热泵干燥技术现状及应用前景浅析
郑青榕 蔡振雄 杜天玉 （集美大学 轮机工程学院，福建厦门 361021）摘 要：简述热泵干燥技术的工作原理及特点，分析国内外有关热泵干燥技术研究的新进展和应用情况，指出该技术中存在的问题，并结合我国实际提出发展设想。
关键词：热泵;干燥;新技术;发展
热泵干燥作为一项较新的干燥技术，由于其高效节能、成本相对较低，对环境无污染，可实现干燥介质的温度、湿度、气流速度等准确独立地控制，提高干燥质量等优势，已经广泛应用于木材干燥、种子干燥、食品加工、蔬菜脱水、陶瓷烘焙、药物及生物制品的灭菌和干燥、下水污泥处理、化工原料和肥料干燥等领域[1]。
1 热泵干燥原理及应用
1.1 基本原理
热泵是利用一定量的低温热能来获得较高温度、可供利用热能的热力系统。热泵与常规的干燥设备一起组成的热泵系统称为热泵干燥机或除湿干燥机，主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵干燥又称为除湿干燥，与传统热风干燥的区别在于空气循环方式不同，干燥室空气除湿的方式也不同。 热泵干燥时空气在干燥室与热泵干燥机间进行闭式循环，利用热泵干燥机的制冷系统使来自干燥室的湿空气降温除湿。
图l为一安装有热泵系统干燥机的简易工作示意图。工作原理是：压缩机把气态的热泵工质(热泵干燥机内循环的制冷介质)提高压力和温度后，在冷凝器放热冷凝成液态，液态的热泵工质经过膨胀阀膨胀，在蒸发器中吸热蒸发。转化成低温低压的气态，气态的热泵工质进入压缩机从而完成热泵工质的闭路循环。另外，经冷凝器加热的干空气进入干燥室，干燥物料成为湿热空气，然后进入除湿蒸发器析出水分排到机外，降低温度和湿度后的干空气再经冷凝器加热进入干燥室，这样就完成了空气的闭路循环[2]。(图略)
1.2 应用现状
1.2.1 木材
热泵应用于木材干燥行业始于二十世纪中期。在五十年代美国首先将热泵用于干燥粮食，接着美国的Westair有限公司将热泵用于木材干燥，在加拿大、日本、意大利及美、英、法等国木材干燥设备中，已占有相当大的比例[3]。
尽管热泵在木材干燥领域中呈现发展态势，但其中仍然存在问题：除湿干燥温度低，干燥周期长，目前常用的制冷工质的干燥室温度低于65 ℃，而常规干燥的最高工作温度一般在80~90 ℃，除湿干燥要比常规干燥周期长三分之一到二分之一[4]。
不过，从我国近二十余年以来的文献资料来看，木材干燥理论研究涉及的内容大致有：木材渗透性的研究；木材干燥过程中水分迁移特性与迁移机理；木材干燥的数学模型与热质传递的研究；木材干燥特性与工艺的研究；木材干燥的应力、变形与应力检测；各种木材干燥新技术及组合干燥技术。其中干燥特性与工艺、木材热物性等的研究，在热泵干燥机的设计研究中将会大有用处，而组合干燥技术同样是现在的研究热点。
根据热泵干燥的特点，对木材干燥，可做如下改进：
(1)热泵与常规热风联合干燥
目前，日本和加拿大主要采用“热泵—常规热风”联合干燥的形式，用于木材干燥[5]。即首先采用传统热风干燥法对木材预热，木材热透后进入干燥初期和中期，此时不需要高温，否则木材易开裂、变形，同时这段时间的空气湿度大，用热泵进行干燥可显著节能。干燥后期，木材含水率低，干燥速率很小，需提高温度才能加大干燥速率，此阶段已不易发生干燥缺陷，故此阶段用常规热风干燥更合适。
(2)高温热泵与太阳能联合干燥
太阳能与除湿机结合是比较理想的联合干燥方式，具有节能效果显著、干燥质量好、无污染、无火灾隐患、自动化程度高、应用范围广等优点。与常规蒸汽加热干燥技术相比，干燥 1 m3木材可以节约140 kg标准煤，节能率为75%～80%，干燥成本降低约35%。美国等发达国家已经研制出这类干燥技术装置，并申请了专利[6]。
(3)干燥室优化设计
以计算机代替传统手工的干燥室设计，其计算机模块具有工艺计算、热力计算、空气动力计算、设备投资和干燥成本计算等功能。可根据对干燥室材质、干燥参数与干燥室总投资等要求，自动绘制出干燥室的设计草图供用户选择[4]。
另外，各种联合干燥虽然均符合建立集约化木材干燥基地的发展趋势，但联合干燥初投资大，只有在集约化的大型干燥基地使用才能有效地降低干燥成本[7]。所以，木材干燥的集约化也需要进一步研究。
1.2.2 食品物料
热泵干燥技术应用于食品物料，一方面是过去对食品等热敏感性物料一般采取冷冻干燥，干燥成本太高；另一方面是热泵干燥的干燥条件温和，干燥参数易于控制，能够得到与冷冻干燥品质相近的产品。而且，热泵干燥能较好地保持干燥产品的质量，由于热泵干燥采用封闭式结构，维生素等营养挥发性成分都保留在干燥箱内不会逸出，逐渐地某种成分的分压就得以建立，阻止了该种成分进一步向外挥发[8]。
热泵干燥应用于食品物料的不足也不能忽视。首先，应用于敏感性食品物料的干燥，易氧化的物质(如香味化合物和脂肪酸)在干燥过程中会产生氧化反应，使风味、颜色及复水性都变差。第二，热泵干燥也属于对流干燥，更适于颗粒物料的干燥，对于液体等的干燥效果则不理想[9]。
目前对热泵干燥食品物料的研究有：
(1)使用新的干燥介质，通过应用惰性气体来替代空气作为干燥介质，得到的干燥产品在干燥过程中就不会产生氧化反应，产品质量也进一步得到提高。
(2)热泵式流化床干燥装置的设计和使用，可以大幅提高干燥质量，而初投资和运行费用又远低于低温干燥[10]。
2 结语
通过以上论述，可以预见热泵干燥技术的研发趋势应主要在提高热效率、提高系统稳定性、智能控制和环保性能等方面展开，如：针对热泵材料工作耐久性的设计，使热泵材料能够承受恶劣的工作条件，防止腐蚀和凝霜等，延长部件的寿命。机组静音技术，柔性的管道结构能降低压缩机组等的噪音，纳米填料的使用则可消除工质在相变过程中的噪音和振动。热回收技术，通过热回收装置将机组排热或其它来源的废热回收重新利用，达到节能和环保。新型工质的使用，惰性气体、二氧化碳等自然工质的出现，可逐渐替代氯氟烃，以达到环保、安全、促进结构紧凑等良好效果。
经过不断改进的热泵干燥技术，再结合现代测试技术、传感技术以及计算机控制技术，将使得该技术更加安全、稳定与高效。同时，我国作为能源短缺的农业大国，除工业用干燥外，大量农产品也需要干燥使用，因此因地制宜的发展各类热泵干燥系统就更加必要，而且将会有广阔的发展前景。
参考文献:
[1]谢英柏, 宋蕾娜, 杨先亮. 热泵干燥技术的应用及其发展趋势[J]. 农机化研究, 2006(4),12.
[2]马琳. 热泵干燥机数据采集系统的设计和试验研究. 中国优秀博硕士学位论文全文数据库, 2004.
[3]刘元森. 热泵设计和应用[J]. 新能源, 1983，7(5): 15-20．
[4]张璧光, 谢拥群. 木材干燥的国内外现状与发展趋势[J]. 干燥技术与设备, 2006(1),9,11-12.
[6]战剑锋, 李鹏, 陶毓博. 木材太阳能干燥技术的实践与应用[J]. 林业机械与木工设备, 2004(8),32.
[7]张璧光, 李延军. 热泵干燥木材的技术现状与发展趋势[J]. 干燥技术与设备, 2003(1),8.
[8]张绪坤, 毛志怀, 熊康明等. 热泵干燥技术在食品工业中的应用[J]. 食品科技, 2004(11),12.
[9]朱保利. 热泵干燥及其在食品工业中的应用[J]. 农机化研究, 2006(10),195.
[10]陈东, 谢继红, 赵丽娟, 李满峰. 热泵式流化床干燥装置及其应用优势[J]. 食品与机械, 2003(1),34-37.