良好温度匹配,这种特殊的劳伦兹循环非常适合热泵干燥中梯级放热的要求。

  1.2CO2热泵干燥机的原理热泵干燥系统由热泵循环和空气循环组成,如所示。热泵循环由压缩机、气体冷却器、节流阀、蒸发器等组成;空气循环由风机、干燥室和辅助冷凝器等组成。在热泵循环中,气体经压缩机压缩后在气体冷却器中冷凝放热,经膨胀阀节流变成液态,温度降低,然后在蒸发器吸热蒸发,进入气液分离器分离后气体被吸入压缩机完成制冷循环。

  在空气循环中,进入蒸发器的高湿热空气被冷凝去湿,变成低湿空气进入气体冷却器被加热成干热空气,由风机吹入干燥室,带走被干燥物料的水分后成为湿热空气进入蒸发器,完成空气循环。

  2C2热泵干燥机的评价指标及性能分析CO2热泵干燥机由空气循环和热泵循环两部分组成。主要从空气侧的单位时间除水量、单位除湿率,热泵卡诺效率、整个系统的节能潜力以及干燥时间等方面来评价其优越性。

  2.1评价指标一定时间的除水量时间热泵卡诺效率,评价热泵系统的性能。热泵卡诺效率越高表示循环越靠近理想循环,即循环越好,热力学的不可逆损失越小。
  COP为实际制冷机的性能系数。
  COP=热泵输出有效能量HP=压缩机消耗的电能COPc为卡诺制冷机的性能系数。
  低温热源温度c―高温热源温度-低温热源温度单位除湿率5MER5MER用于评价整个系统的能量利用率。
  除湿量干燥系统消耗的总能量此处的消耗总能量是指风机的和压缩机能耗之和。

  其中,SEChp-SECc+SECf,SECc是指输入压缩机的能耗,SECF是风机的能耗,其他的辅助设施的能耗省略。SECdh是直接电加热的能耗。这个值是在电加热干燥和热泵干燥具有相同除湿率的情况下得出的。若在电干燥系统中,风机不变,风机能耗与热泵干燥机中的相同,则此处SECF相同,节能潜力为:此处,SECh表示电干燥机中除风机以外的能耗。本文的节能潜力采用ESP表示。

  2.2CO2热泵干燥机实例以及性能分析等对CO2热泵干燥的可行性进行了分析与讨论。他们根据热泵的特性以及干燥机的运行结果,对CO2热泵干燥机的节能潜力进行了分析研究,最后得出节能潜力与热泵卡诺效率之间的关系,如所示。

  热泵卡诺效率越大,节能潜力越大。当热泵卡诺效率为0.5时,节能潜力为48%;当热泵卡诺效率为1时,节能潜力可达到70%.热泵卡诺效率节能潜力与热泵卡诺效率的关系图他们还把传统的电干燥机和不同类型压缩机的CO2干燥机进行对比,如表1所示。

  表1压缩机的结构参数表生产商BockGermanyDorinItaly型号fkxco2CD 4.017S类型开式半封闭式汽缸个数22行程(mm)4911气缸直径(mm)2834容积排量(m3/h)1.8-5.4高达1.7,对不同形式的干燥机以及不同压缩机的CO2热泵干燥机的特性进行分析。

  表2实验结果和性能参数电加热干燥机的空气入口温度为130C,而CO2热泵干燥机的入口温度为60C和50C,对于一些要求低温干燥的物品,为考虑到其质量要求,CO2热泵干燥机比电加热干燥机更有优势。

  电加热干燥机单位除水量SMER为0.72kg/kWh,CO2热泵干燥机中采用BOCK压缩机SMER分别是电加热干燥机的2.2和2.8倍,可见,CO2热泵干燥机明显比电干燥机优越。

  2.2.3能耗低,节能潜力高热泵干燥机为0.65kWh/kg和0.49kWh/kg,是前者的47%和35%,C2干燥机的节能潜力为53%和65%. 2.2.4干燥时间短在实验中还发现,随着干燥时间的延长,干燥1:器的入口温度先缓慢增长随后趋于稳定,稳定后温度约为52C左右,出口温度与入口温度差逐渐减小,去湿后加热前的空气温度慢慢趋于17C左右。使用Bock压缩机,干燥时间足够长的话,其COP可达5.5,热泵卡诺效率达0.6;使用Dorm压缩机干燥时间足够长的话,COP可达6.5,热泵卡诺效率达0.65.如果是要达到一定的去湿率,节能潜力只能达到53%,但干燥时间还是比电干燥时间短。由此可见,CO2热泵干燥机在时间上仍然是优于电干燥机。

  3C02热泵干燥机的优化3.1用膨胀机替代节流阀通过研究发现,在热泵循环过程中,节流阀处的损失最大,在节流阀处优化会得到很好的节能效果。膨胀机与压缩机同轴联接以回收部分膨胀功,减少压缩机的耗功。由于使用了膨胀机回收了部分膨胀功,在膨胀机等熵效率为60%时,相同的CO2热泵干燥系统的COP约能提高12%左右。

  3.2选择合适的空气流速蒸发器空气流速对系统性能的影响取决于空气在蒸发器进出口的相对湿度。总的来说,蒸发器空气流速的增加受到蒸发器风机功率增加和压缩机正常运行范围的限制,当相对湿度减少(少于50%),单位能耗除湿量(5MEA)的最大值会逐渐增加,且是蒸发器的空气流速的函数。当空气进入蒸发器速度为1.6m/s时,实际的热泵性能系数COP有最大值。因此,空气流速也是优化热泵干燥机组需考虑的重要因素之一。

  4结论CO2热泵干燥机与电干燥机相比,在入口空气温度、单位除水量、节能潜力以及干燥时间方面都具有优越性,值得进一步研究与推广。

  对于优化C2热泵干燥机,可以用膨胀机代替节流阀,以回收膨胀功;选用合适的空气流速,提高热泵系数CQP.对于二氧化碳热泵干燥机组,不同的方面有不同的优化措施,需要继续研究探讨,以期C2热泵干燥机能应用在实际工业农业的领域,达到很好的节能效果。
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