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热泵式低温干燥装置的研制分析

发布时间:2009/11/2 9:28:55

1 热泵式低温干燥装置的原理与特点
  随着对生物物料加工质量要求的提高,药物制剂(如丸剂)、生物活性制品(如血液制品)、菇菌制品(如香菇)及其它农副产品的低温加工(≤60℃)是基本发展趋势[1]。干燥是生物物料加工的基本环节,应用低温干燥装置能较好地保持其色、香、味及营养、质构,对保证生物物料的加工质量具有重要意义。
  目前常用的低温干燥方式中,冷冻干燥、微波干燥成本高,真空干燥温度不易做到太低,自然阴干直接受天气影响,利用吸湿剂(分子筛、硅胶等)制取冷干空气的方法易污染生物物料。因此研制物料干燥质量好(介于冷冻干燥和热风干燥之间)、初投资适中、运行费用低、干燥时间短的新型低温干燥装置,对于发展生物物料低温加工具有积极的作用。热泵式低温干燥装置基本可满足上述要求[2]。
  热泵与干燥装置组合,可回收干燥装置的排风热量(包括空气的显热和水蒸汽的潜热),制取低温(20℃至60℃)的干燥空气,并可改进物料的干燥工艺,实现干燥系统的集成、高效、绿色。以热泵式流化床干燥装置为例,其原理如图1。装置的工作过程为:热泵产生的20℃~60℃左右的低温干燥空气,在循环风机推动下进入流化床。
  在流化床中,低温干燥空气与待干物料进行热湿交换,吸收物料中的水分,变为潮湿冷空气,进入热泵蒸发器。在热泵蒸发器中,潮湿冷空气进一步被冷却至露点温度以下,凝结出其中的水分,变为干燥冷空气,进入热泵冷凝器。在热泵冷凝器中,干燥冷空气又被加热为20℃~60℃左右的低温干燥空气,通过循环风机提高压力后又进入流化床,开始下一个循环。如此循环运行,实现物料的连续干燥。
  由上可见,热泵式低温干燥装置有以下几个突出特点:
  (1)能耗低。加热冷空气所用的热量主要来自热泵蒸发器吸收流化床排风的余热,热泵压缩机消耗功率很小,仅为干燥装置加热空气能量的1/3~1/10,装置具有较高的能效,运行费用可大幅度降低。
  (2)低温干燥空气的吸湿容量大。在热泵蒸发器中用冷冻凝结方法去除空气中的水分,出热泵蒸发器时干燥冷空气中的含湿量已很小(0℃时,约为4g水蒸气/kg干空气),加热到20℃~60℃即可得到具有一定吸湿能力的低温空气(加热到40℃时,吸湿能力约为45g水蒸汽/kg干空气;而直接加热环境空气用来干燥物料时,设环境温度为20℃,相对湿度80%时,加热到40℃吸湿能力约为35g水蒸汽/kg干空气)。物料所要求的干燥温度越低,采用热泵除湿-加热方式提供低温干燥空气的优势就越突出。尤其当物料所要求的干燥温、湿度低于当地环境温度的温、湿度时(夏季湿热天气时),直接采用环境空气加热方式就不再可行。
  (3)物料的干燥质量好。物料有效成分、营养成分及生物活性成分等的降解反应一般与温度成指数关系,对热敏性物料实现低温干燥是确保物料干燥质量的重要手段,这对于干燥时间长、干燥负荷相对较小的降速干燥阶段具有特别重要的意义[3,4]。此外,热泵式流化床干燥装置是采用干燥介质(如空气等)的密闭循环方式,可减少空气净化设备的负荷,必要时还可采用惰性气体(如氮气等)作为干燥介质、以及采用真空操作等方法减少物料在干燥过程中的氧化,降低茶叶、香料等物料在干燥过程中的香气损失,因此,热泵式流化床干燥装置对热敏性物料、含易氧化成分的物料、含易挥发成分的物料尤为适宜。
  2 热泵式低温干燥装置的研制方法
  热泵式低温干燥装置研制的目的主要有两个:降低运行费用与提高干燥质量。根据干燥时物料中水分运动特点的不同,热泵式低温干燥装置可分为两大类,装置结构和研制内容也不同。
  2.1 逆向型热泵式干燥装置的研制
  这类热泵干燥装置多系热泵与当前广泛应用的干燥装置(如流化床、喷雾、转筒、烘房、带式干燥装置等)相结合,干燥过程中物料中水分的运动方向与热量传递方向相反。这类热泵干燥装置干燥热敏性物料时,在恒速干燥段干燥装置进风温度可能较高,但物料温度维持较低(低于60℃)[5];在降速干燥段干燥装置进风为低于60℃的低温干燥空气。其研制关键是通过热泵与干燥装置的集成技术来强化干燥过程、提高热泵效率、降低热泵成本,以及热泵的变工况适应技术(恒速干燥段提供中高温干燥空气,降速干燥段提供低温干燥空气),使整个干燥过程中热泵均可高效提供所需温度的干燥空气,确保物料的低温干燥。
  ⑴基本结构 一般当干燥热风温度不大于100℃时,可完全应用热泵系统回收干燥装置排风中的余热来加热干燥空气,基本原理如图1所示,热泵压缩机是装置的能源消耗部件。
  ⑵能效 设干燥装置进风温度为100℃,排风温度为70℃时,热泵的能效比(EER)约为4,即热泵式流化床干燥装置的耗电量是同等规模电加热式流化床干燥装置的25%。进风温度降低时,热泵式低温干燥装置的节能效果更好(进排风温差相同时)。
  ⑶技术经济性 以加热量为100kW的流化床干燥装置为例,取电费为0.8元/kW.h,干燥装置每天工作10h,热泵式干燥装置比电加热式干燥装置每月可节省电费约1.5万元,干燥装置加入热泵系统或利用热泵系统改造已有干燥装置的投资回收期约为3~5个月。
  ⑷部件 热泵式流化床(及喷雾、烘房、带式)干燥装置的热泵蒸发器、热泵冷凝器均可采用翅片管式换热器,换热器的平均传热温差10~15℃;热泵式转筒干燥装置中,冷凝器可采用套管式、壳管式、板式等型式,传热温差5~10℃。
  ⑸热泵工质 热泵循环工质宜采用环境友好的非共沸混合工质(NARM),如R227ea/R141b等,以确保较好的能效、工作压力、安全性、换热器内外介质温度变化的匹配性等[6]。
  ⑹其它 当前热泵加热空气所提供的空气温度一般低于100℃,当恒速干燥阶段需要更高温度的热空气时(如喷雾干燥等装置中),则需采用新的高温热泵技术[7]。对中小型蒸汽压缩式热泵,可选方案有以电为能源的近卡诺循环技术、无油润滑技术、湿压缩技术,以燃气、油为能源的燃气或燃油动力式热泵技术;对大型装置,可考虑以油、气、煤为能源的吸收式高温热泵技术。
  2.2 正向型热泵式干燥装置的研制
  这类干燥装置干燥物料时,物料中水分的运动方向与热流方向相同或靠真空形成水分运动的推动力。热泵与这类干燥装置(如微波、红外、真空干燥装置等)相结合,目的是在保证物料干燥质量的前提下,降低干燥能耗,强化干燥过程,缩短干燥时间,弥补单纯干燥装置的不足,其研制关键是热泵的除湿加热功能与干燥装置的加热驱湿功能的有效综合。
  ⑴温度 为保证热敏性物料的干燥质量,干燥温度一般不高,干燥条件相对较温和,所需热泵的相关技术及部件较成熟,热泵循环工质的可选范围大,如R134a、R227ea、R142b、R600及其混合物等可较好地满足这一温度区间各类热泵干燥装置的要求[6]。
  ⑵热泵式微波及红外干燥装置 微波及红外干燥均有透入物料表面对物料进行三维加热,形成温度内高外低的正向温度场(与水分排出物料的运动方向一致)的优点,可实现在较低温度下对物料的高质量干燥,但物料表面处富集水蒸汽的排除、干燥成本、大型化(尤其对微波干燥)是制约其应用的不利因素。热泵的引入可较好地克服上述不足,利用热泵制取的低温干燥空气即可保证物料的干燥质量,又可快速带走物料表面的水分,使微波或红外能量主要用于驱动水分由内向外的运动,水分的汽化与移走则热泵完成,形成优势互补型的集成,使热泵式微波或红外干燥装置具有物料干燥质量好、时间短、能耗低、易于实现大型化等综合优势。
  ⑶热泵式真空干燥装置 热泵式真空干燥装置可通过采用类似冷冻干燥装置的结构。利用热泵蒸发器作为冷阱,使物料中排出的水分在热泵蒸发器中凝结析出,可大幅度降低真空设备的负荷(真空设备仅用于排除不凝气体);利用热泵冷凝器加热物料,提供物料中水分蒸发排出所需的热量。与电加热式真空干燥装置相比,热泵式真空干燥装置用能(运行费用)仅为1/5。
  3 热泵式低温干燥装置的应用分析
  应用机会:热泵与微波、红外、真空等低温干燥装置相结合,可大幅度降低其干燥成本,可使诸
  多附加值相对低的物料也可采用低温干燥来提高干燥质量,拓展了可适用的物料范围,即将其适用物料范围向低附加值物料拓展了一大块。热泵与流化床等中高温干燥装置相结合,可在相对低的温度下实现较高的吸湿能力和干燥强度,从而可对原来不适宜的热敏性物料进行干燥,也拓展了可适用的物料范围,即将其适用物料范围向热敏性物料拓展了一大块。热泵与各类干燥装置的成功集成,可使干燥过程的能耗大幅度降低,提高了干燥产品的经济性和产品的市场竞争力[8]。
  市场定位:综上,热泵式低温干燥装置与冷冻干燥装置、中高温热力干燥装置相比,其物料的干燥质量与初投资均介于二者之间,而干燥运行费用则最低,可作为不能耐受高温但又不必冷冻干燥的一大类物料的理想干燥装置。
  技术关键:热泵式低温干燥装置应用与推广的技术关键是低温干燥空气与物料间的热质传递过程的强化,热泵式低温干燥装置的结构优化,热泵式低温干燥装置的工况调控,热泵式低温干燥装置的功能集成等。
  4 结论与建议
  热泵式低温干燥装置为一大类热敏性物料提供了较理想的干燥方法,影响其应用与推广的主要因素是初投资与可靠性,解决的主要途径是通过干燥与热泵两个领域的密切合作,在对典型物料干燥过程与热泵除湿加热过程均有透彻掌握的基础上,通过系统结构与功能的高度集成,实现装置的模块化、绿色化与智能化,研制出初投资与传统装置相近、物料适应性好、能耗低、技术易掌握、物料干燥质量上好的高水平热泵式低温干燥装置。

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