文 献 综 述

一、课题背景

干燥是一项高能耗的工艺过程，占发达国家总能源消耗的9％～25％。因此，为了降低产品单位水分的能耗，有必要采取不同的方法来提高干燥设备的能效。热风干燥、真空干燥、冷冻干燥、微波干燥等技术已被用于农业、化工、木材、纺织、造纸和制药等多种行业。任何干燥过程的目标都是通过优化设计和操作条件，以最低的成本和最大的处理量，获得达到质量要求的干燥产品。传统的干燥技术由于排放的热湿空气含有大量的显热和潜热以及物料杂质，因此能量利用效率较低，仅有35％左右，而且易于污染环境。因此，降低干燥所需的能源消耗对于减缓能源短缺的局面具有重要的意义。

热泵干燥技术在七十年代和八十年代逐步发展起来的，因为具有独特的干燥原理、节能效率较高、热效率较高、除湿较快、对环境友好并且能很好地维持物料的烘干品质等优点备受关注。

二、热泵干燥技术的基本原理

热泵可以从周围环境或者余热等低温热源中吸取热量，以得到比输入的能量更多的输出热能。热泵干燥系统由制冷剂循环和干燥介质循环两个子系统构成。制冷剂循环由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀等组成。干燥介质循环主要部件是干燥室和风机。

图1展示了热泵干燥系统的原理。装置主要由热泵系统和干燥系统组成。热泵循环系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等组成。热泵压缩机做功使蒸发器中吸收的低品味热能在冷凝器中将其提升为高品位热能。制冷剂在蒸发器内吸收热量从而蒸发为蒸汽，在压缩机中进行压缩，再进入冷凝器中放出热量冷却凝结。出干燥室的湿热空气在蒸发器内将部分显热和潜热放出，同时温度降至露点析出水分，再进入冷凝器加热为干空气，然后在干燥室内对湿物料进行干燥。

图1、　热泵干燥系统原理图

1．冷凝器； 2．压缩机； 3．干燥室； 4．循环风机； 5．排水口； 6．蒸发

器； 7．节流阀

Fig.1 Schematic diagram of heat pump drying system

1.Condenser;2.Compressor;3.Drying room;4.Circulating fan;5.Outlet;6.Evaporator;7.Throttle valve

三．热泵干燥技术的特点

热泵干燥与传统干燥相比具有以下特点：

（1） 节约能源。

热泵干燥装置通过湿空气在蒸发器内放热降温析出水分来达到干燥。

（2） 提高产品质量。

热泵干燥与传感控制技术的结合，可通过准确控制蒸发器冷凝器温度和空气流速来调节干燥介质的温度和湿度从而达到调节物料干燥速度的目的，并且实时控制干燥质量。

（3） 环境友好。

全封闭式热泵干燥装置工作时，与外界环境无空气交换，可以有效的避免对大气的污染和空气交换导致的物料污染。特别适合食品、药材等物料的干燥过程。

（4） 干燥范围广。

热泵干燥装置中干燥介质状态范围很广，温度一般在－20℃～100℃， 相对湿度在15％～80％， 可用于很多种类的物料的干燥。

（5） 干燥过程强化。

热泵干燥装置的干燥温度较低， 有利于维持产品特征性质。

四 热泵干燥的研究现状

4.1 国外研究进展

4.1.1 性能研究

Salvador用计算机模拟运行， 对封闭式热泵干燥装置和封闭式传统电加热干燥器的运行情况做出对比， 结果表明：除了在一些特殊的除湿量较低的工作状况之外，大部分情况下封闭式热泵干燥装置比封闭式传统电加热干燥器的能耗低；并且后者受环境的影响很大，当工作温度与环境温度差不多时其效率很低。

Hodget将热泵干燥装置与传统对流干燥器作比较，结果表明：热泵干燥装置SMER值为1.0～4.0 kg/kW#183;h，而传统对流干燥器的SMER值为0.2～0.6 kg/kW#183;h。

Phani K． Adapa等人采用循环式热泵干燥装置对人参、草药等进行干燥，温度在30～35℃，SMER范围在0.06～0.61 kg/kW#183;h，与传统的干燥装置相比，能量节约了22％，干燥时间减少了65％。

4.1.2 结构优化研究

影响热泵干燥装置性能的因素有很多，例如：系统运行时的空气参数、旁通率以及系统结构等。

Jolly， Jia等人认为：影响热泵干燥装置性能的主要因素是空气质量流量。空气质量流量影响热交换的能量、冷凝器和蒸发器的压力和温度，从而影响热泵干燥装置的性能。因此改变空气质量流量可以改变SWER值，同时影响到热泵干燥产品的质量和产量。

Xi等人通过对热泵干燥装置模拟得出：依赖蒸发器空气旁通，SMER值只能提高20％左右，且SMER的最大值对旁通率并不敏感；蒸发器进出口温差不大，加装回热器后效果也不明显；对于简单热泵除湿设备和开式热泵干燥装置，在冷凝器进口处旁通效果好。

Shane等人认为：热泵干燥装置运行时存在最佳风速，应维持进入蒸发器的空气高的相对湿度，空气旁通率对SMER值影响小。对于他们的研究系统，依赖改变旁通率对SMER 最大值的提高仅有9％。

S． praserisan 和P． saen－saby 认为： 对于半封闭热泵干燥装置， 环境温度、环境湿度、再循环率充分影响系统的性能， 而旁通率的影响可以忽略。

Marshall M． G．认为：在降速干燥阶段，通过采用声频能加速干燥过程，提高传质的速率，提高的能量利用率。并将试验数据和模拟结果的进行了比较，认为基本一致。

Hawlader M． N． A．等人采用太阳能辅助热泵干燥装置，对绿豆进行试验，认为当压缩机转速在1800 r/min， cop 可达到了7。蒸发器集热板和空气集热板效率分别为0.86和0.7。在压缩机转速在1200 r/min， 干燥产品量20 kg， SMER 为0.65。试验结果表明： 影响系统效率3 个重要因素是太阳能辐射量， 压缩机转速以及干燥产品的产量。

Zuhal Oktay 对湿毛绒采用开启式热泵干燥装置，在试验中， 质量流速在0.78～1.50 kg/㎡#183;s 范围变化，同时再循环率和旁通率介于20％～80％之间， 整个系统的cop， SMER 分别介于2～3.5及1.5～2.8kg/kW#183;h。

4.1.3 热泵干燥装置工质研究

Schmidt E． L． 等人比较了两个分别采用CO₂和R134a 为工质的热泵干燥装置。结果表明： 采用CO₂的系统， 其cop、SMER 和火用损失等情况比采用R134a系统的好。由于CO₂的环境特性和良好的热力学行为

而被视为具有较好应用前景的热泵干燥装置工质。

Sivakumar 等人在热泵干燥装置中， 采用混合工质（R134a 和R32） 与采用R134a 工质相比较。结果表明：使用混合工质的热泵干燥装置比开式热泵干燥装置节能69％， 干燥时间比开式循环干燥系统减少13％； 比使用R134a 的系统节能8％， 干燥时间减少33％。

4.1.4 热泵干燥装置模拟仿真研究

近年来，通过计算机模拟来研究热泵干燥装置引起了人们广泛的注意。

Joly 等人对热泵辅助连续干燥装置建立了一个详细的数学模型。分别对热泵系统和干燥室建立详细的传热、传质数学模型，通过质量、能量守恒定律将两个模型联系起来。

Siva． Achariyaviriya 等人通过对水果干燥过程的模拟，研究了环境因素、旁通率和干燥介质温度对热泵干燥装置性能的影响。Prasersan S．等人对4个热泵干燥装置（3个开式、1个闭式）做了详细研究，并在模拟中采用有限差分法分析工质状态和传热、传质过程。

4.2 国内研究进展

我国从20 世纪80 年代起对热泵干燥进行了研究，并在干燥领域得到了应用。金苏敏等人通过分析和试验证明， 采用空气回热的热泵干燥装置干燥木材时，除湿量可提高24％以上， 且空气的相对湿度越小除湿量提高越多。

马一太、张嘉辉、牛莹等人用当量温度法对热泵干燥的最佳工况进行了详细地分析计算， 提出了热泵干燥装置最佳蒸发温度概念， 并比较了不同热泵工质的干燥效果， 研究了回热循环的节能原理； 同时建立了模拟干燥系统运行时的数学模型， 用序贯模块法编制了相应的计算程序。通过模拟结果与试验结果的比较， 验证了模拟程序的可靠性。并对除湿过程有旁通的干燥装置进行模拟， 对影响结果的各参数进行了理论研究。

杜垲， 徐锡武对加装空气回热器的空气闭式热泵干燥装置和空气闭式热泵干燥装置做了对比试验。结果表明： 前者比后者除湿能耗比在某些工况下提高达20％。

王剑峰、高广春、欧阳应秀等人探讨了将相变材料应用于热泵干燥的潜力， 并进行了试验研究。利用相变材料相变热效应， 回收这部分能量， 并在装置需要热量时将贮存的能量释放给干燥空气， 试验结果证明： 相变材料在热泵干燥装置中的应用具有明显的节能潜力； 同时评价了热泵干燥装置的性能指标和影响热泵干燥装置性能的主要因素， 及其热泵干燥装置加装辅助冷却器的试验研究。

北京林业大学一直致力于木材热泵干燥的研究， 积累了大量的试验数据和实践经验， 而且在实际运行中节能效果和干燥效果均较为理想。通过以上论述表明， 热泵干燥具有能耗少， 环境污染小， 干燥品质高， 适用范围广的优点， 因此热泵干燥装置对热敏性等物料是一种理想的干燥机械。

五　结束语

随着科学技术与经济的发展，人们的环保意识和节能意识日益增强。在过去的２０年，热泵干燥已发展变成为一种成熟的技术，以其优良的除湿效果和节能效益已在农副产品的干燥加工中得到实验研究和实践应用的验证，并且对产品的质量能够保持和有所提高。

然而，热泵干燥技术尚未如人们期待的那样，广泛应用于生产过程。初始成本以及运营成本需要进一步减少。干燥等能源密集型操作的能源利用效率是减少净能源消耗的关键。具有成本竞争力的热泵干燥机的设计和制造将会发挥越来越重要的作用。此外，应该赋予新的热泵干燥机除干燥脱水之外更多的功能，比如冷藏、气体调节等。当然，虽然我们已经对热泵和其它多种干燥技术有深入的了解，但多项技术的优化整合仍然是一个具有挑战性的研发任务。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1、课题内容：

本毕业设计课题（1立方米热泵干燥箱设计）结合产品开发，要求学生有一定的工程能力，工作量饱满，机械制图要求比较高。通过本课题的设计可以综合大学4年所学知识的运用能力，特别是工程热力学、传热学、流体力学、热泵技术及相关专业课程的知识应用，同时有要有一定创新能力。通过本毕业课题的设计有利于学生工作尽快适应工作岗位的要求设计。且毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成工程师的基本训练和初步培养从事科学研究工作的重要环节。毕业设计也是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节；通过毕业设计，综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在毕业论文的过程中，所学知识得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。使学生的实践动手、动笔能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。

毕业设计以下具有目的：

(1) 通过阅读有关资料对热泵干燥装置有进一步的了解。

(2) 融汇、贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识。

(3) 综合运用所学专业理论知识和技能提高独立分析问题和解决实际问题的能力。 (4) 培养和提高学生的独立完成工作的能力。

1、 需要解决的问题

1. 了解干燥箱的市场现状和技术现状，分析热泵干燥箱的优缺点。并在此基础上，了解热泵干燥箱的工作原理，确定干燥系统的流程(主要设计参数： 已知环境条件： 干球温度：60℃ 相对湿度：70%干燥箱容积：1立方米)。

2. 空气循环热力设计计算

3. 室外换热器的设计计算及结构的确定

4. 空气集热器的设计计算及结构的确定

5. 确定热泵干燥箱的尺寸和布局，绘制零件图和总装图

2、 采用的研究手段

1.了解干燥箱的市场现状和技术现状，分析热泵干燥箱的优缺点。并在此基础上，了解热风干燥泵的工作原理，确定干燥系统的流程。

2.查阅文献，包括中文文献15篇，英文文献16篇。通过文献了解干燥箱的市场现状和技术现状，并了解热泵干燥箱的优缺点以及热泵干燥箱的工作原理。在此基础上，确定热泵干燥箱的设计方案（即确认热泵干燥箱的干燥流程和需要设计的主要部件）。以热空气作为干燥介质，将热量传递给待干燥产品，热量将从表面向中心传递，温度并逐渐升高; 待干燥产品内部的水分以气态或液态形式扩散至表面，汽化的水蒸气从表面扩散或以对流的方式传递到干燥介质主体，最后由热空气带走。

3.结合并参考锅炉设计的课程设计方法，依据原始参数（干球温度：60℃ 相对湿度：70% 干燥箱容积：1立方米），确定湿空气依次进入的水冷却器，蒸发器和冷凝器的空气状态参数。最后，在焓湿图上标出各点位置和参数，根据公式Q=m（h₁-h₂）计算出冷却冷量，G=m（d₁-d₂）计算出除水量。

4.结合并参考换热器设计的课程设计方法，根据设计要求，得到所需要的换热量，再依据经验换热系数，计算求得换热面积。根据空气在换热器中的流动形式和物料特性，设计出换热器的结构形式，最后计算验证是否可行。

5.结合热泵干燥箱的主要部件（水冷却器，蒸发器，冷凝器，压缩机，过滤器，风机，毛细管)的尺寸大小以及布局形式，来确定整个箱体的尺寸大小，进行总图的绘制。

6.以下是本产品结构示意图