热泵干燥技术与装备

热泵干燥是以消耗少量高品质能源获得更多热能输出的干燥技术，是一种接近自然的、温和的干燥，适用于大部分农牧林渔产品、化学品、药材、污泥、禽畜粪便等含湿物料的干燥。因此，在干燥技术领域，应用热泵干燥技术可有效提升能源利用效率、保护环境、减少温室效应和防止臭氧层破坏等。《热泵干燥技术与设备》是热泵干燥理论研究成果和工程应用进展的总结，采用理论与实践相结合的方式，系统地介绍了热泵干燥的基本原理，热泵干燥系统设计、控制与评价，MVR热泵技术，太阳能热泵干燥技术以及热泵干燥技术在工农业生产中的应用。

干燥是一个极其复杂的热质传递过程，也是涉及物理和化学变化的过程。干燥行业涉及国民经济的广泛领域，如农业、食品、化工、制陶业、医药、矿产加工、制浆造纸、木材加工等行业，所有的生产过程几乎都要用到干燥。但传统的干燥作业是一项高能耗的工艺过程，我国每年因干燥所消耗的能源占国民经济总能耗的12%左右。同时，传统的干燥工艺也是一个造成环境污染的因素。为应对能源和环境问题，实现国民经济可持续发展，干燥的节能与环保日益重要，传统的干燥行业亦面临产业转型升级。热泵技术作为一项兼顾干燥产品品质与成本的清洁节能技术，国内外专家学者已对其做了广泛深入的研究，并将其逐渐应用于干燥领域。编著者近年来主持完成了国家科技支撑计划“特色蔬菜产地保质贮藏节能关键技术装备研发与集成示范2015BAD19B02”、宁夏回族自治区农业发展项目“枸杞新型制干与保鲜技术研发与示范ZNNFKJ2015-03”、中国科学院河南成果转移转化中心项目“多功能农特产品热泵干燥技术及产业化”、“移动式烟叶热泵烘烤密集烤房（河南省烟草局重点项目HYKJ201311）”等十余项国家、省部级及行业科研项目，并在此基础上得到了“十三五”智能农机装备领域国家重点研发计划“ 农特产品绿色节能干燥技术装备研发2018YFD0700200” 项目的资助，在不同领域持续开展热泵等节能干燥技术的研究。
中国节能协会热泵干燥专委会近年来组织领域内的专家，每年进行多场热泵干燥技术的培训，为热泵干燥技术的推广应用做出了很大的贡献。编著者作为热泵干燥专委会的特聘专家，每年都参与培训工作。2018年春天，为了进一步做好培训工作，中国节能协会热泵专委会的赵恒谊副秘书长提出由编著者牵头编撰一部系统性、理论性与实践性结合、农机与农艺结合的教材，反映近年来热泵干燥领域的研究进展和产业进步，一方面用于行业应用培训，另一方面也可供科研教学机构参考，共同促进热泵干燥技术与装备的发展。
众所周知，热泵干燥利用逆卡诺循环的原理从周围低温介质中吸取热量，并将一定低温的热能通过热泵系统转化为较高温度的热能来蒸发需要干燥物料中的水分，从而促使物料干燥。热泵干燥只需消耗压缩机工作时使用的电能，就可从空气和排湿废热等低品位能源中获取能量，同时压缩机所消耗的电能也转化为热能被用于干燥，从而提高了能效比（Coefficient of Performance)，较传统干燥方式更节能。热泵干燥技术是一种温和的、接近自然的绿色干燥方式，对环境无污染，是构建生态文明的高效绿色节能技术之一。热泵干燥不仅能对干燥介质的温度、湿度、气流速度等进行精确控制，而且会大大提高干燥产物的品质，目前已广泛应用于木材干燥、种子干燥、食品加工、陶瓷烘焙、纺织行业以及中药材干燥等诸多领域。随着热泵干燥技术的不断创新和应用领域的拓展，基于能够实现对干燥过程的精准控制，热泵干燥技术还具备了发酵、提纯、增效、杀菌、定型定色等新型高品质功能。
干燥装备的设计不仅涉及极为复杂的传热传质机理、物料自身的物性特征与干燥特性，还涉及机械结构设计与自动化控制技术；干燥工艺技术、机械结构特征、自动化控制技术水平直接影响到干燥品质、能耗、设备寿命、安全性及系统的经济性。本书是张振涛研究员多年来从事热泵干燥学术研究和工程应用的经验成果总结，为了使内容更加丰富，编著者也借鉴、汇编了热泵干燥技术在其他领域应用中的经典案例。本书不仅阐述了干燥理论、热泵系统、热泵干燥工艺、自动控制技术、多源高效热泵干燥技术与热泵干燥技术标准及性能评价，也枚举了热泵干燥技术在食品、中药材、烟草、污泥、纺织、化工石油、造纸及木材等行业的应用。本书特色在于理论指导实践应用，又在实践中检验、丰富与推动了理论的发展与完善。
本书共有10章，涵盖了热泵干燥理论、实验研究和工程应用一整套热泵干燥技术，分别为热泵干燥技术概述、热泵工质和干燥介质、干燥过程的传热传质、热泵干燥技术、机械蒸汽再压缩（MVR）热泵干燥技术、多源热泵干燥技术、热泵干燥系统的控制技术、典型的农林产品热泵干燥、污泥热泵干燥资源化技术以及热泵干燥技术在工农业生产中的应用。本书既有经典理论阐述，又有实验研究、理论分析、数值仿真计算、工艺开发，也有经典工程应用案例的系统描述，是从理论到实践再到理论、从发现问题到提出问题再到解决问题的对科学研究方法的阐述。同时，本书也是在大数据时代下，涉及动力工程及工程热物理、机械、控制、化学、农学、林学、医学、物理等多学科交叉融合的研究与应用之作。
《热泵干燥技术与装备》由中国节能协会热泵专业委员会特聘专家、中国科学院理化技术研究所张振涛研究员，中国科学院理化技术研究所杨俊玲副研究员编著。其中，第1章由张振涛，中国节能协会宋忠奎秘书长撰写；第2章由张振涛，中国节能协会热泵专委会赵恒谊常务副秘书长撰写；第3章由广东省现代农业装备研究所的肖波博士，中国科学院理化技术研究所的张钰博士、杨俊玲撰写；第4章由杨俊玲，扬州大学的张琦副教授和郑州轻工业大学的王涛博士撰写；第5章由杨俊玲、中国科学院理化技术研究所张化福助理研究员、刘军博士、张钰博士，常州博睿杰能环境技术有限公司的张俊浩工程师，山东章鼓节能环保技术有限公司的井德忠高工撰写；第6章由青岛科技大学的孟祥文讲师，中国科学院理化技术研究所张振涛、杨俊玲撰写；第7章由西安交通大学的赵玺教授，张振涛撰写；第8章由河北科技大学的赵丹丹副教授，杨俊玲、张振涛，广州能源所的龚宇烈研究员、刘雨兵高工，河南佰衡节能科技股份有限公司的程烨高工撰写；第9章由青岛科技大学的何燕教授，西安交通大学的刘迎文教授，孟祥文，张振涛撰写；第10章由东北电力大学的金旭副教授、刘忠彦讲师编写。
在本书编著过程中，博士后张骥、研究生越云凯、张鹏、林家辉、徐鹏等付出了辛勤劳动，在此一并感谢。南京林业大学的顾炼百教授前期对本书提出了很多建设性意见，北京林业大学的张璧光教授、华中科技大学的邵双全教授、南京林业大学的苗平副教授对本书进行了校阅，在此深表谢意。
感谢中国科学院院士、西安交通大学的何雅玲教授在百忙中审阅书稿，并为本书作序。感谢中国节能协会热泵专业委员会对本书的支持与帮助。
本书在编著过程中使用了工业和信息化部、国家能源局、国家统计局、国际能源署以及北极星网等单位统计的数据资料，参阅了大量国内外专家学者、工程技术人员、相关企业、高校与科研院所等的研究成果、实践经验和工程案例，在此表示衷心感谢！
在河南嵩县乡村郊区建设热泵烤烟房后十余年热泵干燥技术应用研究的过程中，曾经一起奋斗在工作现场的有吕君博士、魏娟博士、陈嘉祥博士、张冲博士、李博博士、苑亚博士、李伟钊博士、孙椰望助研等诸多年轻学子，正是他们出色的研究工作，共同促成了本书的出版。
在河南省烟草局几个科技专项的执行过程中，得到了洛阳烟草公司及嵩县支公司、三门峡烟草局及陕县公司、许昌烟草局、南阳烟草局、平顶山烟草局、漯河烟草局等河南烟草系统各级领导与烟草生产技术专家的全力支持，一起在烟草系统前瞻性地开展了各类热泵烤房的研究和热泵烤房标准的发布，并获得了一些奖项。
在多年的研究过程中，也得到了众多企业的支持和赞助。在压缩机生产企业中，艾默生公司赞助了一部分压缩机，并与团队共同开发早期的热泵干燥控制系统；比泽尔公司赞助了团队第一台跨临界二氧化碳压缩机。要做好干燥技术的研究工作，一定少不了现场规模的实验验证，宁夏塞上阳光、东莞正旭、昆明现代阳光、中科股份、浙江阳帆等企业在不同的地域、不同的产品领域不仅为团队的实验工作提供了便利，而且对现场工作的老师、同学的生活也都照顾得无微不至。可以说，热泵干燥技术的研究能够取得一些进展，与这些企业的大力支持是分不开的。
编著者在科研实践过程中得到的支持极多，任何感谢都难免挂一漏万，只能在此向支持热泵干燥技术研究的各位同仁、各位企业家一并致谢。
限于编著者的知识、能力以及工程经验，且科学技术发展迅速、技术创新不断，书中难免有不足之处，敬请同行和读者批评指正。

中国科学院理化技术研究所
中国轻工业食品药品保质加工
储运装备与节能技术重点实验室
张振涛 杨俊玲
2019年11月

张振涛，中国科学院理化技术研究所，研究员，中国科学院关键技术人才。
主持国家重点研发计划项目“农特产品绿色节能干燥技术装备研发”，主持并完成“特色蔬菜产地保质贮藏节能关键技术装备研发与集成示范”等国家科技支撑计划等课题近30项；获得河南省科技进步3等奖1项（1/7），行业科技进步特等奖1项（2/20）；发表相关论文40多篇，申请及授权专利30多项。

本书系统地介绍了热泵干燥技术的基本原理，热泵干燥系统设计、控制与评价，机械蒸汽再压缩(MVR)热泵干燥技术，太阳能热泵干燥技术以及热泵干燥技术的应用等。具体内容包括热泵干燥技术概述、热泵工质和干燥介质、干燥过程的传热传质、热泵干燥技术、 MVR热泵干燥技术、多源热泵干燥技术、热泵干燥系统的控制技术、典型的农林产品热泵干燥、污泥热泵干燥资源化技术与热泵干燥技术在工农业生产中的应用。
本书是编者多年从事热泵干燥技术与工艺研究、热泵干燥系统开发设计和生产应用过程中理论和工程实践经验的总结，也汇编了热泵干燥技术在其他领域的应用，内容丰富，兼具理论分析、实验研究、控制系统开发和工程案例，具有很强的实用性。
本书可供能源动力、建材、食品、冶金、汽车、农林牧渔产品加工、化工机械、工程热物理、环保、理疗、保健、纺织、太阳能等领域从事干燥设备设计、制造、物料干燥加工专业的人员参考，也可供相关专业大学生、研究生、专业技能培训人员等学习参考。

第1章热泵干燥技术概述/001
1.1能源与环境现状001
1.1.1能源现状001
1.1.2我国的环境现状002
1.1.3我国的节能与环保目标003
1.2我国干燥行业的现状与发展趋势003
1.2.1干燥概述003
1.2.2我国干燥行业的现状005
1.3热泵干燥技术007
1.3.1热泵干燥技术的原理007
1.3.2热泵干燥技术的特点008
1.3.3热泵干燥技术的适用范围008
1.3.4热泵干燥与其他干燥技术的对比009
1.3.5热泵干燥技术的应用011
1.3.6热泵干燥技术的研究现状与发展趋势012
参考文献016

第2章热泵工质和干燥介质/020
2.1热泵工质020
2.1.1热泵工质及其分类020
2.1.2对热泵工质的要求020
2.1.3热泵工质的性质024
2.2干燥介质029
2.2.1干燥介质概述029
2.2.2湿空气029
2.2.3湿空气的状态参数029
2.2.4湿空气的焓湿图032
2.3过热蒸汽034
参考文献035

第3章干燥过程的传热传质/036
3.1多孔介质的基本特征036
3.1.1多孔介质的水分存在状态036
3.1.2多孔介质的干燥特性参数038
3.2干燥动力学理论与模型040
3.2.1多孔介质中的水分迁移与蒸发040
3.2.2基本理论与模型042
3.2.3薄层干燥044
3.3干燥器衡算048
3.3.1物料衡算049
3.3.2热量衡算050
3.3.3干燥过程中空气状态的确定与图解法052
3.3.4计算算例053
参考文献055

第4章热泵干燥技术/059
4.1热泵干燥的热力学分析059
4.1.1热泵干燥的热力学原理059
4.1.2热泵干燥系统的热力学第一定律分析061
4.1.3热泵干燥系统的热力学第二定律分析061
4.1.4热泵干燥系统的分类063
4.2热泵干燥系统的性能优化理论分析066
4.2.1热泵干燥系统的最佳蒸发温度067
4.2.2热泵干燥系统的最大单位能耗除湿量068
4.3热泵干燥用压缩机074
4.3.1压缩机的分类074
4.3.2压缩机的热力学分析076
4.3.3热泵干燥用压缩机与制冷压缩机的区别079
4.3.4热泵干燥系统中压缩机的选型080
4.4压缩机的补气增焓结构082
4.4.1补气增焓系统082
4.4.2热力学分析082
4.4.3最优补气压力的确定083
4.4.4压缩机补气孔口的设计研究084
4.5干燥器087
4.5.1厢式干燥器087
4.5.2带式干燥器089
4.5.3气流干燥器090
4.5.4流化床干燥器091
4.5.5喷雾干燥器092
4.5.6回转圆筒干燥器093
4.5.7转鼓干燥器094
4.5.8塔式干燥器095
4.5.9桨叶式干燥器095
4.6热泵换热器与节流膨胀装置096
4.6.1热泵换热器096
4.6.2节流膨胀装置099
4.7热泵干燥技术标准101
4.7.1空气源热泵密集烤房标准101
4.7.2谷物干燥机标准103
4.7.3水稻种子烘干脱水技术规程103
4.7.4太阳能果蔬干燥设施设计规范103
参考文献104

第5章机械蒸汽再压缩（MVR）热泵干燥技术/110
5.1MVR热泵干燥技术110
5.1.1MVR热泵干燥技术的原理110
5.1.2MVR热泵干燥系统的热力学分析110
5.1.3MVR热泵干燥系统的性能评价指标111
5.2MVR热泵干燥系统的构成113
5.2.1MVR热泵干燥系统的工艺113
5.2.2MVR热泵干燥系统用压缩机113
5.2.3MVR热泵干燥系统的性能影响因素116
5.3MVR热泵系统的性能和经济性分析117
参考文献118

第6章多源热泵干燥技术/121
6.1空气源热泵干燥技术121
6.1.1空气源热泵干燥的工作原理121
6.1.2空气源热泵干燥的分类121
6.1.3空气源热泵干燥的应用和展望123
6.2太阳能热泵技术124
6.2.1太阳能热泵干燥的工作原理125
6.2.2直接膨胀式太阳能热泵联合干燥系统125
6.2.3间接膨胀式太阳能热泵干燥系统129
6.2.4太阳能热泵干燥技术的应用及展望131
6.3其他及多源耦合干燥技术133
6.3.1地源热泵干燥技术133
6.3.2太阳能辅助干燥化学热泵系统134
6.3.3二次回热式空气源热泵与太阳能联合干燥系统134
6.3.4太阳能水源热泵组合干燥136
6.3.5远红外辅助热泵干燥137
6.3.6化学能热泵干燥技术138
参考文献141

第7章热泵干燥系统的控制技术/143
7.1热泵干燥的控制系统及其组成143
7.1.1热泵干燥过程的控制系统简介143
7.1.2热泵干燥过程的控制系统组成144
7.1.3典型的热泵干燥PLC控制逻辑145
7.2热泵干燥系统控制技术的背景技术介绍147
7.2.1数据采集与监控系统147
7.2.2可编程逻辑控制器技术147
7.2.3单片机148
7.2.4虚拟仪器技术149
7.2.5工业组态技术149
7.2.6区块链技术149
7.3热泵干燥的控制策略与理论151
7.3.1热泵干燥过程的控制要求151
7.3.2热泵干燥的控制策略151
7.3.3热泵干燥控制理论154
7.3.4热泵干燥控制系统的硬件电路设计156
7.3.5热泵干燥控制系统的软件设计156
7.3.6基于虚拟仪器技术的热泵干燥系统设计157
7.4通信及网络技术158
7.4.1物联网、大数据和云计算简介158
7.4.2农业物联网160
7.4.3云计算在农业上的实际应用161
7.4.4农业大数据162
7.4.5建立农业大数据标准体系163
7.5烤烟自动控制系统164
7.5.1半开式热泵烤烟控制系统164
7.5.2基于视频模式及专家系统的适应性烤房工艺控制技术169
7.5.3基于云计算的自动烤烟控制服务体系及其延伸应用179
参考文献179

第8章典型的农林产品热泵干燥/182
8.1烤烟热泵干燥工艺及装备182
8.1.1设计原则184
8.1.2烟叶烘烤过程中的失水规律184
8.1.3半开式热泵烤烟系统的工作原理185
8.1.4热泵烤烟系统主要设备的选型计算186
8.1.5热泵干燥系统的性能测试结果190
8.1.6干燥产品品质分析194
8.1.7能耗分析195
8.1.8污染物排放分析197
8.1.9技术应用200
8.2木材热泵干燥工艺及装备202
8.2.1两级压缩高温热泵干燥装置及试验分析203
8.2.2空气级间耦合的低温与干燥复合的热泵干燥装置207
8.2.3刺猬紫檀材热泵干燥特性及工艺研究220
8.3玉米热泵干燥工艺及装备226
8.3.1热管联合多级串联热泵玉米干燥系统设计227
8.3.2热管联合多级串联热泵玉米干燥系统运行测试232
8.3.3热管系统运行工况233
8.3.4各级热泵机组运行工况233
8.3.5玉米热泵干燥经济性分析234
8.4香菇热泵干燥工艺及装备236
8.4.1小型半开式香菇热泵干燥系统及实验研究236
8.4.2大型热泵-电加热联合互补香菇干燥工艺及设备241
8.4.3热泵技术在食用菌干燥中的应用前景与发展趋势246
8.5挂面热泵干燥工艺及实例247
8.5.1热泵系统设计248
8.5.2烘房内的温湿度分布248
8.5.3热泵机组的蒸发冷凝温度变化250
8.5.4热泵系统的制热COP变化250
8.5.5热泵机组的出回水温度变化250
8.5.6热泵设备的性能分析252
8.6骏枣热泵干燥工艺及实例253
8.6.1热泵干燥系统253
8.6.2干燥室的温度分布和精确性254
8.6.3主机室的温度255
8.6.4系统的能耗256
8.6.5经济性分析256
8.6.6系统的性能分析257
8.7枸杞热泵干燥工艺及装备259
8.7.1热泵干燥系统设计260
8.7.2干燥室干燥工况261
8.7.3系统耗电情况263
8.7.4压缩机运行工况263
8.7.5枸杞干燥动力学及品质分析264
8.7.6热泵烘房能耗分析265
参考文献266

第9章污泥热泵干燥资源化技术/268
9.1污泥268
9.1.1污泥的分类269
9.1.2污泥的特性270
9.1.3污泥处理的一般原则273
9.2污泥干化技术274
9.2.1污泥干化技术的分类274
9.2.2污泥干燥的机理276
9.2.3污泥干燥过程的形貌变化276
9.2.4污泥干燥动力学278
9.3污泥热泵干燥技术281
9.3.1污泥热泵干化技术281
9.3.2带回热的污泥热泵干化技术283
9.3.3污泥太阳能干化技术284
9.3.4污泥太阳能热泵干化技术286
9.3.5MVR热泵污泥干化技术289
9.3.6污泥微波干燥技术290
9.3.7污泥低温真空脱水干化技术291
9.3.8污泥低温射流干化技术291
9.4污泥太阳能热泵干化技术与应用291
9.4.1温室太阳能热泵污泥干化系统291
9.4.2温室太阳能热泵污泥干化实验探究294
9.4.3温室太阳能热泵污泥干化系统案例300
9.5热泵低温带式污泥干化技术与应用301
9.5.1用于污泥热泵干化的带式干燥机热力分析301
9.5.2湖南长沙某污水处理厂污泥热泵低温带式污泥干化305
9.5.3佛山某污泥处置中心污泥热泵低温带式污泥干化305
参考文献307

第10章热泵干燥技术在工农业生产中的应用/310
10.1热泵干燥技术在造纸行业的应用310
10.1.1纸机干燥部的工作原理310
10.1.2纸机干燥部热泵供汽系统分类311
10.1.3纸机干燥部热泵供汽系统应用装备313
10.2热泵干燥在褐煤发电系统中的应用314
10.2.1吸收式热泵的褐煤预干燥发电供热水回收系统314
10.2.2集成热泵干燥的褐煤发电系统316
10.2.3热泵干燥技术在褐煤发电系统中的展望317
10.3热泵干燥技术在纺织行业的应用317
10.3.1纺织热泵干燥技术317
10.3.2热泵干衣机318
10.3.3热泵干燥技术在腈纶生产中的应用319
10.3.4热泵干燥技术在纺织行业的展望320
10.4热泵系统在制碱、制盐行业的应用321
10.4.1热泵在制碱行业的应用321
10.4.2热泵在制盐行业的应用322
10.5热泵干燥技术在食品工业中的应用324
10.5.1带鱼热泵干燥及装备324
10.5.2热泵-热风联合的鱿鱼干燥工艺及装备328
10.5.3热泵干燥技术在食品工业中的展望331
10.6二氧化碳热泵干燥系统及应用332
10.6.1CO2热泵干燥系统原理333
10.6.2CO2热泵干燥系统性能分析333
10.6.3多级旁通与多级除湿的CO2跨临界联合热泵干燥系统335
参考文献339