热泵干燥装置在生物物料干燥中的应用分析

热泵干燥装置在生物物料干燥中的应用分析李满峰*陈东谢继红刘荣辉（天津科技大学机械工程学院）料干燥装置相结合，提高干燥过程的热效率，降低生物物料在干燥过程中的质量损失进行了较深入的分析，同时也对热泵干燥装置应用与推广需进一步解决的问题及其应用策略进行了剖析。
干燥是食品、药品及生物活性制品等生物物料加工与贮存的基本手段之一。生物物料干燥的基本特点是干燥温度低、干燥时间长、物料的质量保护要求高，因此，低温干燥、真空干燥、惰性介质干燥是生物物料干燥的常用方式。热泵是高效节能装置，也是制取低温干燥介质的高效装置，应用于生物物料干燥具有的优势，本文就生物物料热泵干燥装置的能源利用效率、物料质量保护、热质传递强化、应用推广等方面进行研究分析。
生物物料干燥多采用热空气作为干燥介质，为防止易挥发成分的损失和易氧化、易分解成分的变质，在流化床、烘箱等干燥装置中，热风温度通常在60*C100*C之间。在喷雾干燥装置、气流干燥装置中，由于物料受热时间短，热风温度可高达150C左右。
传统的干燥装置中，热空气一般采用电加热、蒸汽加热或间接加热式热风炉（用燃气、煤、油等燃料）直接加热环境空气获得。热干燥空气进入干燥装置吸收物料的水分后，变为含湿量较高的低温废气，排入环境。
上述干燥装置有两点不足：首先，热风的吸湿能力不强。由于热风是直接加热环境中的空气获得，当夏天空气潮湿（如温度为40C左右，相对湿度达95），且热风温度不能太高（受生物物料变性温度的限制）时，其吸收物料水分的能力很低，相关数据如表1所示。
表1空气温度与饱和湿含量空气温度10C饱和湿含量9由表1可见，以环境温度40C，相对湿度95为例，其湿含量达49g/m3.当药物或生物活性制品要求热风温度低于60C时，则热风的大吸湿能力仅为8g/m3左右，再考虑到物料的平衡湿含量要求及干燥过程传质推动力等因素，此时用直接加热方法制取的热风几乎没有吸湿能力，这就使企业的正常生产难以进行。
其次，传统干燥装置排风（废气）的余热（包含空气的湿热和水蒸气的潜热）未能充分利用。
李满峰9男29977目前加热量为几十到上百千瓦的小型干燥装置（如喷雾干燥装置、流化床干燥装置等），进风多用电能加热环境空气，而50*C80*C的排风直接排入环境，使装置的能源利用率低，运行费用高。
克服上述不足的基本方法是把热泵与干燥装置相结合，使热泵起到加热器和除湿器的双重作用，高效制取低温干燥空气。以热泵式流化床干燥装置为例，其基本原理如所示。
由上可知，热泵与干燥装置（如流化床）结合，可通过两条主要途径提高生物物料的干燥质量：利用热泵干燥装置中干燥介质封闭循环的特点，可采用惰性介质（如N2或低氧空气等）作为生物物料的干燥介质，以减少有效成分的氧化速度；利用热泵对湿空气的除湿能力，在热泵干燥装置中采用30*C60*C的低温介质作为干燥装置进风，实现生物物料的低温干燥，从而降低有效成分的分解速度或挥发量，较好地保持生物物料的色、香、味、活性及质构等，使热泵干燥装置发展成为投资、运行费用、物料干燥质量介于普通热风干燥装置和冷冻干燥装置之间，适合生物物料高质量、低成本干燥的一类新型的干燥装置。
3热泵式干燥装置干燥生物物料的问题及其1传热传质强化问题热泵式干燥装置干燥生物物料是一种温和的干燥方式，与热风干燥相比，物料与低温干燥空气间的传热温差和传质水蒸气浓度差较小，使物料的干燥速度降低，干燥时间延长，对干燥过程的节能和物料质量保护带来不利影响，因此，必须采取相关措施强化物料与空气间的传热传质。
以热泵式流化床干燥装置为例，强化传热传质的基本途径可有如下几个方面：开发新型的流化床装置。如振动流化床、旋流流化床、惰性粒子流化床等，提高物料的分散状态，强化物料与空气的接触。
改进物料状态。如减小物料的尺寸，大物料的表面积；根据物料特性采用适宜形状，如块状、条状、片状等；对物料进行预处理，如进行表面处理，去除妨碍热质传递的壳层，或用保护液浸泡等。
采用变工况干燥。如在物料含湿量较高的恒速干燥段采用较高的干燥温度，而在降传热速度与物料向空气传质速度相协调。
提高干燥空气的流速。旋流惰性粒子流化床的实验研究表明，其它条件不变，当进风速度由3m/s提高到4.5m/s时，体积传热系采用组合干燥。对干燥质量要求较高的特殊物料，可采用热泵干燥与微波干燥、红外干燥、真空干燥等方式进行组合干燥，利用微波、红外线等三维加热方式促使水分由物料内部向表面迁移，利用热泵产生的低温干燥空气，迅速带走物料表面的水蒸气，实现生物物料的低温、快速干燥。
2高温热泵研制问题由于环保政策的要求，产汽量在0.5t/h以下的小锅炉在干燥装置中的应用受到限制，使干燥装置热风的制取不得不考虑其它的加热方式。工程实际中，考虑到施工、使用的方便性，小型干燥装置多采用电加热，导致干燥过程的运行费用较高，这给热泵在干燥装置中的应用带来了较好的机遇。
由于在喷雾干燥、气流干燥装置中，进风温度可能在100C以上，此时热泵应用于干燥装置，可有两种策略：种策略为普通热泵与电加热组合的方式，即用热泵把空气加热到80C左右，再用电加热把空气进一步加热到100C以上。这一方案技术难度小，但节能幅度也小。第二种策略为采用高温热泵，完全由热泵制取100C以上的热风。这一方案的收益除热泵所带来的节能外，还可减少物料的干燥时间，减小干燥装置的尺寸（由于干燥排风余热可由热泵回收，故可提高干燥装置的排风温度，加大热风的循环速率，从而强化物料与空气的传热传质系数，大物料与空气的传热温差和传质浓度差，就可大幅度提高物料的干燥强度），从而实现干燥装置的高效、小型、高干燥质量的兼顾。
速千燥段采用低温干燥空气m使空气向物料的）nicPubli高温热泵研制的主要难点是压缩机排气过w*热和高冷凝温度下工质的稳定性问题，解决的基本思路是设计热稳定性和化学稳定性好，并具有新型循环特性的工质（纯工质或混合工质），如实现卡诺循环等。
高温热泵研制的其它途径还可采用湿压缩循环、采用耐高温润滑油、采用无油润滑压缩机等，但需要解决的技术问题更复杂。
3热泵循环工质与被加热空气传热的温度匹配问题在热泵式干燥装置中，热泵冷凝器的功能是将干燥冷空气（如10*C）加热为低温干燥空气（如50*C），空气在冷凝器外侧的温度变化为40C，此时冷凝器内用来加热空气的热泵循环工质，其温度变化应与外侧空气的温度变化相匹配，以减少传热过程的不可逆损失。
满足这一要求的方法是采用泡露点温差大的非共沸混合工质（NARM）。非共沸混合工质的组配方法己有较多的资料可，但对其相变传热强化、冷凝器结构的合理设计、热泵蒸发器中除湿过程的高效实现等还需作更深入的研究。
4热泵干燥装置的应用与推广策略与传统的电加热、蒸汽加热或热风炉加热式干燥装置相比，热泵干燥装置的初投资大，系统复杂，调试与维护难度加大；同时，热泵与干燥装置及特定物料的佳干燥工艺还未能较好融合，致使热泵干燥装置的优势未得到充分发挥，这些均在一定程度上影响了热泵干燥装置的应用与推广。
因此，促进热泵干燥装置应用与推广的主要措施有：深入研究。在对热泵特性、干燥装置特性、物料的干燥工艺均有较透彻了解的基础上，研制在能效、物料质量、体积、成本比传统干燥装置有突出优势的新型干燥装置。
适当定位。干燥装置可分为两大类：热力干燥装置（喷雾干嫌流化床干燥1气流干燥等）和冷冻干燥装置，两类装置在初投资、运行费用、干燥时间、物料干燥质量上均差别很大，热泵干燥装置基本处于这两类之间，可定位于填补两类之间空白的一类新型干燥装置。
选取适宜物料。热泵干燥装置应用于热敏性、对干燥质量要求高的生物物料时，可充分发挥本身的优势。与冷冻干燥相比，干燥质量略低，但成本大幅下降；与热力干燥相比，成本略高，但干燥质量大幅提高，从而占据部分冷冻干燥和热力干燥市场，形成本身的特色应用领域。
与具有不同特点的干燥装置合理组合。
如与真空干燥、微波干燥、红外干燥装置等结合，发挥各自优势，实现物料的高效、快速、高质量干燥。