热泵烘干为何省钱高效?搞懂这13个问题,甲方不选其他热源

热泵市场 2018-06-16 11:55:49

《热泵市场》杂志

文_徐海政

干燥是利用热能使湿物料中水分等湿分被汽化去除,从而获得固体产品的操作,热泵烘干相对传统的自然晾晒、燃煤、燃油等干燥方式,具有节能、环保等优势,逐渐受到市场的欢迎,在农产品、食品、中药材等领域得到了广泛应用,已然成为行业的新蓝海。

热泵干燥的运行费用只是电加热干燥机的30%,燃油干燥机的40%,燃煤干燥机的60%,而且热泵干燥机不需要消耗任何的燃料,也就节省运输和储存燃料的费用,经济效益就更明显了!想要拼抢烘干市场蛋糕?先扪心自问,对热泵烘干了解多少。关于热泵烘干的13个问答,带你进入一个全面、清晰的热泵烘干世界。


1.什么是热泵烘干?


答:热泵烘干机,是以电力带动风机吸收空气中的热量和驱动压缩机做功,达到以一度电的付出得到四倍于耗电功率热量的制热干燥的设备。它是空气能热泵的一个延伸产品,自2009年开始,空气能厂家涉足这一产品的研发。

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热泵烘干系统是由热泵来提供热源,对湿物料进行加热,从而提高空气的温度和干燥度,实现物料烘干(干燥)的装置。热高温热泵烘干机组利用逆卡诺原理,从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)。


2.热泵烘干系统由哪些部分组成?


热泵烘干系统包括热泵主机、烘干房内循环风机、风道和匀风板、物料架以及托盘等部分构成。

A、热泵主机是整个系统的主设备核心部分,为系统提供热源及除湿等功能,其工作原理和热水采暖领域的热泵主机是一致的。

B、烘房库体保证整个系统在密闭的空间内运行,提供物料放置空间。

C、内循环风机确保烘干房内空气流动,保障物料干燥过程中产生的水蒸气能及时带走,如果排湿不及时,可能导致物料发霉或变质,常见的有内置高温高湿轴流风机、外置长轴轴流风机、离心风机(可安装在外面)等,目前使用最多的是内置高温高湿轴流风机,放在室内整个系统的外观。

D、风道和匀风板的设计主要目的是确保烘干房内的空气流动的均匀性,是烘房内各区域的温度、湿度差异化达到最小值,从而提高物料干燥的均匀性、品质和干燥效率。

E、电辅热,主要用于快速升温及设备临时故障时应急,作为备用。有的物料要求短时间内达到高温,或在低温天气下热泵能效比降低的情况下,需要进行电加热。在烘干过程中,不同阶段物料的温度要求也不一样,有的阶段要求高温,而提高温度的方式有两种,一种是增加热泵主机的配置,另一种则是辅助热源,目前大多使用的是电加热。

F、物料架及物料托盘,即承载物料的装置。


3.热泵干燥的基本原理是什么?


答:虽然热泵干燥系统的组成部件并不是很多,但热泵干燥系统常常被认为是一个比较复杂的系统。这主要是有两个原因,其中一个原因就是典型的热泵干燥系统,即封闭回路的干燥系统是有两个回路嵌套在一起,且互相影响,简单的模型并不能准确的描述这个过程。而我们之前常见的空调和热泵热水的应用,则往往是冷凝器和蒸发器外的两端互相独立,且温度比较稳定。

在热泵干燥系统中,两个回路通过蒸发器和冷凝器互相契合在一起。

  • 在热泵工质回路中,刚刚从蒸发器出来的低压气体从如图一所示的1’点进入压缩机,被压缩成为高温高压的气体。在蒸发器吸收了大量显热和潜热的工质,经过压缩后,成为高温高压高焓值的气体,如图一2点所示。

  • 过热的高温气体2进入冷凝器放热,在压力基本不变的情况下,到达2’点,即工质气体饱和点。

  • 从2’到3点的过程是一个气体恒压放热成为液体的相变过程,在这个阶段,工质温度和压力都保持恒定,同时放出大量潜热,实现换热过程。

  • 到达3点后会继续放热一小段,到达3’点成为过冷液体。3’点状态的工质液体经过节流阀,等焓降温降压至4点。

  • 一般根据工质的特性,4点为不饱和气态状态。此时,工质进入蒸发器开始等压状态下吸热,且发生相变,逐渐成为饱和气态1,并一点程度上的过热到达1’。工质又重新进入压缩机,开始一个新的循环。

图一

在干燥空气回路中,我们可以发现,新鲜干燥热空气状态如图二所示5点,进入干燥室带走水分实现干燥过程。之后从干燥室排出的湿废气6进入蒸发器,湿空气温度在蒸发器附近降低至露点温度,水分开始凝结并从空气中分离,达到除湿的目的,空气状态达到7点。

而后,空气进入冷凝器加温,重新达到干燥所需温度,重新达到5点状态。最后干燥空气重新进入干燥室对物料进行干燥。在这个过程当中,热泵工质回路遵循朗肯循环(图一),而干燥空气则遵循湿空气的性质(图二)。整个系统利用热泵回收干燥室废气的高潜热值,达到了节能高效的目的。

图二


4、热泵烘干有哪些优点?


答:热泵干燥机比较其他类型的干燥机的优势:

高效节能,运行费用低热泵干燥的运行费用只是电加热干燥机的30%,燃油干燥机的40%,燃煤干燥机的60%,而且热泵干燥机不需要消耗任何的燃料,也就节省运输和储存燃料的费用,经济效益就更明显了。     

安全,环保。热泵干燥机是通过将空气中的热量转移到烘房内实现干燥的目的,所以消耗的只是搬运热量的电量。不需要消耗其他燃料,也就是避免运输与储放燃料中出现的安全和对环境污染问题。运行过程也不产生任何污染物。      

烘干效果好。由于热泵干燥机全部采用自动化控制,可以根据设定模式自动调节机组的运行的状态,升温稳定,温度均匀,温差波动少,避免燃料干燥机操作过程人为因素对烘干质量的影响。

能源利用效率高。热泵具有比直接供能更高效的供热能力,这表现在它的供热能耗比(COP)总是高于1,而在热泵干燥系统中,除了来自压缩机的电能外,干燥热风所具有的热能还来自于蒸发器吸收的干燥废气中包含的热能。经研究人员比较发现,它与蒸汽干燥相比,节能率大约仍能达到40%-70%。

表一:热泵干燥与传统干燥方式的对比


热泵干燥

传统干燥

能源消耗

干燥品质

较高

较低

可控性能

较好

较差

运行费用

环境水平

友好

初始投资

较高

较低

温度范围

在高温与极低温段仍需突破

能达到较高温度



5、热泵烘干有哪几种类型?


热泵烘干设备根据热源和水分排除方式的不同,可分为高效除湿热泵干燥机、高温空气能分体式烘干机、高温空气能整体式烘干除湿一体机。

高效除湿热泵干燥机的原理就是是利用水的相变吸收、释放热能的特性在去除物料水分的过程中实现了在封闭空间内的热能的循环回收利用,其优点把物料的水分除掉之后,把干燥的空气留下来,水蒸气通过冷凝水排出去,整个干燥过程不需要与外界空气换热,因此基本不受环境温度影响,尤其是在使用环境很低的秋冬季节(低于0℃)及有较低温干燥要求的(烘房内温度低于环境温度)物料干燥有优势。

图三

分体式高温空气能热泵烘干系统是靠使用少量的电能驱动设备将空气中的热能搬运到烘干房内对物料进行加热实现物料加热并使物料内水份蒸发出来变成水蒸气,水蒸气的排除是采用强排式。分体式高温空气能热泵烘干系统只是做到了将原有热源设备简单的替换,达到部分的节能效果,投资成本较低,适用于环境温度较高且投资能力较低、要求不高的客户,因整个除湿是靠强排完成,系统有强排窗口和新风窗口,排出去的高温高湿的空气,而补进来的外界的低温空气,因此热损耗较大,不适合进行长时间排湿,适用于湿度低、出水慢的物料,冬季使用能耗很高,能效比在1.0到2.0之间。

图四

整体式空气能热泵烘干除湿一体机是分体式高温热泵烘干机的基础上进行改进后的一款,安装更简单、空气能热泵产品,新风在进入烘房前先与排出去的高温水蒸气进行换热,提高了新风的基础温度,废热在经过新风换热后温度已经降了下来,降温后的热空气还要经过回热器和蒸发器的两次热回收,到最后排出去的空气温度就已经很低了,热回收可以做到70%以上。

图五


6、常见的烘房结构有哪些?


按物料在烘房内的状态可分为静态烘干系统、动态烘干系统两种类型,静态烘干系统也就是常见的物料以推车(物料架)托盘摊铺的的方式进入烘干房,整个烘干过程中物料不运动(倒盘倒车的例外),由人工进行装卸物料,适用于烘干时间长、出水慢、烘干量小的物料,其缺点是人力成本较高;动态烘干系统就是常说的烘干流水线,进出物料由提升装置或者出料装置完成,物料在输送带上以动态的形式进行烘干,适用于烘干量大、烘干时间短的物料,缺点是投入高、安装位置尺寸要求大。

由于热泵烘干发展时间还不是很长,工艺也不是很成熟,再加上大型动态的烘干项目风险和难度较大,目前大多为静态的烘干系统。


7、影响物料干燥的因素有哪些?


物料干燥本质就是将物料的水分除掉,而影响到水分去除的因素包括烘房内温度、风速(循环风量)、表面积、相对湿度(烘房内空气)、物料自身散湿速度、物料形态。

温度主要作用将物料内部的水蒸发出来,一般来讲温度越高出水越快,不同的物料需要的干燥温度高低不一样,另一个作用是保证物料烘干后成品的形状和颜色。

风速主要的作用将热量带给物料并将物料表面的水分带走,足够的风量才能保证库体内部的空气的完全循环,需要根据物料特性和机组的参数来设计。

表面积即物料的摊铺厚度,物料与空气接触的表面积越大,水分带走的速度也就越快相对湿度,烘房内空气的相对湿度越低,物料出水也就越快,但并不是所有物料或不同的干燥阶段都适用快速出水,可能有的人会认为物料摆放越薄越好,其实不然,表面积越大,风的流速越快,物料吸收的热量就会减少。

物料自身散湿速度决定于物料自身特性,也是影响烘干时间和设备选型的重要因素之一,一般来说散湿快的采取少量短时间的方式烘干,散湿慢的采用增加数量延长时间的方法烘干;物料形态主要有条、块、片、粉等,一般来讲片状物料相烘干效率快一些,块状或根茎状烘干效率要慢些,物料的形态决定了物料的摆放方式和风道的设计。


8、烘干房该如何建设?


针对改造类的烘房,需要注意原有烘房所用的材质和保温情况,热泵烘干对烘干房的保温要求比传统方式要高很多,目前烘干房大多采用聚氨酯整体发泡板作为保温层,内外皮采用彩钢、不锈钢或者镀锌板,安装较为简单,为锁扣式现场拼装。

通常采用5-10cm的保温板制作,保温材料一般使用岩棉、聚苯、酚醛、聚氨酯材料,目前使用得最多而且能达到国家标准的是聚氨酯保温板,如果库体材料的使用寿命或保温效果达不到热泵烘干的要求,即使主机再节能,整个系统的节能效果也不会很好。

库板外皮根据客户的需求,一般采用彩钢、镀锌板、不锈钢制作,使用最多的彩钢板,如用于要求高的食品加工企业大多采用304食品级不锈钢,彩钢板和食品级不锈钢成本相差较大,因此需要根据物料和客户的实际情况来选择。

烘房改造和搭建的具体步骤为:安装底板 →安装立板→安装顶板→安装底板加强板(方便工人使用推车作业和烘房卫生的打扫)→安装主机→安装循环风机→安装风道板或匀风板→连接电源线和排水管。

烘干房安装安装的位置需通风良好,以利于吸收空气热量,排放口尽量靠近外墙,便于安装风管将带有湿度的空气排到室外,避免水蒸气留在室内,影响生产车间卫生和工作人员的人身安全,普通烘干加工场所和高效除湿烘干房可以不考虑排风问题。 


9、烘干房内风道设计有哪几种方式?


烘房风道设计对烘干均匀性及烘干效率方面起着至关重要的作用,在烘房风道方面主要需要做到的尽量避免和减少热量和风量的死角,并且以简单经济的方式,通在烘道设计上一般采用穿流式和平流式。

所谓穿流式就是风至上而下或者自下而上的穿过物料的风道结构形式,穿流式广泛运用于悬挂类物料的烘干,如腊肉、香肠、板鸭、等肉制品及面条、粉条、烟叶等挂起来更能保持形状的物料。

图六

平流式就是指风从水平方向均匀的穿过物料和托盘表面的风道结构形式,平流式主要运用于平铺类物料,如片状、块状、鲜花、细颗粒等物料,常见的有:佛手柑片、香蕉片、苹果片、菌类、菊花、玫瑰花、淀粉等等,平流式应用的最为广泛,适合大部分的物品类型,风均匀平行的从每层的物品表面吹过,理论上效果最好,货架托盘的通用性也最好。

图七

一般而言主机的出风口比较小,如果风量不够,可以在前端加一个风机,为了使各区域的风量差别不大,可以在风口加一块匀风板,做成一个返程区,增大散热面积。 


10、烘干物料如何摆放?


烘干物料一般通过物料盘装载,然后放在烘干架上,可分为这几种类型:

固定式即将物料盘支撑架直接安装在库体内部,使用时直接将托盘放进库体内,这一类物料架主要适用于小型库体及一体式烘房,烘干量一般在200斤以内。

图八

移动式物料架,移动式货架一般采用推车的形式,将物料架和轮式推车固定在一起,主要适用于大中型烘干房,烘干量一般都比较大,要求铺装物料要方便而且是多人同时操作,使用时在工作台上进行物料摆放,将物料摆放好放置于推车上,物料摆放完毕一起推入烘干房。

图九

肉类物料架和常用的移动式物料基本上可以通用,使用时只需增加竹棍或者不锈钢矩管就可以了。

图十

网盘的主要特点是透气性好,广泛运用于平流及穿流式风道,网孔的大小主要根据物料的大小进行选择,制作材料一般可以选择不锈钢钢丝网、镀锌钢丝网、铁丝网、塑料网、也有用竹木制品制作的,主要用于块状、片状、根茎类的物料,如:佛手柑片、无花果茶片、竹笋、菌类、花卉等。

图十一

冲孔盘使用的范围也挺广的,主要特点物料产生粘连后清洗方便,大多运用于平流式风道,冲孔大小也是根据物料自身特点来制作的,选用材料一般为不锈钢板、镀锌板,主要用于无花果果干、桑葚果干等容易蒸发出糖分产生粘连的物料。

图十二

物料框在烘干使用中比较少,不管是运用于穿流还是平流式风道,它的透气性都是比较差的,因此物料框作为烘干托盘使用主要用于核桃、花生等自身透气性好且含水量少、出水慢、烘干温度低时间长,烘干量大的物料。

图十三 


11、什么是烘干曲线,如何测试物品的烘干曲线?


干燥曲线是将某种湿物料在一恒定的干燥条件下进行试验,测得的物料含湿率一:(掩湿分人g干料)随时间O而变的关系,标绘成曲线,即得该物料在该恒定条件下的干燥曲线。

进入烘干行业,最难把握的便是物料的烘干曲线,其实物料的烘干曲线就是客户产品的加工生产工艺,首先可以通过客户对物料的含水量、脱水量、干燥温度、最大上限湿度、出水速度、循环风量等做一个了解,然后根据测试设备所具备的升温、脱水能力的70%让客户提供相应数量的物料进行试烘,这种试烘一般是免费的,但只要烘干的产品品相好,客户都会主动支付烘干成本费用的;需要做的是建设一套3-6P的烘干房及相关配套设施。

烘干工艺参数是困扰经销商的一大难点,最好的办法就是结合客户原有工艺做测试,最麻烦就就是客户没有工艺而且时间还很紧马上就要采收而且采收时间还短,要么做要么等今年做了测试明年再做。然而,一等可能就成了别人的项目了,除了硬着头皮不顾风险的上,没有其他的办法,在这种情况下,库体的大小及风道结构这些还是按正常去做,在主机选型方面就只有参照类似的物料进行核算,最好是在打个7折,同时多查一下该种物料的属性进行分析。


12、热泵烘干如何进行机组的选型和库体的设计?


在做库体设计和机组选型时需要了解物料的特性,一般采用倒推法,即根据所需烘的物料量及排放要求规划设计托盘及物料架,然后根据物料架所需位置进行库体设计和主机配置。

主机配置要根据物料的含水量、出水快慢、所需要烘干时间进行选型,比如1000斤物料需要多大的摆放空间我就可以算出烘房尺寸,而主机的配置就根据需要脱多少水。

比如说800斤,然后根据物料需要的温度和物料自身出水的快慢进行核算,比如出水较慢,需要20小时且客户以前用时也是20小时左右,温度50℃,那很简单就按800/20=40斤,根据的设备一台6P机的每小时除湿量21KG就完全能搞定了,而如果出水很快,8小时就可以完成出水,而且这种物料还不能捂,那就按800/8=100斤,那就得加大配置,用到12P,每小时除湿量50KG。


13、热泵烘干适合哪些物品?


烘干范围相当广泛,凡是之前用太阳晒的,烧柴、煤、油烘烤的,用电烘干的,绝大部分均可用热泵烘干设备取代,达到节能、安全、环保、提高生产效率的目标。凡烘干温度要求小于或等于80度的,均可使用本产品,粗略罗列主要可用热泵烘干的物品或项目如下:

金银花、罗汉果、田七、白术、人参、虫草、枸杞、黄连、杜仲等中药材;豆豉、花椒、孜然、生姜、脱水葱蒜、八角、回香、辣椒等香料辅料;腊味、肠衣、海产、水产、菌类、腐竹、面条、粉丝、干果、槟榔、蔬菜、木耳、瓜子、花生、地瓜干、圣女果、霸王花、果脯、种子、粮食等食品;烟叶、贡香、烟花、茶叶、牧草、烤漆、电子产品、纺织印染、木材、粮食棉花库、被服、皮具、玩具、玻璃钢制品等工农业烘干。


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热泵烘干是现代一种节能又环保的烘干方法,本书阐述热泵烘干的工作原理、基础知识推广、烘干工艺的要点,以及烘干过程中注意的事项,更重要的为全国热泵烘干行业从事者,首次以工具书的形式,系统的阐述热泵烘干的刊物。该书,是广大热泵烘干初学者的必读刊物。


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