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太阳能热泵干燥技术进展浅析

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摘要:综述了国内外太阳能热泵干燥技术的研究进展,并对太阳能热泵干燥技术的最新应用进行了总结,分析了太阳能热泵干燥技术存在的问题,提出其未来的研究方向是太阳能辅助多级空气源、化学和地源热泵干燥系统,控制系统和经济性的研究。太阳能热泵干燥是一种新型干燥技术,它综合了太阳能干燥和热泵干燥的优点,解决了太阳能干燥受时间、气候等因素制约的问题,具有潜在的发展前景。

关键词:太阳能;热泵;干燥;应用

0引言

干燥技术广泛应用于木材、食品、烟叶、陶瓷、生物医药、化工等诸多领域。传统的干燥方式是燃煤热风、燃油干燥,随着工业化的进程加快,煤、石油等化石燃料大量消耗,加剧了环境的破坏,急需寻求清洁高效的干燥方式来取代传统的燃煤、燃油热风干燥[1-3]。热泵干燥是一种新型的干燥技术,采用逆卡诺循环的工作原理,以消耗一部分的高品位能量(电能、机械能)为代价,实现把低温热源中的热量转移到高温热源中。热泵干燥比其他干燥方式更加温和,进入干燥室的空气的温度和湿度都可以控制,热泵干燥系统的能效比(COP)可达3.0左右,能源利用率高,热泵干燥还具有适用范围广、运行费用低、环保无污染等优点。太阳能是一种可再生的清洁能源,随着化石燃料的短缺,太阳能受到越来越多的重视,太阳能利用技术也逐步发展起来,太阳能干燥就是其中之一。但是太阳能干燥易受气候条件、地理位置及时间因素的影响,限制了推广,为了满足节能环保和连续作业的要求,可以把太阳能和热泵组合成太阳能热泵联合干燥新技术。本文对该技术的研究进展进行了综述。

1太阳能热泵干燥国内外研究进展

1.1热泵系统中的制冷剂研究

Nasruddin等[4]研究了低GWP制冷剂R1234ze(E)在太阳能辅助热泵系统高温工况下系统能量、效益和环境的最优化。结果表明:蒸发温度为319K压缩机吸气温度372K和冷凝温度379K系统达到最佳工况,太阳能辅助热泵系统的COP为5.04。Lee等[5]研究了使用低GWP制冷剂(R-1233zd(E))的太阳能热泵系统的性能,该太阳能热泵系统带有一种新型的太阳能集热器,研究结果发现无论在任何天气条件下,这种新型的太阳能集热器的集热效率可达40%,与R-134a相比较,虽然R-1233zd(E)的热容量没有R-134a高,但是R-1233zd(E)的能量耗费率更低,系统在使用R-1233zd(E)能效比(COP)更高。王洪利等[6]对采用R1234yf为制冷剂的太阳能-空气能复合热泵系统进行了性能分析,且与选用R134a为制冷剂的热泵系统进行了对比,研究结果表明太阳能热泵系统的性能较高、耗功少、制热性能高,选用R134a作为制冷剂的热泵系统的COP比采用R1234yf高约2%~3.4%,而R1234yf作为R134a的替代物,温室效应值极低,环保性能更加显著。

1.2太阳能热泵系统研究

Sonsaree等[7]提出了一种将工业废热回收与太阳能热水系统相结合的蒸汽压缩热泵作为加热增压器的有机朗肯循环(ORC)发电的新概念。通过建立数学模型仿真对系统的经济性和对环境的影响进行了评估。结果表明当太阳能集热器的数量为700台时,该系统的平均电力成本(LEC)和回收期分别为0.098美元/(kW•h)和22.5年,可以生产47.0(MW•h)/年的电力,系统每年可减少二氧化碳排放量约25.8吨。蒋绿林等[8]设计一种凝结式热回收热泵和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,太阳能热泵系统对干燥介质进行二级加热(如图2所示)。试验结果表明:在平均辐照强度为625W/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1.65kg/(kW•h),均远高于传统干燥系统。Qiu等[9]设计了一种新型热回收和热储能太阳能辅助热泵干燥系统。试验结果表明:SAHPD的干燥系统的性能系数介于3.21至3.49之间,此外,在热回收方面可节省40.53%的能源消耗,经过计算用该系统干燥萝卜,胡椒和蘑菇的投资回收期分别是6年,4年,2年。胡静等[10]设计了一种相变储能光伏太阳能热泵干燥系统,可实现干燥废气余热(显热和潜热)回收、新风两级加热以及太阳能和热泵系统多余能量的储存。试验结果表明:太阳能光伏发电量可满足系统的供电要求。系统的COP为3.25,干燥温度可达60℃以上,适用于多种物料干燥。

1.3太阳能集热器研究

Chen等[11]设计了一种热管太阳能光伏集热器,试验结果发现,热泵系统的COP随着太阳能强度,环境温度和光伏背板吸收率的增加而增加,冷凝器入口水温,光伏封装因子和热管间距的增加会降低热COP,采用热管辅助光伏热力蒸发器的集热效率要比传统的光伏集热器高3%~5%。周伟等[12]设计了一种微通道集热/蒸发器,采用树形分支模型,由2块铝板冷轧吹胀而成,并将微通道集热/蒸发器应用到太阳能热泵系统中,试验结果表明:系统全年平均COP为4.8,集热效率为1.3。HadiSamimi-Akhijahani等[13]设计了一种可以对太阳进行跟踪的太阳能集热器,试验结果表明:太阳追踪系统将干燥时间从36.6%缩短至16.6%,显著增加了9.1%~64.6%范围内的有效水分扩散率。

2太阳能热泵干燥系统的形式

太阳能热泵干燥系统是由太阳能集热系统、热泵系统、干燥系统组成,主要部件包括太阳能集热器、循环风机、冷凝器、节流阀、蒸发器、压缩机、干燥室等,通常为了提高系统运行稳定性或者运行效率会增加集热水箱、箱变蓄热箱等装置。(1)太阳能热泵干燥系统根据热泵系统的蒸发器与太阳能集热器的组合形式分为:直膨式和非直膨式。在非直膨系统中,根据太阳能系统和热泵系统工作运行方式,又分为串联式、并联式和混联式。直膨式太阳能热泵干燥系统就是将太阳能的集热器和热泵系统的蒸发器组成太阳能集热蒸发器,在热泵蒸发器的表面喷涂光谱选择性图层,制冷剂直接在集热蒸发器中吸收太阳辐射能膨胀升温。直膨式太阳能热泵干燥系统以太阳能辐射能为主要低温热源,以自然对流的空气能作为辅助的低温热源,为干燥系统提供热量。Mohanraj等[14]研究了以R22为制冷剂的直膨式太阳热泵干燥系统的性能。试验结果发现:该系统COP在2.31~2.77之间变化,在40h内物料水分含量(湿基)从约52%降低至约9%,系统SMER为0.79kg/(kW•h),与空气源热泵干燥系统相比效果更优。非直膨串联式太阳能热泵系统是由太阳能集热系统和一个水源热泵系统组合而成。水在太阳能集热器中吸收太阳辐射能后温度升高,被泵入到集热水箱中储存,作为热泵系统的低温热源。热泵系统的制冷剂工质在集热水箱中吸收热量,经压缩机压缩后进入到冷凝器中,与室外的空气进行换热,然后由风机送入到干燥室中对物料进行干燥。李宏燕等[15]研究了太阳能与热泵干燥的串联形式,在太阳能不同的供热温度下对压缩机的工作性能进行了研究。结果表明提高热泵的蒸发温度,可改善压缩机的工作环境,从而提高热泵供热的COP。

非直膨并联式太阳能热泵干燥系统中太阳能系统和热泵系统相对独立工作,其中太阳能作为主要热源,热泵作为辅助热源。在太阳能充足时,由太阳能集热器提供热量对空气进行加热,进入到干燥室中对物料进行干燥。当遇到阴雨天气太阳能辐射较弱或者没有太阳能时,太阳能集热器收集的热量无法满足干燥的需要,启动热泵系统物料进行干燥Li等[16]研究了并联式太阳能热泵干燥系统的性能,试验结果发现:系统的最大COP可达6.25,SMER为3.0kg/(kW•h),与传统的干燥系统相比干燥产品质量显著提高,压缩机功耗降低。非直膨混联式太阳能热泵干燥系统有三种工作模式:第一种在太阳辐射能充足的时候直接由太阳能集热器为系统提供热量;第二种在阴雨天太阳能辐射较弱的时候,太阳能集热器收集的热量不能满足物料干燥的要求,可以采用串联的运行方式,由太阳能辅助热泵为干燥系统提供热量;第三种在没有太阳能辐射的时候,启动空气源热泵,由热泵系统对空气进行加热干燥物料。吴鹏辉等[17]设计了一套混联式太阳能热泵干燥系统,试验结果得出冷凝器温度在47.6℃,冷凝温度和蒸发温度差在12℃左右时,较为合理,该系统的SMER值要高于热风干燥,节能效果良好,干燥后的产品品质较佳。

(2)按干燥室空气循环方式可分为开路式干燥系统、闭路循环干燥系统和半开式干燥系统。开路式干燥系统就是干燥室内对物料进行干燥后废气不经过处理直接排放到大气中。闭路式干燥系统是干燥介质对在干燥室内对物料进行干燥之后,由热回收装置对干燥后的介质进行处理,吸收其中的显热和潜热,降低干燥介质的湿度,然后进入到加热装置中,升温后重新进入到干燥室循环利用。半开式干燥系统是介于以上两者之间包括新风补充和废气回收的系统。

3太阳能热泵干燥的最新应用

3.1菌菇干燥

郝亚萍等[18]设计了带有壳管式相变蓄热器的太阳能热泵联合干燥系统,对香菇干燥进行了研究。研究表明,在变温干燥条件下,香菇在较长时间内都能保持较大的干燥速率,更适合于菌菇类的干燥。

3.2中药材干燥

常瑞虎等[19]设计了固体储热材料蓄热型干燥室,搭建了太阳能热泵联合干燥试验台,研究了当归的干燥特性以及系统的性能。研究结果表明,新设计的干燥室可以很好地满足当归的干燥要求,流经物料层表面的热空气的速度和均匀性都得到了极大地改善。.3水产品干燥吴鹏辉等[20]利用太阳能热泵联合干燥的方法对初始含水率在75%以上的野生白鱼进行干燥,通过试验得到野生白鱼的最佳干燥工况。研究表明野生白鱼干燥的最佳工艺为:干燥温度为41.02℃,风速为2m/s,太阳能系统的循环风机功率为0.85kW,此时干燥能耗最小值为43.89kW•h。

3.4烟草干燥

李昂等[21]设计了一种太阳能光伏发电系统与双热源供热系统组合烤房,对烟叶进行烘烤,探究这种新型烤房和普通烤房耗能和烤后烟叶外观质量、化学成分的差别。结果表明,太阳能光伏发电系统与双热源供热系统组合烤房在生产应用中总耗能明显降低,烤后烟叶的外观品质提升,化学成分变得更协调,具有较好的推广价值。

3.5粮食干燥

谢婷婷等[22]以早籼稻谷为原料,采用太阳能辅助热泵联合干燥早籼稻谷,并探讨其干燥规律。研究结果发现,该系统可以显著缩短干燥时间、降低早籼稻谷的水分含量,并且不受自然条件等影响,具有良好的干燥效果。

3.6玫瑰花干燥

袁和涛等[23]设计一种太阳能与空气源热泵组合干燥的装置,并采用试验和对比分析的方法,通过对玫瑰花蕾进行干燥对装置进行测试。干燥装置性能优越,供热系数高达7.9,比单独使用太阳能更稳定,比热泵干燥更节能。设备干燥的玫瑰花蕾色泽纯正,花香清新,不含硫,市场价值更大。

4太阳能热泵干燥现存问题与展望

4.1现存问题

太阳能热泵干燥技术在各个方面的研究都比较深入了,但在实际运行中仍然存在一些问题:

(1)太阳能热泵干燥系统的初投资高,且系统需要定时维护,以保证系统高效运行。与传统的燃煤干燥相比,投资回报期较长。

(2)太阳能资源与地理环境有着很大的关系,北方地区太阳能资源丰富,而南方地区多阴雨天气,太阳能资源十分短缺,使得太阳能干燥技术在我国的东、南部利用率不高。

(3)热泵系统结霜问题。一些地方昼夜温差非常大,环境温度有可能达到0℃以下,从干燥室出来的高湿空气以及大气中的水蒸气会在热泵蒸发器的表面凝结成霜,使得制冷剂与环境的换热效率大大降低,系统性能下降。

4.2展望

在当今节能减排为主题的大环境下,太阳能热泵干燥技术具有很大的发展潜力。对太阳能热泵干燥技术不断地改进,扩大应用范围,提高干燥效率,增强运行稳定性,这将成为未来的发展趋势。

(1)对太阳能辅助多级空气源热泵的研究。开发太阳能辅助多级空气源热泵干燥系统,通过对能量的梯级利用,实现太阳能和空气源热泵效率双高。同时,从干燥室内出来的干燥介质的能量也可以进行多级回收,降低干燥成本,减小环境污染。

(2)控制系统的研究。开发更加完善的控制系统,实现在不同气象条件下,太阳能热泵干燥系统不同工作模式自动、无缝隙的切换,以及干燥介质湿度、温度、流速在线监测和智能控制。(3)太阳能集热器的研究。目前,对于提高太阳能集热器的集热性能已经进行了很多研究,但是对于不同类型的太阳能集热器在不同气候条件下与热泵合理匹配的方面研究较少,包括空气式集热器、液体式集热器。

(4)太阳能辅泵干燥系统经济性的研究。太阳能热泵系统的成本高,且在系统中有较多的运动部件需要定时维护,这些因素都会限制太阳能热泵干燥系统的推广。因此可以对太阳能泵干燥系统的经济性进行研究,得到不同类型太阳能热泵干燥系统的投资回报期,可为选择适合不同气候和经济条件的最佳太阳能热泵系统提供使用指南。

(5)太阳能联合其他源热泵系统的研究。应该加大对太阳能联合水源、土壤源、化学源热泵系统的研究,可根据实际地理环境和气候条件选择合适的干燥系统,进一步的提高能源利用率。

5结语

太阳能热泵干燥技术有着其他干燥技术不可比拟的优势——对太阳能进行了利用,同时具有干燥效率高、节能环保的优点。目前,对于太阳能热泵干燥技术的研究已比较成熟,但是对于太阳能辅助多级空气源、化学和地源热泵干燥系统、精密的控制系统、不同类型太阳能集热器在不同气候条件下与热泵系统合理匹配的研究以及太阳能热泵干燥系统投资与回报的问题研究还比较少。随着研究的深入和技术的不断成熟,太阳能热泵干燥技术会创造更大的节能环保效益,对于缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义。

作者:李亚伦 李保国 朱传辉 单位:上海理工大学能源与动力学院

包装与食品机械杂志责任编辑:陈老师    阅读:人次