引言干燥是一种传质和传热过程，与机械除湿方法、物理除湿方法相比较，干燥除湿过程中水分去除较为彻底，可从物料内部至表面去除，且水分发生变化，耗能较大，费用较高[1-3]。热泵干燥技术因具有高效节能、热效率利用高、除湿速度快，且能够较好地保持物料品质等特点[4]，广泛应用于食品、制药、化工等多领域。热泵干燥过程属于制冷循环过程，循环工质的选择对热泵干燥系统性能具有较大影响，国内已有诸多学者对制冷系统循环工质进行对比分析。谷波[5]等将R134a、R410a和R407c应用于空调系统，对性能与费用方面进行对比分析，发现R410a可作为R22的一种较佳替代工质。桂秋静[6]等将R22、R134a、R407C和R417a等4种工质应用于热泵热水器进行对比研究，发现R134a和R417a颇具推广价值。张太康[7]等试验对比研究以R134a、R417a和R22为工质的空气源热泵热水器在各种典型工况下的参数变化，得到不同工况下各特性参数的变化规律。对于空调系统、热泵热水器工质选用方面，学者进行很多性能对比分析及试验，但对热泵干燥系统所选用工质方面研究相对较少。为研究适用于闭式热泵干燥系统的工质，分别以R22、R134a、R410a和R407c作为系统循环工质进行理论对比分析，选出这4种工质中相对最能适用于该系统的工质，为后续热泵干燥系统研究提供参考。14种工质的性质R134a是CFC-12的主要替代工质之一，化学稳定性好，溶水性高，目前在热泵系统及冷水机中应用较多；R410a是一种新型环保制冷剂，化学性质稳定、无毒、性能优越，可作为制冷剂使用，但其使用压力较高，对设备的耐压具有较高要求。R134a、R410a和R407c这3种制冷剂中，R410a是由R32和HR125组成的非共沸制冷剂，R407c是由R32、R125和R134a组成的三元非共沸混合制冷剂，他们的基本物性参数如表1所示[5]。由表1可知，4种工质的蒸发压力特性各不相同，R134a的蒸发压力最低，其蒸发压力比R22低39%左右，R407c的蒸发压力比R22高10%，R410a则比R22高出60%。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.T001表14种制冷剂基本物性参数参数R22R134aR410aR407c标准沸点/℃-40.840-26.200-52.700-43.600临界温度/℃96.130101.10072.50087.300临界压力/MPa4.9864.0604.9494.819临界密度524.000515.000500.000515.780分子量86.480102.00072.56086.200ODP0.0500002闭式热泵干燥系统原理采用的闭式干燥系统带有辅助冷凝器，主要包括制冷循环系统和空气处理干燥循环系统，工作原理如图1所示[8]。由图1可知，制冷循环系统主要由压缩机、冷凝器（包括辅助冷凝器与主冷凝器）、节流阀、蒸发器等组成，如系统的1-2-3-4-1过程。系统干燥原理为湿空气从干燥室出来，进入蒸发器一侧，同时蒸发器另一侧低温低压液态制冷剂吸收热量逐步降低温度，当湿空气温度降到低于露点温度，凝结成液态水被除湿，得到较为干燥的湿空气。同时，蒸发器的液态工质吸热气化，进入压缩机压缩，压力升高后进入辅助冷凝器及冷凝器进行放热冷凝，此时辅助冷凝器中热量可用于干燥物料的预热，冷凝器放出的热量能够加热含湿量较小的湿空气。冷凝器中的工质放热后冷凝成液态的工质，经节流阀节流降压后进入蒸发器，工质经过循环完成制冷循环过程，此循环中工质状态变化如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F001图1闭式热泵干燥系统的工作原理10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F002图2制冷循环过程压焓变化空气处理干燥循环系统由干燥室、除湿器（蒸发器）、加热器（冷凝器）、湿气旁通阀以及循环风管等组成，其循环过程如图1中5-6-7-8-5。湿空气在连通的循环系统中流动，从干燥室出来的热湿空气一部分进入蒸发器降温，产生凝结水而被除去部分水分子，另一部分未处理通过旁通阀与降温后的空气混合，进入冷凝器被加热，加热后的空气相对湿度减小，进入干燥室内加热物料，进行传热传湿过程，从而使物料逐步得到干燥。此时热空气的温度降低、含湿量增加。由此完成空气处理干燥循环过程，空气干燥处理过程的状态变化如图3所示。在系统密闭性能比较好的情况下，空气循环系统中空气的循环流量不变，因此热量损失较少，从而节约能源；同时除湿过程不受外界影响，保证除湿效率[9]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F003图3空气处理干燥过程状态变化3理论分析通过采用除湿能耗量(SMER)及热泵性能系数(COP)共2个性能指标，分析热泵干燥系统的变化规律。在给定工况下，SMER可表示为：SMER≈d7-d8h7-h8 (1)COP为热泵循环输出的热量/压缩机消耗的总电能。旁通率为热空气通过蒸发器在总循环空气中的比例[1]。以R22、R134a、R410a和R407c作为闭式热泵干燥系统循环工质，采用EES软件分析该系统在冷凝温度、蒸发温度、旁通率、干燥室空气入口温度、过冷度、过热度、干燥室空气入口相对湿度等参数影响下的性能变化规律。3.1冷凝温度影响分析农作物干燥通常采用干燥系统，干燥温度一般不宜超过55 ℃[10]。当除湿器蒸发温度为0 ℃，旁通率为0.6，进入干燥室的入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，4种工质的SMER、COP与冷凝温度的关系如图4和图5所示。由图4和图5可知，加热器内冷凝温度在计算温度范围内时，4种工质的SMER、COP均随冷凝温度的升高呈非线性减小；在这4种工质中，工质R22的SMER、COP最大，工质R407c的SMER、COP最小。在冷凝温度小于60 ℃时，工质R410a的SMER比工质R134a大；冷凝温度超过60 ℃，工质R410a的SMER比工质R134a小；工质R134a的COP大于工质R410a。随着冷凝温度的升高，SMER减小程度加快，其中工质R410a减小的速率最快，工质R22减小的速率最缓慢，工质R134a与工质R407c减小的速率相当；随冷凝温度越高，COP减小速率越缓慢，其中工质R410a减小的速率最快，工质R22、工质R134a与工质R407c减小的速率相当，且工质R134a的COP接近工质R22。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F004图4SMER与冷凝温度的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F005图5COP与冷凝温度的关系3.2蒸发温度影响分析冷凝温度为55 ℃时，旁通率为0.6，加热空气与冷凝温度差为5 ℃，入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，计算分析，4种工质的SMER、COP与蒸发温度的关系如图6和图7所示。由图6和图7可知，在计算蒸发温度范围内，4种工质的SMER、COP随蒸发温度的升高基本均呈线性增大。在这4种工质中，工质R22的SMER、COP最大，工质R407c的SMER、COP最小；在蒸发温度小于3 ℃范围内，工质R410a的SMER比工质R134a大；工质R134a的COP大于工质R410a；工质R134a的SMER与蒸发温度关系曲线斜率比其他3种工质的均大，其他3种工质的SMER与蒸发温度关系曲线斜率基本相同，说明采用工质R134a，热泵干燥系统的SMER受蒸发温度影响较大；4种工质的COP与蒸发温度关系曲线斜率均基本相同，但工质R134a的COP最接近工质R22。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F006图6SMER与蒸发温度的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F007图7COP与蒸发温度的关系3.3旁通率影响分析蒸发温度为0 ℃，冷凝温度55 ℃，加热空气与冷凝温度差为5 ℃，入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，计算分析，4种工质的SMER与旁通率的关系计算结果如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F008图8SMER与旁通率的关系由图8可知，4种工质的SMER均随空气旁通率的增大出现先增大后减小的趋势，此时SMER存在最大值，4种工质均存在最佳的旁通率，大小基本相同。4种工质在最佳旁通率状态下的SMER值大小关系为：R22R134aR410aR407c，在最佳旁通率的情况下，工质R134a的SMER值最接近工质R22。3.4入口空气温度影响分析蒸发温度为0 ℃，冷凝温度55 ℃，入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，计算分析，4种工质的SMER与干燥室入口空气温度的关系如图9所示。由图9可知，在给定的入口空气湿度与设计的热泵参数下，4种工质的SMER随着干燥室入口空气温度的升高均呈线性增大，工质R22的斜率最大，工质R410a的斜率略大于其他2种工质。说明系统采用工质R134a和工质R407c时，系统的SMER性能系数受入口空气温度影响较小；相同入口空气温度下，4种工质的SMER大小关系为：R22R410aR134aR407c。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F009图9SMER与入口空气温度的关系3.5入口空气相对湿度影响分析蒸发温度为0 ℃，冷凝温度55 ℃，加热空气与冷凝温度差为5 ℃，旁通率为0.6，干燥室内压力为0.15 MPa，计算分析，4种工质的SMER与干燥室入口空气相对湿度的关系如图10所示。由图10可知，在给定的入口空气温度与设计的热泵参数下，4种工质的SMER随着干燥室入口空气湿度的升高均呈线性增大，工质R22的斜率最大，工质R410a的斜率略大于其他2种工质。说明系统采用工质R134a和工质R407c时，系统的SMER性能系数受入口空气相对湿度影响较小；相同入口空气相对湿度下，4种工质的SMER大小关系为：R22R410aR134aR407c。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F010图10SMER与入口空气相对湿度的关系3.6过冷度影响分析蒸发温度为0 ℃，冷凝温度55 ℃，加热后空气温度为50 ℃，旁通率为0.6，入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，计算分析，4种工质的SMER、COP与过冷度的关系如图11和图12所示。由图11和图12可知，随着过冷度的增大，4种工质的SMER呈非线性增大，且过冷度越大其变化率越缓慢，说明工质过冷度超过一定值时，系统的SMER性能系数影响较小；随着过冷度的增大，4种工质的COP呈线性增大。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F011图11SMER与过冷度的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F012图12COP与过冷度的关系相同过冷度下，4种工质的SMER大小关系为：R22R410aR134aR407c；4种工质的COP大小关系为：R22R134aR410aR407c。过冷度越大，工质R134a的COP越来越接近工质R22。在满足热泵干燥系统其他设计参数情况下，应适度提高4种工质的过冷度。3.7过热度影响分析蒸发温度为0 ℃，冷凝温度55 ℃，加热空气与冷凝温度差为5 ℃，旁通率为0.6，入口空气相对湿度为20%，干燥室内压力为0.15 MPa，4种工质的SMER、COP与过热度的关系如图13和图14所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F013图13SMER与过热度的关系10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.010.F014图14COP与过热度的关系由图13和图14可知，随着过热度的增大，4种工质的SMER呈线性增大，但COP基本保持不变。相同过热度下，4种工质的SMER大小关系为：R22R410aR134aR407c；COP大小关系为：R22R134aR410aR407c。工质R134a的COP与工质R22相差不大，且过热度越大，工质R134a的COP越接近工质R22。为使系统处于性能较高的运行状态，在满足热泵干燥系统其他设计参数的同时，应适度提高4种工质的过热度。4结语对带辅助冷凝器的闭式热泵干燥系统分别以R22、R134a、R410a和R407c为制冷工质进行干燥循环分析，在各个参数影响情况下进行理论分析和计算，结果表明：4种工质的SMER大小关系为：R22R410aR134aR407c；COP大小关系为：R22R134aR410aR407c。理论上，4种工质中，该系统的最佳使用的工质为R22。尽管工质R410a的SMER比工质R134a稍大，但工质R134a的COP比工质R410a大很多，工质R134a的COP与工质R22很接近，因工质R22对环境具有一定影响，目前处于淘汰并禁用状态，工质R134a为最佳替代物用于该热泵干燥系统。尽管工质R134a的COP大，且与工质R22很接近，但工质R134a的SMER比工质R22小很多，因此应为该系统探索寻求一种在SMER与COP方面更接近工质R22的替代工质。