熱回收與太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)試驗(yàn)及性能研究

蔣綠林+王昌領(lǐng)+紀(jì)國(guó)劍

摘要：設(shè)計(jì)一種凝結(jié)式熱回收熱泵和太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥裝置，回收干燥廢氣的能量，并利用雙級(jí)加熱的方法，以提高各級(jí)熱泵效率。搭建熱泵干燥測(cè)試平臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，在平均輻照強(qiáng)度為625 W/m2、環(huán)境溫度為22.3 ℃時(shí)，熱風(fēng)溫度可達(dá)40～70 ℃，熱泵干燥系統(tǒng)平均能效比高達(dá)3.89，干燥能耗除濕量平均達(dá) 1.65 kg/（kW·h），均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于干燥農(nóng)副產(chǎn)品及某些物料的預(yù)干，提高可再生能源利用效率，減少化石燃料的消耗。

關(guān)鍵詞：可再生能源；干燥系統(tǒng)；雙級(jí)加熱；太陽(yáng)能熱泵；凝結(jié)熱回收

中圖分類(lèi)號(hào)： S214 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0354-05

直膨式太陽(yáng)能熱泵將太陽(yáng)能集熱器和熱泵蒸發(fā)器合二為一，可以充分利用太陽(yáng)能這一可再生能源以及熱泵裝置與太陽(yáng)能集熱器有機(jī)結(jié)合。既提高了太陽(yáng)能的集熱效率，又提高了熱泵的蒸發(fā)溫度，一直是研究的熱點(diǎn)。在太陽(yáng)能熱泵干燥方面，Hawlader等的試驗(yàn)驗(yàn)證了“直膨式太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)中集熱蒸發(fā)器的熱效率高于一般的空氣集熱器的熱效率”這一結(jié)論[1]，與Sporn等的預(yù)測(cè)[2]吻合。此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，分別對(duì)空氣預(yù)除濕或增加集熱蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量，會(huì)使空氣集熱器和集熱蒸發(fā)器的熱效率大大提升。在太陽(yáng)能熱泵干燥應(yīng)用研究方面，Helmer等運(yùn)用太陽(yáng)能干燥與除濕干燥木材時(shí)發(fā)現(xiàn)，窯殼和濕材的預(yù)熱過(guò)程加快，不僅可以縮短干燥周期、節(jié)省費(fèi)用，還可減少干燥除濕設(shè)備對(duì)氣候條件的依賴性[3]。Othman等研究了4種帶顯熱儲(chǔ)能的太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，并在農(nóng)業(yè)上得到了應(yīng)用，克服了太陽(yáng)能不連續(xù)的缺點(diǎn)[4]。Berdal等研究了不同的環(huán)境條件對(duì)太陽(yáng)能熱泵干燥系統(tǒng)運(yùn)行和熱性能的影響[5]。Mustafa等對(duì)4 mm厚的蘋(píng)果片干燥時(shí)發(fā)現(xiàn)采用太陽(yáng)能和熱泵聯(lián)合干燥將提升干燥效率，縮減干燥時(shí)間[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能熱泵干燥技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚。20世紀(jì)80年代初，北京林業(yè)大學(xué)趙忠信等對(duì)太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥除濕方面進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究，得出一種值得推薦的太陽(yáng)能加熱熱泵除濕聯(lián)合物料干燥方法[7]。研究者相繼開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能熱泵干燥木材裝置[8]，中、高溫型太陽(yáng)能-熱泵除濕聯(lián)合木材干燥系統(tǒng)[9]，太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥木材裝置[10]，太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥肉制品裝置[11]，空氣集熱陣列型太陽(yáng)能-熱泵除濕干燥系統(tǒng)[12]。此外，在種子、食品、藥材及化工原料等干燥方面也取得了一定的研究成果[13-18]。前人在研究熱泵干燥系統(tǒng)時(shí)，多采用裸板式集熱蒸發(fā)器，以保證蒸發(fā)溫度較低，進(jìn)而提升集熱蒸發(fā)器的性能，但是較低的蒸發(fā)溫度會(huì)大大降低熱泵的性能。如何選擇合適的蒸發(fā)溫度以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱利用和熱泵系統(tǒng)性能的最佳匹配還需深入研究。因此，本試驗(yàn)研究了不同氣象條件對(duì)熱泵系統(tǒng)能效比（COP）和除濕能耗SMER的影響規(guī)律，對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

1 干燥系統(tǒng)與試驗(yàn)裝置

1.1 聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理及構(gòu)造

本試驗(yàn)提供了一種穩(wěn)定且高效運(yùn)行的凝結(jié)式熱回收與太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥裝置。其中，凝結(jié)式熱泵系統(tǒng)回收干燥廢氣（空氣）中的大量熱量（特別是潛熱），對(duì)干燥介質(zhì)（新風(fēng)）進(jìn)行一級(jí)加熱，太陽(yáng)能熱泵對(duì)干燥介質(zhì)進(jìn)行二級(jí)加熱，如圖1所示。產(chǎn)品在滿足大多數(shù)物料干燥工藝要求的同時(shí)，相比常規(guī)干燥方式既節(jié)省了大量能源，又降低了環(huán)境污染。此外，圖1中數(shù)字為干燥介質(zhì)空氣試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置。1.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)聯(lián)合干燥系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)并建立一套干燥功率為0.5 kW凝結(jié)熱回收和太陽(yáng)能熱泵多級(jí)干燥試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主體包括凝結(jié)式熱回收熱泵系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)四大部分。其中，太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥等主要部件。集熱蒸發(fā)器為帶蓋板和邊框與底邊保溫的平板集熱器，表面采用藍(lán)鈦涂層，內(nèi)部銅管與集熱板采用管翼式結(jié)合方式，蛇形走管。由于江蘇常州本地的緯度在32°左右，因此試驗(yàn)時(shí)的集熱/蒸發(fā)器的傾角調(diào)整在35°左右，如圖2-a所示。冷凝器采用8路3排管設(shè)計(jì)，迎風(fēng)面積為0.04 m2。壓縮機(jī)采用海立公司生產(chǎn)的WHP02830BSV海立高溫壓縮機(jī)，使用于中高溫工況，制冷劑為R134a，額定冷量為2 130 W。熱力膨脹閥采用外平衡式熱力膨脹閥。凝結(jié)式熱回收熱泵包括凝結(jié)式蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥等，其中冷凝器結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)和膨脹閥與太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相同。干燥系統(tǒng)包括干燥房、送風(fēng)室和排風(fēng)室，室內(nèi)安裝有蒸發(fā)器、兩級(jí)冷凝器、調(diào)速風(fēng)機(jī)和風(fēng)道等。干燥室采用泡沫夾層鋼板，內(nèi)外進(jìn)行聚苯板保溫處理。送回風(fēng)道采用橡塑棉包裹保溫處理。圖2為干燥試驗(yàn)裝置實(shí)物圖片。

測(cè)量數(shù)據(jù)主要包括：（1）氣象參數(shù)，即太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度；（2）各級(jí)風(fēng)口的溫濕度，即干燥室送風(fēng)口、一級(jí)熱泵即熱回收熱泵冷凝器出風(fēng)口、二級(jí)熱泵即太陽(yáng)能熱泵冷凝器出風(fēng)口、干燥室內(nèi)、二級(jí)熱泵蒸發(fā)器入口即干燥室排風(fēng)口、二級(jí)熱泵蒸發(fā)器出口即熱回收出風(fēng)口；（3）壓縮機(jī)吸排氣壓力和溫度；（4）集熱蒸發(fā)器入口制冷劑流量（液態(tài)）；（5）干燥室送風(fēng)口風(fēng)速；（6）壓縮機(jī)總電能消耗；（7）物料干燥前、后質(zhì)量等。其中，輻照強(qiáng)度采用TBQ-2太陽(yáng)輻照儀，溫濕度采用羅卓尼克HL-NT-3-D型溫濕度記錄儀和HC2-S溫濕度探頭，儀器精度±0.8% RH/±0.1 ℃，制冷劑流量采用康創(chuàng)1010P便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量，精度為0.001 5～0.003 0 m/s，壓力采用真空壓力表測(cè)量，風(fēng)速和物料質(zhì)量分別采用DT-620風(fēng)速儀和JSA電子稱測(cè)量。壓縮機(jī)吸、排氣溫度通過(guò)P8634-1型熱泵控制器調(diào)節(jié)。

2 評(píng)價(jià)參數(shù)

式中：Q為熱泵有效輸出熱量，kW；Wh為熱泵的消耗功率，kW；M為干燥系統(tǒng)的除水量，kg；Ws為干燥系統(tǒng)輸入能量，對(duì)于太陽(yáng)能熱泵和熱回收熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，熱泵消耗功率等于干燥系統(tǒng)輸入能量，即為壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)耗電量，kW·h。

3 性能分析

3.1 干燥介質(zhì)焓值分布

對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，圖3為2014年4月9日氣象參數(shù)，其中最高氣溫T0為25.2 ℃，最低氣溫為18.5 ℃，平均氣溫為23.3 ℃，10：30之前和14：30之后為陰天，輻照強(qiáng)度較低，10：30—14：30之間為晴天，輻照強(qiáng)度良好，最大輻照強(qiáng)度H為917 W/m2，單日平均輻照強(qiáng)度為 625 W/m2。

由試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)可知，試驗(yàn)時(shí)沿干燥介質(zhì)流程共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。由圖4可見(jiàn)，同一時(shí)刻下，干燥空氣（新風(fēng)）經(jīng)過(guò)一級(jí)冷凝器和二級(jí)冷凝器加熱后，空氣焓值（一級(jí)和二級(jí)等濕升溫）明顯增加，除濕能力大大增強(qiáng)，保證了干燥的速率和效果，進(jìn)入干燥室后快速吸收物料水分成為高濕空氣，空氣焓值（降溫增濕）進(jìn)一步增加達(dá)到最高值，然后高濕空氣經(jīng)過(guò)干燥室出口凝結(jié)式熱泵蒸發(fā)器回收大部分能量后直排，此時(shí)干燥廢氣焓值（降溫減濕）顯著下降。其次，干燥室內(nèi)空氣和排風(fēng)焓值在試驗(yàn)過(guò)程中先迅速上升，而后逐步提高，在干燥最后階段，由于物料已經(jīng)充分干燥，室內(nèi)空氣和排風(fēng)焓值基本趨于穩(wěn)定。

圖5進(jìn)一步給出了3個(gè)不同時(shí)刻的干燥過(guò)程空氣焓濕圖，表1給出了圖5中關(guān)鍵空氣狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值。圖中數(shù)字1、1′、1″分別代表09：30、12：30、15：30時(shí)刻的空氣狀態(tài)點(diǎn)（具體位置參考圖1），其余狀態(tài)點(diǎn)同理。由圖5可見(jiàn)，在09：30時(shí)，干燥空氣焓濕過(guò)程：1→2為空氣的一級(jí)等濕加熱過(guò)程，環(huán)境空氣經(jīng)熱回收熱泵加熱后，溫度上升，相對(duì)濕度降低，焓值增加，熱回收熱泵貢獻(xiàn)率在60%左右；2→3為空氣的二級(jí)等濕加熱過(guò)程，一級(jí)加熱后的中溫?zé)峥諝庠俳?jīng)太陽(yáng)能熱泵加熱，溫度進(jìn)一步提升，相對(duì)濕度進(jìn)一步降低，太陽(yáng)能熱泵貢獻(xiàn)率在40%左右；3→4為熱干空氣在干燥室中和物料接觸換熱的過(guò)程，室內(nèi)空氣溫度降低，相對(duì)濕度增加，含濕量增加，物料溫度上升，水分蒸發(fā)加快，經(jīng)干燥室回風(fēng)口排出的是含濕量較大的中溫空氣；4→5是溫濕空氣的冷卻除濕過(guò)程，回風(fēng)口排出的含濕量較大的中溫空氣經(jīng)過(guò)熱回收熱泵蒸發(fā)器，遇低溫低壓制冷劑管路溫度急劇下降，溫濕空氣達(dá)到其露點(diǎn)溫度（26.1 ℃），發(fā)生結(jié)露排出水分，狀態(tài)過(guò)程沿等相對(duì)濕度線變化，空氣進(jìn)一步降溫，回收干燥廢氣潛熱和顯熱，完成一個(gè)空氣循環(huán)。其他時(shí)刻空氣狀態(tài)變化規(guī)律與09：30基本相同，區(qū)別在于隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，由于環(huán)境空氣（新風(fēng)）溫度增加和輻照強(qiáng)度先增加后減小，干燥系統(tǒng)送風(fēng)溫度（3、3′、3″）、太陽(yáng)能熱泵的貢獻(xiàn)率等也隨輻照強(qiáng)度變化表現(xiàn)為先增加后減小，而干燥空氣排風(fēng)溫度（4、4′、4″）則保持增加，基本不受輻照強(qiáng)度變化影響，熱回收熱泵貢獻(xiàn)率基本不變。此外，需要特別指出的是在15：30過(guò)程4″→5″中，狀態(tài)空氣溫度高于狀態(tài)的露點(diǎn)溫度，所以不發(fā)生結(jié)露過(guò)程。

3.2 熱泵分系統(tǒng)COP分析

由圖6可以看出，熱回收熱泵制熱功率一直保持在 3.4 kW 以上，制熱COP基本保持在4.5左右，顯示出熱回收熱泵工作的穩(wěn)定性，這與圖5中熱回收熱泵的貢獻(xiàn)率基本不變的結(jié)論一致。排風(fēng)（廢氣）溫濕度高、焓能大，通過(guò)熱回收可有效減少?gòu)U熱排放，有利于提高熱泵蒸發(fā)溫度進(jìn)而提高制熱功率和系統(tǒng)COP，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行一級(jí)加熱。由圖7可見(jiàn)，冷凝器制熱和集熱蒸發(fā)器制熱功率和熱泵COP總體變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度變化相似（參考圖3），表現(xiàn)為先緩慢增加，再基本不變，最后緩慢降低。在 09：00—10：30之間和14：30以后，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度很弱，蒸發(fā)溫度很低，制冷劑的汽化吸熱量很少，造成COP很低，只有 2.2～3.0左右；在10：30—14：30期間，隨著太陽(yáng)輻照強(qiáng)度顯著增加，蒸發(fā)溫度越來(lái)越高，制冷劑汽化吸熱量逐漸增大，制熱量增大，COP逐漸變大，最大接近3.5；太陽(yáng)能熱泵平均COP保持在3左右。

3.3 系統(tǒng)干燥性能分析

通過(guò)干燥室回風(fēng)口和送風(fēng)口空氣含濕量的增量可得到除水量M和單位時(shí)間除濕量MER。由圖8-a可見(jiàn)，物料質(zhì)量Mw隨干燥進(jìn)行，先迅速下降，后緩慢下降。MER在干燥初期由于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度較弱，MER在350 g/h左右；當(dāng) 10：30 之后輻照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，MER迅速上升，并穩(wěn)定在 450 g/h 附近，隨著干燥的進(jìn)行，MER也逐步下降，此時(shí)樣品干基含水率和濕基含水率逐步下降，在最后階段，如圖8-b所示，由于濕基含水率已低于10%，干燥速率大幅下降，至此干燥基本完成。

圖9進(jìn)一步給出了不同時(shí)刻下整個(gè)聯(lián)合干燥系統(tǒng)的COP和單位能耗除濕量SMER的變化曲線，以及COP與SMER之間的關(guān)系曲線。由圖9-a可見(jiàn)，系統(tǒng)總的COP在3以上，平均在3.89左右，而傳統(tǒng)空氣源熱泵COP只有2～3。SMER在0.6～2.1之間變化，平均值為1.65 kg/（kW·h），高于傳統(tǒng)干燥器理論值1.596 kg/（kW·h）。圖9-b為熱泵COP與除濕能耗SMER關(guān)系曲線，其中理論關(guān)系曲線參考Brundrett的計(jì)算公式[19]，其中htg為100 ℃下水蒸氣汽化潛熱。多級(jí)聯(lián)合干燥系統(tǒng)試驗(yàn)COP值隨SMER的增加而增加， 且高于理論計(jì)算值。這主要是因?yàn)锽rundrett計(jì)算式忽略了空氣顯熱變化，同時(shí)，由于采用雙級(jí)熱泵系統(tǒng)，降低了各級(jí)熱泵的冷凝器溫度，顯著提高了系統(tǒng)總COP。

4 結(jié)論

綜上所述，太陽(yáng)能熱泵采用集熱蒸發(fā)器有效地利用太陽(yáng)能和空氣（太陽(yáng)能熱泵蒸發(fā)溫度低于環(huán)境溫度）作為熱源，多級(jí)熱泵串聯(lián)的加熱方式顯著提高了系統(tǒng)各級(jí)熱泵和系統(tǒng)總的COP和干燥除濕SMER，完全滿足干燥的需求，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

（1）凝結(jié)式熱回收熱泵回收干燥室排氣廢熱，實(shí)現(xiàn)了干燥廢氣的降溫除濕和干燥介質(zhì)一級(jí)等濕升溫，有效減少了干燥過(guò)程對(duì)環(huán)境的熱濕污染，熱泵系統(tǒng)COP高且穩(wěn)定。

（2）直接膨脹式太陽(yáng)能熱泵，實(shí)現(xiàn)了干燥介質(zhì)的二次等濕升溫，有效利用了太陽(yáng)能，熱泵系統(tǒng)COP變化規(guī)律與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度相似，但存在一定的滯后性。

（3）干燥介質(zhì)（新風(fēng)）的多級(jí)加熱，根據(jù)不同干燥物料以及相同干燥物料的不同干燥階段，后期優(yōu)化可設(shè)置為4～6級(jí)加熱，進(jìn)一步有效降低了各級(jí)熱泵的冷凝溫度，提高系統(tǒng)COP。

（4）在試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)平均COP可達(dá)3.89，平均除濕能耗SMER達(dá)1.65 kg/（kW·h），高于傳統(tǒng)干燥器理論值 1.595 kg/（kW·h），完全滿足中低溫干燥需求。

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