新型閉式熱泵烤煙系統(tǒng)的性能優(yōu)化與分析

葉志成 劉雄

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

隨著空氣源熱泵技術(shù)蓬勃發(fā)展，熱泵烘烤領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多系統(tǒng)形式，按照熱泵干燥系統(tǒng)中干燥介質(zhì)的循環(huán)情況可分為閉式熱泵干燥系統(tǒng)，開式熱泵干燥系統(tǒng)以及半開式熱泵干燥系統(tǒng)[1]。閉式系統(tǒng)熱損失小，節(jié)能效果非常明顯。該系統(tǒng)若長時間運行，能量以壓縮機功耗的形式持續(xù)輸入系統(tǒng)，會導(dǎo)致干燥室內(nèi)溫度持續(xù)升高，不利于烘烤過程中的溫濕度控制[2]。煙葉烘烤過程中對溫濕度有著嚴(yán)格的要求，因此傳統(tǒng)的閉式熱泵系統(tǒng)很難滿足煙葉烘烤的需求。

本文提出的熱泵烤煙系統(tǒng)具有閉式系統(tǒng)的形式，利用壓縮機的變頻來調(diào)節(jié)烤煙房內(nèi)的濕度，利用室外換熱器風(fēng)機變頻的方式動態(tài)地調(diào)節(jié)供給烤房的熱量，達(dá)到精準(zhǔn)控制烤房內(nèi)溫濕度的要求，既回收排熱節(jié)約能源，又能達(dá)到烤煙的工藝要求。

1 系統(tǒng)形式

本文提出的新型熱泵烤煙系統(tǒng)如圖1 所示，在閉式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了一個室外換熱器和一個四通換向閥，通過四通換向閥的轉(zhuǎn)換，動態(tài)地實現(xiàn)向室外排熱和向室內(nèi)吸熱的調(diào)節(jié)過程。該新型熱泵系統(tǒng)由壓縮機，室內(nèi)蒸發(fā)器，室內(nèi)冷凝器，室外換熱器，四通換向閥，節(jié)流閥，止回閥以及電動調(diào)節(jié)閥等組成，通過四通換向閥的切換以及電動閥的通斷，可以實現(xiàn)四種烘烤模式。

圖1 新型熱泵烤煙系統(tǒng)原理圖

1）升溫模式：該模式中不除濕，電子膨脹閥1 關(guān)閉，電子膨脹閥2 全開，電子膨脹閥3 正常工作。室外換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，從室外吸熱供給室內(nèi)，制冷劑流程如下：1—2—d—c—3—4'—4''—3'—a—b—1。

2）升溫除濕模式：在該模式下，當(dāng)系統(tǒng)除濕時，回收全部冷凝熱加熱烤煙房的送風(fēng)，室外換熱器不工作，電子膨脹閥1 正常工作，電子膨脹閥2 全開，電子膨脹閥3 關(guān)閉。制冷劑流程如下：1—2—d—c—3—4'—4—1。

3）快速升溫除濕模式：當(dāng)烤煙房內(nèi)除濕產(chǎn)生的全部冷凝熱不能滿足烤房內(nèi)快速升溫的需求時，還需利用室外換熱器從室外空氣中吸熱。工作時，電子膨脹閥2 全開，電子膨脹閥1、3 正常工作。壓縮機通過變頻控制烤煙房內(nèi)的空氣干球溫度上升速率。室外換熱器風(fēng)扇通過變頻控制烤煙房內(nèi)的空氣濕球溫度。制冷劑流程如下：第一路：1—2—d—c—3—4'—4''—3'—a—b—1。第二路：1—2—d—c—3—4'—4—1。

4）調(diào)溫除濕模式：當(dāng)熱泵烘干機組在除濕過程中吸收的熱量大于加熱過程中需要供給的熱量時，四通閥換向，室外換熱器轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠鳎滹L(fēng)扇變頻控制烤煙房內(nèi)的空氣干球溫度，將多余的熱量散發(fā)到室外空氣當(dāng)中去。壓縮機通過變頻控制烤煙房內(nèi)的空氣濕球溫度。制冷劑流程如下：第一路：1—2—d—a—3—4'—4—1。第二路：1—2—d—a—3'—4''—4—1。

圖2 制冷循環(huán)壓焓圖

為方便后續(xù)建立仿真模型，當(dāng)室外換熱器為蒸發(fā)器時，假定其出口制冷劑狀態(tài)與室內(nèi)蒸發(fā)器相同。當(dāng)室外換熱器為冷凝器時，假定其出口制冷劑狀態(tài)與室內(nèi)冷凝器相同。則簡化后的制冷劑壓焓圖如圖2 所示，制冷循環(huán)為1—2—3(3')—4(4'/4'')—1。

熱空氣循環(huán)的焓濕圖如圖3 所示：R 點是出烤煙房熱空氣的狀態(tài)，出烤煙房的熱空氣被旁通閥分成兩部分，一部分空氣先通過氣-氣熱交換器進(jìn)行換熱，被等濕從R 點降溫到C 點，再進(jìn)入室內(nèi)蒸發(fā)器從C 點被冷卻除濕到L 點，從室內(nèi)蒸發(fā)器出來后再進(jìn)入氣-氣熱交換器對高溫空氣預(yù)冷，其自身被等濕從L 點加熱到H 點。然后再與另一部分空氣沿H-R 混合到M 點，混合后的空氣進(jìn)入室內(nèi)冷凝器被等濕加熱至S 點，S點空氣經(jīng)熱濕比線送入室內(nèi)，完成熱空氣循環(huán)。

圖3 熱空氣循環(huán)焓濕圖

2 負(fù)荷計算與系統(tǒng)選型

本文以云煙97 品種為例，烤前鮮煙葉質(zhì)量為4000 kg，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及煙葉烘烤實踐確定模擬煙葉烘烤時間為154 h。選取7 月5 日18:00 至7 月12 日5:00 為一個煙葉烘烤周期來計算烤煙房的熱負(fù)荷。根據(jù)《密集式烤房建設(shè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定[3]，烤煙房結(jié)構(gòu)設(shè)計為7000 mm×2800 mm×3500 mm 的單體式密集烤房，墻面材料選用雙面彩鋼聚氨酯板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/(m·K)，室內(nèi)表面對流換熱系數(shù)取8.7 W/(m2·K)，室外表面對流換熱系數(shù)取23.3 W/(m2·K)。室內(nèi)溫濕度由烤煙工藝曲線給定[4]，如圖4 所示。

圖4 “三段式”密集烤煙工藝曲線

室外溫濕度選取云南昆明7 月5 日至7 月12 日內(nèi)的室外氣象數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 烘烤周期氣象參數(shù)

分析烤煙房的負(fù)荷，可以分為顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷兩個部分。顯熱負(fù)荷主要由外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，煙葉本身蓄熱以及加熱室內(nèi)空氣的熱負(fù)荷組成，其中煙葉蓄熱又可分為煙葉干物質(zhì)蓄熱和煙葉中的水分蓄熱。至于煙葉脫水引起的排濕負(fù)荷，在諸多熱泵干燥系統(tǒng)的理論分析中，通常將干燥室內(nèi)空氣和物料的熱濕交換過程看作等焓吸濕過程?？諝夤┙o物料中水分蒸發(fā)的熱量又被蒸發(fā)出來的水蒸氣帶回到空氣中，即水分蒸發(fā)前后空氣的焓值基本不變。

水分蒸發(fā)所需要的汽化潛熱并不引起室內(nèi)焓值的變化，所以在計算烘房濕空氣狀態(tài)變化的熱濕比線時取得是烤房顯熱負(fù)荷與濕負(fù)荷之比。采用DeST 軟件模擬計算，烤煙周期內(nèi)烤房顯熱負(fù)荷曲線具體如圖6 所示。

圖6 烤煙房總顯熱負(fù)荷

本文總結(jié)現(xiàn)有參考文獻(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)，得出煙葉烘烤失水規(guī)律。煙葉在烘烤過程中大致的失水情況為：變黃期失水量為27%～35%，定色期失水量為50%～55%，干筋期失水量為10%～23%[5]。

云煙97 鮮煙葉的濕基含水率為88%，烘烤結(jié)束時的濕基含水率約為6.5%[6]，則總失水量為4000×(88%-6.5%)=3260 kg，由文獻(xiàn)[6-7]得各階段的失水速率如表1 所示。

表1 烘烤各階段失水速率

依據(jù)表1 給出的失水速率計算得到對應(yīng)的濕負(fù)荷變化趨勢如圖7 所示。

圖7 烤煙房濕負(fù)荷

依據(jù)計算得出的烤煙房熱濕負(fù)荷，對熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，得出的系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)各部件參數(shù)表

3 系統(tǒng)仿真計算與分析

在建立系統(tǒng)仿真模型時，只對系統(tǒng)主要部件建立了較為詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型[8-9]，即變頻壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器和電子膨脹閥，系統(tǒng)其它部件被簡化為制冷劑與環(huán)境的傳熱關(guān)系式或以定值代替，同時忽略了系統(tǒng)中的熱損失。

3.1 仿真模型建立

1）壓縮機模型

式中：Vth為壓縮機的理論容積輸氣量；vin為壓縮機進(jìn)口的制冷劑氣態(tài)比容；λ 為輸氣系數(shù)；P 為渦旋體節(jié)距，P=2πr，r 為基圓半徑；t 為渦旋體壁厚，t=2rα，α 為漸開線起始角；N 為壓縮腔室對數(shù)；H 為渦旋體高；Wcom為壓縮機輸入功率；pin為吸氣壓力；pout為排氣壓力；k 為多變指數(shù)；η 為渦旋壓縮機電效率。

2）電子膨脹閥模型

式中：ΔpFFv為閥前后壓降；AEEV為閥的流通面積；CV為流量系數(shù)。

3）換熱器模型

式中：Kof為以管外面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)；αi為管內(nèi)表面的傳熱系數(shù)；αj為管外表面的傳熱系數(shù)；β 為肋化系數(shù)；r0為污垢熱阻；Δtme為管內(nèi)外對數(shù)平均溫差；Q 為傳熱量；Aof為換熱面積。

3.2 性能評價指標(biāo)

依據(jù)算法模型，采用Matlab 軟件進(jìn)行仿真模擬?？緹熛到y(tǒng)的性能指標(biāo)采用制熱系數(shù)COP 和單位能耗除濕量SMER。

1）熱泵的制熱系數(shù)（COP）

熱泵的制熱系數(shù)為熱泵制取的熱量與所消耗的驅(qū)動能量之比，公式如下：

式中：Qc為熱泵的制熱量；Wc為熱泵消耗的功率。

2）熱泵的除濕能耗比SMER

熱泵干燥裝置的除濕能耗比為消耗單位能量所除去物料中水分量。該指標(biāo)是反映熱泵干燥裝置綜合性能的主要指標(biāo)，其數(shù)值越大越好。公式如下：

式中：SMER 為除濕能耗比；Mde為從物料中除去的水分的質(zhì)量；t 為干燥時間。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過使用MATLAB 軟件對蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流閥部件，輔助換熱器分別建模，并通過各部件之間的耦合參數(shù)將各部件模型進(jìn)行結(jié)合，聯(lián)立求解。

烘烤過程中系統(tǒng)制熱系數(shù)COP 隨烘烤時間的變化情況如圖8 所示。由圖中可以看出，初始升溫階段，隨著溫度的升高，COP 有所上升，到10 h 時，COP 達(dá)到最大值5.28。變色穩(wěn)溫期，煙葉處于悶烤狀態(tài)，除濕量很小，供熱量也很小，COP 有所降低。定色升溫階段，供熱量增加，壓縮機功耗也有所增加，壓縮機功耗增長的速度更快，導(dǎo)致COP 隨之下降。定色穩(wěn)溫階段，供熱量增大，壓縮機功耗也急劇增大，由于壓縮機功耗增長幅度更大，導(dǎo)致COP 降低，達(dá)到最小值2.84。干筋階段，COP 達(dá)到3.05。平均COP 達(dá)到3.82。

圖8 制熱系數(shù)COP 變化曲線

烘烤過程中單位能耗除濕量SMER 隨烘烤時間的變化情況如圖9 所示，由圖9 中可以看出，初始升溫階段，隨著溫度的升高，SMER 有所上升，到10 h 時，SMER 達(dá)到最大值6.05。變色穩(wěn)溫期，煙葉處于悶烤狀態(tài)，除濕量很小，供熱量也很小，SMER 有所降低。定色升溫階段，供熱量增加，壓縮機功耗也有所增加，壓縮機功耗增長的速度更快，導(dǎo)致SMER 隨之下降。定色穩(wěn)溫階段，供熱量增大，壓縮機功耗也急劇增大，由于壓縮機功耗增長幅度更大，導(dǎo)致SMER 降低，達(dá)到最小值3.05。干筋階段，SMER 達(dá)到1.78。平均SMER 達(dá)到3.97。

圖9 單位能耗除濕量SMER 變化曲線

烘烤過程中輔助換熱量隨烘烤時間的變化情況如圖10 所示，輔助換熱量大于0，代表系統(tǒng)從外界吸熱。輔助換熱量小于0，代表系統(tǒng)向外界排熱。在初始升溫階段，需要將烤煙房內(nèi)的溫度升高到除濕起始溫度，此階段只升溫不除濕，室內(nèi)蒸發(fā)器關(guān)閉，系統(tǒng)采用升溫模式，室外換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，從室外吸熱供給烤煙房升溫，烤煙期處于7 月份，烤煙房內(nèi)溫度較高，起始干球溫度達(dá)28 ℃，經(jīng)過計算烤煙房內(nèi)溫度升高到除濕起始干球溫度30 ℃僅需要5 min，所以圖中并未明確標(biāo)出初始升溫階段。在變黃期以及定色升溫期，輔助換熱量大于零，系統(tǒng)需要從外界吸熱，系統(tǒng)采用快速升溫除濕模式，室外換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，從室外環(huán)境中吸熱，補充給系統(tǒng)。在定色穩(wěn)溫期，輔助換熱量小于0，系統(tǒng)需要向室外環(huán)境那種排熱，四通閥換向，系統(tǒng)切換到調(diào)溫除濕模式，室外換熱器充當(dāng)冷凝器，向室外散熱。進(jìn)入干筋階段，輔助換熱量再次大于0，系統(tǒng)又需要從室外環(huán)境中吸熱，四通閥再次換向，重新切換到快速升溫除濕模式，室外換熱器充當(dāng)蒸發(fā)器，從室外環(huán)境中吸熱，補充給系統(tǒng)。圖中用粗虛線標(biāo)出了±0.2 kW 范圍，輔助換熱量在此范圍內(nèi)，代表系統(tǒng)內(nèi)室內(nèi)蒸發(fā)器端的吸熱加上壓縮機的功耗近似等于烤煙房需要的供熱量，此時室外換熱器關(guān)閉，系統(tǒng)采用升溫除濕模式。

圖10 輔助換熱量變化曲線

4 結(jié)論

1）本文以云煙97 為例，對新型熱泵除濕烘干機系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬計算，得出一個烤煙周期內(nèi)COP 和SMER 的變化情況，COP 最大值為5.28，SMER 最大值為6.05，平均COP 達(dá)到3.82，平均SMER 達(dá)到3.97。

2）根據(jù)模擬得出的輔助換熱量變化情況，設(shè)計出機組的運行模式。在初始升溫階段，系統(tǒng)采用升溫模式。在變黃期以及定色升溫期，采用快速升溫除濕模式。在定色穩(wěn)溫期，采用調(diào)溫除濕模式。進(jìn)入干筋階段，再次啟用快速升溫除濕模式。輔助換熱量在±0.2 kW 范圍，系統(tǒng)內(nèi)室內(nèi)蒸發(fā)器端的吸熱加上壓縮機的功耗近似等于烤煙房需要的供熱量，系統(tǒng)采用升溫除濕模式。