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    空氣能熱泵干燥的原理及應用可與太陽能聯用
    2012-12-19 11:02:35
    1熱泵干燥原理及應用

        1.1基本原理

        熱泵是利用一定量的低溫熱能來獲得較高溫度、可供利用熱能的熱力系統。熱泵與常規的干燥設備一起組成的熱泵系統稱為熱泵干燥機或除濕干燥機,主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥等組成的閉路循環系統。熱泵干燥又稱為除濕干燥,與傳統熱風干燥的區別在于空氣循環方式不同,干燥室空氣除濕的方式也不同。論文百事通熱泵干燥時空氣在干燥室與熱泵干燥機間進行閉式循環,利用熱泵干燥機的制冷系統使來自干燥室的濕空氣降溫除濕。

        工作原理是:壓縮機把氣態的熱泵工質(熱泵干燥機內循環的制冷介質)提高壓力和溫度后,在冷凝器放熱冷凝成液態,液態的熱泵工質經過膨脹閥膨脹,在蒸發器中吸熱蒸發。轉化成低溫低壓的氣態,氣態的熱泵工質進入壓縮機從而完成熱泵工質的閉路循環。另外,經冷凝器加熱的干空氣進入干燥室,干燥物料成為濕熱空氣,然后進入除濕蒸發器析出水分排到機外,降低溫度和濕度后的干空氣再經冷凝器加熱進入干燥室,這樣就完成了空氣的閉路循環[2]。(圖略)

        1.2應用現狀

        1.2.1木材

        熱泵應用于木材干燥行業始于二十世紀中期。在五十年代美國首先將熱泵用于干燥糧食,接著美國的Westair有限公司將熱泵用于木材干燥,在加拿大、日本、意大利及美、英、法等國木材干燥設備中,已占有相當大的比例[3]。

        盡管熱泵在木材干燥領域中呈現發展態勢,但其中仍然存在問題:除濕干燥溫度低,干燥周期長,目前常用的制冷工質的干燥室溫度低于65℃,而常規干燥的最高工作溫度一般在80~90℃,除濕干燥要比常規干燥周期長三分之一到二分之一[4]。

        不過,從我國近二十余年以來的文獻資料來看,木材干燥理論研究涉及的內容大致有:木材滲透性的研究;木材干燥過程中水分遷移特性與遷移機理;木材干燥的數學模型與熱質傳遞的研究;木材干燥特性與工藝的研究;木材干燥的應力、變形與應力檢測;各種木材干燥新技術及組合干燥技術。其中干燥特性與工藝、木材熱物性等的研究,在熱泵干燥機的設計研究中將會大有用處,而組合干燥技術同樣是現在的研究熱點。

        根據熱泵干燥的特點,對木材干燥,可做如下改進:

        (1)熱泵與常規熱風聯合干燥

        目前,日本和加拿大主要采用“熱泵—常規熱風”聯合干燥的形式,用于木材干燥[5]。即首先采用傳統熱風干燥法對木材預熱,木材熱透后進入干燥初期和中期,此時不需要高溫,否則木材易開裂、變形,同時這段時間的空氣濕度大,用熱泵進行干燥可顯著節能。干燥后期,木材含水率低,干燥速率很小,需提高溫度才能加大干燥速率,此階段已不易發生干燥缺陷,故此階段用常規熱風干燥更合適。

        (2)高溫熱泵與太陽能聯合干燥

        太陽能與除濕機結合是比較理想的聯合干燥方式,具有節能效果顯著、干燥質量好、無污染、無火災隱患、自動化程度高、應用范圍廣等優點。

        與常規蒸汽加熱干燥技術相比,干燥1m3木材可以節約140kg標準煤,節能率為75%~80%,干燥成本降低約35%。美國等發達國家已經研制出這類干燥技術裝置,并申請了專利。

        (3)干燥室優化設計

        以計算機代替傳統手工的干燥室設計,其計算機模塊具有工藝計算、熱力計算、空氣動力計算、設備投資和干燥成本計算等功能??筛鶕Ω稍锸也馁|、干燥參數與干燥室總投資等要求,自動繪制出干燥室的設計草圖供用戶選擇[4]。

        另外,各種聯合干燥雖然均符合建立集約化木材干燥基地的發展趨勢,但聯合干燥初投資大,只有在集約化的大型干燥基地使用才能有效地降低干燥成本[7]。所以,木材干燥的集約化也需要進一步研究。

        1.2.2食品物料

        熱泵干燥技術應用于食品物料,一方面是過去對食品等熱敏感性物料一般采取冷凍干燥,干燥成本太高;另一方面是熱泵干燥的干燥條件溫和,干燥參數易于控制,能夠得到與冷凍干燥品質相近的產品。而且,熱泵干燥能較好地保持干燥產品的質量,由于熱泵干燥采用封閉式結構,維生素等營養揮發性成分都保留在干燥箱內不會逸出,逐漸地某種成分的分壓就得以建立,阻止了該種成分進一步向外揮發[8]。

        熱泵干燥應用于食品物料的不足也不能忽視。首先,應用于敏感性食品物料的干燥,易氧化的物質(如香味化合物和脂肪酸)在干燥過程中會產生氧化反應,使風味、顏色及復水性都變差。第二,熱泵干燥也屬于對流干燥,更適于顆粒物料的干燥,對于液體等的干燥效果則不理想[9]。

        目前對熱泵干燥食品物料的研究有:

        (1)使用新的干燥介質,通過應用惰性氣體來替代空氣作為干燥介質,得到的干燥產品在干燥過程中就不會產生氧化反應,產品質量也進一步得到提高。

        (2)熱泵式流化床干燥裝置的設計和使用,可以大幅提高干燥質量,而初投資和運行費用又遠低于低溫干燥[10]。

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