熱泵除濕烘干機的系統去濕量、風量計算及烘干設備選型

熱泵除濕烘干機的系統去濕量、風量計算及烘干設備選型

　　廣州速潽捷環境是一家專注熱泵烘干機研發、生產及提供熱泵烘干解決方案的大型企業，速潽捷熱泵烘干機廣泛應用于農產品、水產品、中藥材及淤泥等行業烘干。速潽捷熱泵烘干設備為人民的節能環保事業做出了貢獻。速潽捷熱泵烘干設備，節能率高達80%，產品結構緊湊，以先進的技術和卓越的品質，深受客戶的信賴。

　　熱泵除濕烘干屬于對流干燥，是工農業應用最為普遍的干燥工藝。對流干燥是一個傳熱與傳質同時進行的過程，濕空氣是干燥介質。

　　閉式除濕烘干系統示意圖

　　經過熱泵主機除濕加熱后的熱空氣由循環風機送往烘箱，將熱量傳給濕物料，濕物料受熱表面水分首先汽化，隨著熱量的傳遞，濕物料內部水分遷移至表面蒸發后被氣流帶走，濕空氣進入除濕熱泵實現除濕再加熱。隨著干燥過程的進行，熱量不斷通過熱風傳遞給濕物料（傳熱）、同時氣流不斷帶走濕物料水分（傳質），以實現干燥的目的。

　　一：認識濕空氣

　　?在熱泵除濕烘干過程中，循環濕空氣既傳遞熱量又帶走水分，因此研究濕空氣的物理性質非常重要，整理了幾個必須理解的概念，對后面的除濕量、循環風量計算及設備選型很有幫助。

　　大氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成，稱為濕空氣。濕空氣中水蒸氣的含量雖少，但其變化卻對干燥和潮濕程度影響巨大。在常溫常壓下干空氣可視為理想氣體，而濕空氣中的水蒸氣一般處于過熱狀態，且含量少，也可近似視為理想氣體。

　　即可利用理想氣體狀態方程式來表示干空氣和水蒸氣的主要狀態參數---壓力、溫度、比容等的相互關系：

　　式中：Pg，Pq------干空氣及水蒸氣的壓力，Pa；

　　?V------濕空氣的總容積，m3;

　　?mg,mq------干空氣及水蒸氣的質量，kg;

　　?Mg,Mq------干空氣及水蒸氣的摩爾質量，

　　?Mg=28.95g/mol,Mq=18.02g/mol;

　　?R------8.314J/(mol.k)，普適氣體常量；

　　?Rg,Rq------干空氣及水蒸氣的氣體常數，

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

　　?T------濕空氣熱力學溫度，K；T=273.15+t?°C

　　?vg=V/mg,vq=V/mq------干空氣及水蒸氣的比容，m3/kg;

　　?干燥過程中，濕空氣中水蒸氣的含量不斷變化，而干空氣質量不變，因此濕空氣的許多相關性質常以1KG干空氣為基準。基于理想氣體狀態方程式，理解如下幾個重要概念和計算公式對研究熱泵除濕烘干過程中循環濕空氣的狀態變化至關重要。

　　1，濕空氣的壓力B，單位：Pa；

　　?依據道爾頓定律，濕空氣的壓力應等于干空氣的壓力與水蒸氣的壓力之和，即

　　B------一般稱為大氣壓力，以Pa或kPa表示；

　　?1標準大氣壓atm=Pa或101.325kPa;

　　2，?濕空氣的密度ρ，單位：kg/m3；

　　?濕空氣密度等于干空氣密度與水蒸氣密度之和，即

　　3，濕空氣的含濕量d

　　?又稱絕對濕度，定義為單位質量干空氣所含有的水蒸氣質量，單位為kg/kg.干

　　濕空氣處于飽和狀態，此時濕空氣的濕度稱為飽和濕度（db為飽和含濕量，單位為kg/kg.干）：

　　考慮濕空氣中水蒸氣含量較少，含濕量d、飽和含濕量db的單位可以用g/kg.干表示，公式為：

　　4，相對濕度φ

　　?定義為濕空氣的水蒸氣壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣壓力之比，即

　　?相對濕度表征濕空氣中水蒸氣接近飽和含量的程度。

　　?由（1-5）、（1-6）得：

　　上式中B遠遠大于Pq、Pq.b，可認為B-Pq.b≈B-Pq。因此相對濕度可近似表示為濕空氣含濕量和飽和含濕量之比：

　　5，濕空氣的比容v與v’

　　?v------1kg干空氣及其所帶有的dkg水蒸氣所占有的總容積，稱為濕空氣的比容，單位m3/kg.干；是一?個為了方便計算的假設對象。

　　?v’------濕空氣的真實比容，單位m3/kg，是濕空氣密度的倒數。

　　?在實際計算時，v'通常是通過上式計算出來的，也就是說計算v很重要。

　　常溫常壓下的濕空氣里的干空氣和水蒸氣都可視為理想氣體，利用理想氣體狀態方程式1-1，可得1kg干空氣比容：Vg=RgT/B,含有的dkg水蒸氣比容vq=RqT/B*d，

　　則1kg干空氣帶dkg水蒸氣的濕空氣比容：

　　當濕空氣達到飽和狀態時的容積稱為1kg干空氣帶dkg水蒸氣的濕空氣飽和比容：

　　?V’是濕空氣的真實比容，是以每kg濕空氣（干空氣與水蒸氣之和）計的濕空氣體積，也可以用理想氣體狀態方程式來表示：

　　?V’=V/m=R’T/Bm3/kg

　　?式中，B=Pg+PqPa

　　?R’=mg/m*Mg+mq/m*Mq

　　?計算v’也可以參考2計算出濕空氣的密度，再求倒數。

　　?理解以上幾個概念，熟記濕空氣處理過程中需要用到的幾個常量，能靈活運用理想氣體狀態方程式及衍生的這幾個公式，就可以嘗試用計算的方法來洞悉熱泵除濕烘干的實際問題。善于使用以每kg干空氣及其所帶有的dkg水蒸氣的比容對熱泵除濕烘干系統去濕量、風量計算及設備選型（熱泵主機、烘箱循環風機）非常關鍵。

　　二：運用濕基法/干基法算去濕量G水

　　1，熱泵除濕干燥的效果是以過程前后物料含水率的多少來衡量的，物料含水率的表示方法通常有兩種：

　　（1）濕基含水率：以濕料為基準的物料中所含水分的質量比，用符號W表示，即：

　　（濕物料總質量=濕物料中水分質量+濕物料中絕干料質量）

　　（2）干基含水率：以絕干物料為基準的物料中所含水分的質量比，用符號X表示，即：

　　（3）濕基含水率和干基含水率的互換公式：

　　2，熱泵除濕干燥過程去濕量可以通過濕基法也可以通過干基法來計算，就看客戶告訴我們什么信息，已知什么量。

　　若已知物料在干燥過程中最初和最終的干基含水率X1和X2，則除濕量：

　　?式中：G水------除濕量kg

　　?G干------絕干料質量kg

　　?但客戶往往不能提供給我們絕干料的質量，通常我們能知道的就是干燥前濕物料的質量和干燥前后濕基含水率。

　　?假定干燥過程沒有物料損失，而過程中絕干料的質量是不變的，列等式：

　　?式中：G1,G2------干燥前后濕料質量；kg

　　?W1，W2------干燥前后濕料的濕基含水率；?

　　?熱泵除濕干燥過程去濕量就是濕物料干燥前后的質量差：

　　?式中：G水------去濕量；kg

　　三：如何計算循環風量

　　?熱泵除濕干燥過程中，濕物料蒸發出來的水分被濕空氣帶走，因此，濕物料中水分的減少量（去濕量）就是濕空氣中水分的增加量。

　　?W水------濕物料去濕速率（除濕量/除濕時間），kg/s

　　?L干------絕干空氣的消耗量，kg.干/s

　　?d1,d2------濕空氣進出干燥室的濕度，kg/kg.干

　　?濕物料除濕速率為熱泵除濕烘干過程中單位時間的去濕量，單位：kg/s：

　　故熱泵除濕干燥過程當濕物料蒸發的水分為W水所消耗的干空氣質量：

　　?在熱泵除濕烘干系統中，烘箱內循環風機的風量就是根據濕空氣的體積流量來定的，以Q風表示，單位m3/s。濕空氣的體積流量可以由干空氣的質量流量L與濕空氣的比容v濕的乘積求得：

　　?從以上公式可以看出循環風量與除濕量及濕空氣送風溫度、濕空氣含濕量變化有關。

　　四：設備選型案例

　　案例1：整個干燥周期約為8小時，按烘干7000公斤辣椒，烘干前含水率為85%，烘干后含水率12%，恒速干燥階段送風60°C，20%RH；回風50°C，55%RH；求去濕量和循環風量，并按計算選型，提供方案書。

　　第一步：按濕基法求去濕量：

　　依公式（2-7）

　　G水=G1*[1—（1—W1）/（1—W2）]

　　?=7000*[1—（1—85%）/（1—12%）]

　　?=5800kg.

　　整個烘干過程總去濕量5800kg，工作8小時。12HP全配置熱泵除濕烘干機組金剛石系列每小時去濕量60kg，通過除濕量計算需要12臺主機。

　　?

　　工程左視示意圖：

　　現場施工圖：

　　第二步：按單位干空氣量濕空氣比容計算循環風量；

　　送風干球60°C，相對濕度20%RH；回風干球50°C，55%RH；

　　查濕空氣i—d圖，標準大氣壓101.325kPa，送風濕空氣含濕量d1=25.48g/kg.干=0.kg/kg.干;回風濕空氣含濕量d2=44.65g/kg.干=0.kg/kg.干;

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　　假設整個烘干過程以恒速干燥階段為主要時段，除濕速率：

　　W水=G水/8*3600=5800/8*3600=0.2kg/s

　　由公式（3-2）得絕干空氣的消耗量：

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

　　在這個案例中，循環風量就是濕空氣的體積流量Q空，可以由干空氣的質量流量L與濕空氣的比容v濕(每kg干空氣及其所帶有的dkg水蒸氣的比容)的乘積求得；L已計算出來了，以下需要算出濕空氣的比容v濕。

　　由公式（1-13）得：

　　v濕=（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濕=10.43*0.972=10.14m3/s

　　故烘箱內要確保經過濕物料的循環風量必須達到10.14m3/s，這個風量是烘箱循環風機工程選型的重要數據。風機的風壓與風道的布置及濕物料的擺放有關，需計算風道沿程阻力來確定。