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干货 | 热泵干燥过程的能效研究
当前, 能源危机和环境污染问题日趋严峻, 节能减排越来越受到重视。在木材、农牧产品和渔产品的干燥领域, 节能和环保的干燥手段也成为大势所趋, 热泵干燥系统以其高效节能、环保无污染、干燥质量高、运行安全可靠、使用寿命长、维护费用低、适用范围广等诸多优势, 越来越多地受到行业的追捧[1-3]。
热泵装置在干燥物料的过程中，热泵能效会随着干燥室内的相对湿度和干燥温度的变化而变化。
以下便是通过实验研究了干燥室内相对湿度和干燥温度变化时热泵系统的运行性能，分析了在不同干燥温度和相对湿度下热泵的能效数据，得到了相对湿度和干燥温度对热泵能效的影响，以及在整个干燥过程中的热泵能效的变化情况，给出了让热泵在整个干燥过程保持高能效运行的方案。
实验方法
本实验采用封闭式热泵干燥系统，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、辅助电加热器、节流装置、温度传感器、干燥室、循环风机和风道等组成。
干燥室内放置可调节的加湿器，通过调节相对湿度，模拟干燥过程中干燥室内湿度随被干燥物料失水的变化过程[4]。
（图1 封闭式热泵干燥系统原理图）
热泵干燥装置是利用冷凝除湿的方法来实现除湿。
从热泵冷凝器表面流过来的干热空气先将被干燥物料加热,，产生热湿空气，然后被风机输送到热泵蒸发器表面，热湿空气在蒸发器表面被吸热冷却到露点温度以下，析出水分，形成冷却干空气， 然后进一步被输送到热泵冷凝器加热，得到高温的干空气，高温干空气再去给被干燥物料加热[5-6]。
如此循环往复，从而达到除湿的目的，如图1所示。
单因素实验设计
（一）设定回风恒定的干燥温度
通过加湿器调节干燥室内的相对湿度，来分析相同温度时不同湿度条件下热泵的能效，当所设定的温度和湿度稳定后，保持运行1h，并记录1h内凝结水质量和系统耗电量等数据；
（二） 设定干燥室内恒定的相对湿度
通过热泵调节干燥回风的温度，来分析相同湿度时不同温度条件下热泵的能效，当所设定的温度和湿度稳定后，保持运行1h，并记录1h内凝结水质量和系统耗电量等数据。
试验工况按照表1来设置干燥室内的相对湿度和干燥回风的温度，共24组工况，记录每组实验数据。
实验结果分析
蒸发器凝结水全部为来自加湿器的水分，即模拟的被干燥物料所除去的水。根据单位时间内除去的水的质量和热泵系统耗电量数据，可以根据公式 (1) 计算出干燥系统的单位能耗除湿量：
其中，M为除去的水的质量，单位kg；W为热泵干燥系统耗电量，单位kW·h。
根据单位能耗除湿量,，可根据公式 (2) 计算出热泵干燥系统的能效[7-8]：
其中，hr是水在100℃时的蒸发潜热，为2257.2kJ/kg，即0.627 (kW·h) /kg。
根据实验数据计算，得到同一温度时不同相对湿度下热泵的能效，如图2所示。
由图2可以看到，使用不同的干燥温度时，就总体趋势而言，热泵系统在干燥的起始阶段能效是处于较高的水平，随着干燥室内相对湿度的下降，热泵COP逐渐下降。综合来看，当干燥室内相对湿度在60%～70%范围时，热泵运行状态较节能。
在干燥温度由30℃提高到40℃时，热泵在整个干燥过程的COP都有显著的上升。当干燥温度继续提高，从50℃提高到60℃，此时热泵能效变化不大。
（图2 同一温度时不同相对湿度下热泵的能效）
同一相对湿度时，不同温度下热泵的能效，如图3所示。
由图3可以看到，当干燥室内相对湿度在80%这样的高湿度状况下，干燥温度越低，热泵COP越高，节能效果越好。
随着干燥室内相对湿度从70%降到30%的变化过程中，热泵系统在较低的干燥温度时 (30℃) COP都最低，而在中高温 (40℃～50℃) 的干燥温度时，热泵的COP较高。且湿度越低时，能效的峰值越趋于高温时出现。
（图3 同一相对湿度时不同温度下热泵的能效）
因此，在干燥的起始阶段，当干燥室相对湿度高时，使用低的干燥温度能够让热泵处于较高的能效;随着相对湿度的下降，应逐渐提高干燥温度，以实现热泵高能效运行。
结论
（1）热泵系统在干燥的起始阶段能效是处于较高的水平, 随着干燥室相对湿度的下降, 热泵COP逐渐下降。
（2）用低的干燥温度能够让热泵处于较高的能效;随着相对湿度的下降, 应逐渐提高干燥温度, 以实现热泵高能效运行。
（3）综合来看, 当干燥室内相对湿度在60%～70%范围, 干燥温度在40℃～50℃范围时, 热泵处于高能效运行。
参考文献
[1]李博，李伟钊，魏娟，等。热泵干燥技术在粮库节能减排中的应用[J]。粮食储藏，2018，47(6)：11-14。
[2]张兴亚，吴晶晶，於海明，等。热泵干燥机研究现状及展望[J]。农业工程，2018，8(8)：78-82。
[3]姚玉萍。空气源热泵在木材常规干燥中的应用[J]。林产工业，2018，45(8)：57-59+63。
[4]刘林，王强。热式热泵干燥装置的设计分析[J]。制冷与空调(四川)，2018，32(5)：520-523。
[5]杜永强。跨临界CO2热泵干燥实验研究[D]。大连：大连理工大学，2014。
[6]黄佳兵。闭式热泵干燥系统除湿性能与调控技术研究[D]。广州：广州大学，2018。
[7]左希桐，雷波。混流式热泵蚊香干燥系统及工程应用[J]。制冷与空调(四川)，2019，33(1)：69-73+79。
[8]张春路，杨亮，曾潮运。热泵干衣机仿真与优化[J]。制冷学报，2015，36(6)：40-46。
作者
周壮渊（1989—），男，湖北孝感人，硕士研究生，研发工程师，研 究方向：热泵及燃气锅炉应用技术。