太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)的設(shè)計

李宏燕，何建國，李明濱

摘要：針對單一太陽能干燥和單一空氣源熱泵干燥存在的不足，設(shè)計搭建了太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)，對太陽能不同供熱溫度下壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行了研究。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括太陽能集熱器、儲熱器（蒸發(fā)器）、壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)機(jī)及測試系統(tǒng)等。試驗結(jié)果表明，連續(xù)供熱泵模式下壓縮機(jī)的工作性能較為穩(wěn)定，制熱系數(shù)在1.91～2.42之間;蒸發(fā)溫度對熱泵制熱性能及運(yùn)行工況有較大影響，當(dāng)蒸發(fā)溫度維持在20～25 ℃時，熱泵的制熱性能較高，熱泵噪音較低，更適于太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽能;熱泵;干燥

中圖分類號：TK512 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5855-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.059

干燥技術(shù)直接影響到農(nóng)林產(chǎn)品的安全儲存和保質(zhì)加工[1]。常規(guī)農(nóng)產(chǎn)品干燥方法受外界環(huán)境氣候條件限制，農(nóng)作物經(jīng)歷的干燥時間長、干燥衛(wèi)生條件差、干燥均勻性差[2]。因此降低干燥能耗、提高干燥效率和農(nóng)作物干燥品質(zhì)是農(nóng)作物干燥技術(shù)的發(fā)展方向。

熱泵及熱泵干燥作為一項節(jié)能技術(shù)，近年來發(fā)展較快[3-13]。但熱泵用于制熱時，其制熱性能與低溫?zé)嵩刺匦跃o密相關(guān)，如何保障熱泵蒸發(fā)端所需的穩(wěn)定低溫?zé)嵩?，是熱泵制熱推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。將太陽能與熱泵結(jié)合，可以綜合利用太陽能可再生能源和熱泵節(jié)能技術(shù)，以太陽能集熱儲熱系統(tǒng)作為熱泵低溫?zé)嵩?，將集熱器所收集的溫度不穩(wěn)定的低溫?zé)嵩唇柚鸁岜锰嵘秊楦咂肺坏姆€(wěn)定熱源，提供給農(nóng)作物干燥，可同時起到節(jié)約能源、降低能耗、保障農(nóng)作物品質(zhì)的目的，已逐漸引起眾多研究人員的關(guān)注[14-25]。

為此，針對單一太陽能干燥和單一熱泵干燥的不足，設(shè)計了太陽能輔助熱泵干燥試驗系統(tǒng)，對太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了試驗研究，重點(diǎn)分析了太陽能連續(xù)穩(wěn)定熱源供熱模式下，不同供熱溫度對壓縮機(jī)工作性能的影響，對比分析了不同供熱溫度下壓縮機(jī)的制熱能效。

1 ?太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

太陽能輔助熱泵干燥系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱箱、熱泵蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)機(jī)、干燥房、循環(huán)泵、連接管路等組成。太陽能集熱儲熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)采用串聯(lián)方式連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。系統(tǒng)工作原理為：太陽能集熱器收集并儲存太陽能，調(diào)節(jié)儲熱箱中的流體流量，使熱泵蒸發(fā)器達(dá)到熱泵工質(zhì)蒸發(fā)所需適宜的溫度。液態(tài)熱泵工質(zhì)吸收蒸發(fā)端熱量后變成氣態(tài)工質(zhì)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓蒸汽，在冷凝端與風(fēng)機(jī)吸進(jìn)的室外空氣進(jìn)行熱量交換，將空氣加熱到干燥所需溫度后進(jìn)入干燥房。

1.2 ?設(shè)備參數(shù)

試驗系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括真空管太陽能集熱器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機(jī)等，各設(shè)備的相關(guān)參數(shù)見表1。

2 ?太陽能輔助熱泵干燥試驗

2.1 ?試驗方法

試驗以太陽能連續(xù)不同供熱溫度下熱泵制熱性能測試為目的，通過調(diào)節(jié)集熱器儲熱箱介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱模式下不同試驗蒸發(fā)溫度。通過測試壓縮機(jī)吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、室外空氣溫度、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫、蒸發(fā)器內(nèi)水溫等參數(shù)的變化過程，分析熱泵運(yùn)行狀態(tài)，分別計算熱泵制熱量和制熱系數(shù)COPh。

2.2 ?試驗儀器

試驗系統(tǒng)測量參數(shù)包括溫度、壓力、電流等，其中溫度點(diǎn)較多，采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)記錄和保存，采集時間間隔30 s;壓力和電流信號采用直讀式儀表，采集時間間隔10 min，并將電流信號換算為壓縮機(jī)功率。系統(tǒng)測量參數(shù)及測量儀器見表2。

2.3 ?試驗結(jié)果

調(diào)節(jié)儲熱箱水流量，使蒸發(fā)器內(nèi)維持恒定水溫為15、20、25、30、35 ℃，分別考察壓縮機(jī)吸氣溫度、壓縮機(jī)排氣溫度、風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫、熱泵制熱量、壓縮機(jī)吸氣壓力等參數(shù)隨時間的變化，試驗結(jié)果見圖2至圖6。

結(jié)果表明，太陽能不同供熱蒸發(fā)溫度對壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度有較大影響，對壓縮機(jī)吸氣壓力及冷凝器出口風(fēng)溫影響較小;連續(xù)供熱模式下，壓縮機(jī)運(yùn)行工況較穩(wěn)定，制熱性能較高，熱泵平均制熱系數(shù)在1.91～2.42之間（表3）;當(dāng)蒸發(fā)溫度較低時，熱泵吸氣溫度較低，工質(zhì)蒸發(fā)量較小，吸氣量不足使熱泵處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，工作噪聲較大;當(dāng)蒸發(fā)溫度維持在 20 ℃與25 ℃時，壓縮機(jī)制熱量較高，其中25 ℃下壓縮機(jī)的平均制熱系數(shù)達(dá)到2.42，表明壓縮機(jī)適宜的蒸發(fā)溫度為25 ℃;當(dāng)蒸發(fā)溫度處于30～35 ℃等較高溫度時，壓縮機(jī)排氣溫度超出壓縮機(jī)正常熱力循環(huán)工作范圍，壓縮機(jī)處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，壓縮機(jī)工作壓力較高，制熱量降低，因此蒸發(fā)溫度不宜超過25 ℃。

3 ?小結(jié)

太陽能輔助熱泵干燥技術(shù)與常規(guī)干燥技術(shù)相比，具有節(jié)約能源、提高被干燥物料的品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。通過對太陽能輔助熱泵不同供熱溫度下的系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗研究，分析了壓縮機(jī)的工作性能。結(jié)果表明，連續(xù)恒溫供熱模式下壓縮機(jī)的工作性能較為穩(wěn)定，制熱系數(shù)較高，其中適宜的太陽能輔助熱泵蒸發(fā)溫度為20～25 ℃。該試驗系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于農(nóng)林產(chǎn)品的干燥，有助于提高產(chǎn)品干燥品質(zhì)，縮短干燥周期，提高生產(chǎn)效率。

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