3.2 系统的设计参数
本文的干燥对象分别是胡萝卜、白菜种子和处理好的鱼片。
首先对第一个干燥器中的胡萝卜进行干燥处理计算，首先对胡萝卜进行干燥前的处理，选取胡萝卜进行清洗，去掉菜头和菜尾，然后切成大小为的形状。热泵干燥工作温度为55℃，空气的相对湿度为13%。已知胡萝卜的初始含水率为80%，脱水至含水率8%，假定每次干燥时间为6h，每次干燥重量50kg，假定胡萝卜进出口温度为20℃、30℃，水的比热为4.2kJ/(kg·℃)，胡萝卜比热为1.3kJ/(kg·℃)。
其次对第二个干燥器中的白菜种子进行干燥处理计算，白菜种子厚度约为4mm，白菜种子的初始含水率为30%，脱水至含水率为8%，热泵干燥温度为40℃，其空气相对湿度为20%。每次干燥量为50kg，假定每次干燥时间为4h，设定白菜种子进出口温度为20℃、30℃，水的比热为4.2kJ/(kg·℃)，白菜种子比热为1.01kJ/(kg·℃)。
最后对第三个干燥器处理好的鱼片进行干燥处理计算，设定鱼片的初始含水率为80%，脱水至含水率为10%，热泵干燥温度为25℃，其空气相对湿度为55%。每次干燥量为50kg，假定每次干燥时间为8h，设定处理好的鱼片进出口温度为20℃、30℃，水的比热为4.2kJ/(kg·℃)，鱼片比热为1.2kJ/(kg·℃)。
3.2.1 干燥过程的热、湿负荷计算
物料在干燥过程中的水分蒸发量W(kg/h)
由于干燥前后干物料质量不变，故有：
式(3.1)
整理上式得：
式(3.2)
式中：W—水分蒸发量，kg/h;
M—一次放入干燥器的食品的重量，kg;
—物料的初始含水率，%;
—干燥完成后物料的含水率，%;
—物料干燥完成所需要的时间，h。
由式(3.2)计算得，胡萝卜的W1=6.52kg/h
白菜种子的W2=2.99kg/h
鱼片的W3=4.86kg/h
物料在干燥过程中水分蒸发所需的热量Q (kw)
干燥过程中，能量的不可逆损失一般是无法避免的，所以在计算物料干燥所需的热量时，需要选取一个适当的安全系数(1.2~1.5)对计算结果进行修正。本文在干燥过程中水分蒸发所需热量计算中，选择安全系数为1.2。
则干燥过程中物料所需热量Q由式3.3可得：
式(3.3)
式中：Q—物料干燥过程中所需的热量，kw;
—水蒸气汽化潜热，kJ/kg;
W—物料在干燥过程中的水分蒸发量，kg/h。
胡萝卜取55℃=2366.5kJ/kg
白菜种子取40℃=2401.1kJ/kg
鱼片取25℃=2435.0kJ/kg
由式(3.3)计算得，胡萝卜Q1=5.15kw
白菜种子Q2=2.4kw
鱼片Q3=4.0kw
物料在干燥过程中升温所需的热量Q (kw)
由式3.4计算物料在干燥过程中升温所需的热量：
式(3.4)
式中：Q—物料升温所需的热量，kw;
G1—每小时平均干燥的物料量，kg/h;
CM—干燥器出口的物料的比热，kJ/(kg·℃);
t2—物料出干燥器的温度，℃;
t1—物料进入干燥器的温度，℃。
由式3.5计算：
式(3.5)
所以，计算得胡萝卜升温需要的热量为：Q1=127.7kJ/h=0.04kw
白菜种子升温需要的热量为：Q2=105.4kJ/h=0.03kw
鱼片升温需要的热量为：Q3=125kJ/h=0.035kw
取一个安全系数1.2修正得，Q1=1.24kw，Q2=0.036kw，Q3=0.042kw
取其热损失为物料水分蒸发所需热量和物料升温所需热量的5%，则Ql1=0.3kw，
Ql2=0.1kw，Ql3=0.2kw
胡萝卜干燥中需要的热负荷为：Q=5.15+1.24+0.3=6.7kw
白菜种子干燥中需要的热负荷为：Q=2.4+0.036+0.1=2.5kw
鱼片干燥中需要的热负荷为：Q=4+0.042+0.2=4.2kw
所以，完成干燥所需总的热负荷为13.4kw
3.2.2 空气状态变化计算
干燥过程中空气循环量L(kg/h)
热泵干燥装置的焓湿图如图3.2所示。6点是经过冷凝器加热之后的空气状态，也就是第一个干燥器进口处的空气状态。7点为第三个干燥器出口处的空气状态，也就是蒸发器进口处的空气状态。5点为经过蒸发器降温除湿后的空气状态，也就是冷凝器进口处的空气状态。如果忽略系统的能量损耗，则干燥物料在干燥器内的干燥过程可以近似看作是等焓过程，所以在干燥器进出口处，空气的焓值不变，由于干燥过程中物料水分的蒸发，空气的含湿量得到增加。
第一个干燥器内空气温度从55℃降至40℃，根据干燥器入口的空气参数(温度为55℃，湿度为13%)，通过查找空气的焓湿图，确定6点的焓值和含湿量分别是：h6=89.2kJ/kg;d6=12.93g/kg。而t6=55℃，6=13%。所以，第一个干燥器出口的焓值为：h1=h6=89.2kJ/kg。查空气焓湿图得，第一个干燥器出口的含湿量(d1)和相对湿度()分别是：d1=18.74g/kg;1=40.16%。而t=40℃。冷凝器进口(5点)到冷凝器出口(6点)为空气在冷凝器内的等湿加热过程，所以冷凝器进口(5点)的含湿量为：d5=d6=12.93g/kg。查空气焓湿图得，h5=48.9kJ/kg，t5=18℃，=100%。
第二个干燥器内空气温度从40℃降至25℃，根据第二个干燥器入口的空气参数(温度为40℃，湿度为20%)，通过查找空气的焓湿图，确定入口处的焓值和含湿量分别是：h=64.1kJ/kg;d=9.2g/kg。而t=40℃， =20%。所以，第二个干燥器出口的焓值为：h2=h=64.1kJ/kg。查空气焓湿图得，第二个干燥器出口的含湿量(d2)和相对湿度()分别是：d2=15.2g/kg;=76.3%。而t=25℃。
第三个干燥器内空气温度从25℃降至20℃，根据第三个干燥器入口的空气参数(温度为25℃，湿度为55%)，通过查找空气的焓湿图，确定入口处的焓值和含湿量分别是：h=57.1kJ/kg;d=11.1g/kg。而t=25℃，=50%。所以，第三个干燥器出口的焓值为：h3=h=57.1kJ/kg。查空气焓湿图得，第三个干燥器出口的含湿量(d3)和相对湿度()分别是：d3=13.6g/kg;=96%。而t=20℃。
所以，干燥过程中所需的空气循环量为：
式(3.6)
式中：L为空气循环量，kg/h;
W为水分蒸发量，kg/h;
胡萝卜干燥过程中含湿量的变化为：d11=d1-d6=18.74-12.93=5.81g/kg
白菜种子干燥过程中含湿量变化为：d22=15.2-9.20=6.00g/kg
鱼片干燥过程中含湿量变化为：d33=13.6-11.1=2.5g/kg
由式(3.4)计算得，胡萝卜L=1122kg/h=0.31kg/s
白菜种子L=498kg/h=0.14kg/s
鱼片L=1944kg/h=0.54kg/s
所以，为了便于设计安装，取L=3000kg/h=0.83kg/s计算蒸发器负荷。
蒸发器热负荷(kJ/h)
由图3.2可知，7点到5点为空气在蒸发器中的降温除湿过程，所以蒸发器热负荷为： 式(3.7)
式中：为蒸发器热负荷，kJ/h;
h7=57.1kJ/kg，h5=48.9kJ/kg;
由式(3.7)计算得，=24600kJ/h=6.8kJ/s
考虑到换热情况以及能量的不可逆损失等，取安全系数为1.5，所以修正后的蒸发器热负荷为10.3kw。
冷凝器热负荷Qc(kJ/h)
由于计算得完成干燥需要的热负荷为13.4kw，考虑到换热情况以及能量的不可逆损失等，设计冷凝器热负荷为15kw。
3.2.3 热泵干燥装置制冷循环计算
考虑到制冷剂的选用对环境的影响以及目前市场上应用制冷剂的实际情况，以及制冷剂的影响，本文热泵装置采用R134a的制冷剂，热泵干燥装置的压焓图如图3.1所示。
制冷循环中的冷凝温度可以按照从冷凝器出来的空气温度再加冷凝器的传热温差10℃取值。蒸发温度可以按照经过蒸发器之后的空气状态下的空气温度减去蒸发器的传热温差取值，设定蒸发器的传热温差为8℃，取过热度为5℃。压缩机效率为0.8，热泵系统各状态点参数如下表所示。
表3.1 热泵干燥装置各状态点参数
|
状态点 |
温度(℃) |
压力(kPa) |
比容(m3/kg) |
焓(kJ/kg) |
熵(kJ/kg· K) |
|
1 |
15 |
414.5 |
0.05080 |
409.0 |
1.739 |
|
2 |
75 |
1890 |
0.01100 |
441.7 |
1.739 |
|
3 |
65 |
1890 |
0.009978 |
428.1 |
1.700 |
|
4 |
65 |
1890 |
0.0009755 |
295.8 |
1.309 |
|
5 |
10 |
414.5 |
0.0007935 |
295.8 |
1.048 |
|
6 |
10 |
414.5 |
0.04948 |
404.4 |
1.722 |
所以，冷凝温度为65℃，蒸发温度为10℃.
单位质量制冷量： =h6-h5=108.6kJ/kg 式(3.8)
单位质量制热量： =h2-h4=145.9kJ/kg 式(3.9)
所以，热泵系统的制冷剂循环量为：
() 式(3.10)
式中：为蒸发器热负荷，kJ/h ，36900kJ/h;
h6为蒸发器出口处制冷剂焓值，kJ/kg，404.4kJ/kg;
h5为蒸发器进口处制冷剂焓值，kJ/kg，295.8kJ/kg。
由式(3.10)计算得，=339.8kg/h=0.095kg/s
4 热泵干燥装置各设备的选型
4.1 制冷压缩机的计算与选型
压缩机是整个热泵系统的主体心脏，根据不同的分类压缩机有不同类型的。
制冷压缩机的理论输气量Vi和实际输气量分别为：
() 式(4.1)
() 式(4.2)
式中：为制冷剂循环量，kg/h，339.8kg/h;
v1为压缩机入口处制冷剂的比容，m3/kg，0.05080m3/kg;
λ为制冷压缩机的输气系数。
由式(4.1)计算得，Vi=17.3m3/h=0.005m3/s
取λ=0.8，由式(4.2)得=21.6m3/h=0.006m3/s
压缩机的单位功为：
式(4.3)
式中：查表3.1得h2=441.7kJ/kg，h1=409.0kJ/kg
由式(4.3)计算得，W0=32.7kJ/kg
压缩机消耗的理论功率P0和指示功率Pi分别为：
式(4.4)
式(4.5)
式中：为制冷剂循环量，kg/h，339.8kg/h;
W0为压缩机单位功，kJ/kg，32.7kJ/kg;
由式(4.4)计算得，P0=3.1kw
取=0.8，由式(4.5)得Pi=3.88kw
则压缩机的轴功率为:
式(4.6)
式中：Pi=3.88kw
取=0.85，由式(4.6)计算得， =4.57kw
则压缩机的电功率Pw为：
式(4.7)式中：=4.57kw
取=0.8，由式(4.7)计算得，Pw=5.7kw
按照计算得出的结果，查相关的压缩机样本以及厂家选择比泽尔压缩机，型号为4CC—9.2(Y)的半封闭式压缩机，其主要的参数如下表4.1所示。
表4.1 4CC—9.2(Y)半封闭往复压缩机的主要参数表
|
排气量(m3/h) |
电动机功率(kw) |
制冷量(W) |
电源 |
|
32.5 |
6.6 |
15000 |
380V/50Hz |
|
制冷剂 |
气缸数 |
排气管径(mm) |
吸气管径(mm) |
|
R134a |
|
|
|
4.2 冷凝器的计算与选型
按照载热介质的不同，冷凝器有不同分类。本文中干燥介质为空气，所以选用翅片风冷冷凝器。
冷凝器的平均对数温差为：
℃ 式(4.8)
式中：为冷凝温度，℃，65℃;
t5为冷凝器进口处空气的温度，℃，18℃;
t6为冷凝器出口处空气的温度，℃，55℃。
由式(4.8)计算得，=23.91℃
冷凝器所需要的传热面积为：
m2 式(4.9)
式中：Qc为冷凝器热负荷，kJ/h，15kw;
为冷凝器传热系数，W/m2·℃，
为冷凝器平均对数温差，℃，23.91℃。
取=30 W/m2·℃，由式(4.9)计算得，=21m2。
考虑到冷凝器在长时间的使用中会降低其传热系数，所以，在设计时使其有5%~10%的设计余量，所以修正后的冷凝器传热面积为23m2。
由计算得到的结果，根据冷凝器的换热量以及换热面积，查询各厂家冷凝器样本，选择科威力型号为FNH-15/42的风冷冷凝器，其主要参数如下表4.2所示。
表4.2 FNH-15/42冷凝器的主要参数表
|
排热量(kw) |
翅片间距(mm) |
换热面积(m2) |
管道数量 |
|
15 |
4 |
42 |
10 |
|
制冷剂 |
进气管径(mm) |
出液管径(mm) |
排管排数 |
|
R134a |
|
|
5 |
4.3 蒸发器的计算与选型
蒸发器选用气体式蒸发器，强制对流翅片蒸发器。
蒸发器的平均对数温差为：
℃ 式(4.10)
式中：为蒸发温度，℃，10℃;
t7为蒸发器进口处空气的温度，℃，20℃;
t5为蒸发器出口处空气的温度，℃，18℃。
由式(4.10)计算得，=9℃
所以蒸发器所需的传热面积为：
m2 式(4.11)
式中：为蒸发器热负荷，kJ/h，10.3kw;
为蒸发器传热系数，W/m2·℃。
为蒸发器平均对数温差，℃，9℃。
取=30 W/m2·℃，由式(4.11)计算得，=38m2
和冷凝器一样，考虑到蒸发器在长时间的使用中会降低其传热系数，所以确定蒸发器传热面积时设计有5%~10%的设计余量，所以，修正后的蒸发器传热面积为40m2。
由计算得到的结果，根据蒸发器的换热量以及换热面积，查询各厂家蒸发器的样本，选择科威力型号为FNH-15/42风冷的蒸发器，其主要参数如下表4.3所示。
表4.3 FNH-15/42 蒸发器的主要参数表
|
排热量(kw) |
翅片间距(mm) |
换热面积(m2) |
管道数量 |
|
15 |
4 |
42 |
10 |
|
制冷剂 |
进液管径(mm) |
出气管径(mm) |
排管排数 |
|
R134a |
|
|
5 |
4.4 节流阀的选型
节流阀就是把冷凝器中的饱和液体节流到蒸发器的蒸发温度以及相对应的压力，而且节流阀还可以根据系统中负荷的变化来调节流经蒸发器的制冷剂的流量。本文选择热力膨胀阀为节流阀，制冷剂为R134a，再根据系统的计算结果，选择使用满足需要的热力膨胀阀。
4.5 风道和风机的选型
根据计算得到的干燥过程的空气循环量，取风管中空气的流速为4m/s，所以风道中的截面尺寸为250mm，取截面尺寸为250mm的风管，风管用镀锌铁皮加工制作，风管厚为3mm，外层用厚为30mm的保温管。
风机带动管道中空气的流动，使干燥能够更好地进行，为了满足本文装置中风量的需求，以及使干燥顺利完成，本文选择满足需求的风机。
4.6 干燥器的选型
三个干燥器都设计选择为平行流厢式干燥器，气流方向与干燥对象平行，热风在物料表面流动，以对流方式与湿物料进行热量和质量的交换。根据空气循环量以及以上计算得到的参数，设计将干燥器分为2层物料盘，将干燥对象放置在物料盘内，空气沿着物料盘表面平行的方向流动，将热量传递为物料，从而完成干燥。确定第一个干燥器尺寸为，第二个干燥器尺寸为，第三个干燥器尺寸为，每个干燥器外面用保温材料做成保温层，厚度设置为40mm，干燥器的两侧开一风道，使热风湿和物料能充分接触。风道外面用法兰进行连接，使得可以连接其他管道。
4.7 干燥剂的选用
干燥剂是一种吸附能力极强的吸附剂，本文中干燥剂的作用是吸收从干燥器出来的温湿空气的水分，从而使空气能够继续干燥。干燥剂有不同分类，根据干燥剂的成分以及目前应用广泛的程度，本文选择硅胶干燥剂，用量只需满足要求。
总结
能源的利用以及环保问题一直以来是讨论的热点，而干燥也是时间相对比较长的讨论对象，所以节能，环保，效率是它们的代名词，随着热泵装置更多的被用来干燥，越来越多的热泵干燥装置被研究讨论。热泵干燥装置也是可行性较高的。
本文首先简单介绍了选题的意义，接着说明了国内外热泵干燥的研究现状，然后以热泵的所学知识以及查找的资料完成了本次设计。本文以不同工作温度的胡萝卜、白菜种子和经过处理的鱼片为干燥对象，设计研究阶梯式利用余热来完成干燥。
研究的内容有：首先确定不同干燥对象对应的工作温度，进而根据热泵干燥装置的分类选择了封闭式热泵干燥装置，接着根据设计条件以及干燥对象的已知条件计算设计相关设备的主要参数，选择主要的零部件，设计了封闭式热泵干燥装置完成对余热的利用。
由于本人经验有限以及本人对本课题理解的可能不到位，本论文的研究有好多不足之处以及需要改进的地方，设计有不合理的地方还望指教。
