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干燥装置热泵式低温的研制分析
干燥装置热泵式低温的研制分析 2011年12月09日 来源： 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