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熱泵干燥系統設計
瀏覽: 發布日期:2018-11-03

  熱泵干燥系統設計

  干燥是工農業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,由于其較常規氣流干燥在能源消耗和干燥成本方面具有明顯的優勢,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,都按照逆卡諾循環原理來工作,區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,因而其具有節能、低溫、安全、環保等優點。目前所開發的熱泵干燥系統按照熱泵特性劃分,主要有如下幾類:

  

空氣能熱泵干燥系統

 

  空氣能熱泵干燥系統設計

  蒸氣壓縮式熱泵干燥系統,由壓縮機、冷凝器、節流部件和蒸發器構成封閉系統。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流動,實現高效制熱,是應用最廣泛的熱泵裝置。

  吸收式熱泵干燥系統,由發生器、吸收器、冷凝器、蒸發器、節流

  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,并在熱泵中循環流動,實現熱泵的制熱功能,也是目前應用較多的熱泵裝置。

  化學熱泵干燥系統(如吸附式熱泵干燥系統等)以熱能為驅動能源,可以利用低品位的工業余熱、太陽能熱源等,因此具有節能、清潔的優點。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(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、節流部件和蒸發器構成封閉系統,系統中沖入一定量的熱泵工質。熱泵工質在蒸發器中為低壓低溫狀態,可吸收低溫熱源的熱能,發生液-氣相變(蒸發),變為低壓蒸汽進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,工質變為高壓液體進入節流閥,經節流閥節流后變為低壓低溫的飽和氣和飽和液的混合物進入蒸發器,開始下一個循環,如此不斷循環。

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

  工質換熱的介質在冷凝器或蒸發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溫度恒定的工質,相應的熱泵理想循環是卡諾循環。工質在冷凝器出口為飽和液、在蒸發器出口為飽和氣的理論循環稱為基本理論循環;工質在冷凝器出口為過冷液、在蒸發器出口為過熱氣的理論循環為過冷過熱循環。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是勞倫茲循環。與理想的勞倫茲循環相對應的是變溫熱源和熱匯時熱泵的理論循環。

  熱泵設計時,應先根據用戶的條件和要求,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,根據用戶條件,確定熱泵的驅動能源、低溫熱源;根據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.環境友好7.電氣絕緣性好8.經濟性好。在為熱泵確定循環工質時,要綜合考慮以上各方面性能,再根據高溫熱匯與低溫熱源的特性,確定最佳的熱泵循環工質(純工質或混合工質)。

  然后,根據用戶的需熱量,確定熱泵各部件的關鍵參數。

  根據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。根據載熱劑的不同,冷凝器可分為氣體式和液體式。

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

  根據熱泵工質、熱泵制熱量、熱泵工作溫度(熱泵工質的蒸發溫度和冷凝溫度)選定節流閥。節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壓力較穩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器的進口處,由感溫包測知蒸發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。前者用于蒸發器中工質流動阻力

  不大的場合,后者則可用于蒸發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器出口處工質過熱度的變化,并通過電動執行機構(步進電機等)驅動閥桿運動,具有感溫快、調節范圍大、閥桿運動規律智能化等優點,但價格也明顯高于熱力膨脹閥。

  最后,根據熱泵工質、熱泵制熱量、熱泵自動化要求選定輔助部件。

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