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热回收与太阳能热泵干燥系统试验及性能研究

蒋绿林+王昌领+纪国剑

摘要：设计一种凝结式热回收热泵和太阳能热泵联合干燥装置，回收干燥废气的能量，并利用双级加热的方法，以提高各级热泵效率。搭建热泵干燥测试平台，对设备进行试验测试，结果表明，在平均辐照强度为625 W/m2、环境温度为22.3 ℃时，热风温度可达40～70 ℃，热泵干燥系统平均能效比高达3.89，干燥能耗除湿量平均达 1.65 kg/（kW·h），均远高于传统干燥系统。可见，该系统可应用于干燥农副产品及某些物料的预干，提高可再生能源利用效率，减少化石燃料的消耗。
关键词：可再生能源；干燥系统；双级加热；太阳能热泵；凝结热回收
： S214 文献标志码： A
：1002-1302（2016）11-0354-05
直膨式太阳能热泵将太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一，可以充分利用太阳能这一可再生能源以及热泵装置与太阳能集热器有机结合。既提高了太阳能的集热效率，又提高了热泵的蒸发温度，一直是研究的热点。在太阳能热泵干燥方面，Hawlader等的试验验证了“直膨式太阳能热泵干燥系统中集热蒸发器的热效率高于一般的空气集热器的热效率”这一结论[1]，与Sporn等的预测[2]吻合。此外，试验还发现，分别对空气预除湿或增加集热蒸发器内制冷剂流量，会使空气集热器和集热蒸发器的热效率大大提升。在太阳能热泵干燥应用研究方面，Helmer等运用太阳能干燥与除湿干燥木材时发现，窑壳和湿材的预热过程加快，不仅可以缩短干燥周期、节省费用，还可减少干燥除湿设备对气候条件的依赖性[3]。Othman等研究了4种带显热储能的太阳能热泵联合干燥系统，并在农业上得到了应用，克服了太阳能不连续的缺点[4]。Berdal等研究了不同的环境条件对太阳能热泵干燥系统运行和热性能的影响[5]。Mustafa等对4 mm厚的苹果片干燥时发现采用太阳能和热泵联合干燥将提升干燥效率，缩减干燥时间[6]。国内对太阳能热泵干燥技术的研究起步相对较晚。20世纪80年代初，北京林业大学赵忠信等对太阳能热泵联合干燥除湿方面进行了详细的理论研究，得出一种值得推荐的太阳能加热热泵除湿联合物料干燥方法[7]。研究者相继开发了太阳能热泵干燥木材装置[8]，中、高温型太阳能-热泵除湿联合木材干燥系统[9]，太阳能热泵联合干燥木材装置[10]，太阳能热泵联合干燥肉制品装置[11]，空气集热阵列型太阳能-热泵除湿干燥系统[12]。此外，在种子、食品、药材及化工原料等干燥方面也取得了一定的研究成果[13-18]。前人在研究热泵干燥系统时，多采用裸板式集热蒸发器，以保证蒸发温度较低，进而提升集热蒸发器的性能，但是较低的蒸发温度会大大降低热泵的性能。如何选择合适的蒸发温度以实现太阳能热利用和热泵系统性能的最佳匹配还需深入研究。因此，本试验研究了不同气象条件对热泵系统能效比（COP）和除湿能耗SMER的影响规律，对工程设计有一定的指导意义。
1 干燥系统与试验装置
1.1 联合干燥系统原理及构造
本试验提供了一种稳定且高效运行的凝结式热回收与太阳能热泵联合干燥装置。其中，凝结式热泵系统回收干燥废气（空气）中的大量热量（特别是潜热），对干燥介质（新风）进行一级加热，太阳能热泵对干燥介质进行二级加热，如图1所示。产品在满足大多数物料干燥工艺要求的同时，相比常规干燥方式既节省了大量能源，又降低了环境污染。此外，图1中数字为干燥介质空气试验测点布置。1.2 试验装置及测量系统
根据联合干燥系统原理，设计并建立一套干燥功率为0.5 kW凝结热回收和太阳能热泵多级干燥试验台。试验台主体包括凝结式热回收热泵系统、太阳能热泵系统、干燥系统及测试系统四大部分。其中，太阳能热泵系统包括太阳能集热蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀等主要部件。集熱蒸发器为带盖板和边框与底边保温的平板集热器，表面采用蓝钛涂层，内部铜管与集热板采用管翼式结合方式，蛇形走管。由于江苏常州本地的纬度在32°左右，因此试验时的集热/蒸发器的倾角调整在35°左右，如图2-a所示。冷凝器采用8路3排管设计，迎风面积为0.04 m2。压缩机采用海立公司生产的WHP02830BSV海立高温压缩机，使用于中高温工况，制冷剂为R134a，额定冷量为2 130 W。热力膨胀阀采用外平衡式热力膨胀阀。凝结式热回收热泵包括凝结式蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀等，其中冷凝器结构、压缩机和膨胀阀与太阳能热泵系统相同。干燥系统包括干燥房、送风室和排风室，室内安装有蒸发器、两级冷凝器、调速风机和风道等。干燥室采用泡沫夹层钢板，内外进行聚苯板保温处理。送回风道采用橡塑棉包裹保温处理。图2为干燥试验装置实物图片。
测量数据主要包括：（1）气象参数，即太阳辐射强度、环境温湿度；（2）各级风口的温湿度，即干燥室送风口、一级热泵即热回收热泵冷凝器出风口、二级热泵即太阳能热泵冷凝器出风口、干燥室内、二级热泵蒸发器入口即干燥室排风口、二级热泵蒸发器出口即热回收出风口；（3压缩机吸排气压力和温度；（4）集热蒸发器入口制冷剂流量（液态）；（5）干燥室送风口风速；（6）压缩机总电能消耗；（7）物料干燥前、后质量等。其中，辐照强度采用TBQ-2太阳辐照仪，温湿度采用罗卓尼克HL-NT-3-D型温湿度记录仪和HC2-S温湿度探头，仪器精度±0.8% RH/±0.1 ℃，制冷剂流量采用康创1010P便携式超声波流量计测量，精度为0.001 5～0.003 0 m/s，压力采用真空压力表测量，风速和物料质量分别采用DT-620风速仪和JSA电子称测量。压缩机吸、排气温度通过P8634-1型热泵控制器调节。
2 评价参数
式中：Q为热泵有效输出热量，kW；Wh为热泵的消耗功率，kW；M为干燥系统的除水量，kg；Ws为干燥系统输入能量，对于太阳能热泵和热回收热泵联合干燥系统，热泵消耗功率等于干燥系统输入能量，即为压缩机和风机耗电量，kW·h。
3 性能分析
3.1 干燥介质焓值分布
对系统性能进行试验测试，图3为2014年4月9日气象参数，其中最高气温T0为25.2 ℃，最低气温为18.5 ℃，平均气温为23.3 ℃，10：30之前和14：30之后为阴天，辐照强度较低，10：30—14：30之间为晴天，辐照强度良好，最大辐照强度H为917 W/m2，单日平均辐照强度为 625 W/m2。
由试验测试系统可知，试验时沿干燥介质流程共布置6个测点。由图4可见，同一时刻下，干燥空气（新风）经过一级冷凝器和二级冷凝器加热后，空气焓值（一级和二级等湿升温）明显增加，除湿能力大大增强，保证了干燥的速率和效果，进入干燥室后快速吸收物料水分成为高湿空气，空气焓值（降温增湿）进一步增加达到最高值，然后高湿空气经过干燥室出口凝结式热泵蒸发器回收大部分能量后直排，此时干燥废气焓值（降温减湿）显著下降。其次，干燥室内空气和排风焓值在试验过程中先迅速上升，而后逐步提高，在干燥最后阶段，由于物料已经充分干燥，室内空气和排风焓值基本趋于稳定。
图5进一步给出了3个不同时刻的干燥过程空气焓湿图，表1给出了图5中关键空气状态点的参数值。图中数字1、1′、1″分别代表0930、12：30、15：30时刻的空气状态点（具体位置参考图1），其余状态点同理。由图5可见，在09：30时，干燥空气焓湿过程：1→2为空气的一级等湿加热过程，环境空气经热回收热泵加热后，温度上升，相对湿度降低，焓值增加，热回收热泵贡献率在60%左右；2→3为空气的二级等湿加热过程，一级加热后的中温热空气再经太阳能热泵加热，温度进一步提升，相对湿度进一步降低，太阳能热泵贡献率在40%左右；3→4为热干空气在干燥室中和物料接触换热的过程，室内空气温度降低，相对湿度增加，含湿量增加，物料温度上升，水分蒸发加快，经干燥室回风口排出的是含湿量较大的中温空气；4→5是温湿空气的冷却除湿过程，回风口排出的含湿量较大的中温空气经过热回收热泵蒸发器，遇低温低压制冷剂管路温度急剧下降，温湿空气达到其露点温度（26.1 ℃），发生结露排出水分，状态过程沿等相对湿度线变化，空气进一步降温，回收干燥废气潜热和显热，完成一个空气循环。其他时刻空气状态变化规律与09：30基本相同，区别在于随着干燥过程的进行，由于环境空气（新风）温度增加和辐照强度先增加后减小，干燥系统送风温度（3、3′、3″）、太阳能热泵的贡献率等也随辐照强度变化表现为先增加后减小，而干燥空气排风温度（4、4′、4″）则保持增加，基本不受辐照强度变化影响，热回收热泵贡献率基本不变。此外，需要特别指出的是在15：30过程4″→5″中，状态空气温度高于状态的露点温度，所以不发生结露过程。
3.2 热泵分系统COP分析
由图6可以看出，热回收热泵制热功率一直保持在 3.4 kW 以上，制热COP基本保持在4.5左右，显示出热回收热泵工作的稳定性，这与图5中热回收热泵的贡献率基本不变的结论一致。排风（废气）温湿度高、焓能大，通过热回收可有效减少废热排放，有利于提高热泵蒸发温度进而提高制热功率和系统COP，对新风进行一级加热。由图7可见，冷凝器制热和集热蒸发器制热功率和热泵COP总体变化趋势与太阳辐照强度变化相似（参考图3），表现为先缓慢增加，再基本不变，最后缓慢降低。在 09：00—10：30之间和14：30以后，太阳辐照强度很弱，蒸发温度很低，制冷剂的汽化吸热量很少，造成COP很低，只有 2.2～3.0左右；在10：30—14：30期间，随着太阳辐照强度显著增加，蒸发温度越来越高，制冷剂汽化吸热量逐渐增大，制热量增大，COP逐渐变大，最大接近3.5；太阳能热泵平均COP保持在3左右。
3.3 系统干燥性能分析
通过干燥室回风口和送风口空气含湿量的增量可得到除水量M和单位时间除湿量MER。由图8-a可见，物料質量Mw随干燥进行，先迅速下降，后缓慢下降。MER在干燥初期由于太阳辐照强度较弱，MER在350 g/h左右；当 10：30 之后辐照强度增强时，MER迅速上升，并稳定在 450 g/h 附近，随着干燥的进行，MER也逐步下降，此时样品干基含水率和湿基含水率逐步下降，在最后阶段，如图8-b所示，由于湿基含水率已低于10%，干燥速率大幅下降，至此干燥基本完成。
图9进一步给出了不同时刻下整个联合干燥系统的COP和单位能耗除湿量SMER的变化曲线，以及COP与SMER之间的关系曲线。由图9-a可见，系统总的COP在3以上，平均在3.89左右，而传统空气源热泵COP只有2～3。SMER在0.6～2.1之间变化，平均值为1.65 kg/（kW·h），高于传统干燥器理论值1.596 kg/（kW·h）。图9-b为热泵COP与除湿能耗SMER关系曲线，其中理论关系曲线参考Brundrett的计算公式[19]，其中htg为100 ℃下水蒸气汽化潜热。多级联合干燥系统试验COP值随SMER的增加而增加， 且高于理论计算值。这主要是因为Brundrett计算式忽略了空气显热变化，同时，由于采用双级热泵系统，降低了各级热泵的冷凝器温度，显著提高了系统总COP。
4 结论
综上所述，太阳能热泵采用集热蒸发器有效地利用太阳能和空气（太阳能热泵蒸发温度低于环境温度）作为热源，多级热泵串联的加热方式显著提高了系统各级热泵和系统总的COP和干燥除湿SMER，完全满足干燥的需求，主要结论有以下几点：
（1）凝结式热回收热泵回收干燥室排气废热，实现了干燥废气的降温除湿和干燥介质一级等湿升温，有效减少了干燥过程对环境的热湿污染，热泵系统COP高且稳定。
（2）直接膨胀式太阳能热泵，实现了干燥介质的二次等湿升温，有效利用了太阳能，热泵系统COP变化规律与太阳辐照强度相似，但存在一定的滞后性。
（3）干燥介质（新风）的多级加热，根据不同干燥物料以及相同干燥物料的不同干燥阶段，后期优化可设置为4～6级加热，进一步有效降低了各级热泵的冷凝温度，提高系统COP。
（4）在试验条件下，系统平均COP可达3.89，平均除湿能耗SMER达1.65 kg/（kW·h），高于传统干燥器理论值 1.595 kg/（kW·h），完全满足中低温干燥需求。
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-全文完-