热泵干燥装置中干燥介质的物性及其应用分析

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摘　要　在热泵干燥装置中, 干燥介质对干燥过程的传热传质速率、物料干燥质量和装置的能源效率均具有重要影响。给出了空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气六种干燥介质的热物性数据及其计算方程, 并分析了其适宜的应用场合，为热泵干燥装置中选择适宜的干燥介质提供了较好的参考。
    关键词　热泵　干燥　热泵干燥　干燥介质

0　引言
　　热泵干燥装置具有节能、环境友好、易于实现常压下低温干燥等优势, 适于食品、药品、生物制品、化学品、衣物、纸张等多种工业及民用物料的干燥, 具有广阔的应用空间[ 1, 2 ] 。
    热泵干燥装置有多种结构形式, 以基于蒸气压缩式热泵的基本型封闭式热泵干燥装置为例(图中干燥介质为空气) , 其结构及工作原理如图1所示。
    由图1可见, 热泵干燥装置由两个子系统组成: 热泵子系统和干燥子系统, 热泵子系统和干燥子系统通过干燥介质有机地耦合为一个总体。
    热泵子系统中, 由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成封闭回路, 热泵工质(也称热泵制冷剂) 在其中沿1—2—3—4—1 循环。1点的低压低温蒸气进入压缩机, 在压缩机中被压缩为高温高压的过热气(2点)进入冷凝器;在冷凝器中工质放热而自身变为高压中温饱和液(3点)并进入节流阀, 经节流阀后变为低温低压的饱和气与饱和液的混合物(4点) , 并进
入蒸发器; 在蒸发器中液态工质吸收干燥器排气的热量而自身变为低压低温的蒸气(1点) ,再进入压缩机开始下一个循环。
   

                               
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    　干燥子系统中, 由干燥器、蒸发器(空气侧) 、冷凝器(空气侧)组成封闭回路, 干燥介质(空气)在其中沿5 - 6 - 7 - 5循环流动。热干空气(5点)进入干燥器, 加热物料并使物料中的水分变为蒸汽进入空气中, 空气自身降温加湿, 出干燥器时变为温湿空气; 出干燥器的温湿空气(6点)进入蒸发器, 在蒸发器中首先被等湿冷却至饱和湿空气状态, 再进一步被降温, 空气中的水蒸气不断凝结为液态水析出并除去, 直至变为7点温度较低、含水量极少的冷干空气状态(当空气被冷却到0℃时,含水仅为约4g水蒸气/kg干空气) , 进入冷凝器; 在冷凝器中, 冷干空气被加热为满足干燥要求的热干空气, 再进入干燥器开始下一个循环。
    　在热泵干燥装置中, 应用最多的干燥介质是空气。但当被干燥物料中含有易氧化成分,或物料在有氧环境中易燃易爆, 或要求物料与干燥介质之间具有更高的传热传质速率时, 往往需要采用惰性干燥介质或其他具有特殊物性的干燥介质, 如氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气等[ 3, 4 ] 。
1　热泵干燥介质的基本物性
　　空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气六种热泵干燥介质的基本物性如表1 所示[ 5 ] 。
2　热泵干燥介质的热物性数据
　　热物性数据包括1个大气压下不同温度下的密度、定压比热容、热导率、导温系数、动力黏度、运动黏度、普朗特数等。空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气六种热泵干燥介质的热物性数据如表2所示。
3　热泵干燥介质与水蒸气混合物的热物性计算方程
　　热泵干燥介质与水蒸气的混合物在常压下、温度不太高(如< 60℃)时, 可作为理想气体处理, 此处给出常压下(约为1atm)时相对湿度、湿含量、热物性计算方程。
   

                               
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    (2) 混合物的湿含量d
　　湿含量有时也称为含湿量、湿度, 是混合物中与1kg干燥介质所伴随的水蒸气的质量。六种干燥介质与水蒸气混合物的湿含量计算公式为:
   

                               
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    (3) 混合物的比容ν
　　混合物的比容是指一定温度和压力下, 包含1kg干燥介质的混合物的比容。1大气压下六种干燥介质与水蒸气的混合物的比容计算公式分别为:

                               
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    　当干燥介质与水蒸气混合物的压力不为1个大气压( 1atm ) 时, 如压力不太高(低于3atm) , 则此时混合物的比容为1atm下的比容与混合物的压力(单位为atm)之比。
(4) 混合物的密度ρ
　　干燥介质与水蒸气混合物密度的计算式为:
   

                               
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    (5) 混合物的定压比热容cp
　　混合物的定压比热容是指一定温度和压力下, 包含1kg干燥介质的混合物的定压比热容。六种干燥介质与水蒸气混合物的定压比热容近似计算式为:
   

                               
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    (6) 混合物的焓h
　　干燥介质与水蒸气混合物的焓是指一定温度和压力下, 包含1kg干燥介质的混合物的焓。取0℃的液态水的焓为0 kJ /kg, 0℃干燥介质的焓为0 kJ /kg时, 常压下温度为t℃的混合物的焓的近似计算式为:
    　h = cp t + 2500d　kJ /kg(干燥介质)      (6)
    式中: 2500为0℃时水的汽化潜热的近似值 (水在0.01℃的汽化潜热为2501kJ /kg) 。
    　将干燥介质与水蒸气混合物的比热容cp代入上式, 就可计算混合物在不同温度t、不同湿含量d时的焓。
4　热泵干燥介质的应用分析
　　(1) 空气
　　空气是热泵干燥装置中应用最广泛的干燥介质, 当物料中不含有易氧化成分或易燃成分时, 可采用空气作为干燥介质。
    (2) 氮气
　　氮气是空气的主要成分之一, 其各项热物理性质均与空气相近。当物料中含有易氧化成分或易燃成分时, 氮气是首选的惰性干燥介质。
    (3) 二氧化碳
　　二氧化碳是一种不燃烧、无色、无气味的惰性干燥介质, 其密度约比空气大50% , 摩尔定压比热容则约比空气大30% , 而质量定压比热容约为空气的90% , 热导率约为空气的64% , 黏度约为空气的82%。当被干燥物料所需的干燥介质循环量较大或需流态化时,采用二氧化碳代替空气可减少干燥介质循环量, 降低风机功耗。
    (4) 氩气
　　氩气是空气中含量最多的惰性气体, 其密度约比空气大40% , 质量定压比热容约比空气小50% , 摩尔定压比热容约比空气小30% ,热导率约为空气的69% , 黏度约为空气的1.22倍。适于以导热为主给物料传递热量、而由干燥介质循环带走水蒸气的热泵干燥装置。
    (5) 氢气
　　氢气是无色、无嗅的可燃气体, 是已知最轻的气体。其突出特点是热导率约为空气的6倍, 黏度约为空气的一半, 故用其作干燥介质时, 可获得高的传热传质速率, 用于热泵干燥装置中可满足部分物料需要低温、短时间干燥的特殊要求。
    (6) 氦气
　　氦为无色、无嗅、无味的惰性气体, 用作干燥介质时, 传热传质速率与氢气相似, 且不可燃, 而流动阻力与空气相近。其应用场合与氢气相似, 但无燃烧或爆炸危险。
5　结论与建议
　　热泵干燥装置的主要特点之一是干燥介质可在系统中封闭循环, 这为采用空气之外的其他适宜干燥介质提供了良好的基础。通过选择与物料特性相宜的最佳干燥介质, 可同时实现干燥速率快、能源效率高、干燥质量好、干燥过程安全可靠等多个目标。
    　本文主要给出了空气、氮气、二氧化碳、氩气、氢气、氦气六种干燥介质的物性。在工程实际中, 除采用上述单一干燥介质外, 还可根据物料干燥过程的需要, 在热泵干燥装置中采用由上述两种或多种单一干燥介质组合得到的混合干燥介质。

参　考　文　献
[ 1 ] 　陈东, 谢继红1 热泵技术及其应用[M ] 1 北京: 化学工业出版社, 2006: 267～273.
[ 2 ] 　陈东,谢继红,赵立娟,李满峰. 热泵式流化床干燥装置及其应用优势[ J ]1食品与机械, 2003 (1) : 34～371
[ 3 ] 　HawladerM N A, Conrad O Perera, Min Tian, et alHeat pump drying under inert atmosphere [A ] . In: IDS2004, Sao Paulo, Brazil, 2004: 309～315.
[ 4 ] 　谢继红, 陈东, 赵丽娟, 刘荣辉, 李满峰1 确定生物物料最佳干燥工艺的理论方法研究[ J ] .干燥技术与设备, 2004, 2 (1) : 32～341
[ 5 ] 　卡尔L 约斯主编. 陶鹏万, 黄建彬, 朱大方译1Matheson气体数据手册(原著第七版) [M ] . 北京:化学工业出版社, 2003.

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