熱泵式低溫干燥裝置的研制分析 |資料

1　熱泵式低溫干燥裝置的原理與特點
隨著對生物物料加工質量要求的提高，藥物制劑（如丸劑）、生物活性制品（如血液制品）、菇菌制品（如香菇）及其它農副產品的低溫加工（≤60℃）是基本發展趨勢[1]。干燥是生物物料加工的基本環節，應用低溫干燥裝置能較好地保持其色、香、味及營養、質構，對保證生物物料的加工質量具有重要意義。
目前常用的低溫干燥方式中，冷凍干燥、微波干燥成本高，真空干燥溫度不易做到太低，自然陰干直接受天氣影響，利用吸濕劑（分子篩、硅膠等）制取冷干空氣的方法易污染生物物料。因此研制物料干燥質量好（介于冷凍干燥和熱風干燥之間）、初投資適中、運行費用低、干燥時間短的 低溫干燥裝置，對于發展生物物料低溫加工具有積極的作用。熱泵式低溫干燥裝置基本可滿足上述要求[2]。
熱泵與干燥裝置組合，可回收干燥裝置的排風熱量（包括空氣的顯熱和水蒸汽的潛熱），制取低溫（20℃至60℃）的干燥空氣，并可改進物料的干燥工藝，實現干燥系統的集成、高效、綠色。以熱泵式流化床干燥裝置為例，其原理如圖1。裝置的工作過程為：熱泵產生的20℃～60℃左右的低溫干燥空氣，在循環風機推動下進入流化床。
在流化床中，低溫干燥空氣與待干物料進行熱濕交換，吸收物料中的水分，變為潮濕冷空氣，進入熱泵蒸發器。在熱泵蒸發器中，潮濕冷空氣進一步被冷卻至露點溫度以下，凝結出其中的水分，變為干燥冷空氣，進入熱泵冷凝器。在熱泵冷凝器中，干燥冷空氣又被加熱為20℃～60℃左右的低溫干燥空氣，通過循環風機提高壓力后又進入流化床，開始下一個循環。如此循環運行，實現物料的連續干燥。
由上可見，熱泵式低溫干燥裝置有以下幾個突出特點：
(1)能耗低。加熱冷空氣所用的熱量主要來自熱泵蒸發器吸收流化床排風的余熱，熱泵壓縮機消耗功率很小，僅為干燥裝置加熱空氣能量的1/3～1/10，裝置具有較高的能效，運行費用可大幅度降低。
(2)低溫干燥空氣的吸濕容量大。在熱泵蒸發器中用冷凍凝結方法去除空氣中的水分，出熱泵蒸發器時干燥冷空氣中的含濕量已很?。?℃時，約為4g水蒸氣/kg干空氣），加熱到20℃～60℃即可得到具有一定吸濕能力的低溫空氣(加熱到40℃時，吸濕能力約為45g水蒸汽/kg干空氣；而直接加熱環境空氣用來干燥物料時，設環境溫度為20℃，相對濕度80%時，加熱到40℃吸濕能力約為35g水蒸汽/kg干空氣)。物料所要求的干燥溫度越低，采用熱泵除濕－加熱方式提供低溫干燥空氣的優勢就越突出。尤其當物料所要求的干燥溫、濕度低于當地環境溫度的溫、濕度時(夏季濕熱天氣時)，直接采用環境空氣加熱方式就不再可行。
(3)物料的干燥質量好。物料有效成分、營養成分及生物活性成分等的降解反應一般與溫度成指數關系，對熱敏性物料實現低溫干燥是確保物料干燥質量的重要手段，這對于干燥時間長、干燥負荷相對較小的降速干燥階段具有特別重要的意義[3,4]。此外，熱泵式流化床干燥裝置是采用干燥介質（如空氣等）的密閉循環方式，可減少空氣凈化設備的負荷，必要時還可采用惰性氣體（如氮氣等）作為干燥介質、以及采用真空操作等方法減少物料在干燥過程中的氧化，降低茶葉、香料等物料在干燥過程中的香氣損失，因此，熱泵式流化床干燥裝置對熱敏性物料、含易氧化成分的物料、含易揮發成分的物料尤為適宜。
2熱泵式低溫干燥裝置的研制方法
熱泵式低溫干燥裝置研制的目的主要有兩個：降低運行費用與提高干燥質量。根據干燥時物料中水分運動特點的不同，熱泵式低溫干燥裝置可分為兩大類，裝置結構和研制內容也不同。
2.1逆向型熱泵式干燥裝置的研制
這類熱泵干燥裝置多系熱泵與當前 應用的干燥裝置(如流化床、噴霧、轉筒、烘房、帶式干燥裝置等)相結合，干燥過程中物料中水分的運動方向與熱量傳遞方向相反。這類熱泵干燥裝置干燥熱敏性物料時，在恒速干燥段干燥裝置進風溫度可能較高，但物料溫度維持較低（低于60℃）[5]；在降速干燥段干燥裝置進風為低于60℃的低溫干燥空氣。其研制關鍵是通過熱泵與干燥裝置的集成技術來強化干燥過程、提高熱泵效率、降低熱泵成本，以及熱泵的變工況適應技術（恒速干燥段提供中高溫干燥空氣，降速干燥段提供低溫干燥空氣），使整個干燥過程中熱泵均可高效提供所需溫度的干燥空氣，確保物料的低溫干燥。
⑴基本結構一般當干燥熱風溫度不大于100℃時，可完全應用熱泵系統回收干燥裝置排風中的余熱來加熱干燥空氣，基本原理如圖1所示，熱泵壓縮機是裝置的能源消耗部件。
⑵能效設干燥裝置進風溫度為100℃，排風溫度為70℃時，熱泵的能效比(EER)約為4，即熱泵式流化床干燥裝置的耗電量是同等規模電加熱式流化床干燥裝置的25%。進風溫度降低時，熱泵式低溫干燥裝置的節能效果更好（進排風溫差相同時）。
⑶技術經濟性以加熱量為100kW的流化床干燥裝置為例，取電費為0.8元/kW.h,干燥裝置每天工作10h,熱泵式干燥裝置比電加熱式干燥裝置每月可節省電費約1.5萬元，干燥裝置加入熱泵系統或利用熱泵系統改造已有干燥裝置的投資回收期約為3～5個月。
⑷部件熱泵式流化床（及噴霧、烘房、帶式）干燥裝置的熱泵蒸發器、熱泵冷凝器均可采用翅片管式換熱器，換熱器的平均傳熱溫差10～15℃；熱泵式轉筒干燥裝置中，冷凝器可采用套管式、殼管式、板式等型式，傳熱溫差5～10℃。
⑸熱泵工質熱泵循環工質宜采用環境友好的非共沸混合工質（NARM），如R227ea/R141b等，以確保較好的能效、工作壓力、安全性、換熱器內外介質溫度變化的匹配性等[6]。
⑹其它當前熱泵加熱空氣所提供的空氣溫度一般低于100℃，當恒速干燥階段需要更高溫度的熱空氣時（如噴霧干燥等裝置中），則需采用新的高溫熱泵技術[7]。對中小型蒸汽壓縮式熱泵，可選方案有以電為能源的近卡諾循環技術、無油潤滑技術、濕壓縮技術，以燃氣、油為能源的燃氣或燃油動力式熱泵技術；對大型裝置，可考慮以油、氣、煤為能源的吸收式高溫熱泵技術。
2.2正向型熱泵式干燥裝置的研制
這類干燥裝置干燥物料時，物料中水分的運動方向與熱流方向相同或靠真空形成水分運動的推動力。熱泵與這類干燥裝置(如微波、紅外、真空干燥裝置等)相結合，目的是在保證物料干燥質量的前提下，降低干燥能耗，強化干燥過程，縮短干燥時間，彌補單純干燥裝置的不足，其研制關鍵是熱泵的除濕加熱功能與干燥裝置的加熱驅濕功能的有效綜合。
⑴溫度為保證熱敏性物料的干燥質量，干燥溫度一般不高，干燥條件相對較溫和，所需熱泵的相關技術及部件較成熟，熱泵循環工質的可選范圍大，如R134a、R227ea、R142b、R600及其混合物等可較好地滿足這一溫度區間各類熱泵干燥裝置的要求[6]。
⑵熱泵式微波及紅外干燥裝置微波及紅外干燥均有透入物料表面對物料進行三維加熱，形成溫度內高外低的正向溫度場（與水分排出物料的運動方向一致）的優點，可實現在較低溫度下對物料的高質量干燥，但物料表面處富集水蒸汽的排除、干燥成本、大型化（尤其對微波干燥）是制約其應用的不利因素。熱泵的引入可較好地克服上述不足，利用熱泵制取的低溫干燥空氣即可保證物料的干燥質量，又可快速帶走物料表面的水分，使微波或紅外能量主要用于驅動水分由內向外的運動，水分的汽化與移走則熱泵完成，形成優勢互補型的集成，使熱泵式微波或紅外干燥裝置具有物料干燥質量好、時間短、能耗低、易于實現大型化等綜合優勢。
⑶熱泵式真空干燥裝置熱泵式真空干燥裝置可通過采用類似冷凍干燥裝置的結構。利用熱泵蒸發器作為冷阱，使物料中排出的水分在熱泵蒸發器中凝結析出，可大幅度降低真空設備的負荷（真空設備僅用于排除不凝氣體）；利用熱泵冷凝器加熱物料，提供物料中水分蒸發排出所需的熱量。與電加熱式真空干燥裝置相比，熱泵式真空干燥裝置用能（運行費用）僅為1/5。
3熱泵式低溫干燥裝置的應用分析
應用機會：熱泵與微波、紅外、真空等低溫干燥裝置相結合，可大幅度降低其干燥成本，可使諸
多附加值相對低的物料也可采用低溫干燥來提高干燥質量，拓展了可適用的物料范圍，即將其適用物料范圍向低附加值物料拓展了一大塊。熱泵與流化床等中高溫干燥裝置相結合，可在相對低的溫度下實現較高的吸濕能力和干燥強度，從而可對原來不適宜的熱敏性物料進行干燥，也拓展了可適用的物料范圍，即將其適用物料范圍向熱敏性物料拓展了一大塊。熱泵與各類干燥裝置的成功集成，可使干燥過程的能耗大幅度降低，提高了干燥產品的經濟性和產品的市場競爭力[8]。
市場定位：綜上，熱泵式低溫干燥裝置與冷凍干燥裝置、中高溫熱力干燥裝置相比，其物料的干燥質量與初投資均介于二者之間，而干燥運行費用則最低，可作為不能耐受高溫但又不必冷凍干燥的一大類物料的理想干燥裝置。
技術關鍵：熱泵式低溫干燥裝置應用與推廣的技術關鍵是低溫干燥空氣與物料間的熱質傳遞過程的強化，熱泵式低溫干燥裝置的結構優化，熱泵式低溫干燥裝置的工況調控，熱泵式低溫干燥裝置的功能集成等。
4結論與建議
熱泵式低溫干燥裝置為一大類熱敏性物料提供了較理想的干燥方法，影響其應用與推廣的主要因素是初投資與可靠性，解決的主要途徑是通過干燥與熱泵兩個領域的密切合作，在對典型物料干燥過程與熱泵除濕加熱過程均有透徹掌握的基礎上，通過系統結構與功能的高度集成，實現裝置的模塊化、綠色化與智能化，研制出初投資與傳統裝置相近、物料適應性好、能耗低、技術易掌握、物料干燥質量上好的高水平熱泵式低溫干燥裝置。