摘 要

本次毕业设计内容为热泵干燥装置设计，由热泵循环系统和干燥系统两大子系统组成，文中详细阐述了热泵循环系统的工作原理及其热力学过程，并针对封闭式热泵干燥装置进行设计计算。本次设计计算首先根据设计条件设定初始条件如下：干燥介质为空气（常温为20℃，相对湿度60%），干燥对象为芒果，湿物料含水量84%，产品含水量14%，产量为3000kg/d，进行干燥室部分的计算，其次根据所需热量选用热泵系统和辅助加热器共同供热的方式，对热泵系统进行了热力计算，确定R22制冷剂的冷凝温度为60℃、蒸发温度为15℃，计算压缩机输气量和功率。然后分别对冷凝器和蒸发器进行设计计算，计算冷凝器传热面积为590.4m²、蒸发器传热面积为294.54m²。再者，对整个装置中空气流量和风压进行核算，选用风机。然后对热力膨胀阀进行热力计算和选型，并计算制冷剂的充注量。最后计算该装置的能源效率为1.546，除湿能耗比SMER=7.248kg/(kW·h)，并进行节能优化分析，得出如下结论：当制冷剂的冷凝温度与蒸发温度差值越大，干燥介质吸湿能力越强，干燥效率越高，但压缩机功率增加，SMER值下降；相反，干燥介质吸湿能力越弱，干燥效率越低，压缩机功率下降，SMER值升高。

关键字：热泵干燥；热力计算；除湿能耗比

Abstract

The graduation design content for the heat pump drying equipment design, the heat pump circulation system and drying system two architectural system, this paper expounds the working principle of heat pump circulating system and its thermodynamic process, and the design calculation for closed heat pump drying device. The design calculation, first of all, according to the initial conditions set by the design conditions is as follows: drying medium for air (normal temperature is 20 ℃, relative humidity 60%), dry object for mango, wet material moisture 84%, product moisture content 14%, yield of 3000 kg/d, the calculation of part of drying chamber, then selected according to the required heat pump system and auxiliary heater heating way, thermodynamic calculation for heat pump system, determine the refrigerant R22 condensation temperature of 60 ℃, the evaporating temperature of 15 ℃, compressor capacity and power calculation. Then the condenser and evaporator were designed and calculated respectively, and the heat transfer area of the condenser was 590.4m² and the heat transfer area of the evaporator was 294.54m². In addition, the air flow and air pressure of the whole device are calculated and the fan is selected. Then the thermal calculation and selection of the thermal expansion valve are carried out, and the filling amount of refrigerant is calculated. Finally calculate the energy efficiency of the apparatus is 1.546, energy consumption of dehumidification SMER = 7.248 kg/ (kW·h), and energy saving optimization analysis, the following conclusions: when the refrigerant condensing temperature and evaporating temperature difference value, the greater the drying medium moisture absorption ability stronger, the higher the drying efficiency, but the compressor power increasing, the SMER value; On the contrary, the weaker the moisture absorption capacity of the dry medium, the lower the drying efficiency, the lower the compressor power and the higher the SMER value.

Key words: heat pump drying; Thermal calculation; Dehumidification energy ratio

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国外研究及应用 1

1.3国内研究及应用 2

1.4小结 3

第2章 热泵干燥装置 4

2.1工作原理 4

2.2热泵干燥装置的分类 5

2.3热泵循环的热力学过程 6

2.4干燥室 7

2.5 小结 8

第3章 设计说明书 9

3.1设计条件与要求 9

3.2穿流厢式干燥室部分设计 9

3.2.1物料衡算 9

3.2.2热量衡算 9

3.2.3干燥室结构计算 11

3.3热泵循环部分计算 11

3.3.1热泵冷凝器加热量计算 11

3.3.2热泵循环计算 12

3.4压缩机热力计算及选型 13

3.5冷凝器设计计算 14

3.5.1冷凝器热负荷 14

3.5.2冷凝器进出口空气状态参数 15

3.5.3整体结构设计 15

3.5.4初步确定冷凝器结构参数 16

3.5.5结构设计 18

3.5.6空气侧表面换热系数 18

3.5.7考虑表面效率的空气侧表面传热系数 19

3.5.8管内R22制冷剂冷凝时表面传热系数 20

3.5.9传热计算所需的传热面积 21

3.5.10空气侧流动阻力与风机选型 22

3.6蒸发器设计计算 22

3.6.1空气在蒸发器内的状态变化过程 22

3.6.2整体结构设计 24

3.6.3初步确定蒸发器结构参数 25

3.6.4结构设计 26

3.6.5空气侧表面换热系数 27

3.6.6考虑表面效率的空气侧表面传热系数 28

3.6.7管内R22制冷剂蒸发时表面传热系数 29

3.6.8传热计算所需的传热面积 31

3.6.9空气侧流动阻力 32

3.7风机的风压校核 33

3.8节流装置 33

3.8.1设计参数 33

3.8.2膨胀阀两端的压力差 34

3.8.3膨胀阀的选型 35

3.9制冷剂充注量的确定 35

3.10热泵系统各部件参数 36

3.11小结 38

第4章 节能分析 39

4.1热泵干燥装置的能源效率 39

4.2热泵干燥装置的除湿能耗比 39

4.2.1热泵干燥装置的理想循环 39

4.2.2除湿能耗比（SMER） 39

4.2.3除湿能耗比的影响因素 41

4.3小结 41

第5章 结论及展望 42

5.1结论 42

5.2展望 42

参考文献 43

致谢 45

第1章 绪论

1.1课题研究目的及意义

在农业结构大幅度的调整和科技快速发展的条件下，果蔬的生产方式与规模也在不断变化，不同地域、不同季节的果蔬也将进行跨地域、跨季节贸易。但由于许多果蔬产品含有的水分、蛋白质和维生素等营养物质较多，且贸易运输量要求的时效性高，果蔬在常温下随时间的延长易于产生腐败变质，因此在贮藏前都必须进行干燥处理，果蔬的干制加工也逐渐成为农业发展的趋势^[1]。

在果蔬干制生产中，整个干燥过程伴随着析湿和热量交换。在热交换过程中，对干燥设备提出了重大的要求：需要产品质量高、生产成本低、能源消耗低、自动化程度高、性能稳定的果蔬脱水干燥设备。

热泵是通过消耗其他能源而将热能从低温物系向高温热源传输的装置^[2]。由于热泵干燥是在低温下进行，干燥室内气流组织比较均匀，纵向温差小，平面温度均匀，且干燥温湿度能精确的控制，因而对果蔬品质的提升尤有重要，特别适用于热敏性物料。此外，热泵干燥能充分利用热泵系统中各个部件的功能，很大程度的提高了热量利用率和能源转换率，减小了热量的散失，做到高效环保节能。热泵干燥装置在能源节约，产品质量和干燥温度控制调节方面都具有很大的优势，是近期发展起来的一种行之有效的新型干燥节能技术^[3]。

1.2国外研究及应用

自19 世纪早期卡诺循环的提出，热泵工作原理被世人认知。1943 年 热泵干燥技术首先在德国被Sulzer 公司用于地下室除湿装置，自此热泵干燥技术在干燥领域得到迅猛发展^[4]。随后，法国、日本、加拿大等国家都纷纷将热泵干燥技术应用于木材干燥工业中，节能效果都非常明显。国外学者在果蔬热泵干燥上取得了一些新的研究成果：Rossi^[5]等利用热泵干燥系统干燥洋葱的研究中，获得了较好的产品质量，节能30%；Chua^[6]等对香蕉进行干燥实验时，通过控制干燥气体的温湿度，缩短干燥时间，提高产品外观色泽；Jolly^[7]等人将热泵干燥装置数学模型化，详细表达出了热泵系统和干燥室的传质传热，并将二者的模型联系起来。

此外，在热泵系统本身的研究中也有很大成就：Comakli K^[8]等通过研究发现，研究发现可用一种新的混合制冷剂替代纯R22制冷剂，且确定了冷凝器的空气流量对COP有最主要的影响。Peter J，Chen Y S^[9] 等改进了热泵干燥系统，在蒸发器前加装吸收湿空气热量的热管，热管内的工质而后被冷凝放出热量给空气加热。Aktas^[10] 将太阳能干燥与热泵干燥相结合，经分析得出，先采用太阳能加热，可以缩短干燥窑工作周期，提高能源利用经济性，且合理配合使用两种系统，干燥效率大幅度提高。Shane ^[11]等人认为：热泵干燥装置运行时存在最佳风速，当高相对湿度空气流入蒸发器时，该装置SMER 值受干燥室排出的空气旁通率影响小。

近年来，国外对热泵干燥的研究主要集中在以下几方面：

（1）热泵干燥设备，主要是过程控制和制冷设备，特别是制冷压缩机，若提高压缩比，可获得较高的冷凝温度，实现高温干燥，继而使装置SMER值上升。

（2）热泵组合干燥技术，结合远红外、微波或太阳能等干燥方式使用，发挥各自的优势，以适应不同干燥温度的需求，提高干燥效率和节能程度。

（3）制冷工质，研究热泵干燥制冷工质对冷凝器的冷凝压力及干燥气体在冷凝器中的加热量有至关重要的影响。

（4）应用相变材料，在某一干燥阶段中，放置合适的相变材料科通过相变产生的热量来减少能源的消耗并维持高的除湿率。

（5）新型热泵技术的开发，例如溴化锂吸收式制冷循环热泵系统和化学热泵等。

（6）智能控制技术的应用，结合现代智能控制检测技术，对干燥过程进行智能控制与精确调节，使干燥效率与产品品质更高，操作成本更低。

1.3国内研究及应用

与其他国家相比，我国接触热泵相对较晚。1985年上海能源研究所开始研制热泵干燥装置应用于干燥木材，随后研制应用于粮食种子干燥。从1989 年至1993 年RCG 系列太阳能-空气能双热源木材除湿联合干燥机被北京林业大学和北京冷冻机厂研制出，并获得国家专利，此项技术联合太阳能进行双模式干燥，获得了显著的经济效益^[12]。

近年来，我国热泵的研究重心为：对传统热泵干燥技术的分析研究，在其基础上加以改进获得更高的制热系数和SMER，并分析其节能因素；结合太阳能、红外、微波等研制开发双热源或多热源热泵干燥技术；研究吸收式热泵技术，可以得到更高温升、更高效率的热泵系统。

张绪坤^[13] 等人研制了热泵——热风组合干燥装置，在不同的干燥阶段根据物料要求采用不同的模式，可大幅度的缩短干燥周期。且该装置可通过变频风机改变转速来调控干燥介质的温湿度，从而控制干燥除湿效果。

陈嘉澍^[14] 等人对传统封闭式热泵干燥装置的弊端进行了分析，并研究出改进型式，可以同时满足高温和低温的双温型干燥装置，对干燥条件的适应性极好，且可通过变频风机改变转速来调控进入干燥室的干燥介质温度。

天津大学热能研究所张嘉辉^[15] 等具体分析了热泵干燥系统的最佳运行工况，存在一个最佳蒸发温度，使得系统除湿率最大，且分析了系统的㶲效率和㷻效率。。

常州大学石油工程学院的胡静^[16] 等人研究了相变储能光伏太阳能热泵干燥系统，分析计算了太阳能光伏集热蒸发器与直流压缩机的匹配，并对该系统实验平台的数据做出分析。

张忠进^[17] 等人在实验研究中，分析了干燥介质在干燥室内状态变化的过程，并得出干燥室内空气的相对湿度对装置除水率的影响至关重要。

1.4小结

本章节中主要是阐明了设计的研究目的及意义，其在干燥工艺和节能上都具有显著的效益，对干燥除湿产业的发展具有重要意义。此外，说明了国内外对热泵干燥研究的主要内容，国外主要集中在热泵系统部件的改善以及与多种能源相结合的干燥方式，而国内则把重心放在了改善基本装置达到节能效果，同时也研究了新模式的热泵干燥。

第2章 热泵干燥装置

2.1工作原理

热泵干燥装置是利用热泵加热干燥介质并在干燥室内吸收湿热空气的水分成为湿流体，除湿后的干燥介质排出外界或又被重新加热变成干热流体再返回到干燥室内进行下一个循环。该装置包括热泵循环系统和干燥系统两大子系统。

如图2.1所示，在热泵循环系统中，热泵工质（制冷剂）在压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器组成的热泵工质封闭通路中按1-2-3-4-1循环。热泵工质在蒸发器内吸收从干燥室排出的热空气的热量，汽化为蒸气进入压缩机，气体工质经制冷压缩机压缩后，温度压力均升高。高压高温的气体工质进入冷凝器，加热流经冷凝器的干燥介质，而自身降温成为高压液体。由冷凝器出来的液体热泵工质流经节流装置节流降压后，变为低温低压的气液混合物工质，随后流入蒸发器，被流经蒸发器的干燥介质加热，液体部分工质气化为气体，进入压缩机完成一个循环。

图2.1 热泵干燥装置示意图

干燥系统由干燥室和干燥介质（干燥空气）及其他附件组成。干燥介质在气体通道中按5-6-7流动，首先进入冷凝器，被冷凝器中制冷剂凝结放出的热量加热成高载湿能力的干热空气，由风机送入干燥室内，使物料温度上升，并吸收其大量的水分，而后成为湿空气。接着湿空气进入蒸发器，被蒸发器中的制冷剂吸收热量而冷却到露点以下，其中的水分凝结排出，变为干空气。除湿后的空气排出外界或者顺气流通道流至冷凝器，被制冷剂散发的热量再次加热。

2.2热泵干燥装置的分类

按干燥介质与外界环境的连通程度，热泵干燥装置可分为开式、半开式、封闭式三大类。

如图2.2（a）所示，开式热泵干燥装置中，外界环境空气进入干燥室干燥除湿后又全部排出。其具备结构简单、操控方便等优势，但存在最大的缺陷是只能用空气作为干燥介质，且物料干燥温度受到外界环境条件（空气温度、湿度等）的影响极大，在进入干燥器前，空气的净化负荷也比较大。此外，干燥后排出的废气（尤其是含有粉尘和有毒有害的气体）对环境造成的污染也有相当大的程度。

（a）开式热泵干燥装置 （b）半开式热泵干燥装置

（c）封闭式热泵干燥装置

1冷凝器 2节流阀 3蒸发器 4压缩机 5风机 6干燥室

图2.2 三种类型热泵干燥装置

如图2.2（b）所示，半开式热泵干燥装置中，干燥器排出的废气由旁通阀控制一部分排出外界环境，另一部分再循环经过热泵处理再次进入干燥器（即由外界环境空气和干燥器排出的废气一起作为干燥介质进入干燥器中）。该装置需要在干燥器排气处设置旁通阀，以控制排出外界的废气量（或再循环进入干燥器的空气量），从而实现对物料干燥温度、干燥介质温度、湿度的调节控制。其对进入干燥室空气的温湿度的调节与控制优于开式热泵干燥装置，但由于增加了旁通阀，根据不同的物料干燥要求和环境条件，该装置中的气流循环通道的布置较为复杂，对旁通量的调节控制也存在精确性和不稳定性。此外，该装置的干燥介质也只能为空气，且物料干燥温度也在一定的程度上受到外界环境条件（空气温度、湿度等）的影响，部分干燥废气的排出也会对环境造成污染。

如图2.2（c）所示，封闭式热泵干燥装置中，干燥介质既不从外界环境引入新鲜空气，也不向外界环境排出废气，而是循环流动于封闭的气流通道中。循环的干燥介质被制冷剂加热成为干热空气，接着被风机送入干燥室干燥除湿，排出的气体再流过蒸发器降温除湿，随后再流经冷凝器完成循环。封闭式热泵干燥装置是热泵干燥系统常用的一种结构型式，普遍应用在我国农副产品的干燥加工中。该装置可大幅度调控干燥温度（即不受外界环境温度的影响），对干燥介质的选用较为灵活，可针对不同的物料干燥条件选用不同特性的干燥介质，没有对环境的废气排放污染。

2.3热泵循环的热力学过程

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