雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能研究

李志國(guó) 羅會(huì)龍 劉兆宇

摘要：為研究空氣源熱泵煙葉烘烤的系統(tǒng)特征，并為工程實(shí)際應(yīng)用提供有意義的參考，本研究測(cè)試了1種具加熱及除濕功能的密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)雙壓縮機(jī)的運(yùn)行特征，并基于Solkane軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能分析。分析結(jié)果表明，整個(gè)煙葉烘烤過(guò)程，熱泵加熱子系統(tǒng)和除濕子系統(tǒng)的平均性能系數(shù)分別為2.99和3.08，綜合系統(tǒng)平均性能系數(shù)為3.68，綜合系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)最大值為4.19;整個(gè)過(guò)程的除濕能耗比為2.41 kg/（kW·h）。此外，對(duì)比該系統(tǒng)與生物質(zhì)顆?？痉康暮婵境杀景l(fā)現(xiàn)，烘烤得到1 kg干煙葉，該系統(tǒng)較生物質(zhì)顆粒烤房節(jié)約成本54.70%。

關(guān)鍵詞：密閉式熱泵;煙葉烘烤;性能系數(shù)

煙葉烘烤是一個(gè)大量耗能的過(guò)程[1-2]，若使用燃煤做主要燃料，烤干1 kg煙葉通常需要1.5～2.5 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤[3]。但煤炭的燃燒排放是大氣污染的主要污染源之一[4]，且燃煤具有燃燒不穩(wěn)定，熱能利用率低等多種問(wèn)題。發(fā)展與利用清潔能源進(jìn)行煙葉烘烤將是今后煙葉密集烘烤的發(fā)展趨勢(shì)[5]。趙新帥等將生物質(zhì)顆粒燃料替代煤炭在煙葉烘烤中做了一定應(yīng)用研究，但生物質(zhì)顆粒燃燒依然會(huì)排放環(huán)境污染物[6-7]。1950年熱泵干燥技術(shù)以其節(jié)能優(yōu)勢(shì)在美國(guó)獲取專利后便在工業(yè)領(lǐng)域獲得了迅速發(fā)展應(yīng)用[8-10]。宮長(zhǎng)榮等2003年開(kāi)展熱泵煙葉烘烤研究，研究結(jié)果表明，熱泵自控烘烤設(shè)備利用熱泵加熱和冷凝除濕，充分利用熱能，提高了熱能利用率，提高了烤后煙葉質(zhì)量，具有顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益[11]。賀智謀等研究表明，空氣源熱泵烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)密集烤房，且上等煙率也有所提高[12-13]。孫曉軍等根據(jù)熱泵原理進(jìn)行了熱泵型煙葉烤房的設(shè)計(jì)探究及實(shí)例運(yùn)行，研究結(jié)果表明，熱泵烤房可有效提高煙葉烘烤質(zhì)量，明顯降低烘烤成本[14]。彭宇等使用熱泵并利用太陽(yáng)能作為輔助熱源，探究了熱泵型太陽(yáng)能密集烤房的節(jié)能效果，熱泵型太陽(yáng)能密集烤房比熱泵烤房節(jié)省能耗成本32.86%[15]。Bryan等使用熱泵作為供熱除濕設(shè)備對(duì)煙葉進(jìn)行烘烤除濕，發(fā)現(xiàn)使用熱泵之后的烤房較普通對(duì)照烤房烤后煙葉質(zhì)量得到提高，烘烤成本也得到降低[16]。

迄今為止，涉及密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能的研究較少。本試驗(yàn)研究了雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤房的系統(tǒng)性能，同時(shí)對(duì)比其與生物質(zhì)顆?？痉亢婵境杀?。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)（2臺(tái)）、冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外換熱器、膨脹閥、風(fēng)機(jī)和裝煙室等組成，系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)在冷凝器的前端安裝有功率為1.6 kW的軸流風(fēng)機(jī)1臺(tái)，在室內(nèi)蒸發(fā)器上端裝有0.3 kW除濕內(nèi)風(fēng)機(jī)1臺(tái)，室外換熱器為頂出風(fēng)結(jié)構(gòu)，外風(fēng)機(jī)功率為 04 kW。

此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱泵加熱和除濕2種功能。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2，熱泵加熱子系統(tǒng)由冷凝器（3）、室外換熱器（6）、加熱壓縮機(jī)（7）、外風(fēng)機(jī)（4）、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)（2）組成。熱泵除濕子系統(tǒng)由冷凝器（3）、室內(nèi)蒸發(fā)器（12）、除濕壓縮機(jī)（8）、除濕內(nèi)風(fēng)機(jī)（11）、冷凝水通道（10）組成。

熱泵加熱：根據(jù)熱力學(xué)第二定律[17]，通過(guò)加熱壓縮機(jī)（7）消耗電能做功，將室外換熱器（6）內(nèi)的制冷劑液體蒸發(fā)以吸收環(huán)境空氣中的熱量。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)（7）做功后變?yōu)楦邷馗邏赫羝筮M(jìn)入冷凝器（3）冷凝放出大量熱量，熱量被內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)（2）從加熱室經(jīng)進(jìn)風(fēng)口（1）送入裝煙室對(duì)煙葉進(jìn)行烘烤。此后制冷劑經(jīng)膨脹閥又被送至室外換熱器蒸發(fā)，依此循環(huán)往復(fù)。

熱泵除濕：經(jīng)回風(fēng)口（13）流出的氣流部分或全部經(jīng)過(guò)室內(nèi)蒸發(fā)器（6）與制冷劑進(jìn)行熱交換，將溫濕氣流溫度降低至露點(diǎn)溫度，水蒸氣冷凝排出，降低其水蒸氣分壓力。被除濕后的氣流由除濕內(nèi)風(fēng)機(jī)（11）牽引進(jìn)入加熱室，經(jīng)冷凝器（3）加熱后送入裝煙室烘烤煙葉。

1.2 試驗(yàn)材料

煙葉烘烤品種為紅花大金元。供試煙葉按照同一部位、同一時(shí)間、成熟度一致的原則，選取中部葉為供試材料。雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)內(nèi)裝3 958.63 kg鮮煙，裝煙方式為3層編竿裝煙。為對(duì)比烘烤經(jīng)濟(jì)性，采用生物質(zhì)顆?？痉亢婵鞠嗤课粺熑~進(jìn)行對(duì)照，其裝煙量為3 704.70 kg鮮煙，裝煙方式相同。

1.3 試驗(yàn)方法

雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)及生物質(zhì)顆?？痉亢婵竟に嚲?段式烘烤理論[18]為基礎(chǔ)。雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤房中的干球溫度通過(guò)加熱壓縮機(jī)的啟?？刂葡到y(tǒng)冷凝器放熱，濕球溫度通過(guò)除濕壓縮機(jī)啟?？刂剖覂?nèi)蒸發(fā)器除濕。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 運(yùn)行特征 試驗(yàn)測(cè)量壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度。

1.4.2 烘烤成本 設(shè)定煙葉樣品，記錄鮮煙質(zhì)量、干煙質(zhì)量，從而計(jì)算整爐鮮煙質(zhì)量、干煙質(zhì)量和鮮干比。記錄熱泵系統(tǒng)烤房用電量，生物質(zhì)顆?？痉可镔|(zhì)顆粒消耗量及耗電量。

1.5 性能指標(biāo)

雙壓縮機(jī)密閉式熱泵子系統(tǒng)運(yùn)行壓焓（圖3）中理想循環(huán)為1′-2′-4′-5′-1′，實(shí)際循環(huán)為1-2-4-5-1。其中實(shí)際循環(huán)1-2為制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)等熵壓縮過(guò)程;2-4為制冷劑經(jīng)冷凝器等壓放熱過(guò)程;4-5為制冷劑經(jīng)膨脹閥等焓節(jié)流過(guò)程;5-1為制冷劑經(jīng)室內(nèi)蒸發(fā)器或室外換熱器等壓吸熱過(guò)程。

1.5.1 熱泵系統(tǒng)制熱量 制熱量Q指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)冷凝器產(chǎn)生的熱負(fù)荷，由公式（1）確定。

1.5.2 壓縮機(jī)耗功及等熵效率 壓縮機(jī)理論耗功Wysj是指制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)等熵壓縮消耗功率，由公式（2）確定。

1.5.3 性能系數(shù) 表征熱泵性能的參數(shù)為制熱系數(shù)（簡(jiǎn)稱COP），定義為熱泵制取的熱量與消耗的能量之比[20]，雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙子系統(tǒng)的性能系數(shù)COP由公式（4）確定。

2 結(jié)果與分析

為研究雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)性能，試驗(yàn)選取10個(gè)穩(wěn)溫階段（表1），測(cè)試壓縮機(jī)運(yùn)行特征，并使用軟件SOLKANE refrigerants對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

2.1 壓縮機(jī)運(yùn)行特性分析

不同階段2臺(tái)壓縮機(jī)的吸氣、排氣溫度變化見(jiàn)圖4。隨著煙葉烘烤所需干球溫度的升高，2臺(tái)壓縮機(jī)的排氣溫度整體上呈上升趨勢(shì)。第10階段，烘烤要求干球溫度為67 ℃時(shí)，1#、2#壓縮機(jī)排氣溫度分別達(dá)到78.2、79.0 ℃。整個(gè)過(guò)程2#壓縮機(jī)排氣溫度均高于1#壓縮機(jī)排氣溫度;第5階段處于定色期，煙葉失水速率較大，系統(tǒng)除濕速率要求較大，導(dǎo)致2#壓縮機(jī)排氣溫度上升，同時(shí)1#壓縮機(jī)的排氣溫度降低。不同階段2臺(tái)壓縮機(jī)吸氣溫度變化范圍較小，整體上1#壓縮機(jī)吸氣溫度低于2#壓縮機(jī)，2臺(tái)壓縮機(jī)在不同階段的平均吸氣溫度分別為1#壓縮機(jī)10.77 ℃，2#壓縮機(jī)22.54 ℃。

不同階段2臺(tái)壓縮機(jī)壓比及等熵效率見(jiàn)圖5。隨著烘烤溫度的升高，壓縮機(jī)的壓比整體上呈上升趨勢(shì)，且加熱子系統(tǒng)1#壓縮機(jī)壓比相較于除濕子系統(tǒng)2#壓縮機(jī)壓比較高，這是因?yàn)?#壓縮機(jī)排氣、吸氣溫度差大于2#壓縮機(jī)排氣、吸氣溫度差;整個(gè)烘烤過(guò)程，1#壓縮機(jī)壓比最大值為4.88，處于第10階段，2#壓縮機(jī)壓比最大值為3.59，處于第9階段。此外，1#壓縮機(jī)等熵效率平均值為0.826，2#壓縮機(jī)等熵效率平均值為0.833，均較高，這得益于2個(gè)壓縮機(jī)壓比均較低。

2.2 系統(tǒng)性能特性分析

烘烤過(guò)程系統(tǒng)制熱量、壓縮功和系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)見(jiàn)圖6、圖7。從圖6可看出，系統(tǒng)制熱量與壓縮功變化趨勢(shì)相同，均隨烘烤溫度升高而上升。從圖7可看出， 除濕子系統(tǒng)（2#循環(huán)）COP大于加熱子系統(tǒng)（1#循環(huán)），除濕子系統(tǒng)COP平均值為3.08，加熱子系統(tǒng)COP平均值為2.99，綜合系統(tǒng)COP平均值為3.68。在第4階段烘烤要求干球溫度為42 ℃時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)最大，達(dá)4.19。

2.3 經(jīng)濟(jì)性比較

雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)和生物質(zhì)顆?？痉亢婵镜幕厩闆r和烘烤成本見(jiàn)表2，紅花大金元中部葉干煙烘烤成本為雙壓縮機(jī)密閉式熱泵系統(tǒng)烤房1.30元/kg，生物質(zhì)顆?？痉?.87元/kg。干煙烘烤成本，雙壓縮機(jī)密閉式熱泵系統(tǒng)烤房比生物質(zhì)顆粒烤房低54.70%。且雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤房消耗清潔能源電能，烘烤過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)大氣環(huán)境不利的危害氣體，自動(dòng)化控制高，節(jié)省了大量的人工成本。表明密閉式熱泵烤房在環(huán)保節(jié)能、減工降本方面具有明顯效果，在煙葉烘烤領(lǐng)域具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

從表2可以看出，雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烘烤系統(tǒng)的除濕能耗比（SMER）為2.41 kg/（kW·h），表示平均消耗1 kW·h電能夠從煙葉中去除2.41 kg水分，系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。

3 結(jié)論

筆者對(duì)雙壓縮機(jī)密閉式熱泵烤煙系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析研究，該系統(tǒng)具有加熱及除濕功能。研究結(jié)果表明：（1）隨著烘烤溫度的升高，2臺(tái)壓縮機(jī)排氣溫度整體上升，吸氣溫度整體趨于不變;1#壓縮機(jī)壓比最大值為4.88，2#壓縮機(jī)壓比最大值為3.59;1# 壓縮機(jī)等熵效率平均值為0.826，2#壓縮機(jī)等熵效率平均值為0.833。（2）加熱子系統(tǒng)COP平均值為2.99，除濕子系統(tǒng)COP平均值為3.08，綜合系統(tǒng)COP平均值為3.68，綜合系統(tǒng)瞬時(shí)性能系數(shù)最大值為4.19;整個(gè)烘烤過(guò)程的除濕能耗比（SMER）為241，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。（3）雙壓縮機(jī)密閉式熱泵系統(tǒng)烘烤得到干煙的成本為1.30元/kg，而生物質(zhì)顆?？痉繛?.87元/kg，該系統(tǒng)較生物質(zhì)顆?？痉抗?jié)約成本54.70%，在煙葉烘烤領(lǐng)域具有較大經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

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