引言干燥工艺作为耗能较大的产业，国家约10%~20%的燃料用于干燥技术[1]。我国干燥技术研究较晚，20世纪80年代开始对木材应用干燥技术。近年来，热泵干燥技术广泛应用于农副产品干燥领域，如谷物、水产品、蔬菜、枸杞、菇类、柠檬、花卉和中药等[2]。随着社会的多元化发展，热泵干燥技术将在其他领域得到更多应用。文章就热泵干燥技术的研究进展进行分析，提出存在的问题，并对未来发展趋势进行展望。1热泵干燥技术的原理和特点热泵干燥系统包括干燥室、热泵系统和供气系统，干燥室用于烘干物料，热泵系统包括蒸发器、压缩机、膨胀阀和冷凝器等，供气系统则包括风机和管道等[3]。常用单位能耗除湿量(SMER)和热泵干燥系统的性能系数(COPws)，综合评价热泵干燥装置的性能[4]。单位能耗除湿量定义为：SMER=MdWs (1)式(1)中：Md——水分蒸发量，kg；Ws——输入的电能，kWh。热泵干燥系统的性能系数(COPws)根据式(2)计算：COPws=1+SMER×htg (2)式(2)中：SMER——单位能耗除湿量，kg/kWh；htg——水的蒸发潜热，水在100 ℃时的蒸发潜热为2 255 kJ/kg或1.596 kg/kWh[5]。热泵干燥技术高效节能，被广泛应用，与其他技术相比优势很大，不同干燥技术的特点比较如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.023.T001表1不同干燥技术的特点比较项目热风干燥微波干燥真空干燥热泵干燥能源利用使用煤、石油、天然气等，能耗高利用微波转化为热能使用热能，耗能大使用电能，节约能源热效率低高高非常高对环境影响有废气产生较小影响小零排放，无污染物料品质降低保持品质产品品质高保证品质管理维护自动化水平较差较差较差实时控制，方便维护经济性成本低较高干燥成本较高耗电量小，运行成本低干燥时间较长较短较短较短2热泵干燥技术的研究现状针对热泵干燥技术，国内外专家学者进行了大量研究，主要的研究成果和方向集中在制冷剂工质、设备匹配、热泵辅助热源、能耗和能量、干燥工艺等方面。在制冷剂工质方面，Kim[6]等采用混合工质对热泵系统的容量控制进行实验，通过控制混合制冷剂R32/134a的组成，可以调整系统的容量以满足负荷要求。德国研究人员在热泵干燥试验中采用环保工质CO2，发现消耗的能源和使用其他工质的热泵系统基本一致[7]。Comakli[8]等通过研究发现，在使用R22的热泵系统中，选用50%的R22-R404A混合气体,可使热泵性能达到最佳。Singh[9]等采用全球变暖潜能值(GWP)较低的制冷剂(R290、R600a、R32、R152a和R1234yf)替代R134a，对间歇式开式循环热泵干燥系统进行模拟研究。所考虑制冷剂的特性如表2所示。研究表明，制冷剂R32的单位能耗除湿量(SMER)最大，R152a的总干燥时间最小。因此，在所研究的制冷剂中，R152a和R32具有更好的性能。但是，从环境安全(低GWP)和人身安全(低可燃性)方面考虑，R152a可能更适合热泵干燥系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.023.T002表2制冷剂的特性[9]制冷剂沸点/℃临界点/℃ODPGWP可燃性R134a-26.07101.0601 300不可燃R290-42.196.70020高R600a-11.6134.60020高R152a-24.1113.300140低R32-51.778.100650中等R1234yf-29.599.7004中等注：ODP——臭氧消耗潜能；GWP——全球变暖潜能值。在设备匹配方面，Chua[10]等对两级蒸发器热泵干燥系统的性能进行了实验研究。根据蒸发器回收的热量、系统COP和SMER评估系统性能，结果表明，与只有1个蒸发器的热泵干燥循环相比，两级蒸发器热泵干燥循环可回收高达35%的热量。Baines[11]等采用数值模拟的方法，对封闭式朗肯循环对流式热泵干燥机进行研究，根据干燥机的特点，使风扇和热交换器相匹配，如果匹配不当会严重浪费能源。在热泵辅助热源方面，Aktas[12]研发了热泵和太阳能干燥器，同时对苹果进行干燥实验，对这2种体系应用半理论模型，采用静态程序分析含水率。比较经验值后，发现在热泵干燥器干燥之前，使用太阳能加热器干燥，可缩短热泵干燥器的工作周期，保证干燥过程中能源的经济利用。Qiu[13]等研究了一种太阳能热泵热回收与再生干燥系统，比较不同经济变量对回收期的影响，发现蒸发器和冷凝器集成于干燥室中，并在系统中设置蓄水箱，可有效回收热量，大幅提高太阳能利用率。在能耗和能量方面，Slim[14]等对太阳能热泵辅助的温室污泥干燥系统性能进行评价，分析气候条件对热泵运行工况和性能的影响，在能耗方面实现年度经济优化。Ceylan[15]等设计并试验了1台用于杨木、松木干燥的热泵干燥样机，对木材干燥过程进行热力学分析。其结果表明，环境相对湿度和温度是影响再循环空气比(RAR)的重要因素，能量损失随RAR的增大而减小。Aktas[16]等以能量分析为重点，研究新型圆柱形干燥室在低温干燥条件下，对薄荷叶的干燥特性。干燥室为3个不锈钢圆筒，呈圆形嵌套形式，被干燥产品获得均匀气流。从外部多孔板渗透到中心筒体，得到均匀的干燥产物，同时可防止将重量轻的样品(如薄荷叶等)散布到干燥系统上。在干燥工艺方面，陈东[17]等通过热泵式流化床干燥装置与传统装置，进行成本分析,发现采用热泵流化床干燥装置时，运行费用成倍低于普通干燥系统。运行费用仅为传统装置的一半。蒋思杰[18]等对香蕉片进行干燥，主要研究切片厚度、铺料密度和干燥温度等影响因素，通过计算得出最佳组合参数。张波[19]等对无核厚皮葡萄在正常状态和半切条件下进行研究，结果发现，半切厚皮葡萄干燥样品的品质要优于正常厚皮葡萄干燥样品。赵海波[20]等采用干燥空气传热与传质模型和种子传热、传质模型，组成白菜种子热泵干燥模型，发现对于多层种子，顶层种子干燥更快，平行和垂直(由顶层到底层)于空气流动方向上，种子在不同位置的含水率都逐渐增大，温度都逐渐减小。3热泵与其他热源联合干燥太阳能-热泵联合系统在白天日照充足时，主要供热源是太阳能热源，在晚上或阴雨天气时则用热泵单独供热，既充分利用太阳能的能量，又可以用热泵运行。张璧光[21]等对木材采用太阳能-热泵联合干燥的方式进行研究，结果发现，与热风干燥相比，节能率在70%左右。与太阳能干燥相比，干燥时间缩短了20%左右。热泵-热风联合干燥，在干燥前期采用热泵技术，到后期换成热风技术，可大量减少干燥时间。在干燥前期，因物料处于温湿环境中，需要用低温干燥方式，而到后期，为了使热量由物料外部进入内部，需要提高干燥温度。2种干燥方式的结合使用，不仅节省了时间，还提高了干燥效率。刘珊珊[22]等采用热泵-热风联合干燥的方法对红薯叶进行研究，结果表明，热泵温度45 ℃、热泵风速1.0 m/s、热风温度60 ℃，获得的红薯叶干制品色泽、感官等指标较好，综合评分最高。热泵-微波联合干燥，可以在不同的干燥段选择性加热，不仅加快了干燥进程，还提高了产品的品质。热泵单独干燥时，效率前期高后期低，微波单独干燥时，速度快，但温度难以控制，造成干燥不均匀的现象，进而降低。因此将两者的优势结合起来，能显著降低干燥过程的能耗和时间，提高干制品品质。宋杨[23]等对海参采用热泵-微波联合干燥的方式进行研究，发现与单纯热泵干燥比较，干燥时间缩短50%以上，产品复水率有较大提高。4烘房结构优化研究在烘干过程中，热泵机组的能耗和物料烘干质量，直接取决于热泵烘干房内的气流组织分布是否合理[24]。气流分布越均匀，物料烘干质量越好，系统能耗越低。霍二光[25]等对菊花烘房的导流板角度、长度和入口风速进行结构优化，结果发现，当上、中、下导流板的角度分别为60˚、30˚、15˚，长度分别为280 mm、400 mm、400 mm，入口风速为2.5 m/s时，烘干室气流组织分布的均匀性达到最佳效果。李若兰[26]等对枸杞烘房的物料托盘间距、倾斜角度和进风口位置进行研究，结果表明，沿烘房长度方向侧面进风，当物料托盘间距100 mm、物料托盘倾斜5°时，气流组织分布可达到最佳效果。5存在问题及发展趋势展望热泵干燥技术高效节能，对环境无污染，发展潜力巨大。我国能源紧缺，将热泵干燥技术用于工农业生产可减少大量能源消耗，但现阶段仍然存在一些不足，未来可着重在以下几个方面进行研究：(1)新型环保制冷工质。在较高冷凝温度下制冷剂需要保持冷凝压力较低的状态，同时要有较高的化学稳定性、热稳定性和单位容积制冷量，才能在工作温度和排气压力高的条件下更好地维持运转。(2)联合干燥的模式。联合干燥模式可以降低干燥时间，加快干燥速度。将热泵和其他干燥方法结合，可以打破热泵工作温度受限和对流干燥不足的局面，更好地干燥各种物料。联合干燥将是今后研究的热点。(3)合理匹配热泵系统和烘房。热泵系统和烘房匹配合理，能够提高物料的干燥效率，因此，不断优化烘房内部结构，提高烘房内部气流组织的均匀性，是今后研究的一个重要方向。(4)提高干燥温度。当干燥温度过低时，会延长物料升温时间，进而降低干燥速率，最终导致干燥时间增加。到干燥后期，只剩下物料内部的结合水。由于水分子活化能较低，需要更高的干燥温度才能除去这部分水，可以考虑用高温热泵来加热物料。