干燥操作是能耗很大的过程单元，而需要干燥的物料总量和种类又非常多。我国传统的干燥作业以燃煤为主要供能方式，能耗高、污染大、用工多；而热泵除湿干燥技术可以回收干燥废热，与燃煤比较能耗可以降低40%～70%，碳排放强度降低40%～70%，PM2.5和PM10等颗粒污染物可以降低90%以上，节能减排效果显著。因此开发和推广热泵除湿干燥技术，对于将我国可持续发展具有积极的意义。

　　干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分(大多数情况下是水)，而获得一定湿含量固体产品的过程。物料干燥作业涉及到60%的加工部门，干燥能耗占发达国家工业总能耗的12%；随着我国工业进程的发展，干燥作业使用越来越广泛，能耗也越来越多，干燥作业的能耗也已经占到我国国民经济总能耗的10%以上，节能潜力十分深远。

　　我国的传统干燥技术是以燃煤热风干燥为主，规模小，集约化程度低，导致能源利用率低，并且由于缺少脱硫除尘等后处理系统，污染排放非常大，直接导致了干燥工厂附近及农业收获季节环境的PM2.5和PM10大幅度波动上升。持续增长的干燥作业的能源需求和能源

　　的清洁高效利用要求对物料干燥技术的发展提出了重大挑战。

　　热泵系统优势鲜明

　　热泵系统在节能方面具有鲜明的特点，一方面可以回收干燥过程排放湿热废气的能量，再用于干燥作业；另一方面，可以吸收周围环境如空气、水、土壤中的能量，增焓升温后用于物料干燥；与燃煤干燥相比，节能效果显著：它与燃煤或蒸汽干燥相比，节能率为40%～70%，其中单热源除湿机约40%，双热源约70%。干燥质量好：例如用于木材干燥时一般不会发生变形、开裂、表面硬化、颜色变暗等干燥缺陷。环保效果好：以电为能源不直接污染环境，无火灾隐患。减工降本：可不设锅炉，自动化程度高，易于操作管理。由于热泵干燥技术的这些显著优势，使得热泵干燥技术在许多领域都获得了越来越多的应用。

　　除湿干燥技术分类

　　一般情况下，热泵可用于大多数的干燥过程，即组成热泵干燥装置。由于干燥器类型的多样性，就决定了热泵干燥装置的多种类型。常见的热泵干燥装置可以可进行简单的分类。

　　按干燥器类型分类

　　按干燥器的操作方式可分为间歇式和连续式热泵干燥装置。按干燥器的传热方式可分为传导式和对流式热泵干燥装置等。

　　按热泵工质与物料的接触方式分类

　　按热泵工质与被干燥物料的接触方式可分为直接式和间接式热泵干燥装置两种。直接式热泵工质与被干燥物料直接接触，即热泵的工质又是干燥介质。间接式热泵系统将干燥介质(如空气、氮气、二氧化碳气等)加热，使干燥介质与被干燥物料接触，这种热泵干燥装置目前用得较多。

　　按干燥介质的循环情况分类

　　按干燥介质的循环情况可分为开路式、闭路式和部分废气循环式三种。开路式干燥介质离开干燥室进入热泵的蒸发器与热泵工质换热后直接排空。闭路式干燥介质在干燥器内全部循环使用。部分废气循环式干燥器排出废气的一部分进入热泵蒸发器后排空，另一部分与新鲜空气一起进入热泵冷凝器被加热后进入干燥器内循环使用。

　　按工作循环和功能的分类

　　除湿机按工作循环和功能的不同可分为单热源与双热源两大类。

　　单热源除湿机，它只能回收干燥室湿空气脱湿时放出的热量，难以实现干燥室升温，当干燥室需要供热升温而不必除湿时，如果没有蒸汽或其它辅助热源，一般需要启动辅助电加热器，故电耗较高。

　　多热源除湿机又称为热泵除湿干燥机，它与单热源的主要区别在于它具有除湿和热泵两个工作循环，有多个蒸发器（除湿蒸发器和多个热泵蒸发器），两个或多个热源（干燥室湿空气和大气环境、水源、地源、太阳能等），并具有使干燥室除湿和升温两种功能。温度T0和供热温度T1,T0越高供热越多，（T1～T0）越小压缩机能耗越低。

　　按制冷循环级数分类

　　可以分为单级压缩干燥除湿热泵系统和多级，在多级压缩干燥除湿热泵系统中，又有单一工质多级系统，和多工质的复叠式系统。此外，除湿机按最高供风温度的高低分为低温（小于40℃左右）、中温（50℃～70℃）和高温（≥70℃）型，这主要与所用的制冷工质和所选用的压缩机等部件有关。目前我国生产的除湿机大部分为中温型，少数厂家生产高温除湿机。

　　产业化成果累累

　　近几年国内热泵的发展速度和应用领域日趋广泛。目前，热泵干燥技术已广泛应用于木材干燥、食品加工、果品蔬菜脱水、陶瓷烘焙、药物及生物制品的灭菌和干燥、污泥干化处理处置、化工原料和肥料干燥、建筑水泥块等许多领域。早期开展热泵干燥技术研究的单位主要是西安交通大学、北京林业大学、浙江大学、天津大学等，近几年则以中国科学院理化技术研究所和广东农业机械研究所为代表。这两个研究单位研究和产业化的工作走在国内热泵研究单位的前列。其中，广州农机所以南方的稻谷、鱼类水产干燥为主，自己建有热泵干燥装备工厂。

　　中国科学院理化技术研究所在污泥、食用菌、木材、枸杞、葡萄、小白杏等果蔬,中药、烟叶、陶器、食盐等更多干燥领域开展研究，其中在烟叶热泵干燥装备的研究和生产方面，处于国内领先的地位。2013年建立的烟叶干燥基地有三处，每次可装烟280000kg，成为我国最大的热泵节能烤烟示范基地，并在2013年8月得到国家烟草局的好评；2014年热泵干燥装置研制总量可达1000台左右。

　　在环保方面，根据在河南烟草四年来的热泵烤烟情况，按照实际运行6.7万台烟叶密集烤房计算得到表1。由表1数据可以看出，使用热泵干燥的环保优势极为显著。

　　热泵系统挑战仍存

　　热泵干燥技术干燥质量好，节能减排效果明显，但也有自己的不足,如投资高、高温工况下的可靠性、大温差变工况下的效率、不同物料干燥时的工艺控制等问题，对热泵技术研究者提出了挑战。我们认为热泵干燥技术未来的发展主要有以下几个可能的发展方向：

　　一是提高高温工况下的设备运行的可靠性。通过纳米技术的应用开发新的油品，提高润滑油与工质的互溶性，改善润滑条件，提高系统尤其是压缩机的可靠性；基于热力学的理论，针对高温工况和大温差高压比干燥工况的需求，开发干燥技术所需的高温压缩机。这方面中国科学院理化技术研究所与美国艾默生优化环境公司已经进行了四年的合作，成功开发并验证了一个系列的高温干燥专用压缩机；基于新型的传感技术和高温压缩的特性，开展新的算法研究，开发高温压缩机安全保护系统，维持高温压缩机的安全运行。

　　二是大温差变工况下的高效系统。以提高热泵系统效率为目标，研究提高和调节热泵效率的方法，主要从系统、换热器、压缩机、电机控制四个方面考虑。在系统方面，首先要考虑工质侧的系统优化，控制合理过热度、过冷度，提高系统效率；另一方面要通过空气循环系统的优化设计，调节蒸发器与冷凝器的风量比例，调控蒸发器的露点温度，尽可能提高蒸发器的蒸发温度，从而提高热泵系统废热效率;在换热器方面，一方面使用纳米润滑技术，降低换热器表面的润滑油油膜降低热阻；另一方面，通过合理的换热面积和换热温差、露点温度控制，提高换热效率。针对压缩机，通过纳米润滑技术的应用，降低压缩机摩擦副的功耗，提高压缩机效率。在电机控制方面，一方面要开发新型稀土电机，提高电机效率；一方面要通过变频或数码控制等算法，提高变工况下热泵的效率。

　　三是精确工艺控制。由于干燥物料种类不同，同一种物料的变异性等原因，不同物料甚至同一种物料的不同部位，都需要不同的干燥工艺曲线。传统的干燥工艺控制，基本是以温、湿度为基础的传统工艺控制。但有很多热敏性物料和易开裂流变的物料，这种控制方式难以满足由同一种物料变异引起的干燥条件变化需求，难以形成统一控制算法，实现干燥过程的完全自动控制。因此，开发基于含水率、应力、颜色等参数为基础的新型热泵干燥工艺和控制算法，是热泵干燥工艺控制未来的发展方向。

　　四是干燥介质与物料直接接触的热泵干燥系统的研究。这方面的研究，主要是基于水蒸汽压缩机的发展，直接压缩干燥室排出的水蒸气或湿空气，升温后在换热器内降温除湿，成为干介质；同时加热流过换热器进入干燥室的干燥介质，实现热泵循环。中国科学院理化技术研究所的热力过程节能技术研究团队在863的支持下，开展了这方面的研究，国外在木材干燥领域也有类似应用。

　　五是自然工质高温热泵技术的发展。目前自然工质高温热泵技术研发的主要热点之一是二氧化碳热泵技术。二氧化碳超临界、跨临界热泵技术在高温工况和变工况下，具有比较高的效率。二氧化碳热泵技术的研究相对较少，需要在压缩机、系统、换热器和控制方面做大量的研究工作。

　　六是多能互补的高温热泵技术的发展。热泵技术有自己的局限性，需要消耗能量，同时难以达到比较高的温度，所以需要采用多能互补的方式，提高热泵干燥技术的实用性，扩大应用范围。其中主要的互补方式有：太阳能热泵干燥技术：主要包括太阳能空气集热、热水集热、相变蓄热与热泵联合干燥技术和基于太阳能直接集热蒸发器的热泵干燥技术两种。

　　作者单位：

　　张振涛杨鲁伟魏娟张冲中国科学院理化技术研究所

　　董艳华中国海洋大学

　　刘杰内蒙古农业大学