張艷來(lái) 陳培基 陳駒 黎賡文 林永青 李秀平 楊娜 郝華杰

摘要 碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)重大戰(zhàn)略目標(biāo)之一，基于雙碳目標(biāo)，國(guó)家倡導(dǎo)大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)。熱泵干燥技術(shù)具有節(jié)能減排效果顯著、耗能少、能效比高、干燥品質(zhì)好等特點(diǎn)，是農(nóng)產(chǎn)品干燥行業(yè)中最具前景的技術(shù)之一，對(duì)我國(guó)完成雙碳目標(biāo)也有推動(dòng)意義。介紹熱泵干燥工藝及技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)，指出熱泵干燥技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的核心問(wèn)題，展望熱泵干燥工藝及其技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 雙碳目標(biāo)；節(jié)能減排；熱泵干燥；工藝

中圖分類號(hào) S226.6? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2023）23-0012-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.23.004

Application Status and Development Trend of Heat Pump Drying Technology for Agricultural Products under the Dual Carbon Target

ZHANG Yan-lai， CHEN Pei-ji， CHEN Ju et al

（Guangdong Light Industry Vocational and Technical College， Guangzhou， Guangdong 510300）

Abstract Carbon peaking and carbon neutrality are one of Chinas major strategic goals. Based on the dual carbon goals， the country advocates vigorously developing energy saving and emission reduction technologies. The heat pump drying technology has significant energy-saving and emission reduction effects， low energy consumption， high energy efficiency ratio， and good drying quality. It is one of the most promising technologies in the agricultural product drying industry and has driving significance for China to achieve the dual carbon target. The article introduces the current application status of heat pump drying technology and its advantages and disadvantages in the field of agricultural products， points out the core issues of heat pump drying technology in different application fields， and elucidates the development trend of heat pump drying technology and its technology.

Key words Dual carbon target;Energy saving and emission reduction;Heat pump drying;Workmanship

基金項(xiàng)目 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品項(xiàng)目（A17）。

作者簡(jiǎn)介 張艷來(lái)（1970—），男，黑龍江綏棱人，教授，博士，從事工程熱物理、農(nóng)產(chǎn)品節(jié)能干燥技術(shù)、制冷空調(diào)、新能源汽車熱管理研究。

*通信作者，講師，碩士，從事制冷空調(diào)、熱泵技術(shù)等研究。

收稿日期 2022-11-04；修回日期 2022-11-27

受人類活動(dòng)的影響，“全球變暖”情況愈發(fā)嚴(yán)重，造成洪水、熱浪、干旱、森林火災(zāi)等災(zāi)害性氣候的頻率加速，海平面以3.1 mm/a的速度加速上升。在2020年9月22日，第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論會(huì)上，中國(guó)提出將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更有力的政策和措施，力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和等中長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)［1］。中國(guó)已成為世界第一工業(yè)制造大國(guó)，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，最重要的是做到節(jié)能減排。目前，國(guó)內(nèi)耗能最大、碳排放最多的是工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域的能耗量占全國(guó)能耗量的70%左右，主要產(chǎn)品的單位平均耗能比發(fā)達(dá)國(guó)家主要產(chǎn)品的水平高30%左右，工業(yè)余熱利用率低于世界平均水平，工業(yè)耗能中至少有50%能耗是以余熱的方式被浪費(fèi)［2］。工業(yè)余熱多，可回收再利用的空間、節(jié)能潛力非常大，熱泵技術(shù)是將工業(yè)余熱的高效回收再利用最為有效方式之一。

干燥流程廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。干燥工藝主要是以供熱的形式脫除物料中的水分的過(guò)程，物料干燥過(guò)程能耗大、熱能利用率較低，在許多發(fā)達(dá)國(guó)家中，國(guó)家總耗能量中的7%～15%是各個(gè)行業(yè)的干燥過(guò)程消耗造成的，而在整個(gè)產(chǎn)品的耗能中，干燥過(guò)程就占總能耗的30%～70%［3］。傳統(tǒng)的干燥工藝主要應(yīng)用于造紙干燥和農(nóng)副產(chǎn)品加工干燥，為了保證農(nóng)副產(chǎn)品的儲(chǔ)存品質(zhì)，干燥工藝已成為農(nóng)產(chǎn)品加工必不可少的單元操作［4］，而農(nóng)產(chǎn)品加工的干燥能耗僅次于造紙干燥的能耗［5］。因此，在保證農(nóng)副產(chǎn)品的干燥品質(zhì)不降低的情況下，降低物料干燥過(guò)程能耗，是節(jié)能減排、提高效益的重要方式之一。

熱泵干燥是伴隨著熱泵技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型干燥技術(shù)。熱泵利用少量的、高品位的能量（電能或者機(jī)械能），吸收低溫、低品位媒質(zhì)中熱量，通過(guò)熱泵的冷凝器來(lái)釋放出高溫、高品質(zhì)熱能，實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)熱量的再次利用，從而將能源的利用率顯著提高，降低了對(duì)高品位能源消耗。因此，熱泵干燥技術(shù)與傳統(tǒng)的干燥技術(shù)相比，具有節(jié)能減排、能效比高等優(yōu)點(diǎn)，此外，還具有受天氣影響小和控制精度高等特點(diǎn)［6］。隨著國(guó)家“煤改電”和“煤改氣”政策的推廣和落實(shí)，加快熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展與研究，可以推動(dòng)我國(guó)完成“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)度。

1 熱泵干燥系統(tǒng)的基本工作原理及其分類

1.1 熱泵干燥系統(tǒng)的基本工作原理

熱泵干燥系統(tǒng)主要由熱泵系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)2個(gè)部分組成。熱泵工作系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)→冷凝器→節(jié)流裝置→蒸發(fā)器→壓縮機(jī)構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。干燥系統(tǒng)主要是由物料干燥倉(cāng)（室）、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱泵的進(jìn)風(fēng)口以及熱泵的出風(fēng)口等組成的一個(gè)空氣流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)。熱泵干燥系統(tǒng)（圖1）的工作主要是依據(jù)逆卡諾循環(huán)基本原理，通過(guò)壓縮機(jī)（這里指壓縮式熱泵機(jī)組）將氣態(tài)低溫制冷劑經(jīng)壓縮變成高溫、高壓氣態(tài)制冷劑，然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)高溫高壓氣態(tài)制冷劑被液化冷凝，同時(shí)釋放出高溫的熱量，此熱量通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)為干燥系統(tǒng)（干燥室）提供高溫?zé)崮?，液態(tài)的制冷劑從冷凝器進(jìn)入節(jié)流閥，通過(guò)節(jié)流閥的節(jié)流作用并降壓，高壓液態(tài)制冷劑變成低溫低壓液體狀態(tài)，再進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓液態(tài)制冷劑吸收干燥系統(tǒng)排出的廢氣中的低溫?zé)崃慷兂傻蜏氐蛪簹鈶B(tài)制冷劑，同時(shí)廢氣中大部分的水蒸氣通過(guò)熱泵的進(jìn)風(fēng)口被冷凝出來(lái)，然后直接以液態(tài)水的狀態(tài)被排出，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑，最后又進(jìn)入壓縮機(jī)，這樣制冷劑在熱泵系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)；同時(shí)，干燥介質(zhì)（多指空氣）也完成了在干燥系統(tǒng)的一個(gè)干燥工作循環(huán)。

1.2 熱泵干燥系統(tǒng)的分類

熱泵干燥是利用熱泵系統(tǒng)吸收低位熱能加上少量高質(zhì)能源給干燥系統(tǒng)提供高溫?zé)崮埽?duì)干燥室內(nèi)待干物料進(jìn)行除濕干燥的工藝過(guò)程。根據(jù)其分類標(biāo)準(zhǔn)的差異，可分為以下幾類：

（1）按照干燥介質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)方式不同，分為開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)、閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)和半開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)。

開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)是指循環(huán)干燥介質(zhì)（一般指空氣）通過(guò)吸收冷凝器熱量、換熱升溫后，高溫干燥介質(zhì)進(jìn)入干燥系統(tǒng)對(duì)濕物料進(jìn)行加熱除濕，然后將加熱除濕后的乏氣排入環(huán)境中，這一過(guò)程受環(huán)境因素影響較大，并且有一定的污染性，故在干燥領(lǐng)域較少推廣使用。

顧澤波［7］通過(guò)建立開(kāi)式熱泵干燥系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，并建立該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型來(lái)評(píng)估平均的單位成本，然后基于西安氣候條件進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)模擬計(jì)算，提出系統(tǒng)運(yùn)行的新模式，并得出系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行條件，指出了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的方法。結(jié)果得出此開(kāi)式熱泵干燥系統(tǒng)處理污水支出的費(fèi)用比謝繼紅等［8］的閉式熱泵干燥系統(tǒng)低30.3%，證明開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)對(duì)于污水低溫濃縮過(guò)程，具有節(jié)能潛力和較好的經(jīng)濟(jì)性。

閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)的基本工作原理與開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)大致是相同的，主要不同在于閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)的干燥介質(zhì)只在熱泵系統(tǒng)與干燥系統(tǒng)中循環(huán)，不直接排入環(huán)境中。因此，從這方面來(lái)講，閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)更具有節(jié)能環(huán)保的特性。

巴頔［9］通過(guò)閉式循環(huán)熱泵進(jìn)行煙草烘烤干燥試驗(yàn)，有回?zé)崞鞯拈]式熱泵干燥系統(tǒng)的單位耗能除濕量（SMER）明顯上升，該閉式熱泵干燥系統(tǒng)除濕量比達(dá)到了1.42，系統(tǒng)能源效率達(dá)到了87.1%，滿足了煙草烘烤除濕量的要求，也有著較高的節(jié)能效率，與開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)相比較更具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

半封閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)利用閉式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)和開(kāi)式循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)二者的優(yōu)點(diǎn)，形成的另一種新的熱泵干燥系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)就是干燥介質(zhì)被蒸發(fā)器吸熱降溫后，一部分乏氣將會(huì)被排出，留下來(lái)的乏氣將與新進(jìn)入的新鮮空氣進(jìn)行混合，然后進(jìn)入冷凝器，被加熱形成高溫低濕的熱空氣后，送進(jìn)干燥室對(duì)物料進(jìn)行干燥過(guò)程，進(jìn)而完成熱空氣的循環(huán)過(guò)程。

李偉等［10］通過(guò)對(duì)直排式熱泵干衣機(jī)和半封閉式熱泵干衣機(jī)的熱力性能對(duì)比分析，結(jié)論得出，直排式熱泵干衣機(jī)與半封閉熱泵干衣機(jī)的除濕能耗比相同的情況下，半封閉熱泵干衣機(jī)有著更快干燥速率，且濕空氣的排放也比直排式熱泵干衣機(jī)少，對(duì)環(huán)境更加友好。

（2）熱泵按利用環(huán)境資源的方式不同，分為空氣源熱泵、土壤源熱泵、太陽(yáng)能熱泵以及水源熱泵。

空氣作為熱泵主要的低位熱源之一，空氣源熱泵被廣泛使用在各領(lǐng)域。目前，主要應(yīng)用于熱泵空調(diào)系統(tǒng)、熱泵干燥系統(tǒng)、熱泵冷熱水機(jī)組系統(tǒng)中。其主要產(chǎn)品有家用熱泵空調(diào)器、商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組、風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組和熱泵干燥裝置等?？諝庠礋岜迷谀戏綉?yīng)用廣泛，但在北方應(yīng)用就有很大的限制，因?yàn)楸狈捷^冷，冬季溫度低時(shí)，空氣熱容量小，換熱器容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，導(dǎo)致制熱量降低。杜塏等［11］對(duì)比空氣閉式熱泵干燥系統(tǒng)與加裝空氣回?zé)衢]式熱泵干燥系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在某些工況下，后者的單位耗能除濕比（SPC）比前者的低20%。

太陽(yáng)能熱泵可以分為直膨式和非直膨式，都是集熱器與熱泵的組合，并且可以聯(lián)合水、空氣源的一種新型熱泵機(jī)，太陽(yáng)光在地球上屬于取之不盡用之不竭的無(wú)污染能源，應(yīng)用前景非常好，但缺點(diǎn)是目前只能在太陽(yáng)光充足的地區(qū)推廣使用。張璧光等［12］認(rèn)為太陽(yáng)能熱泵干燥適用于木材預(yù)干燥，將太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)聯(lián)合其他熱泵干燥系統(tǒng)使用，節(jié)能率可達(dá)70%左右。

土壤源熱泵主要通過(guò)埋地管，地管吸收大地?zé)崮?，然后?jīng)過(guò)熱泵機(jī)組制熱給人或設(shè)備使用。土壤源熱泵應(yīng)用前景也很大，但需要占用一定的土地資源。吳浩［13］通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)式地源熱泵干燥裝置與空氣閉式熱泵干燥裝置進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其進(jìn)行熱力性運(yùn)行計(jì)算，結(jié)果表明，開(kāi)式地源熱泵干燥裝置在除冬季以外的其他月份、地?zé)豳Y源豐富地區(qū)，能耗率比空氣閉式熱泵干燥裝置的低，節(jié)能效果較好。

水源熱泵利用水的比熱容大這一特點(diǎn)，通過(guò)吸收水源里的熱能，再經(jīng)過(guò)熱泵加熱升溫，供給人們使用，目前也是應(yīng)用比較多的一種熱泵裝置。楊卓［14］通過(guò)污水源熱泵系統(tǒng)對(duì)星海灣污水源進(jìn)行熱力分析得出污水源熱泵性能系數(shù)COP和一次能源利用系數(shù)E，制熱系數(shù)COPH和制冷系數(shù)COPR分別為4.68和3.96，電動(dòng)熱泵的一次能源利用系數(shù)為1.28，大于傳統(tǒng)的鍋爐設(shè)備，數(shù)據(jù)反映污水源熱泵節(jié)能環(huán)保、污水源的能源利用潛力很大。

（3）按照熱泵的工作原理不同，分為壓縮式熱泵機(jī)組和吸收式熱泵機(jī)組。

壓縮式熱泵機(jī)組是通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的低壓、低溫?zé)岜霉べ|(zhì)蒸氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮使其壓力、溫度升高后排入冷凝器內(nèi)，在冷凝器內(nèi)與被加熱的工質(zhì)進(jìn)行熱交換，高溫高壓蒸氣被冷凝成溫度、壓力較高的液體，高溫高壓液體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥，被節(jié)流降壓成低溫低壓液體，再回到蒸發(fā)器吸熱變成低壓低溫蒸氣，從而完成熱泵循環(huán)。

張振濤［15］將兩級(jí)壓縮式溫?zé)岜酶稍锬静倪M(jìn)行熱力分析，在熱泵機(jī)組的干燥過(guò)程中，引入空氣旁通率的概念，總結(jié)和建立了理論計(jì)算方法及模型，并提出了露點(diǎn)溫差法理論，其理論分析計(jì)算得出單級(jí)壓縮的總耗能比雙級(jí)壓縮總耗能高了23.05%，并得出能量回收率與木材出水量的關(guān)系為正比關(guān)系。

吸收式熱泵機(jī)組主要是依靠熱能作為循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力，依據(jù)具有吸收特性的溶液作為吸收劑，具有低溫相變特性溶液作為制冷劑，二者組成的二元混合工質(zhì)，從低溫、低品位熱源中吸收熱量后，成為高溫、高品位熱源，給所需要的系統(tǒng)供熱。大型水-水熱泵機(jī)組通過(guò)利用外部熱源（水、水蒸氣或燃料的燃燒產(chǎn)物等）在發(fā)生器中加熱一定濃度的溶液并使其沸騰；于是溶液中的低沸點(diǎn)組分大部分被汽化出來(lái)，在冷凝器中凝結(jié)成液體狀態(tài)，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)一步降壓，再進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓液體工質(zhì)吸收了低溫環(huán)境的熱量，工質(zhì)就變成低壓蒸氣，然后回到吸收器，發(fā)生器內(nèi)部的吸收液經(jīng)過(guò)溶液閥節(jié)流降壓后來(lái)到吸收器與從蒸發(fā)器來(lái)的低壓低溫蒸氣混合，混合成低濃度溶液，再經(jīng)過(guò)溶液泵將低濃度溶液泵送回到發(fā)生器，完成熱泵循環(huán)。

葉碧翠等［16］提出了一種新型雙級(jí)吸收式熱泵干燥系統(tǒng)模型，并建立了熱力學(xué)模型以分析其性能，與傳統(tǒng)的閉式吸收式熱泵干燥系統(tǒng)作了對(duì)較，結(jié)果表明，在造紙烘干上，新系統(tǒng)不僅滿足了烘干需求，還能回收烘干排氣約50%的廢熱，減低造紙烘干耗能超過(guò)60%，在給定的工況下，新型雙級(jí)吸收式熱泵干燥系統(tǒng)的COP可達(dá)1.204～1.995，而傳統(tǒng)閉式吸收式熱泵干燥系統(tǒng)最高僅達(dá)到1.409，新型雙級(jí)吸收式熱泵干燥系統(tǒng)的應(yīng)用前景很大。

2 國(guó)內(nèi)外熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外熱泵干燥技術(shù)發(fā)展歷史及應(yīng)用現(xiàn)狀

熱泵的理論起源于1824年卡諾發(fā)表的卡諾循環(huán)論文，19世紀(jì)50年代初，英國(guó)教授湯姆遜（W.Thomson）提出了冷凍裝置也可以用來(lái)加熱的設(shè)想，于1852年，提出了以空氣作為工作介質(zhì)（或載體）的熱泵工作裝置，亦稱熱能放大器，之后，熱泵技術(shù)成為當(dāng)時(shí)研究的熱點(diǎn)之一。1927年英國(guó)人霍爾丹（Haldane）安裝和測(cè)試了一臺(tái)家用熱泵，即最早的熱泵裝置。直到20世紀(jì)40—50年代，研究者開(kāi)始在除濕干燥領(lǐng)域應(yīng)用熱泵研究，并取得了一定的進(jìn)展。

1943年，德國(guó)Sulzer公司首次在地下室除濕系統(tǒng)中應(yīng)用熱泵技術(shù)，并于1950年取得了熱泵干燥技術(shù)的專利。Westair公司將熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用于木材干燥，10年內(nèi)完成1 000套裝置［17］。法國(guó)在1970—1977年制造出千余臺(tái)熱泵木材干燥裝置，到20世紀(jì)80年代，采用熱泵干燥技術(shù)的木材干燥廠大約有3 000家。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，與其他高溫干燥器相比較，熱泵木材干燥裝置的單位能耗值為1 800 kJ/kg（水），能耗降低80%，這說(shuō)明熱泵干燥具有明顯的節(jié)能效果。日本的熱泵干燥技術(shù)研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，到1987年3 000余套熱泵干燥裝置應(yīng)用于各種行業(yè)，其中采用熱泵干燥技術(shù)的干燥裝置占12%。加拿大的木材干燥裝置采用熱泵干燥技術(shù)后，能源消耗降低60%［15］。熱泵干燥木材在西方發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、加拿大和德國(guó)）已經(jīng)普遍應(yīng)用。在美國(guó)，應(yīng)用熱泵干燥技術(shù)的糧食加工廠也越來(lái)越普遍。在日本，近年來(lái)熱泵干燥已廣泛應(yīng)用于包括蔬菜、糧食、海產(chǎn)品、茶葉、水果等農(nóng)產(chǎn)品各領(lǐng)域。2000年木材行業(yè)統(tǒng)計(jì)［18-20］，日本木材干燥設(shè)備利用熱泵干燥技術(shù)的已占26％。

Amrane等［21］研制的有溶液回路蒸汽壓縮熱泵機(jī)組，建立了單級(jí)的VCHSC和兩級(jí) VCHSC 的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)來(lái)研究VCHSC 的性能及潛力，研發(fā)出單級(jí)和雙級(jí) VCHSC 的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

Meyer等［22］將熱泵干燥技術(shù)應(yīng)用于谷物干燥裝置，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性、用熱泵干燥技術(shù)裝置替換現(xiàn)有加熱裝置（即直接模組燃燒器或電加熱器）的可行性進(jìn)行干燥谷物的能耗成本的分析，得出采用熱泵技術(shù)后比采用其他加熱方法，能源消耗更低，經(jīng)濟(jì)性更好。

Minea等［23］采用熱泵干燥技術(shù)對(duì)黃樺和硬楓等硬木品種的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用蒸汽交換器或電線圈的裝置進(jìn)行加熱補(bǔ)償?shù)臒釗p失高于采用熱泵干燥技術(shù)裝置，并獲得了熱泵干燥試驗(yàn)除濕性能以及確定了運(yùn)行曲線。

2.2 國(guó)內(nèi)熱泵干燥技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用歷史及其現(xiàn)狀

我國(guó)熱泵技術(shù)研究以及應(yīng)用與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比明顯滯后，但起點(diǎn)卻相對(duì)較高，部分研究成果及領(lǐng)域達(dá)到世界的先進(jìn)水平。20世紀(jì)50年代，同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)的部分研究者已開(kāi)展熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)研究，為熱泵技術(shù)在我國(guó)快速進(jìn)步奠定了良好的開(kāi)端。1965年，我國(guó)在上海研制成功第一臺(tái)熱泵型窗式空調(diào)，制熱量為3 720 W［24］。熱泵干燥技術(shù)在20世紀(jì)60年代隨著熱泵技術(shù)發(fā)展而開(kāi)始研究，在80年代中期開(kāi)始發(fā)展，在木材干燥、糧食干燥、茶葉烘干、魚類干燥、食品加工等領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究工作。截至1988年，熱泵干燥裝置已有160套在使用，木材干燥領(lǐng)域最多，約占工業(yè)熱泵的90%。截至1996年，木材干燥領(lǐng)域使用熱泵干燥裝置的大約有400套［15］，木材干燥量每年達(dá)到20萬(wàn)m2。

上海市能源研究所對(duì)熱泵干燥技術(shù)的研究起步也較早，熱泵式木材干燥機(jī)研制始于1985年，該裝置獲得原物資部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、上?？茖W(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、上海市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)等。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研制了除濕式熱泵干燥機(jī)，用于稻谷、廣式臘腸等農(nóng)副產(chǎn)品干燥［25］。上海能源研究所研制出糧食種子熱泵干燥裝置，具有明顯節(jié)能效果和良好的干燥品質(zhì)。在熱泵干燥研究方面，天津大學(xué)開(kāi)展了大量的理論及分析，做了大量的具體實(shí)驗(yàn)研究工作［26-28］。天津大學(xué)熱能研究所馬一太等［29］對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、理論分析以及理論計(jì)算工作，形成了最佳工況條件下，最佳蒸發(fā)溫度的概念，對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)在節(jié)能運(yùn)行方面的評(píng)價(jià)有著重大指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。

張緒坤［30］開(kāi)展了熱泵熱風(fēng)組合干燥系統(tǒng)與熱風(fēng)干燥系統(tǒng)、熱泵干燥系統(tǒng)對(duì)干燥胡蘿卜產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)，干燥后的胡蘿卜產(chǎn)品中，熱泵熱風(fēng)干燥組合系統(tǒng)的胡蘿卜素保持率為92%、熱泵干燥系統(tǒng)為80%、熱風(fēng)干燥系統(tǒng)僅有59%，熱泵熱風(fēng)干燥組合系統(tǒng)24 h后的復(fù)水比為4.66，而熱泵干燥系統(tǒng)、熱風(fēng)干燥系統(tǒng)分別為4.53、3.62，因此，采用熱泵熱風(fēng)組合干燥系統(tǒng)得到的胡蘿卜干質(zhì)量更好。而且通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：平均降水速率、胡蘿卜產(chǎn)品復(fù)水比和總耗能得知，熱泵熱風(fēng)干燥組合系統(tǒng)的耗能量?jī)H有隧道式干燥的74.1%、網(wǎng)帶式干燥的84.7%和真空冷凍干燥的9.4%，因此，熱泵熱風(fēng)組合干燥系統(tǒng)節(jié)能效果最佳。

朱國(guó)鵬［31］對(duì)熱泵干燥系統(tǒng)使用TRNSYS瞬態(tài)模擬程序開(kāi)展全年運(yùn)行特性的研究，經(jīng)計(jì)算分析得出，熱泵干燥系統(tǒng)帶有回?zé)崞餮b置比無(wú)回?zé)嵫b置平均節(jié)約能耗73.8%，COP增加6%，單位耗能除濕比SMER平均提高79.2%，節(jié)能效果非常顯著。

范海亮［32］基于PLC編程的模糊PID算法研制出不依賴被控對(duì)象的模糊PID復(fù)合控制器，克服熱泵干燥系統(tǒng)環(huán)境的非線性、大慣性和時(shí)變性，以溫度偏差和溫度偏差變化率2個(gè)參數(shù)作為輸入量，運(yùn)用Fuzzy-PID復(fù)合算法，進(jìn)行演算及推理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)跟蹤，達(dá)到對(duì)熱泵干燥過(guò)程參數(shù)的精確控制。

3 熱泵干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 熱泵干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

熱泵干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將熱泵技術(shù)與干燥工藝有機(jī)的結(jié)合，干燥工藝顯現(xiàn)出熱泵技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)。

3.1.1 干燥效率高，節(jié)能明顯。熱泵干燥技術(shù)是熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制熱的，熱泵系統(tǒng)在干燥過(guò)程中消耗的只有壓縮機(jī)的電能，其制造的熱能一般都在電能的3倍以上［33］。

3.1.2 使用安全，操作可靠。對(duì)易被氧化或易燃易爆產(chǎn)品進(jìn)行干燥，采用惰性氣體（如二氧化碳、氬氣、氮?dú)猓┳鳛楦稍锝橘|(zhì)，此時(shí)，在干燥介質(zhì)內(nèi)無(wú)氧氣條件下實(shí)現(xiàn)物料干燥，保證物料品質(zhì)及安全［34-35］。

3.1.3 環(huán)境友好。采用全封閉式熱泵干燥系統(tǒng)，除了水分外，干燥介質(zhì)與被干燥物料皆不與外界有接觸，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)一些對(duì)于環(huán)境要求苛刻的被干燥產(chǎn)品也能得到品質(zhì)保證。

3.1.4 干燥時(shí)間縮短且品質(zhì)好。與傳統(tǒng)的干燥方式相比，高溫?zé)岜酶稍锟梢栽诟痰臅r(shí)間內(nèi)完成干燥過(guò)程，被干燥產(chǎn)品的脫水速率快，且復(fù)水性也較好。

3.1.5 常壓、低溫干燥。對(duì)熱敏性物料干燥，熱泵干燥技術(shù)是一種非常溫和的干燥方式之一，接近于自然干燥［36］，在相對(duì)濕度為15%～80%和干燥溫度為-20～100 ℃（帶輔助加熱時(shí)）的條件下也能對(duì)物料進(jìn)行干燥，為生物制品、熱敏性材料等產(chǎn)品干燥提供了一種成本低、品質(zhì)高的干燥技術(shù)或裝置［37］。

3.2 熱泵干燥技術(shù)缺點(diǎn)

用于熱泵循環(huán)的工質(zhì)還不夠完善，有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)；

干燥規(guī)模小，在大規(guī)模干燥方面還是不能與鍋爐相比；

干燥溫度低，干燥周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)高溫干燥和超高溫干燥的應(yīng)用。

3.3 熱泵干燥技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.3.1 熱泵干燥和其他干燥工藝的結(jié)合。

不同的干燥方式有著各自不同的長(zhǎng)處和短處，單一干燥方式的短處是很難達(dá)到理想的干燥效果，故把不同的干燥方式組合或混合在一起，以長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到理想的干燥效果，這是單一干燥方式?jīng)]有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［38］。

丁德強(qiáng)［39］結(jié)合太陽(yáng)能干燥及熱泵干燥，研制出太陽(yáng)能/熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，研究表明，傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥和熱泵干燥的COP分別為1和3.05，而太陽(yáng)能/熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的COP達(dá)到了6.18，相比于傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥和熱泵干燥，太陽(yáng)能/熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的性能系數(shù)最高，最為節(jié)能。

劉軍［40］設(shè)計(jì)了帶有輻射功能的熱泵干燥組合裝置，進(jìn)行了淡水魚的干燥試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在最佳工藝參數(shù)條件下，感官評(píng)定值為88.0，復(fù)水比為49.72%，平均能耗為1.18 kg/（kW·h），比傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥節(jié)能36.46%。

馬有川［41］采用熱泵干燥和真空冷凍干燥聯(lián)合干燥，有效提高了蘋果的脆片硬度，相比單一的真空冷凍干燥，蘋果脆片硬度提高35%，脆度提高94%，2 h內(nèi)的吸濕性降低12.2%，干燥后蘋果脆片酚類物質(zhì)保留率較高，氣味上與新鮮蘋果差別不大。

李想［42］研究了豌豆種子的超聲波-熱泵聯(lián)合干燥特性，在豌豆種子干燥過(guò)程中，隨著超聲波功率和頻率的升高，種子的平均干燥速率有所提高，節(jié)省4.0%～14.8%的干燥時(shí)間，有效提高豌豆種子內(nèi)SOD、POD和CAT活性并降低有毒物質(zhì)MDA的含量。

宋小勇等［43］研制的遠(yuǎn)紅外輔助熱泵干燥系統(tǒng)，用濕毛巾作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比了不同干燥方式，得出遠(yuǎn)紅外輔助熱泵干燥系統(tǒng)相比單一的熱泵系統(tǒng)的除濕能力提高了8.1%～22.1%，表明遠(yuǎn)紅外輔助熱泵干燥系統(tǒng)能有效縮短干燥的時(shí)間，提高干燥效率。

3.3.2 跨臨界CO2熱泵干燥技術(shù)發(fā)展。

二氧化碳（CO2）是目前發(fā)現(xiàn)的具有良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性且對(duì)環(huán)境無(wú)害的自然工質(zhì)［44］，其溫室效應(yīng)值為GWP=1，臭氧層破壞值為ODP=0。而對(duì)于熱泵目前主要的制冷劑R12、R22和R134a，是CO2熱泵GWP值的7 100、1 600和1 200倍。在給定工況條件下，CO2熱泵干燥機(jī)的除濕效能比（SMER）是傳統(tǒng)電熱干燥機(jī)的2.2倍，單位耗能僅是電熱干燥機(jī)的47%，節(jié)能潛力（ESP）為53%［45］。王帥［46］對(duì)跨臨界CO2熱泵干燥系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行深入的理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，提出CO2與傳統(tǒng)工質(zhì)相比，在壓縮機(jī)效率、傳熱和流動(dòng)的熱物理特性、與潤(rùn)滑油的相溶性以及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，并表示CO2工質(zhì)在循環(huán)中，用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥，制冷效果最佳，能提高82%的理論制冷系數(shù)。跨臨界CO2干燥系統(tǒng)的SMER比常規(guī)干燥系統(tǒng)的SMER提高了45.6%，跨臨界CO2熱泵干燥系統(tǒng)在干燥行業(yè)的發(fā)展前景較大。

3.3.3 高溫?zé)岜酶稍锛夹g(shù)的發(fā)展。

熱泵干燥系統(tǒng)多數(shù)為中低溫干燥（低溫為小于40 ℃左右、中溫為50～70 ℃），滿足大部分被干燥產(chǎn)品的溫度需求和質(zhì)量效果，但一些特定的被干燥產(chǎn)品需要更高干燥溫度，而目前熱泵干燥系統(tǒng)的干燥溫度很少達(dá)到高溫（≥70 ℃），高溫?zé)岜酶稍锛夹g(shù)能縮短產(chǎn)品干燥的時(shí)間，減少干燥成本。目前主要的高溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)有準(zhǔn)二級(jí)壓縮式、兩級(jí)壓縮式和復(fù)疊式高溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)［47-49］，高溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)干燥熱源來(lái)源于高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，高溫?zé)岜眉夹g(shù)需要克服幾個(gè)難題［50］：

①繼續(xù)開(kāi)發(fā)高溫?zé)岜茫岣邿嵝?，在蒸餾化工行業(yè)，對(duì)130 ℃以上的高溫?zé)嵩吹男枨筝^大；

②繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)采用噴油技術(shù)提高高溫?zé)岜孟到y(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性的研究。

4 結(jié)論

我國(guó)在碳排放總量隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)驚人的高度，碳排放總量約占全球的1/3，我國(guó)在全球能源緊張、節(jié)能減排的背景下，向世界提交了“雙碳”目標(biāo)，完成“雙碳”目標(biāo)，發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)是必然的。該研究基于“雙碳”目標(biāo)下研究熱泵干燥技術(shù)在不同行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用分析，大量研究人員和相關(guān)機(jī)構(gòu)證明其節(jié)能減排效果顯著。熱泵干燥系統(tǒng)采用回收廢熱裝置，可進(jìn)一步降低干燥能耗，碳排放強(qiáng)度也比傳統(tǒng)燃煤干燥降低了40%～70%，顆粒污染物也降低90%以上，節(jié)能效果顯著［51］。相比傳統(tǒng)的干燥技術(shù)，熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品加工干燥領(lǐng)域，已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)研究和實(shí)踐應(yīng)用證明了其優(yōu)良的除濕能力、高效節(jié)能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益以及干燥后產(chǎn)品質(zhì)量的提升，為熱泵干燥技術(shù)在未來(lái)的廣泛應(yīng)用提供了保證。雖然技術(shù)水平上有了一定的成熟性，但還是沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，目前的熱泵干燥系統(tǒng)仍存在幾個(gè)難點(diǎn)需要被優(yōu)化：

提高熱泵干燥系統(tǒng)的控制精度，

找到或研發(fā)出和熱泵循環(huán)工質(zhì)相溶性高的潤(rùn)滑油介質(zhì)，

提升高溫?zé)岜酶稍锵到y(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性，

降低跨臨界CO2熱泵干燥系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣壓力。

熱泵干燥技術(shù)的發(fā)展與研究對(duì)于我國(guó)完成“雙碳”目標(biāo)有著重大的推動(dòng)意義。基于“雙碳”目標(biāo)下的熱泵干燥系統(tǒng)的發(fā)展方向，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)熱泵干燥系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、基礎(chǔ)理論研究、裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高熱泵系統(tǒng)效率；

探索熱泵干燥技術(shù)與其他干燥工藝組合及優(yōu)化，提高干燥效率；

加強(qiáng)對(duì)回收工業(yè)廢熱泵設(shè)備的研究，工業(yè)廢熱的回收再利用有著巨大的節(jié)能效益；

加大對(duì)高溫?zé)岜酶稍锖涂缗R界CO2熱泵干燥的研究力度，開(kāi)發(fā)高溫?zé)岜酶稍锖涂缗R界CO2熱泵干燥的創(chuàng)新型方向。

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