小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置的理论探讨

材料石蜡

作为相变蓄热材料，石蜡具有无腐蚀、安全可靠和价格低廉等优点，在500 ℃以下表现出化学惰性与稳定性，相变时体积变化很小，熔化时蒸汽压很低，因而作为蓄热蓄冷用石蜡具有良好的特性，并得到广泛的应用。纯石蜡的缺点是导热系数低，为提高石蜡的热导率，可以加入导热率高、相容性好的物质（如金属粉末、石墨、碳纤维、纳米粒子等）与石蜡组成复合相变材料，可更有效提高热导率，且不影响石蜡的相变潜热[4]。

假定小型蓄热蓄冷热泵干燥装置制冷压缩机因过热停机时，下一次启动的时间必须满足停机5 min的要求；为保障干燥装置在制冷压缩机停机时能正常工作，分别采用石蜡（十四烷）、相变温度5.5 ℃、相变潜热228 kJ/kg作为蓄冷剂；石蜡（二十四烷）、相变温度50.6 ℃、相变潜热248 kJ/kg作为蓄热剂时，可以计算出所需的蓄热剂与蓄冷剂的最小用量。

在5 min停机的情况下，蓄热剂与蓄冷剂必须满足5 min干燥过程所要提供的热量与冷量，此时，最小蓄热时间数与最小蓄冷时间数都为300 s。因此，对于采用1P制冷压缩机的小型蓄热蓄冷型热泵干燥装置，根据上述的运行工况可以计算出蓄热剂在相变温度50.6 ℃时所需储存的最小热量和蓄冷剂在相变温度5.5 ℃时所需储存的最小冷量。

蓄热剂所需储存的最小热量为：1 123.5 kJ。

蓄冷剂所需储存的最小冷量为：903 kJ。

根据上述值可以计算出：

蓄热剂石蜡（二十四烷）最小用量为：4.52 kg。

蓄冷剂石蜡（十四烷）最小用量为：3.95 kg。

3 装置的控制

传统的封闭式热泵干燥装置在夏季高温环境中，由于冷凝压力过高与排气温度过高，制冷压缩机因压力保护或过热保护而被迫停机，因此，控制冷凝压力或排气温度是保障热泵干燥装置平稳运行的有效方法。

蓄冷蓄热型热泵干燥装置可以通过控制蓄热剂的温度来控制制冷压缩机的运行与停机。通过设置蓄热剂的最高温度与最低温度来控制制冷压缩机的开停，而停机时间的长短由蓄热剂的蓄热能力确定。

采用相变蓄热剂时，在保证一定的传热温差的条件下，选择的蓄热剂的相变温度必须保证制冷系统的冷凝压力处于制冷压缩机的正常压力工作范围之内，同时，对于小型装置而言，制冷压缩机的排气温度不能使过热保护器动作动作。此时，可以以相变温度为基准，设置当蓄热剂温度高于相变温度0.5-1 ℃时，制冷压缩机停机；设置当蓄热剂温度低于相变温度0.5-1 ℃时，制冷压缩机开机，这样可保障热泵干燥装置的安全平稳运行与干燥过程的正常进行。

4 主要部件的设计

4.1 高温中间换热器

高温中间换热器是由冷凝器、蓄热剂、载热剂加热器和保温箱体构成。

4.1.1 冷凝器

对于小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置，采用相变蓄热剂时，冷凝器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积计算式为：

式中：Fn—冷凝器传热面积，m2；kn—冷凝器的传热系数，W/（m2·℃）；tk—冷凝温度，℃；tn—蓄热剂的相变温度，℃。

4.1.2 载热剂加热器

载热剂加热器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积的计算式为：

式中：Fr—载热剂加热器的传热面积；m2；kr—载热剂加热器的传热系数，W/（m2·℃）；△tmr—载热剂加热器的平均对数传热温差，℃。

对于农副产品的干燥，载热剂可以采用水。

4.2 低温中间换热器

低温中间换热器是由蒸发器、蓄冷剂、载冷剂冷却器和保温箱体构成。

4.2.1 蒸发器

对于小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置，采用相变蓄冷剂时，蒸发器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积计算式为：

式中：Fz—蒸发器的传热面积，m2；kz—蒸发器的传热系数，W/（m2·℃）；tz—蓄冷剂的相变温度，℃；to—蒸发温度，℃。

4.2.2 载冷剂冷却器

载冷剂冷却器可采用光滑铜管绕制成盘管型式，其传热面积的计算式为：

式中：Fl—载冷剂冷却器的传热面积；m2；kl—载冷剂冷却器的传热系数，W/（m2·℃）；△tml—载冷剂冷却器的平均对数传热温差，℃。

对于农副产品的干燥，载冷剂可以采用水。

5 结论

蓄冷蓄热型热泵干燥装置是以通过蓄冷和蓄热的方式，有效地解决制冷压缩机因环境温度过高而停机时干燥过程无法进行的问题。为了确定蓄冷剂与蓄热剂的用量，本文提出了蓄热时间数与蓄冷时间数的概念，同时，提出采用控制蓄热剂温度的方式来控制制冷压缩机的开机与停机。并以小型装置为例，在制冷压缩机因过热停机启动所需时间确定的情况下，计算出了最小蓄热时间数与最小蓄冷时间数，以及采用石蜡作为蓄冷剂和蓄热剂的最小用量，给出了高温中间换热器与低温中间换热器的设计公式，为小型蓄冷蓄热型热泵干燥装置的设计与分析提供了良好的依据。

参考文献

[1] 吕金虎，赵春芳，李金成. 热泵干燥技术在农副产品加工中的应用与分析[J]. 农机化研究，2010（1）：212-217.

[2] 李阳春，王剑锋. 热泵干燥系统几种循环的对比分析与研究[J]. 农业机械学报，2003，34（6）：20-24.

[3] 许树学，陈 东，乔 木. 热泵干燥装置的结构及其应用特性分析[J]. 化工装备技术，2005，26（5）：1-5.

[4] 王小鹏，张 毅，李东旭. 石蜡在相变储能中的研究与应用进展[J]. 材料导报，2010，24（专辑16）：307-311.