太陽(yáng)能與雙熱源熱泵組合干燥落葉松

張 力 胡傳坤 高建民 張璧光

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木材干燥作為木質(zhì)品加工過(guò)程中的耗能大戶，占加工過(guò)程能耗的40%～70%，而且干燥過(guò)程中熱效率普遍偏低，通常僅在60%左右［1］。干燥過(guò)程中的污染問(wèn)題也同樣不容忽視，因此，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新型木材干燥技術(shù)顯得尤為重要。

太陽(yáng)能干燥是一種節(jié)能的干燥技術(shù)，太陽(yáng)能作為一種清潔、可持續(xù)利用能源，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要。我國(guó)太陽(yáng)能總量豐富，但主要應(yīng)用于取暖、發(fā)電、農(nóng)作物干燥方面［2］，用于木材干燥方面不足千分之一。傳統(tǒng)太陽(yáng)能干燥設(shè)備也因其穩(wěn)定性差，前期投資高而很難推廣［3］。

熱泵干燥也是一種節(jié)能干燥技術(shù)，干燥過(guò)程中能夠循環(huán)利用干燥窯中的空氣，不向大氣中排放廢氣，因此也是一種環(huán)保的干燥技術(shù)［4］。太陽(yáng)能與熱泵兩種干燥方式相結(jié)合，能夠提高干燥效益［5-6］，所以太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥的優(yōu)化設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)。

本實(shí)驗(yàn)以北京林業(yè)大學(xué)研制的太陽(yáng)能雙熱源熱泵干燥設(shè)備作為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，得到設(shè)備的性能參數(shù)。再使用設(shè)備對(duì)落葉松進(jìn)行模擬干燥實(shí)驗(yàn)，探討出更加合理高效的太陽(yáng)能熱泵干燥工藝，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能的利用效率。為太陽(yáng)能干燥設(shè)備的推廣普及提供一定的理論借鑒依據(jù)。

1 聯(lián)合干燥裝置系統(tǒng)

1．1 組合干燥系統(tǒng)

太陽(yáng)能及雙熱源熱泵干燥系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)、空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)、水源熱泵干燥系統(tǒng)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)裝置見圖1。

圖1 太陽(yáng)能與雙熱源熱泵組合裝置

太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、散熱風(fēng)機(jī)、管路、水泵、儲(chǔ)熱水箱等組成。集熱器與儲(chǔ)熱水箱相連，當(dāng)集熱器7中水溫高于儲(chǔ)熱水箱5中水溫7℃時(shí)，電池閥6、9打開，同時(shí)水泵打開，進(jìn)行循環(huán)，完成儲(chǔ)熱。

空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等組成，其中蒸發(fā)器包括熱泵蒸發(fā)器28和除濕蒸發(fā)器23，除濕蒸發(fā)器可以利用干燥室中的濕空氣的冷凝過(guò)程，回收熱量同時(shí)排出水分。

水源熱泵干燥子系統(tǒng)由除濕熱泵、儲(chǔ)熱水箱、管路、水泵等組成，儲(chǔ)熱水箱5中的熱水流經(jīng)板式換熱器12，與熱泵制冷工質(zhì)換熱，提高制冷工質(zhì)溫度，提升干燥系統(tǒng)的干燥溫度和性能。

實(shí)際使用中，可以根據(jù)天氣和干燥階段不同，可分別使用不同的干燥模式達(dá)到節(jié)能和提高干燥速率的要求。太陽(yáng)能與雙熱源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的主要設(shè)備的參數(shù)如表1。

表1 組合干燥系統(tǒng)主要部件特征及參數(shù)

1．2 組合干燥系統(tǒng)的運(yùn)行方式

聯(lián)合干燥系統(tǒng)共有3種運(yùn)行模式，太陽(yáng)能干燥模式，水源熱泵干燥模式和空氣源熱泵干燥模式。當(dāng)天氣晴好，水溫高時(shí)，熱水直接通過(guò)窯內(nèi)散熱銅管，進(jìn)行加熱?？諝庠茨Ｊ较?，熱泵直接從空氣中取熱，對(duì)干燥窯加熱。水源模式下，水箱中的熱水通過(guò)換熱器給熱泵提供熱量，熱泵再對(duì)干燥窯進(jìn)行加熱。3種模式在干燥過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)換，適應(yīng)不同的干燥要求。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，熱泵干燥實(shí)驗(yàn)使用空氣源熱泵，組合干燥實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)天氣條件達(dá)到干燥要求時(shí)使用太陽(yáng)能干燥，陰天或陰雨天使用空氣源熱泵或水源熱泵進(jìn)行干燥。

2 干燥系統(tǒng)性能測(cè)試

2．1 太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試

太陽(yáng)能集熱器性能指標(biāo)由集熱器效率ηT和供熱系數(shù)PT來(lái)表示，集熱器效率表示集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的效率，數(shù)值越大表明集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率越高，供熱系數(shù)表示集熱器收集的熱量和消耗電能之比，衡量系統(tǒng)供熱能力，數(shù)值越大表明系統(tǒng)的供熱能力越強(qiáng)。ηT和PT由以下公式計(jì)算:

式中:QT為太陽(yáng)能集熱器實(shí)際獲得的熱量(J);為照射到太能集熱器上的熱值(J);G為集熱器中水的流量(kg/h);Δt為循環(huán)水的升溫(℃);Cp為水的比熱容(J·kg-1·K-1);I為太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度(W·m-2);A為集熱器的集熱面積(m2);W為循環(huán)水泵的能耗(J)。

試驗(yàn)在8月份進(jìn)行，地點(diǎn)為北京林業(yè)大學(xué)木材干燥實(shí)驗(yàn)室，選取晴朗天氣，記錄1 d中各個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、循環(huán)水的流速，儲(chǔ)熱水箱的進(jìn)水溫度和出水溫度，水的比熱容取值為4．2 J·g-1·℃-1。詳情見表2。

表2 太陽(yáng)能集熱器的性能參數(shù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:1 d中不同時(shí)刻，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化，集熱效率和供熱系數(shù)變化很大，由此可知，不同季節(jié)、月份、氣候條件，對(duì)太陽(yáng)能集熱器的集熱效率和供熱系數(shù)均會(huì)產(chǎn)生較大影響，即太陽(yáng)能集熱器的穩(wěn)定性差，對(duì)環(huán)境的依賴性強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)電加熱設(shè)備，太陽(yáng)能集熱器供熱效率高，能耗低，北京地區(qū)8月份天氣情況下，可以保證平均供熱系數(shù)達(dá)到8以上，即可以理解為循環(huán)水泵消耗1 kW電能，為系統(tǒng)提供8 kW的熱能。8月份集熱器平均效率達(dá)到40．2，接近國(guó)際同等集熱器性能［5-6］。

2．2 熱泵供熱系數(shù)測(cè)試

熱泵的性能主要由供熱系數(shù)P衡量，供熱系數(shù)越高，系統(tǒng)性能越好。P由以下公式計(jì)算:

式中:Ma為冷凝器的空氣質(zhì)量流量;Pe為熱泵的干燥系統(tǒng)的電功率;T2、T1為冷凝器的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口溫度;Cpa為空氣的定壓比熱。

在環(huán)境溫度為33℃時(shí)進(jìn)行性能試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3?？芍諝庠礋岜媚芴峁┳罡?5℃的熱風(fēng)，其平均P為2．48，水源熱泵可以提供溫度為67℃的熱風(fēng)，平均P為3．77。供熱系數(shù)隨著送風(fēng)溫度的升高而升高。根據(jù)有關(guān)資料介紹［7］，P＞2就優(yōu)于鍋爐供熱，P＞3時(shí)，就節(jié)約一次能源。這說(shuō)明兩種熱泵系統(tǒng)都有明顯的節(jié)能效果，水源熱泵供熱系數(shù)優(yōu)于空氣源熱泵，故條件允許時(shí)盡量用水源熱泵［8］。

表3 干燥系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 2種干燥方法的比較

3．1 落葉松干燥試驗(yàn)

干燥試驗(yàn)分為2組進(jìn)行，第一組只采用空氣源熱泵干燥，第二組采取組合干燥，干燥前中期采用太陽(yáng)能熱干燥和熱泵干燥相結(jié)合，干燥后期采用水源熱泵干燥。

實(shí)驗(yàn)材料為落葉松生材，初含水率為62%，終含水率為12%，基本密度為0．34 g/cm3，試材尺寸為0．6 m×0．1 m×0．02 m，每組15塊。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京林業(yè)大學(xué)木材干燥實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)結(jié)果表4所示。

表4 空氣源熱泵和水源熱泵干燥工藝

表4中窯溫窯濕和相對(duì)濕度全部取平均值。聯(lián)合干燥1、2 d用太陽(yáng)能干燥，3、4 d使用熱泵干燥，其余全部使用太陽(yáng)能—熱泵進(jìn)行干燥。比較數(shù)據(jù)可以看出:單純用熱泵對(duì)木材進(jìn)行干燥，可以滿足木材干燥工藝的要求［9］，但是太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥，可以達(dá)到更高的窯溫，大大縮短了干燥時(shí)間，提高了干燥效率。聯(lián)合干燥可以克服單一太陽(yáng)能干燥穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。對(duì)于不同的天氣情況合理選擇干燥方式，干燥形式靈活。在節(jié)能的同時(shí)保證干燥工藝。儲(chǔ)熱水箱能夠在短暫陰雨天氣下保證同熱泵的換熱量，維持干燥系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3．2 干燥能耗分析

目前我國(guó)主要是以常規(guī)蒸汽干燥為主，故干燥能耗的經(jīng)濟(jì)分析采取與常規(guī)蒸汽干燥進(jìn)行對(duì)比。

由于兩種干燥形式采取的能源形式不同，為了便于比較，全部再折算為干材的標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

熱泵干燥平均能耗為127 kW·h-1·m-3，聯(lián)合干燥平均能耗為114 kW·h-1·m-3，將兩組干燥方式的耗能折算成的標(biāo)磚煤耗，分別為50．8、45．6 kg/m3，與常規(guī)蒸氣干燥平均153 kg標(biāo)準(zhǔn)煤相比［1］，分別節(jié)能67．8%、70．32%。

雖然熱泵干燥和聯(lián)合干燥能耗方面優(yōu)勢(shì)明顯，但是考慮到其使用電能這種優(yōu)質(zhì)能源，電價(jià)的高低對(duì)于太陽(yáng)能熱泵干燥設(shè)備的推廣和應(yīng)用具有很大影響，故電價(jià)低的地區(qū)可以最大化地發(fā)揮太陽(yáng)能熱泵干燥設(shè)備的能耗優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論與建議

聯(lián)合干燥的干燥方式靈活，有利于節(jié)能和提高干燥速率，熱泵干燥和太陽(yáng)能干燥配合，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，條件允許時(shí)盡量用水源熱泵。

無(wú)論水源熱泵或空氣源熱泵都有明顯的節(jié)能效果，水源熱泵供熱系數(shù)優(yōu)于空氣源熱泵?？諝庠礋岜闷骄嵯禂?shù)P為2．8，水源熱泵供熱系數(shù)P為3．7。

熱泵干燥和聯(lián)合干燥平均能耗分別為木材50．8、45．6 kg/m3標(biāo)準(zhǔn)煤，與常規(guī)蒸汽干燥相比分別節(jié)能67．8%、70．32%，節(jié)能效果明顯。

在太陽(yáng)能資源豐富電價(jià)便宜的地區(qū)，太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)能耗優(yōu)勢(shì)明顯，更適用于推廣應(yīng)用。

［1］張璧光，周永東，李賢軍．淺析熱風(fēng)干燥過(guò)程中的節(jié)能途徑［J］．干燥技術(shù)與設(shè)備，2013，11(4):3-10．

［2］張璧光．太陽(yáng)能—熱泵聯(lián)合干燥木材的實(shí)驗(yàn)研究［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(8):870-873．

［3］王芳．太陽(yáng)能藕合熱泵干燥技術(shù)［J］．無(wú)線互聯(lián)科技，2013，5(5):181．

［4］伊松林，張璧光．太陽(yáng)能及熱泵干燥技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

［5］Kuang Yuhui，Wang Ruzhu．Experimental research of heat supply coefficient of solar energy-heat pump［J］．Solar Energy，2002，23(4):408-413．

［6］羅龍會(huì)，彭金輝，張利波，等．空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)性能研究［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(6):963-967．

［7］張璧光．實(shí)用木材干燥技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［8］張璧光．除濕干燥中臨界除濕狀態(tài)的分析［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(6):181-184．

［9］徐彩霞，張璧光，伊松林，等．太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥木材特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］．干燥技術(shù)與設(shè)備，2008，4(6):184-189．