干燥用空气源热泵机组开式运行除湿能效的分析

干燥用空气源热泵机组开式运行除湿能效的分析

Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　Ａｉｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｕｎｉｔ　ｆｏｒ　Ｄｒｙｉｎｇ　ｉｎ　Ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｓ

何冠成1 黄兴钊1 郭庆盛2

（1.威凯检测技术有限公司 广州 510663； 2广东高而美制冷设备有限公司 佛山 528244）

摘要：空气源热泵干燥技术是一种高效环保的干燥技术，广泛应用在在果蔬、烟草、粮食等产品的干燥领域上。干燥用空气源热泵机组可分为开式机组和闭式机组，本文通过研究开式机组的制热量与排湿量的关系，计算开式机组的单位输入功率除湿量（SMER），并通过实验比较两种运行方式的除湿能效。关键词：空气源热泵；干燥；单位输入功率除湿量

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｒｙｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ　ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｄｒｙｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｆｒｕｉｔｓ　ａｎｄ　ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ，　ｔｏｂａｃｃｏ，　ｇｒａｉｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．　Ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｕｎｉｔｓ　ｆｏｒ　ｄｒｙｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　ｕｎｉｔｓ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ　ｕｎｉｔｓ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｍｏｉｓ－ｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ（ＳＭＥＲ）　ｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ　ｕｎｉｔｓ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａ－ｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　Ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；　ｄｒｙｉｎｇ　；ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ

引言

随着国家日益重视并大力推广节能环保产品，在国家的支持和旺盛的市场需求下，空气源热泵技术得到了广泛的应用。因其干燥效果好、安全环保、高效节能、运行费用低、使用范围广等优势，在很大程度上解决了传统干燥效率低、成本高的难题，故在果蔬、烟草、粮食、淤泥、木材、中草药、茶叶、鲜花、鱼肉类、橡胶等工农业产品的干燥领域，空气源热泵干燥成为首选，并得到广大用户的好评，将是未来干燥市场的主流技术之一。

干燥用空气源热泵机组按结构形式可分为开式机组和闭式机组。开式机组利用机组冷凝器加热排湿，一般使用性能系数（ＣＯＰ）作为能效指标；闭式机组利用机组蒸发器冷凝除湿，一般使用单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）作为能效指标［１］。两者并无可比性，本文通

过研究开式机组的制热量与排湿量的关系，把闭式机组和开式机组的能效指标统一为单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ），并通过不同工况下的一系列测试，来比较开式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）的变化情况。

１干燥用空气源热泵机组的工作原理

开式机组工作原理如图１所示：机组的蒸发器位于室外，与室外空气进行热交换为室内提供热量；机组冷凝器位于室内，烘干房室内进风空气在冷凝器被加热，相对湿度被降低，冷凝器出风空气变为高温低湿空气，高温低湿空气经过物料时，与物料进行热湿交换变成低温高湿空气，通过排湿风机排出烘干房，在工作过程中物料的水分变成湿空气排除烘干房，实现排湿干燥目的。

闭式机组工作原理如图２所示：机组的蒸发器、冷

中国电器院子公司科技项目，项目名称：热泵烘干机性能合格评定技术的研究 ；项目编号：SCRV2018060。

2019年11月/Nov.2019 69

技术·创新/Technology and Innovation

凝器都位于室内。烘干房室内进风空气经过蒸发器被冷却到露点温度以下，在换热器翅片上析出凝结水；然后经过冷凝器，空气温度升高，冷凝器出风空气变为高温低湿空气再送入烘干房，高温低湿空气经过物料时，与物料进行热湿交换变成低温高湿空气，再次送入蒸发器。在循环过程中物料的水分变成冷凝水排出烘干房，实现除湿干燥目的。

开式机组采用加热排湿来达到干燥目的，制热量是开式机组的重要的性能指标，表征在名义工况下开式机组为烘干房提供的热量。在干燥过程中，需要把新风从烘干房外引进烘干房内，并把湿空气从烘干房内排出烘干房外［２］。假设新风进风与热泵机组室外机进风的空气状态相同，干燥室内排风与热泵机组室内机回风的空气状态相同，那么在空气状态一定、烘干房达到热平衡的条件下，可通过热泵机组的制热量计算排湿量（除湿量）。

２开式机组除湿能效的计算开式机组的制热量等于换气排湿的排热量和物料中

图1　开式机组工作原理

图2　闭式机组工作原理

70日用电器/Electrical Appliances

技术·创新/

水分的汽化潜热量之和，按式（１）计算。

C=

qm×(h2-h1)+G×∆Q

　3.6ｄ２—排风空气含湿量，单位ｇ／ｋｇ；ｄ１—新风空气含湿量，单位ｇ／ｋｇ；ｈ２—排风空气焓值，单位ｋＪ／ｋｇ；ｈ１—新风空气焓值，单位ｋＪ／ｋｇ；

（２）

△Ｑ—水汽化潜热，单位ｋＪ／ｋｇ，在１标准大气压下取２　２５７；

Ｐ—机组的热泵制热功率，单位ｋＷ。

开式机组在制热运行时，室外空气温度越高，制热

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

换气排湿的排热量按式（２）计算。

由式（１）和式（２）可推算开式机组的制热量与排湿量的关系，如式（３）所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

量越大［３］，排湿量越大，单位输入功率除湿量越高，而闭式机组的单位输入功率除湿量与室外空气温度无关。我们通过一系列的测试来验证在不同的室外空气条件下开式机组单位输入功率除湿量的变化规律，并与相同室

开式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）按式（４）计算

G

SMER=

P　

（４）

内空气条件下闭式机组的单位输入功率除湿量作比较，得出不同室外空气条件下机组最节能运行的温度分界点。

式中：

Ｃ—机组制热量，单位Ｗ；

ｑｍ—干燥室进风／排风质量流量，单位ｋｇ／ｈ；Ｇ—机组排湿量，单位ｋｇ／ｈ；

３试验方案和结果分析

３．１试验方案

表1　试验样机整机参数

整机参数

结构形式整体式分体式

电源电压380 V380 V

电源频率50 Hz50 Hz

名义制热量18 kW5 kW

名义制热消耗功率

5 kW—

名义除湿量

—15 kg/h

名义除湿消耗功率

—5 kW

样机分类开式机组闭式机组

表2　试验样机压缩机参数

压缩机参数

电动机种类定频定频

制冷剂种类R134aR134a

频率范围（Hz）

5050

额定频率（Hz）输入功率（W）

5050

4 6004 600

制热量（W）18 00018 000

COP值3.913.91

样机分类开式机组闭式机组

表3　试验样机换热器参数

换热器参数

样机分类

部位蒸发器冷凝器蒸发器冷凝器

展开尺寸（mm*mm）920*1 2001 350*7001 200*5001 200*900

片距-管间距-管排数(mm-mm-排)

2.5-25-32.5-25-32.5-25-32.0-25-2

迎风面积m2

1.10.940.61.08

换热管直径及壁厚mm9.52/0.359.52/0.359.52/0.359.52/0.35

换热管型式翅片管翅片管翅片管翅片管

翅片片型波纹片波纹片波纹片波纹片

翅片处理方式

亲水亲水亲水亲水

开式机组闭式机组

2019年11月/Nov.2019 71

技术·创新/Technology and Innovation

表4　试验工况

闭式机组

工况序号

室内侧（进风）

干球温度（℃）

相对湿度%

室内侧（进风）

干球温度（℃）

相对湿度%

1015

40

80

40

80

20253035

开式机组

室外侧（进风）

干球温度（℃）

相对湿度%

606060606060

表5　试验结果

工况

室内侧进风

室外侧进风10 ℃,RH60 %15 ℃,RH60 %

40 ℃，RH80 %

20 ℃,RH60 %25 ℃,RH60 %30 ℃,RH60 %35 ℃,RH60 %

15.20

5700

2.67

闭式机组

13 21015 918 75719 68521 45723 456

3 8004 06 3034 53 9785 478

开式机组

8.22 10.14 12.13 12.98 14.47 16.30

2.162.492.822.862.912.98

除湿量（kg/h）功率（W）SMER(kg/kW·h)制热量（W）功率（W）排湿量（kg/h）SMER(kg/kW·h)

选用开式机组、闭式机组各一套进行试验，样机的整机参数、压缩机、换热器的信息见表１、表２、表３。

３．２试验方法

在表４规定的试验工况下，根据ＧＢ／Ｔ　１７７５８－２０１０《单元式空气调节机》附录Ａ规定的空气焓差法测试开式机组的制热量、制热消耗功率［４］，根据ＧＢ／Ｔ　１９４１１－２００３《除湿机》规定的方法测试闭式机组的除湿量、除湿消耗功率。

３．３试验结果

开式机组与闭式机组的试验结果如表５所示，其中开式机组的排湿量根据式（３）计算而得。

３．４试验结果

开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）随室外空气温度变化的曲线如图３所示，由图可知开式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）随室外空气温度升高而升高，在１０　℃￣２０　℃温度段上升速度较快，２０　℃￣３５　℃温度段上升平缓。

开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）在１５　℃￣２０　℃温度段相交，根据表５测试结果可得开式72日用电器/Electrical Appliances

机组单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）与室外空气温度的关系，如式（５）所示。计算开式机组与闭式机组的单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）同为２．６７　ｋｇ／ｈ时对应的室外环境温度为１８．１　℃。故在室外环境温度高于或等于１９　℃时，空气源热泵机组使用开式运行进行干燥作业更节能。

（５）

式中：

ｙ—单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）；

图3 单位输入功率除湿量（SMER）与室外空气温度的变化曲线

ｘ—室外空气干球温度。

４结果应用

为了降低热泵干燥过程的能耗，烘干设备的选型、热泵控制系统的设计可从以下几方面考虑：

１）室外温度高时使用开式运行，室外温度低时使用闭式运行更为节能；

２）升温阶段热泵机组应开式运行并关闭排湿风机，快速降温阶段热泵机组应停止运行并启动排湿风机；

３）恒温除湿阶段可开启闭式机组。

本文的试验为实验室模拟试验，空气源热泵机组在烘干房设计的实际应用中还应该考虑烘干房漏热、物料湿热交换效率、烘干房循环风机能耗等因素的影响，修正单位输入功率除湿量（ＳＭＥＲ）与室外空气温度关系式，调整最节能运行的温度分界点。

５结语

空气源热泵机组开式运行与闭式运行都可以实现干燥物料，但两种运行模式的单位输入功率除湿量会随室外空气温度、室内空气温湿度变化。因此，在设计干燥用空气源热泵机组的控制系统时，除了要满足干燥工艺的要求，还应考虑机组的特性，在不同的干燥阶段选用最节能的运行模式，以提高机组单位输入功率除湿量。

参考文献：

[1] GB/T 19411-2003,除湿机[S].

[2]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社, 2006 .[3] 沈维道,蒋智敏,童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社, 2001.

[4] GB/T 17758-2010,单元式空气调节机[S].

作者简介：

何冠成（1984.11-）,男，大学本科，工程师，主要从事空调类产品认证和检测工作。

技术·创新/

（上接65页）

改善效果：随机抽查５批次零件的喷漆后壳体Ｌｏｇｏ

底部均未发现积漆。然后没批次分别抽取１００　ＰＣＳ粘贴金属Ｌｏｇｏ，均未发现金属Ｌｏｇｏ脱落。

问题２：金属Ｌｏｇｏ未贴合到位，不良率占比２０　％；原因分析：对金属Ｌｏｇｏ以及需粘贴金属Ｌｏｇｏ的壳体共２３款，进行壳体　Ｌｏｇｏ尺寸检测。结果表明有４款零件的壳体Ｌｏｇｏ尺寸大于金属Ｌｏｇｏ尺寸，其最大干涉量为０．２　ｍｍ。

改善对策：对４款零件的壳体Ｌｏｇｏ模具上重做，增加壳体Ｌｏｇｏ的尺寸公差管控。

改善效果：壳体Ｌｏｇｏ改善后分别进行了２００　ＰＣＳ的试产验证，全部可贴合到位。

４　结论

本文根据材质的不同对Ｌｏｇｏ进行了简单分类，然后

分别根据本体Ｌｏｇｏ及壳体Ｌｏｇｏ的相关设计规范进行介绍。

本文只对分体式金属Ｌｏｇｏ在墙壁开关插座产品中的应用进行了介绍及相关问题分析验证，同时根据墙壁开关插座产品的特性提出了三种检测金属Ｌｏｇｏ粘性的试验方法。

希望通过本文对金属Ｌｏｇｏ设计规范、制作、贴合、试验等方面的介绍，能对广大电工企业在未来应用层面提供参考和帮助。

参考文献：

[1]李国胜,马军旗.不锈钢标牌制作浅谈[J]. 网印工业, 2010(11):16-18.

作者简介：

王震（1993.-），男，本科，机械专业，机械助理工程师，主要从事产品结构设计工作。

2019年11月/Nov.2019 73