２００９年４月农机化研究

第４期

热泵干燥系统的热力学分析

杨先亮１，宋蕾期酽，靳光亚１

（１．华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定

０７１００３；２．山东省机械进出口集团公司，山东青岛

２６６００２）

摘要：热泵是一项高效节能技术，将其应用于干燥过程可以降低能耗，对于缓解我国能源紧张局面具有重要意义。为此，介绍了带有辅助冷凝器的热泵干燥系统的工作原理；以大枣为干燥物，从热力学第一和第二定律两方面分析了热泵干燥系统，指出其能量利用过程中的薄弱环节，为合理设计和运用热泵干燥系统指出正确方向。关键词：热泵；热力学分析；干燥；低能耗中图分类号：￥２２６．６；ＴＫｌ７３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００９）０４－０２００—０４

０引言

能源是国民经济的重要物质基础，它直接影响到

热泵是以消耗少量高质能（机械能、电能等）或高温热能为代价的能量利用装置¨Ｊ，并以冷凝器放出热量来供热的制冷系统。热泵干燥是一种温和的、接近自然的干燥过程，适合大部分农产品或药材等热敏性

国家安全、可持续发展及社会稳定。目前，从农业、食

品、化工、制陶业、医药、矿产加工到制浆造纸、木材加

物料。因此，在干燥技术领域中，应用热泵既可有效

利用能源，也可保护环境，减少温室效应和防止臭氧层破坏ＭＪ。为了使人们深入了解热泵干燥的节能效

工和纺织业等，几乎所有产业的生产过程都有干

燥¨。２１工序。干燥已成为生产过程中提高产品的数量

和质量的一个关键环节，但干燥过程也是一个高能耗

过程。在我国各种工业部门总能耗中，干燥能耗为４％（化学工业）～３５％（造纸工业）。发达国家（如美国、法国、英国和日本等）有１２％左右的工业能耗用于干燥。因此，开展低耗能、环境友好、保证产品数量和品质的干燥新方法、新产品和新过程，对于能源匮乏的今天意义重大。

压螬机

果，本文应用热力学第一和第二定律对带辅助冷凝器

的热泵干燥系统进行热力学分析。

１

带辅助冷凝器的热泵干燥系统的工作原理

热泵干燥系统是热泵和干燥两个单元的有机组

合，它们互为条件、互相影响‘５】，其原理如图１所示。系统中有两个循环回路，即制冷剂循环与空气循环。

图１热泵干燥系统原理图

１．１

热泵干燥系统的制冷剂循环

热泵干燥系统中，制冷剂的循环工作原理如图２

收稿日期：２００８—０６—１０

作者简介：杨先亮（１９ｒ７５一），男．河北宣化人，工程师，硕士，（Ｅ—ｍａｉｌ）

ｙｘｌｌ５８２０＠１６３．ｔｏｍ。

所示，制冷工质状态沿着ｌ一２—３—４—５—６—１而变

万方数据　

２００

２００９年４月农机化研究

１．２热泵干燥系统的空气循环

第４期

化。从冷凝器出来的制冷剂经膨胀阀节流后，温度和压力都降低，然后再进入蒸发器。制冷剂在蒸发器中吸收外界热量，不断蒸发。从蒸发器出来的制冷剂被吸进压缩机后等熵压缩后进入冷凝器，在冷凝器中向

外界放出热量。热泵干燥系统压焓图如图２所示。从图２可看出，向外界放出的热量比从外部吸收的热量多。多余的热量使干燥室的温度不断提高，但是当干燥温度达到要求后，这些热量就成为了多余的热量。因此，可以采用冷却水进行热交换，向外界放出热量，从而使干燥室始终保持一定的温度。

由图ｌ可知，制冷系统中的水冷冷却器除了起到

热泵干燥系统的空气循环如图３所示。从干燥室出来的空气进入热泵蒸发器，温度降低，相对湿度增加，直至成为饱和的空气。当温度进一步降低时，空气中水分被冷凝，除湿后的空气通过冷凝器温度升

高，然后进入干燥室。

贮液器的作用外，还起到控制流过冷凝器的空气温度

的作用。具体工作如下：流出冷凝器的空气温度高出

设定值时，就开大阀门Ｂ、关小阀门Ａ，使流人冷凝器

的制冷剂量减少，从而减小了空气的加热量，使冷凝器出口的温度降低到设定值；反之，当流出冷凝器的空气温度低于设定值时，就开大阀门Ａ、关小阀门Ｂ，

图３热泵干燥系统的空气循环

使流入冷凝器的制冷剂流量增加，从而加大了空气的加热量，使冷凝器出口空气温度上升到设定值¨１。

从图３可以看出：这部分水蒸气凝结后变成冷凝

水，并从装置中排出。用装置中排出冷凝水的多少可

以衡量该装置的脱水能力，它取决于蒸发温度和冷凝

温度。因此有效的除湿分别要求低的蒸发温度和高的冷凝温度。考虑到热泵运行的经济性和可靠性，温

升和输出温度都存在一个上限。

本系统的干燥对象为河北太行山区的婆枣，其初

始含水率为７３．４％，干燥后含水率为１９％。干燥室热

风进口温度设定为５５℃，相对湿度为１５％。本系统的制冷剂选用Ｒ１３４ａ。制冷循环中，冷凝温度可按离开

冷凝器的空气温度再加１０℃取值…。蒸发温度可按

经过蒸发器降温减湿后的空气状态下空气的温度减

ｈ

去１０℃取值，取过热度为５ｃｃ。压缩机效率为０．８，则热泵系统各状态点参数如表ｌ所示。

表１热泵干燥系统各点Ｒ１３４ａ的参数值

图２热泵干燥系统压焓图

本文采用热泵的性能系数ＣＯＰ、单位能耗除湿量

２

热泵干燥系统的第一定律分析万方数据　

ＳＭＥＲ和热泵干燥装置的热效率吼等３项指标来评价

２０１

２００９年４月农机化研究

表２热力学第一定律的计算结果

第４期

热泵干燥系统的性能。计算结果如表２所示。

热泵的性１ｉ巨系数（ＣＯＰ）足义为

热泵干燥装置常用单位能耗除湿量ＳＭＥＲ来表示热泵性能，其定义为

ｃＤＰ＝罐蒜黼

热源提供的热量

㈩

热泵干燥装置的热效率孩是指干燥过程中用于水

分蒸发所需的热量与热源提供的热量之比，即

７，‘一

ＳＭＥ尺＝黼＂氅瓣艏× ｏｏ％

（２）

３热泵系统的第二定律分析

３．１

热泵系统的熵分析

取环境温度死＝２９８．１５Ｋ，则热泵系统各部件的

“…ｗ。

㈩７Ｖ

熵损失如表３所示。

表３热泵系统各部件的损失

从表３可看出：冷凝器熵损失所占比重最大，为３８．７３％；其次是节流阀，损失为３３．５ｌ％；再次是压缩

机，损失为２６．５５％。一套闭式热泵干燥系统因其冷凝放热大于蒸发器从湿空气中吸收的热量，故在实际

３．２热泵系统的炯分析炯平衡方程式【８１为

∑Ｅｉ。＝∑Ｅ。。＋ＡＥ．。

式中

∑Ｅ；。一输入系统的炯；

（４）

运行中系统的能量是过剩的。为了使干燥室的温度

保持稳定，本实验系统在冷凝器后加了一个贮液罐

∑民。一输出系统的炯；

’ＡＥ。。一系统的内部炯损。

取环境温度死＝２９８．１５Ｋ，则热泵系统各部件的炯

损失如表４所示。

（辅助冷凝器），通过贮液罐中的冷却水带走了多余的热量，从而导致了冷凝器的熵损失在整个系统中所占

的比重最大。

表４热泵各部件的炯损分析结果

从表４可以看出：压缩机的炯损失所占的比重最

分析可以看出，热泵干燥是一项高效节能技术。热泵

系统的熵分析表明，可以采用辅助冷凝器的形式减少

大，所以该系统节能的主攻方向应该是努力提高压缩

机的性能。

４

冷凝器部分的损失；炯分析表明了其能量利用的薄弱

环节，并显示其节能的主攻方向是压缩机【９】。参考文献：

［１】

结语

通过对热泵干燥系统进行热力学第一和第二定律

陈锦屏，穆启运，田呈瑞．不同升温方式对烘干枣品质影

万方数据　

２０２

２００９年４月

农机化研究

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅａｔｐｕｍｐｉｓ

ａ

ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｅｎｉｔａｐｐｌｉｅｄｉｎｄｒｙｉｎｇｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅ

ｏｕｒ

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ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｒｙｉｎｇ；ｒｅｄｕｃｅ

ｅｈｅｒｇｙ．６０ｎ码ｕｍｐｕｔｉｏｎ

（上接第１０６页）

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＩＤ：１００３—１８８Ｘ（２００９）０４—０１０４一ＥＡ

Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

ＭｏｄｅｌｆｏｒＳｏｌｕｂｌｅＳｏｌｉｄｓＣｏｎｔｅｎｔｏｆＡｐｐｌｅ

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ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ

７１２１００，Ｃｈｉｎａ）

ｃｏｎｔｅｎｔ（ＳＳＣ）ｏｆ

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ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（Ｖｉｓ／Ｎ１ＲＳ）（３４５—１０３９）．Ｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄ

ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｐｒｉｎｃｉｐａｌ

万方数据　

热泵干燥系统的热力学分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

杨先亮， 宋蕾娜， 靳光亚， Yang Xianliang， Song Leina， Jin Guangya

杨先亮,靳光亚,Yang Xianliang,Jin Guangya(华北电力大学,能源与动力工程学院,河北,保定071003)， 宋蕾娜,Song Leina(山东省机械进出口集团公司,山东,青岛266002)农机化研究

JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH2009,31(4)2次

参考文献(10条)

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本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_njhyj200904061.aspx