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热泵流化床干燥机的研制

时间:2016-1-26 16:37:00 来源:中国化工设备网

  粮油机械粮油加工与食品机械热泵流化床干燥机的研制朱保利张绪坤(南昌航空工业学院机械工程系)于谷物、种子及食品物料的干燥。本研宄设计了一套热泵流化床干燥机,压缩机5马力,制冷工质为R22,并以胡萝卜丁为原料进行干燥。热泵干燥装置由热泵和干燥器两大系统组成。热泵主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵系统内的工作介质(简称工质),首先在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后,由液体蒸发为蒸汽;经压缩机压缩后送到冷凝器中;在高压下热泵工质冷凝液化,放出高温的冷凝热去加热来自蒸发器的降温去湿的低温干空气,把低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使用;液化后的热泵工质经膨胀阀再次回到蒸发器内,如此循环下去。废气中的大部分水蒸气在蒸发器中被冷凝下来直接排掉,从而达到除湿干燥的目的。

  由于热泵干燥的实质也是对流干燥,同样存在传热传质效率的问题。干燥过程不仅涉及到热泵除湿单元的效粮油机械粮油加工与食品机械率,干燥介质(空气)在干燥室内的传热传质效率的提高同样能提高整个干燥系统的效能。在干燥系统中采用流化床干燥器,由于颗粒悬浮于干燥介质中,因而干燥介质与固体接触面积较大,加上物料剧烈搅动,大大地减少了气膜阻力,因而传热传质效率高。

  2.热泵流化床干燥机的设计2.1热泵流化床干燥机的设计原则为了能对热泵流化床干燥机进行全面的试验研宄,干燥机的设计应遵循下面的设计原则:(1)根据现代设计理念,采用积木式结构,各单元相互独立,按需要进行组装;(2)为模拟不同的干燥工艺和热泵不同的运行工况,干燥介质(空气)的主要参数(温度、速度和湿度)可在一定的范围内进行调节,并能实时测量;(3)为了能够对热泵流化床干燥机组进行开路式、半开路式和闭路式循环试验研宄,试验装置应能实现各种循环的相互切换;(4)试验装置中压缩机的转速、空气循环风机的转速采用变频器进行调节。

  6.冷风机7T压矿机8.辅助加热器9.楣环风机根据上述的设计原则,设计了一套热泵流化床干燥机组,其主要由热泵(制冷)系统(全封闭压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、过滤器等)和干燥介质(空气)回路(离心风机、干燥器、加热器及管路等)组成。热泵流化床干燥机的工作原理如所示。干燥管路中阀门及空气进出口处的调节门可以调节干燥室内的空气的流速。干燥室内的风速可在0.53m/s范围内任意调节,能满足不同的干燥工艺要求。

  热泵干燥装置的基本流程为开路式、半开路式和闭路式3种,为了能够对热泵干燥系统3种主要循环进行对比除湿降温后的空气状态点。过程ca是空气在热泵冷凝器的加热过程,在该过程中空气的含湿量保持不变,故为等含湿量的加热过程;过程ab是空气在干燥室内吸收被干燥物料的湿分,若假设干燥室与外界的换热忽略不计,则该过程可视为等焓加湿过程;bc是循环空气在蒸发器的降温除湿过程,实际过程中循环空气历经了bb'c途径,先降温,后去湿。

  由上面的分析可知蒸发器所需的冷量为:Q冷=G而冷凝器所需的热量为:这样,若忽略干燥室产生的各种热量损失,即ha=hb,则有Q冷=Q热。

  实际过程中,干燥室与外界必然存在一定的热交换,干燥室四周与外界进行的热量交换以及进、出料温差导致的热量交换。一般说来,当干燥室风温高于所处环境温度时,干燥室向外散发热量,有hahb.为保证热泵干燥系统能正常、稳定运行,防止热泵运行过程中蒸发器产生结霜而降低蒸发器的传热效果,通常取c点的空气设计温度为5C.显然有c=100,c点的态参数为:气量G和干燥过程中在干燥室内空气从被干物料内吸取粮油加工与食品机械按干燥装置初步设计方案,一次加料为25kg,6h内将胡萝卜丁等物料由含水90左右干燥到20以下,放出总的水分是2.2.2热泵制冷循环的热力计算单级蒸气压缩式热泵制冷循环各工作过程其内部工质循环的热力过程如所示。

  根据设计要求,本干燥机的热泵单元采用一台压缩机完成对循环空气进行冷却除湿及加热任务。取蒸发温度为1.0C,冷凝温度为40C,其他参数可由的图表查得,热泵的设计工况及设计计算结果分别见表1和表2.表1热泵设计工况冷凝温冷凝压蒸发温蒸发压吸气比参数力Pk力P.容%数值2.2.3主要部件的选用本干燥设备的干燥机为卧式多室流化床干燥器。底部为多孔板,面积为0.36m2(长度1.2m,宽度0.3m),孔径为02.0mm,开孔率为8.筛板上方有竖向挡板,把流化床分隔成4个小室。每挡板均可上下移动,以调节其与筛板之间的距离。每一小室下部有一进气支管,支管上有调节气体流量的阀门。

  冷凝机组包括压缩机、冷凝器、贮液罐等设备,其中压缩机是关键部件。考虑到运转稳定、维修方便,通过计算和分析对比,我们选用了“百年泰康制冷设备(上海)有限公司”生产的TAG4561THR型,配套动力为3.7kW的全封闭式压缩机机组。

  根据装置的特性,自行设计,委托国内制冷企业加工粮油机械表2热泵循环系统热力计算计算项目计算式计算值单位制冷量q0(k/kg)单位冷凝热qk(k/kg)单位耗功w(k/kg)单位容积制冷量qv(k/m3)压缩比C理论制冷系数E理论供热系数Ek工质循环量G(kg/h)压缩机实际输气量Vs(m3/h)压缩机理论输气量Vth(m3/h)压缩机理论压缩功Alth(kW)压缩机理论功率N(kW)压缩机指示功率Ni(kW)压缩机轴功率Ne(kW)单位理论功率制冷量kth(kW/kW)单位轴功率制冷量ke(kW/kW)冷凝器实际热负荷Qk(k)实际制冷系数E实际制热系数E制造,既保证了装置的性能接近进口设备,又显著地降低了造价。

  主循环风机根据干燥设备的特点,选用了额定功率为5.5kW,流量为2940~3851.4Pa水柱的9-26.No.4A型风机。主循环风机的实际风压和流量可通过变频器调节。

  3热泵流化床干燥试验3.1试验材料材料:试验用的胡萝卜从农贸市场购得,试验样品要求新鲜无腐烂的红皮胡萝卜。选用胡萝卜作为试验原料主要考虑是价格便宜、原料受季节影响少及物料具有典型性。

  胡萝卜干燥试验前的预处理工艺为:原料挑选、整理一清洗一切除根梢一切条一切丁(6mmmmX10mm)5倍的水中微沸漂烫一迅速冷却一沥水一按干燥要求均匀放在流化床筛板上。

  3.2测试方法温度和湿度:温度和湿度的测量用武汉仪器仪表研宄所的WSB―005变送器。

  风速:风速的测量选用沈阳加野麦克斯仪器有限公司的KA22型热式风速仪。

  含水率的测定:常压烘箱干燥法。即在105°C下粮油机械粮油加工与食品机械8h―次烘干法,检测样品的水分。

  3.3试验结果胡萝卜丁的干曲线是一典型胡萝卜丁的热泵流化干燥曲线。试验条件是:干燥温度40°C、干燥介质空气相对湿度24.5,原料为胡萝卜丁(6mm>6mm>40mm)。从图中可以看出自00.5h有一个明显的恒速干燥段,这是因为胡萝卜在开始干燥时其表面有大量的附着水,此时物料内部的水分变化不大。0.5-4.0h为降速区,物料的含水率呈现明显下降,4h以后,干燥速度非常小,胡萝卜内部水分变化很慢。特别是到了干燥的后期,含水率从20降到10需要4~5h,这是低温干燥难以解决的问题。但是热泵流化床组合干燥比热泵箱式干燥缩短了很多时间,一般在9h内,能将胡萝卜的含水率从90左右干燥到10以下。

  胡萝卜的热泵流化床干和穿流干燥对比干燥试验条件为进干燥室空气的温度38C,空气相对湿度35,穿流干燥时胡萝卜片的厚度为3mm,而流化床干燥时胡萝卜丁的尺度为6mm>6mmXl0mm.流化床干燥时循环主风机的频率分别为45Hz、40Hz及35Hz,以保证物料处于正常流化状态。穿流干燥时循环主风机的频率分别为40Hz、35Hz和32Hz,以保证物料不被吹起。从可以看出,在流化床干燥过程中,胡萝卜丁悬浮在空气中并不断翻滚,使得物料表面滞留边界层厚度变小,减少了传热与传质阻力,所以流化床干燥强度比穿流干燥高。

  热泵流化床干燥风机消耗的电能和系统总的耗电对比如所示,风机的耗能接近系统总耗能的50.这是因为在流化床干燥过程中,为了保持物料在干燥时始终保持主风机能耗和系统总耗能对比流化状态,必须使干燥介质(空气)有较高的压力和速度。因此,循环风机消耗的电能所占的比例较大。

  4结论设计了一套热泵流化床干燥组合干燥试验装置,并对胡萝卜丁进行了流化干燥试验。试验表明,将胡萝卜的含水率从90左右干燥到10以下,只需要9h,比箱式热泵干燥的干燥时间要短,适合于高水分果蔬类物料的干燥。

  以胡萝卜为原料进行了热泵流化床干燥和穿流干燥的对比试验。试验表明,在流化床干燥过程中,胡萝卜丁悬浮在空气中并不断翻滚,使得物料表面滞留边界层厚度变小,减少了传热与传质阻力,所以流化床干燥强度比穿流干燥高。

  热泵流化床干燥过程中,为保证在干燥时物料能处于流化状态必须要求循环空气有一定的压力和流量,主循环风机的动力消耗较大。实验结果表明,循环风机的能耗占系统总能耗的50左右。因此,对于热泵流化床干燥装置如何降低压缩机以外的辅助设备的能耗值得关注。

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