PCM空氣式太陽能干燥在茶葉加工中的應(yīng)用

朱傳輝 李保國 蘇樹強(qiáng)

1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

2.上海筑能環(huán)境科技有限公司

PCM空氣式太陽能干燥在茶葉加工中的應(yīng)用

朱傳輝1李保國1蘇樹強(qiáng)2

1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院

2.上海筑能環(huán)境科技有限公司

介紹了云南普洱市的某茶業(yè)公司PCM空氣式太陽能-熱泵聯(lián)合干燥房建設(shè)及應(yīng)用實例。普洱茶傳統(tǒng)加工工藝采用燃煤蒸汽鍋爐進(jìn)行茶餅烘干處理，現(xiàn)進(jìn)行技術(shù)改造，采用節(jié)能環(huán)保的PCM空氣式太陽能熱泵干燥系統(tǒng)代替現(xiàn)有的燃煤鍋爐干燥系統(tǒng)。通過PCM空氣式太陽能集熱系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)換熱能，以空氣為換熱介質(zhì)與空氣式太陽能集熱器進(jìn)行換熱，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)直接將熱風(fēng)通入到烘房內(nèi)提供物料干燥熱量需求；當(dāng)太陽能不足時，啟動空氣源熱泵系統(tǒng)。對該工程的設(shè)計方案并及干燥系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，從干燥系統(tǒng)運行過程中采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果表明本干燥系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，這些數(shù)據(jù)對目前高效利用太陽能進(jìn)行商業(yè)干燥設(shè)計參數(shù)的選取，以及太陽能干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要借鑒意義。

太陽能；干燥；蓄熱罐；茶葉

干燥作業(yè)涉及國民經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)域廣泛，其能耗占我國總能耗的約12%[1]。近年來，我國大力研究和推廣新能源及可再生能源干燥，如太陽能、生物質(zhì)能、熱泵以及地?zé)岬雀稍锬茉?，取得了較好的效果。其中太陽能-熱泵聯(lián)合干燥具有突出優(yōu)點，得到研究與應(yīng)用，但太陽能利用的不穩(wěn)定性及間歇性嚴(yán)重制約著其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用[2,3]。本文結(jié)合具體案例介紹引進(jìn)相變蓄能材料后的新型空氣式太陽能集熱器與熱泵聯(lián)合干燥的效果，通過數(shù)據(jù)分析本案例的干燥效果、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，同時也可為同類地區(qū)類似情況的工程設(shè)計提供參考。

1 工程技術(shù)方案及設(shè)計

1.1 工程概況

項目位于云南普洱市工業(yè)園區(qū)，目前普洱茶加工工藝采用燃煤蒸汽鍋爐進(jìn)行茶餅烘干處理，茶餅烘房面積為108 m2（兩個房間，每個房間54m2），每次烘干處理量為6 t（36 h）。擬進(jìn)行技術(shù)改造，采用節(jié)能環(huán)保的“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)代替現(xiàn)有的燃煤鍋爐干燥系統(tǒng)。

普洱市位于云南省西南部，地處北緯22°02′～24°50′東經(jīng)99°09′～102°19′之間，年均氣溫在15.3～20.2℃之間。依據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集06SS128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》，由于沒有收錄普洱市的輻照數(shù)據(jù)資料，我們參考昆明的年輻照量數(shù)據(jù)資料，即年日均太陽能輻照量為15.75 MJ/m2。根據(jù)圖集06SS128《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》太陽能保證率推薦表及系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性等因素綜合考慮，本項目太陽能保證率選取40%。根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)，茶餅干燥參數(shù)如表1。

表1 茶餅干燥參數(shù)

1.2 設(shè)計計算與分析

根據(jù)要求，需提供每天烘干6 t普洱茶茶餅36h的烘干熱量。本工程采用的“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱器，為雙通螺旋真空管，內(nèi)置相變蓄能芯，將收集來的太陽能存儲在相變蓄能芯中，以空氣作為傳熱介質(zhì)，實現(xiàn)了集熱-蓄熱一體化。通過“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)換熱風(fēng)，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)直接傳遞到烘房內(nèi)，供烘干物料用。當(dāng)太陽能不足時，利用空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助能源，保證烘干房物料的持續(xù)干燥[4,5]。

1.3 太陽能干燥系統(tǒng)設(shè)計計算

1.3.1 干燥過程需熱量計算

（1）6 t普洱茶茶餅干燥的排水量WP

（2）干燥的過程中總需熱量Q

烘干房內(nèi)最大干燥量為6 000 kg，取50℃作為典型干燥溫度。經(jīng)查水在50℃時汽化潛熱約為2382 kJ/kg。

在干燥的過程中的熱量共需要3個部分，如下：

式中，Q1為濕物料溫度升溫需要的熱量，MJ；Q2為物料中水分揮發(fā)需要的熱量，MJ；Q3為干燥過程散熱損失，MJ；

（3）濕物料溫度升溫需要的熱量計算

（4）物料中水分揮發(fā)需要的熱量計算

（5）干燥過程散熱損失計算

1.3.2 全熱回收后太陽能系統(tǒng)需提供熱量Q總

經(jīng)查熱回收器回收率約為60%，每個干燥周期為36 h，全天排濕風(fēng)1 h計算，系統(tǒng)循環(huán)一次，60%的熱量會被干燥物料利用，40%的熱量將消耗，此時太陽能集熱系統(tǒng)只需提供總熱量的40%就能保證物料的干燥要求，故經(jīng)新風(fēng)換熱后日均太陽能系統(tǒng)需提供的總熱量為：

1.3.3 太陽能干燥系統(tǒng)集熱面積

1.3.4 太陽能干燥系統(tǒng)集熱器[6,7]臺數(shù)N

1.3.5 輔助能源產(chǎn)熱量計算

根據(jù)環(huán)保部2012年《工商用制冷設(shè)備的環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)對空氣源熱泵熱水機(jī)產(chǎn)品能效要求做出了明確表述：普通型（包括一次加熱式和循環(huán)加熱）性能系數(shù)（COP）都要求達(dá)到4.4，低溫型（包括一次加熱式和循環(huán)加熱）性能系數(shù)（COP）都要求達(dá)到3.7，故選取15 P的空氣源熱泵烘干機(jī)組，其能效比COP可達(dá)3.8。

15 P的空氣源熱泵烘干機(jī)組產(chǎn)熱量：P=36.0kW

空氣源熱泵臺數(shù)計算

根據(jù)計算及干燥需求配置1臺15 P的空氣源熱泵烘干機(jī)組。

1.3.6 集熱器傾角Φ的選擇

根據(jù)GB/T50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，太陽能系統(tǒng)在全年使用時，集熱器的安裝傾角宜與當(dāng)?shù)鼐暥认嗟萚8]，本項目集熱器傾角選取30°。

1.3.7 風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)計計算

每個方陣的風(fēng)機(jī)與風(fēng)管設(shè)計計算：每組集熱器的進(jìn)風(fēng)量設(shè)計為200 m3/h，

則每個方陣中風(fēng)機(jī)風(fēng)量選取:

（1）風(fēng)機(jī)風(fēng)力損失計算

系統(tǒng)中選用最不利環(huán)路的阻力進(jìn)行計算，系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)壓包括集熱器壓力損失和風(fēng)道風(fēng)壓損失。

①集熱器壓力損失

單臺集熱器壓力損失約為200 Pa，5臺并聯(lián)為320 Pa，共3行壓力損失約為380 Pa。

②風(fēng)道風(fēng)壓損失

對一般地通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)管的阻力損失值△p（Pa）可按下式計算：

△p2＝pm×L（1+k）

則整個集熱系統(tǒng)風(fēng)力壓損為：

380+120=500 Pa；

根據(jù)計算風(fēng)機(jī)選取參數(shù)：風(fēng)機(jī)選取參數(shù)：風(fēng)量為3 840 m3/h，風(fēng)壓為1 000 Pa。

1.3.8 風(fēng)管設(shè)計

根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB50019-2003）要求，一般鋼板及非金屬風(fēng)管風(fēng)速規(guī)定：主干管：6～14 m/s，支管：2～8 m/s；根據(jù)假定流速法計算主干管風(fēng)管的管徑：風(fēng)量為：3000 m3/h，假定流速為：10 m/s；風(fēng)管斷面積為：S=流量/速度=3000/3600/10=0.083 m2；根據(jù)風(fēng)管截面積計算及風(fēng)管實際加工制作情況[9]：選取圓形風(fēng)管尺寸為φ=260 mm，風(fēng)管截面積為0.053mm2。

1.3.9 建筑墻體保溫

由于烘干室墻體無保溫結(jié)構(gòu)，從建筑節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性方面考慮，建議對烘房進(jìn)行外墻保溫處理，保溫材料采用夾芯板。

表2為計算結(jié)果匯總。

表2 計算結(jié)果匯總

1.4 主要設(shè)備

PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)主要由“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、鍍鋅風(fēng)管、空氣源熱泵烘干機(jī)組、熱回收器、室內(nèi)干燥系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。在本試點工程中，“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱器、空氣源熱泵烘干機(jī)組采用的是上海筑能環(huán)境科技有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品。

（1）“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱器

該工程采用型號為ZN-30D58-1800“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱器，每臺集熱面積為4m2。根據(jù)計算及太陽能集熱系統(tǒng)管路同程要求，配置15組共3行5列[10]，布置如圖1。

圖1 空氣式太陽能集熱器布置圖

（2）空氣源熱泵烘干機(jī)組

空氣源熱泵烘干機(jī)組的工作原理是利用逆卡諾循環(huán)，制冷劑被壓縮機(jī)加壓，成為高溫高壓氣體，然后進(jìn)入干燥室的換熱器（冷凝器），制冷劑液化釋放出高溫?zé)崃考訜岷娓煞績?nèi)空氣，烘干房內(nèi)的物料通過熱風(fēng)形式使物料中的水分汽化蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的水蒸汽由排濕系統(tǒng)排走，而達(dá)到烘干目的。本工程采用的是1臺15 P的空氣源熱泵烘干機(jī)組，其能效比COP為3.6。

（3）熱回收器

由排濕系統(tǒng)排出烘干房濕蒸汽，含有大量余熱，直接排到大氣中會造成能源浪費。本工程采用熱回收器，將排出的濕蒸汽經(jīng)換熱器將空氣加熱后進(jìn)行循環(huán)利用。

（4）室內(nèi)干燥系統(tǒng)

為減少室內(nèi)散熱系統(tǒng)及排濕系統(tǒng)對原建筑的破壞，對室內(nèi)干燥系統(tǒng)采用下供風(fēng)上出風(fēng)模式。干燥室分為預(yù)干室和烘干室，大小均為54 m2，預(yù)干室溫度約為25℃，烘干室溫度約為50℃[11,12]。

2 系統(tǒng)運行原理及控制

2.1 “炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)原理

圖2為“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)原理示意圖。通過“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能集熱系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)換熱能，以空氣為換熱介質(zhì)與空氣式太陽能集熱器進(jìn)行換熱，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)直接將熱風(fēng)通入到烘房內(nèi)提供物料干燥熱量需求，由干燥室排出的濕熱空氣經(jīng)排濕口排出，經(jīng)過熱回收器進(jìn)行吸濕和余熱回收加熱新風(fēng)，預(yù)熱新風(fēng)經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)再進(jìn)入集熱器完成循環(huán)；當(dāng)太陽能不足時，啟動空氣源熱泵系統(tǒng)，保證烘房物料干燥的持續(xù)性。

圖2 “炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)原理示意圖

2.2 “炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)控制原理

2.2.1 溫度控制

（1）當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)出口溫度T0≥50℃設(shè)定值時，集熱風(fēng)機(jī)開始運行，系統(tǒng)進(jìn)入太陽能供熱模式；當(dāng)干燥室內(nèi)溫度T1≥55℃，集熱風(fēng)機(jī)停止運行。

（2）當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)出口溫度T0＜50℃時，系統(tǒng)進(jìn)入空氣源熱泵干燥模式，空氣源熱泵烘干機(jī)組開始運行，提供烘干室茶葉干燥熱量需求；當(dāng)干燥室內(nèi)溫度T1≥55℃，空氣源熱泵烘干機(jī)組停止運行。

2.2.2 濕度控制

（1）當(dāng)干燥室內(nèi)濕度S1≥S設(shè)定值時，熱回收器開始運行，進(jìn)行排濕。

（2）當(dāng)干燥室內(nèi)濕度S1＜S時，熱回收器停止運行。

3 效益分析

該工程2015年4月初開始安裝，5月底安裝完畢并進(jìn)行試運行，效果良好。正常使用后，啟動監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析。

3.1 節(jié)能效果分析

經(jīng)用戶記錄為期一個月的使用數(shù)據(jù)后分析，晴天：平均用電量17.24 kWh/h，其中用電量最少的一天是125 kWh，使用時間9.5 h；陰雨天：平均用電量24.31 kWh/h，其中用電最高的一天是231 kWh，使用時間9.5 h。數(shù)據(jù)表明：晴好的天氣下太陽能貢獻(xiàn)相當(dāng)于231-125=106 kWh，即太陽能貢獻(xiàn)率為（231-125）/231=46%。

改造前茶餅干燥是使用鍋爐供熱，供熱時間為8 h，每天需燃煤600 kg，600 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)熱量Q=600 kg×20.908 MJ/kg×65%=8 154.12 MJ，其中鍋爐效率按65%計算。折算成電，即原系統(tǒng)消耗的熱量相當(dāng)于2 311 kWh。改造后的整體節(jié)能情況為：總耗電量最高為231+11.5 kWh/ h×8h×4臺=599 kWh；總耗電量最低為125+11.5 kWh/h×8 h×4臺=493 kWh。故整體節(jié)能率可達(dá)1-599/2311=75%以上。

3.2 環(huán)境效益分析

國家大力推廣新能源的研發(fā)及應(yīng)用，目前正逐步淘汰小型高污染的能源利用方式，“炫風(fēng)”PCM空氣式太陽能干燥系統(tǒng)的主要能源為太陽能，輔助能源為電能，達(dá)到了環(huán)保要求。

4 結(jié)語

云南普洱市茶業(yè)公司的PCM空氣式太陽能干燥項目，正常運行一個月內(nèi)，取得了良好的節(jié)能效果，到了預(yù)期效果，太陽能與熱泵的配合使用對傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的改進(jìn)具有借鑒意義。雖然空氣式太陽能集熱器的真空管內(nèi)有相變蓄能芯，可以存儲太陽能，但是由于其容量有限，仍有多余太陽能無法被存儲利用，可以再增加一個相變儲熱系統(tǒng)，將存儲更多的太陽能，達(dá)到最優(yōu)效果。

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PCM Air Type Solar Energy Drying in Tea Processing Application

Zhu Chuanhui1, Li Baoguo1, Su Shuqiang2
Shanghai Science and Technology University, Energy and Power Engineering College
Shanghai ZN-Energy Environmental Technology Co., Ltd

The article introduces PCM air type solar energy heat pump combined drying room construction and application at some tea company in Puer city of Yunan province. Traditional puer tea processing technology applies coal-fired steam boiler to dry tea brick. Energy saving and environment protecting PCM air type solar energy heat pump drying system replaces current coal-fired boiler drying system through renovation. Through PCM air type solar energy heat collecting system, it can transfer solar energy into heat energy. Using air as heat exchange medium exchanges heat with air type solar energy heat collecting system. Recirculating fan puts hot air into drying room to meet heat demand when solar energy is enough. Air source heat pump starts up when solar energy is not enough. The author introduces design scheme and drying system working principle of the projectin detail. The calculating results show that drying system has great energy saving effects and data collected from operating drying system gives reference to solar energy drying system optimal design and commercial drying design parameter selection with high efficiency using solar energy.

Solar Energy, Drying, Heat Storage Tank, Tea

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.005

朱傳輝：（1988-），男，在讀碩士，主要從事太陽能光熱和制冷及低溫工程方向的研究。

李保國：（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品冷凍冷藏、干燥加工等方面的教學(xué)和研究。

蘇樹強(qiáng)：博士，上海筑能環(huán)境科技有限公司董事長兼總經(jīng)理。