3 热泵干燥装置的设计
3.1 热泵干燥装置形式的确定
本文设计为封闭式热泵干燥装置，该装置是由热泵和干燥两个子系统组合而成，设计有三个干燥器串联，以便能够对余热进行利用，结构如图3.1所示。
图3.1 热泵干燥装置原理图
由图3.1可知：1-2-3-4-1循环为热泵工质循环，热泵工质在蒸发器中吸收低温热源能量后发生液态向气态的相变，从蒸发器出来的低温低压蒸汽经过压缩机升压后为高温高压蒸汽，进入冷凝器放热发生气态向液态的变化，从冷凝器出来的高压液体进入节流阀降压后，从节流阀出来的低温低压的饱和气和饱和液的混合物再进入蒸发器开始下一个循环，进而实现热泵连续工作。1-2可近似认为是等熵压缩的过程，2-3可近似认为是等压冷凝放热的过程，3-4可近似认为是等焓节流减压的过程，4-1可近似认为是等压蒸发吸热的过程。
5-6-7-5循环为装置中的空气循环，从蒸发器降温除湿出来的冷干空气进入冷凝器，在冷凝器中冷干空气被加热，从而满足干燥所需要的温度，空气成为热干空气，热干空气从冷凝器出来进入第一个干燥器中干燥胡萝卜，胡萝卜中的水分被加热成蒸汽进入空气，然后变为温湿空气进入装有干燥剂的绝热容器中进行除湿，出来的干空气进入下一个干燥器进行干燥白菜种子，同理从干燥器出来的温湿空气进入干燥剂中除湿，然后进入第三个干燥器中干燥处理好的鱼片，完成后出来的空气进入蒸发器中进行降温除湿过程，出来的冷干空气进入冷凝器开始下一个循环。
热泵干燥装置的压焓图如图3.2所示：
热泵干燥装置的焓湿图如图3.3所示：
图3.2 热泵干燥装置的焓湿图
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。
