熱泵本質上是一種熱量提升安裝，高溫熱泵烘幹機組應用逆卡諾原理，從四周環境中汲取熱量，並把它傳送給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與製冷機相同，都是依照逆卡諾循環工作的，所不同的隻是工作溫度範圍不一樣。
高溫熱泵烘幹機組， 主要有翅片式蒸發器（外機）、緊縮機、翅片冷凝器（內機）和收縮閥四局部組成，經過讓工質不時完成蒸發（汲取室外環境中的熱量）→緊縮→冷凝（在室內烘幹 房中放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將外部低溫環境裏的熱量轉移到烘幹房中，冷媒在緊縮機的作用下在係統內循環活動。它在緊縮機內完成氣態 的升壓升溫過程（溫度高達100℃），它進入內機釋放出高溫熱量加熱烘幹房內空氣，同時本人被冷卻並轉化為流液態，當它運轉到外機後，液態疾速吸熱蒸發再 次轉化為氣態，同時溫度可降落至-20℃～-30℃，這時吸熱器周邊的空氣就會源源不時地將熱量傳送給冷媒。
高溫熱泵烘幹機組在工作時，與普通的空調以及熱泵機組一樣，在蒸發器中吸收低溫環境介質中的能量QA：它自身耗費一局部能量，即緊縮機耗電QB:經過工質 循環係統在冷凝器中時行放熱QC，QC=QA+QB，因而高溫熱泵烘幹機組的效率為（QB+QC）/QB，而其他加熱設備的加熱效率都小於1,因而高溫熱 泵烘幹機組加熱效率遠大於其他加熱設備的效率，能夠看出，采用高溫熱泵烘幹機組作為烘幹安裝能夠儉省能源,同時還降低CO2等汙染物的排放量，完成節能減 排的效果。
高溫熱泵烘幹機組 適用於賓館酒店的床上用品的烘幹，海產品、蔬菜脫水、AD黑銀耳、瓜子、花生、果蔬、肉製品、腸衣、煙葉、皮革、香菇、枸杞、幹果、蚊香、貢香、布料、衣 物、糧食穀物、掛麵、腐竹、肥料、藥品、中藥材、紙品、木材、種子、汙泥、石膏、五金產品、冶金產品、礦山副產品、化工產品、煙氣脫硫石膏、粘土、牧草、 烤煙、粉煤、煤泥、褐煤等的烘幹。在工業熱水方麵，還可滿足電鍍廠電鍍液的恒溫、屠宰場高溫熱水的加熱和保溫、星級酒店高溫熱水的供給和工業企業高溫熱水 的需求。
物料烘幹過程是一個巨大的耗能過程，據統計，在大多數發達國家裏用於烘幹所消耗的能量占全國總能耗的7%-15%，而熱效率僅為25%-50%，並且大 部分烘幹過程特別是對熱敏性物料（例如食品和生物物料）都會對其色澤、營養、風味和組織產生影響。熱泵烘幹技術具有能源消耗少，環境汙染小、烘幹品質高、 適用範圍廣等優點，其優異的節能效果已被國內外的各種試驗研究所證明。
熱泵幹燥技術
摘要：熱泵是一種高效、節能裝置，應用於幹燥過程可以降低能耗，對於緩解我國能源緊張局麵具有重要意義。為此，本文將介紹了熱泵幹燥係統的組成；指出了熱泵幹燥技術具有提高產品幹燥品質、易於控製和環境友好等特點，可用於木材、穀物、茶葉、種子和食品等物料的幹燥；根據目前熱泵幹燥技術存在的幹燥速率低等問題，分析了熱泵幹燥技術的發展趨勢。
關鍵詞：熱泵幹燥技術；不足；高效節能；發展趨勢；特點
Abstract: the pump is a kind of high efficiency, energy saving device, used in dry process can reduce energy consumption, in China's energy for alleviating tension to have the important meaning. Therefore, this paper introduces the composition of dry heat pump system; Points out that the heat pump technology has the dry improve product quality, easy to control the dry and environment friendly and other characteristics, can be used in wood, grain, tea, seeds and food material such as dry; According to the current dry heat pump technology in the drying rate of low, analyses the development trend of the technology of dry.
Key words: dry heat pump technology; Insufficient; High efficiency and energy saving; Development tendency; characteristics
1引言
幹燥工藝是最古老的單元操作之一,廣泛應用於國民經濟各個領域。幹燥行業是耗能較大的產業,在發達國家,大約10%～20%的燃料應用於幹燥工藝[1]。隨著社會和科學技術的不斷發展,熱泵技術逐漸應用於幹燥領域。熱泵的最早應用出現於20世紀20年代,到了50年代,才作為商品出現在市場上。但是,早期由於產品銷售價高、可靠性差等原因,使熱泵生產發展緩慢。70年代,隨著石油危機的出現和熱泵技術本身的不斷改進和完善,熱泵又以其獨特的優勢重新進入市場。熱泵幹燥技術因為具有高效節能、成本較低、不汙染環境、能對幹燥介質的溫度、濕度、氣流速度進行準確獨立控製，並且幹燥質量也好,因而已廣泛應用於木材幹燥、種子幹燥、食品加工、陶瓷烘焙、紡織行業等領域。
2. 熱泵幹燥原理
熱泵從低溫熱源吸取熱量,使低品位熱能轉化為高品位熱能，可以從自然環境或餘熱資源吸熱從而獲得比輸入能更多的輸出熱能。熱泵幹燥係統由兩個子係統組成：製冷劑回路和幹燥介質回路。製冷劑回路由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥組成。係統工作時，熱泵壓縮機做功並利用蒸發器回收低品位熱能，在冷凝器中則使之升高為高品位熱能。熱泵工質在蒸發器內吸收幹燥室排出的熱空氣中的部分餘熱，蒸發變成蒸氣，經壓縮機壓縮後進入冷凝器中冷凝，並將熱量傳給空氣。由冷凝出來的熱空氣再進入幹燥室，對濕物料進行幹燥出幹燥室的濕空氣再經蒸發器將部分顯熱和潛傳給工質，達到回收餘熱的目的;同時，濕空氣的度降至露點析出冷凝水，達到除濕的目的。幹燥質回路主要有幹燥室與風機。熱泵幹燥係統原理圖1所示。
3熱泵幹燥技術的特點
3.1 節約能源
節約能源是熱泵最初應用的出發點，也是主要的優點。熱泵低溫(15℃~45℃)幹燥木材時可節約能耗40%~70%。幹燥大米的適宜溫度為35℃~50℃。溫度雖低，但是需要大量的熱。傳統幹燥器的效率隻有3%~5%，而用熱泵幹燥效率將明顯提高。布匹對幹燥溫度有嚴格的要求，熱泵幹燥機組不但能滿足此要求，而且比傳統的熱泵幹燥機組節能50%左右。熱泵幹燥技術應用在蔬菜脫水中節能高達90%。近年來越來越多的研究人員也證實了熱泵幹燥機組的節能特性。
3.2 幹燥產品品質好
熱泵幹燥是一種溫和的幹燥方式，接近自然幹燥。表麵水分的蒸發速度與內部水分向表麵遷移速度比較接近，使被幹燥物品的品質好、色澤好、產品等級高。用普通的幹燥方法得到的芳香類揮發性物質保留少、耐熱性差的維生素保留低、顏色變化較大。例如：用滾筒幹燥機得到生薑的生薑素保持率僅為20%，而用熱泵幹燥得到的生薑素保持率高達26%。Van Blarcom和Mason的試驗表明，即使在50℃下，采用熱泵幹燥澳大利亞堅果也不會出現上麵所說的褐變現象，能較好地保持堅果原有的色澤、風味及營養成分。
3.3 幹燥參數易於控製且可調範圍寬
熱泵幹燥過程中，循環空氣的溫度、濕度及循環流量可得到精確、有效的控製，且溫度調節範圍為-20℃～100℃(加輔助加熱裝置)，相對濕度調節範圍為15%～80%適合於熱敏性物料的幹燥。
3.4 環境友好
物料幹燥不僅要求提高產品質量和節約能耗，同時必須對環境友好。基於相同的評價標準，熱泵對全球變暖的影響與電釋放的CO2相比是很小的。對環境的友好是熱泵幹燥的優點(1996 Odilio)。目前，國外提倡應用熱泵來減少CO2的排放，它必將得到進一步應用。
4 熱泵幹燥技術的應用
4.1木材的幹燥
木材的幹燥加工,是較早成功應用熱泵幹燥技術的領域,雖然用熱泵幹燥技術幹燥木材所需時間較常規氣流幹燥法耗時多,但顯著的節能效果和較高的木材利用率,使熱泵幹燥法成為木材幹燥加工的主要手段之—。特別是對那些商業價值高、幹燥難度大的“難幹木材”,例如,澳大利亞的紅山毛櫸、硬山毛櫸等,更適合於熱泵幹燥。我國20世紀80年代首先在木材加工中引入熱泵幹燥技術,目前熱泵幹燥法已被全國許多地區的木材加工企業廣泛使用,木材熱泵幹燥設備的生產現已完全立足於國內。
4.2穀物的幹燥
穀物幹燥是熱泵幹燥技術的主要研究及應用領域之一,日本科學家利用熱泵幹燥技術對穀物進行的幹燥試驗表明:從穀物中除去1%水,平均能耗為2 063kJ;俄羅斯科學家的試驗數據為1 624kJ,均低於常規氣流幹燥法的平均能耗;GiocoM指出,
1982、1983、1984 3個年度的生產試驗證明:熱泵幹燥技術應用於穀物幹燥較常規氣流幹燥法平均節能約30%,最多可節能50%。目前在英國、德國等發達國家熱泵幹燥技術已在穀物幹燥加工生產實際中得到廣泛應用。
4.3種子的幹燥
熱泵幹燥技術的低溫幹燥特性比較適合於種子幹燥,用熱泵幹燥機分別對玉米、大豆、稻穀種子進行了幹燥試驗研究,結果表明:熱泵幹燥技術是一種很適合各種子幹燥加工的技術,它不僅能保持種子的品質,和日曬相比,還可使種子發芽率提高5%。上海市能源研究所於1992年研製了熱泵式糧食種子幹燥裝置,試驗結果表明:(1)能耗經多次測試為1 700～2 500kJ/kgH2O,明顯低於常規幹燥的能耗;(2)發芽率有一定的提高。
4.4食品物料的幹燥
把熱泵幹燥技術應用於食品物料的幹燥愈來愈得到人們的關注。一方麵是過去對食品等熱敏感性物料的幹燥一般采取冷凍幹燥,但幹燥成本太高;另一方麵是熱泵幹燥的幹燥條件溫和,幹燥參數易於控製,可得與冷凍幹燥相近的產品。熱泵幹燥食品物料時其幹燥溫度能在-20～60℃範圍內調節,采用恰當的控製方法,熱泵幹燥係統可在常壓下實現冷凍幹燥。Chua.et.al1(2000)應用他們自己設計的二級蒸發熱泵幹燥係統,根據不同的農產品品種,設計了不同的幹燥介質溫度,得到的產品質量好,而且在整個幹燥過程中顏色和維生素C《糧油加工與食品機械》2004年第4期的損失分別下降87%和20%。近年來國外采用熱泵幹燥食品物料的應用研究如表1
5.熱泵幹燥現存的問題和發展趨勢
熱泵幹燥技術雖然具有節能、幹燥溫度低等優點,但存在幹燥時間長,維護要求較高等問題。
5.1存在問題
5.1.1幹燥時間長受其工作原理的限製,熱泵幹燥溫度一般在45~60[5]之間.在幹燥加工中,為了保證產品品質,一般采用較低幹燥溫度,使幹燥速率下降,生產能力降低,從而延長了幹燥時間.為了縮短幹燥時間,必須提高幹燥溫度,必須提高壓縮機的壓縮比以增大冷凝壓力,但這樣會對壓縮機產生負麵影響,而且熱泵係統性能也會因此下降.此外,熱泵幹燥機采用的是空氣閉式循環方式,雖然提高了能量利用率,但壓縮機卻始終處於高溫高濕狀態,這樣就對壓縮機的性能及可靠性提出了很高的要求,目前國產的製冷壓縮機還不能滿足這樣的要求.
5.1.2能級消耗高熱泵幹燥技術過程消耗的是能級最高的電能,不少學者認為熱泵幹燥節約了能源,但從經濟上分析未必合算.因此,從熱力學第一定律和熱力學第二定律出發,將能量的質量和數量加以統一的度量標準.按能量的做功能力大小作為衡量能量的統一尺度,來分析熱泵幹燥過程能量的利用程度是很有必要的。
5.1.3製冷劑泄漏,影響環境由於采用了加壓係統,若管路發生開裂,則製冷劑會泄漏到環境中[4].一旦發生泄漏,熱泵循環係統的壓力明顯下降,幹燥機的工況將受到影響,消耗臭氧的製冷劑CFCs會影響環境.
5.1.4維護要求較高熱泵幹燥機的壓縮機、製冷劑過濾器、熱交換器等裝置均要求定期進行維護、檢修,以保證幹燥機處於優良的工作狀態.製冷劑發生泄漏時應及時補充或更換,否則熱泵循環係統將受到較大影響。
5.1.5幹燥規模小同蒸汽鍋爐規模相比,熱泵幹
燥規模小.如木材幹燥,用蒸汽幹燥,最大幹燥房可達300 m2以上,而熱泵幹燥最大為100m2
5.2目前熱泵幹燥技術的研究與發展，主要集中在以下幾個方麵:
5.2.1關於熱泵幹燥機組設計、性能、幹燥介質、新產品等的研究。①提高幹燥溫度。提高熱泵的幹燥溫度是目前的主要課題。通過加裝輔助加熱係統，使通過冷凝器的空氣進一步加熱以提高幹燥溫度，是目前廣泛采用的方式之一。②采用新型綠色熱泵工質，應用高溫高壓壓縮機，提高其冷凝溫度，從而滿足較高的幹燥溫度要求。其中製約壓縮機發展的兩個主要因素是熱泵工質和潤滑油，無油潤滑壓縮機也是一個發展方向。目前已有學者進行了這方麵的嚐試並取得了初步進展，證明這個途徑是可行有效的。③研究開發新產品。為在供電不足或供電設施不全地區使用熱泵幹燥技術，開發基於電機以外的其它動力驅動的熱泵幹燥裝置具有重要意義。④改進熱泵性能。通過應用高效換熱器來提高熱泵效率和脫水能力。
5.2.2聯合式、輔助熱源熱泵幹燥係統的開發研究，特別是太陽能熱泵幹燥係統極有發展潛力。①多用途熱泵係統開發與應用。根據生產實際，調整熱泵係統的模塊組合，從而使之具有幹燥、空氣調節、冷凍儲藏等多種功能。②與其它幹燥方式聯合應用。在熱泵幹燥裝置中采用高頻電磁波或紅外加熱等作為輔助加熱源，這樣既提高了幹燥速度和溫度，又減小了熱泵幹燥裝置本身的熱負載量。③太陽能、地熱及廢熱等可再生或低品位能源在幹燥領域的應用成為研究熱點。
5.2.3自動控製、信息技術、模擬技術等的發展為熱泵幹燥機組性能進一步優化創造了條件。幹燥加工是一個複雜多變的過程，根據物料脫水情況及環境狀況實時調控幹燥工藝參數，有利於提高能量利用率及產品品質。熱泵幹燥裝置既可以調節幹燥介質濕度又可以調節幹燥介質的溫度。因此，可將現代檢測、傳感及控製技術結合起來應用於熱泵幹燥加工，實現對幹燥加工過程的全自動人工智能實時控製，以降低操作成本和提高幹燥品質。
5 結束語
熱泵幹燥技術具有幹燥除濕快、熱效率高和顯著的節能效果,在常溫下即可獲得較為理想的幹燥速度,既大幅度節省了資源,又提高了產品的質量,經濟效益顯著,並可消除廢氣和噪聲的汙染,改善了工作環境,從而受到廣泛關注,但同時熱泵幹燥所存在的問題需要逐步得以解決.提高幹燥溫度,開發新型熱泵幹燥係統,廣泛應用現代測試技術、傳感技術以及自動控製技術,將是熱泵幹燥技術今後的主要發展方向.同時,我國是能源短缺的農業大國,有大量農產品需要儲藏和運輸,熱泵幹燥技術將有廣闊的發展前景.
