热泵除湿烘干机的系统去湿量、风量计算及烘干设备选型

热泵除湿烘干机的系统去湿量、风量计算及烘干设备选型

　　

　　广州速潽捷环境是一家专注热泵烘干机研发、生产及提供热泵烘干解决方案的大型企业，速潽捷热泵烘干机广泛应用于农产品、水产品、中药材及淤泥等行业烘干。速潽捷热泵烘干设备为人民的节能环保事业做出了贡献。速潽捷热泵烘干设备，节能率高达80%，产品结构紧凑，以先进的技术和卓越的品质，深受客户的信赖。

　　

　　热泵除湿烘干属于对流干燥，是工农业应用最为普遍的干燥工艺。对流干燥是一个传热与传质同时进行的过程，湿空气是干燥介质。

　　

　　闭式除湿烘干系统示意图

　　

　　经过热泵主机除湿加热后的热空气由循环风机送往烘箱，将热量传给湿物料，湿物料受热表面水分首先汽化，随着热量的传递，湿物料内部水分迁移至表面蒸发后被气流带走，湿空气进入除湿热泵实现除湿再加热。随着干燥过程的进行，热量不断通过热风传递给湿物料（传热）、同时气流不断带走湿物料水分（传质），以实现干燥的目的。

　　

　　一：认识湿空气

　　

　　?在热泵除湿烘干过程中，循环湿空气既传递热量又带走水分，因此研究湿空气的物理性质非常重要，整理了几个必须理解的概念，对后面的除湿量、循环风量计算及设备选型很有帮助。

　　

　　大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成，称为湿空气。湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化却对干燥和潮湿程度影响巨大。在常温常压下干空气可视为理想气体，而湿空气中的水蒸气一般处于过热状态，且含量少，也可近似视为理想气体。

　　

　　即可利用理想气体状态方程式来表示干空气和水蒸气的主要状态参数---压力、温度、比容等的相互关系：

　　

　　式中：Pg，Pq------干空气及水蒸气的压力，Pa；

　　

　　?V------湿空气的总容积，m3;

　　

　　?mg,mq------干空气及水蒸气的质量，kg;

　　

　　?Mg,Mq------干空气及水蒸气的摩尔质量，

　　

　　?Mg=28.95g/mol,Mq=18.02g/mol;

　　

　　?R------8.314J/(mol.k)，普适气体常量；

　　

　　?Rg,Rq------干空气及水蒸气的气体常数，

　　

　　?Rg=287.055J/(kg.k),Rq=461.52J/(kg.k);

　　

　　?T------湿空气热力学温度，K；T=273.15+t?°C

　　

　　?vg=V/mg,vq=V/mq------干空气及水蒸气的比容，m3/kg;

　　

　　?干燥过程中，湿空气中水蒸气的含量不断变化，而干空气质量不变，因此湿空气的许多相关性质常以1KG干空气为基准。基于理想气体状态方程式，理解如下几个重要概念和计算公式对研究热泵除湿烘干过程中循环湿空气的状态变化至关重要。

　　

　　1，湿空气的压力B，单位：Pa；

　　

　　?依据道尔顿定律，湿空气的压力应等于干空气的压力与水蒸气的压力之和，即

　　

　　B------一般称为大气压力，以Pa或kPa表示；

　　

　　?1标准大气压atm=Pa或101.325kPa;

　　

　　2，?湿空气的密度ρ，单位：kg/m3；

　　

　　?湿空气密度等于干空气密度与水蒸气密度之和，即

　　

　　3，湿空气的含湿量d

　　

　　?又称绝对湿度，定义为单位质量干空气所含有的水蒸气质量，单位为kg/kg.干

　　

　　湿空气处于饱和状态，此时湿空气的湿度称为饱和湿度（db为饱和含湿量，单位为kg/kg.干）：

　　

　　考虑湿空气中水蒸气含量较少，含湿量d、饱和含湿量db的单位可以用g/kg.干表示，公式为：

　　

　　4，相对湿度φ

　　

　　?定义为湿空气的水蒸气压力与同温度下饱和湿空气的水蒸气压力之比，即

　　

　　?相对湿度表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度。

　　

　　?由（1-5）、（1-6）得：

　　

　　上式中B远远大于Pq、Pq.b，可认为B-Pq.b≈B-Pq。因此相对湿度可近似表示为湿空气含湿量和饱和含湿量之比：

　　

　　5，湿空气的比容v与v’

　　

　　?v------1kg干空气及其所带有的dkg水蒸气所占有的总容积，称为湿空气的比容，单位m3/kg.干；是一?个为了方便计算的假设对象。

　　

　　?v’------湿空气的真实比容，单位m3/kg，是湿空气密度的倒数。

　　

　　?在实际计算时，v'通常是通过上式计算出来的，也就是说计算v很重要。

　　

　　常温常压下的湿空气里的干空气和水蒸气都可视为理想气体，利用理想气体状态方程式1-1，可得1kg干空气比容：Vg=RgT/B,含有的dkg水蒸气比容vq=RqT/B*d，

　　

　　则1kg干空气带dkg水蒸气的湿空气比容：

　　

　　当湿空气达到饱和状态时的容积称为1kg干空气带dkg水蒸气的湿空气饱和比容：

　　

　　?V’是湿空气的真实比容，是以每kg湿空气（干空气与水蒸气之和）计的湿空气体积，也可以用理想气体状态方程式来表示：

　　

　　?V’=V/m=R’T/Bm3/kg

　　

　　?式中，B=Pg+PqPa

　　

　　?R’=mg/m*Mg+mq/m*Mq

　　

　　?计算v’也可以参考2计算出湿空气的密度，再求倒数。

　　

　　?理解以上几个概念，熟记湿空气处理过程中需要用到的几个常量，能灵活运用理想气体状态方程式及衍生的这几个公式，就可以尝试用计算的方法来洞悉热泵除湿烘干的实际问题。善于使用以每kg干空气及其所带有的dkg水蒸气的比容对热泵除湿烘干系统去湿量、风量计算及设备选型（热泵主机、烘箱循环风机）非常关键。

　　

　　二：运用湿基法/干基法算去湿量G水

　　

　　1，热泵除湿干燥的效果是以过程前后物料含水率的多少来衡量的，物料含水率的表示方法通常有两种：

　　

　　（1）湿基含水率：以湿料为基准的物料中所含水分的质量比，用符号W表示，即：

　　

　　（湿物料总质量=湿物料中水分质量+湿物料中绝干料质量）

　　

　　（2）干基含水率：以绝干物料为基准的物料中所含水分的质量比，用符号X表示，即：

　　

　　（3）湿基含水率和干基含水率的互换公式：

　　

　　2，热泵除湿干燥过程去湿量可以通过湿基法也可以通过干基法来计算，就看客户告诉我们什么信息，已知什么量。

　　

　　若已知物料在干燥过程中最初和最终的干基含水率X1和X2，则除湿量：

　　

　　?式中：G水------除湿量kg

　　

　　?G干------绝干料质量kg

　　

　　?但客户往往不能提供给我们绝干料的质量，通常我们能知道的就是干燥前湿物料的质量和干燥前后湿基含水率。

　　

　　?假定干燥过程没有物料损失，而过程中绝干料的质量是不变的，列等式：

　　

　　?式中：G1,G2------干燥前后湿料质量；kg

　　

　　?W1，W2------干燥前后湿料的湿基含水率；?

　　

　　?热泵除湿干燥过程去湿量就是湿物料干燥前后的质量差：

　　

　　?式中：G水------去湿量；kg

　　

　　三：如何计算循环风量

　　

　　?热泵除湿干燥过程中，湿物料蒸发出来的水分被湿空气带走，因此，湿物料中水分的减少量（去湿量）就是湿空气中水分的增加量。

　　

　　?W水------湿物料去湿速率（除湿量/除湿时间），kg/s

　　

　　?L干------绝干空气的消耗量，kg.干/s

　　

　　?d1,d2------湿空气进出干燥室的湿度，kg/kg.干

　　

　　?湿物料除湿速率为热泵除湿烘干过程中单位时间的去湿量，单位：kg/s：

　　

　　故热泵除湿干燥过程当湿物料蒸发的水分为W水所消耗的干空气质量：

　　

　　?在热泵除湿烘干系统中，烘箱内循环风机的风量就是根据湿空气的体积流量来定的，以Q风表示，单位m3/s。湿空气的体积流量可以由干空气的质量流量L与湿空气的比容v湿的乘积求得：

　　

　　?从以上公式可以看出循环风量与除湿量及湿空气送风温度、湿空气含湿量变化有关。

　　

　　四：设备选型案例

　　

　　案例1：整个干燥周期约为8小时，按烘干7000公斤辣椒，烘干前含水率为85%，烘干后含水率12%，恒速干燥阶段送风60°C，20%RH；回风50°C，55%RH；求去湿量和循环风量，并按计算选型，提供方案书。

　　

　　第一步：按湿基法求去湿量：

　　

　　依公式（2-7）

　　

　　G水=G1*[1—（1—W1）/（1—W2）]

　　

　　?=7000*[1—（1—85%）/（1—12%）]

　　

　　?=5800kg.

　　

　　整个烘干过程总去湿量5800kg，工作8小时。12HP全配置热泵除湿烘干机组金刚石系列每小时去湿量60kg，通过除湿量计算需要12台主机。

　　

　　?

　　

　　工程左视示意图：

　　

　　现场施工图：

　　

　　

　　

　　第二步：按单位干空气量湿空气比容计算循环风量；

　　

　　送风干球60°C，相对湿度20%RH；回风干球50°C，55%RH；

　　

　　查湿空气i—d图，标准大气压101.325kPa，送风湿空气含湿量d1=25.48g/kg.干=0.kg/kg.干;回风湿空气含湿量d2=44.65g/kg.干=0.kg/kg.干;

　　

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　　假设整个烘干过程以恒速干燥阶段为主要时段，除湿速率：

　　

　　W水=G水/8*3600=5800/8*3600=0.2kg/s

　　

　　由公式（3-2）得绝干空气的消耗量：

　　

　　L=W水/（d2-d1）=0.2/(0.—0.)=10.43kg.干/s

　　

　　在这个案例中，循环风量就是湿空气的体积流量Q空，可以由干空气的质量流量L与湿空气的比容v湿(每kg干空气及其所带有的dkg水蒸气的比容)的乘积求得；L已计算出来了，以下需要算出湿空气的比容v湿。

　　

　　由公式（1-13）得：

　　

　　v湿=（0.0028+0.0046d1）T=(0.0028+0.0046*0.)*(273.15+60)

　　

　　=0.972m3/kg.干

　　

　　由公式（3-3）得：

　　

　　Q空=L*v湿=10.43*0.972=10.14m3/s

　　

　　故烘箱内要确保经过湿物料的循环风量必须达到10.14m3/s，这个风量是烘箱循环风机工程选型的重要数据。风机的风压与风道的布置及湿物料的摆放有关，需计算风道沿程阻力来确定。