太阳能-空气源热泵牧草干燥系统制热性能研究

2024-01-11钱珊珠杨海巍郭文斌钱丹珠张清杨王振彬屠旭杰黄长华

农机化研究 2024年2期

钱珊珠,杨海巍,郭文斌,钱丹珠,张清杨,王振彬,屠旭杰,黄长华

(1.内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特 010018;2.通辽职业学院药品食品系,内蒙古通辽 028000)

0 引言

太阳能作为清洁、无污染、可再生能源,在干燥领域应用广泛。但是,由于太阳能的间歇性、分散性及气候依赖性等原因,以太阳能作为唯一热源的干燥模式不能实现稳定、连续作业[1-6],或无法保障干燥过程中所需热能,工艺不易控制,进而限制了该技术的推广应用。空气源热泵系统是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置,因系统冷热源合一、运行过程可控、状态可调,能使输出功率与工作环境相适应,受天气影响较小,但对电能消耗量较大[7-9]。近年来,太阳能-热泵联合干燥逐渐成为干燥领域的热点,其在粮食、果蔬、木材等领域应用广泛[10-14],但在牧草干燥领域中的应用不多见。太阳能-空气源热泵系统是一种新型的牧草干燥系统,研究其制热性能对牧草干燥设备的改进设计、研发及干燥工艺的匹配研究具有重要意义和实际参考价值。

1 干燥系统组成及工作原理

太阳能-空气源热泵牧草干燥系统由制热单元、干燥单元和控制单元构成,如图1所示。

图1 干燥系统示意图Fig.1 Schematic diagram of drying system

其中,制热单元由太阳能集热子系统、空气源热泵子系统组成;干燥单元由迂回级联式两个气室及干燥支架和托盘等组成;控制单元是以PLC为核心的控制器,可控制各单元执行部件的调速、启停和系统工作条件、工艺参数的设定等,便于不同模式之间的切换和干燥过程的自动控制。

系统工作原理示意图如图2所示。工作时,太阳能制热单元将外界环境干冷空气加热,被加热后的热空气在鼓引风机及循环风机作用下依次进入备气室、干燥单元的A室和B室,进入干燥室的热空气与物料进行对流换热换质,从而达到干燥目的。

图2 干燥室内部气流分布Fig.2 Air distribution inside the drying chamber

制热单元的工作可以是两个子系统联合运行或各自单独运行3种模式。当系统处于联合运行状态时,冷空气经过集热器升温,在鼓引风机作用下进入备气室;进入备气室的热空气温度没有达到设定温度时热泵启动对其进行二次加热,在与干燥室A与干燥室B相连循环风机作用下先后经过A室、B室,进入备气室;进入备气室的湿热空气再次被加热,又一次送入干燥室。此外,当干燥室内热空气相对湿度大于设定上限湿度时,干燥室的除湿风机开始工作,排除湿热空气,由与集热器相连的鼓引风机补充干热空气。

2 系统测试设备及试验指标

本文研究对象是太阳能-空气源热泵干燥系统,通过在此系统上进行太阳能单独制热、热泵单独制热和太阳能-热泵联合制热3种模式下的试验,对联合干燥系统在实际应用中的性能进行分析。为了分析系统在实际物料干燥过程中的性能,结合牧草干燥需求,选择紫花苜蓿为干燥物料。

2.1 测试设备

1)温湿度传感器:选用华控兴业生产的型号为HSTL-102WS的温湿度传感器,用来测量干燥室内温度、冷凝器前后温度以及环境温度,其量程为0～100%RH、-40～120℃,精度为±0.2℃、±2%RH,响应时间<15s。

2)称重传感器:选用雷泰生产的型号为LD-A3的称重传感器,用来测量被干燥苜蓿的实时质量变化,其量程为0～5kg,精度为±1g,综合误差为±0.02%F·S。

3)三相四线电能表:选用上海人民生产的型号为DTS1762的三相四线电能表,用来测量干燥系统的耗电量,其量程为0～99999.9kW·h,精度为0.1kW·h。

4)太阳能辐射仪:选用锦州阳光生产的型号为TBQ-2的太阳能辐射仪,用来测量环境中的太阳辐照度,其量程为0～2000W/m2,精度<5%。

2.2 试验指标

试验指标有系统能效比COP、单位能耗除湿量SMER。此外,还引入两个新指标,即温升速率vt和单位温升耗电量wt。

1)能效比COP。计算公式为[15]

(1)

(2)

式中Pc-冷凝器的制热功率(kW);

ca-空气的定压比热容[J/(kg·K)];

Tco、Tci-冷凝器的出风口、进风口温度(℃);

Pe-热泵干燥系统的电功率(kW)。

2)温升速率vt(℃/min)。温升速率vt是指单位时间内干燥室内温度变化值,计算公式为

(3)

式中T2、T1-t2、t1时刻测试点的介质(空气)温度(℃);

t2、t1-测试时间(min)。

3)单位温升耗电量wt。wt是指干燥室内温度每升高1℃系统所需的电能(kW·h/℃),计算公式为

(4)

式中 ΔW-Δt=(t2-t1)时间内的耗电量(kW·h)

ΔT-Δt=(t2-t1)时间内测试点温度的增量(℃)。

4)单位能耗除湿量SMER。计算公式为

(5)

式中mi、mf-物料的初始质量和最终质量(kg);

W-系统的耗电量(kW·h)。

2.3 试验设计及试验因素水平

2.3.1 试验设计

试验根据制热系统工作模式分为太阳能单独制热、热泵单独制热、太阳能-热泵联合制热3种。根据干燥室内有无物料分为空载试验和带载试验,通过带载试验研究系统的除湿能力。

太阳能集热子系统制热试验中由于无法做到恒温制热,故采用温升速率和温升耗电量作为其性能指标。试验中,测取在实时天气状态下热空气所能达到的最高温度、所需时间及耗电量,计算温升速率与温升耗电量。

热泵单独制热试验和太阳能-热泵联合制热试验研究中将制热过程分为升温制热和恒温制热两个阶段,分析在不同目标温度及制热过程中的耗电量、制热效率及COP值。

2.3.2 试验因素水平及试验方法

试验因素包括环境温度、太阳能辐射、制热温度及时间,如表1所示。

表1 热泵单独制热及太阳能-热泵联合制热试验因素水平表Table 1 Test factor level table of heat pump independent heating and solar-heat pump combined heating test

太阳能制热子系统性能试验的指标有温升率和温升能耗,影响其制热性能的因素有太阳能辐射、环境温度、相对湿度及集热器内空气流量等,试验在空气流量一定的情况下进行。热泵制热子系统不工作时,系统处于太阳能单独工作模式;关闭集热器与备气室管道间的鼓引风机时,系统处于热泵单独制热模式。温升制热试验中,测取干燥室内温度从环境温度至设定的恒温制热温度过程的温度、时间和能耗;恒温试验是在干燥室内温度达到设定的制热温度后继续制热3～4h,测取时间和能耗。

3 试验材料及结果

3.1 试验材料及地点、时间

带载试验所用紫花苜蓿产于中国农业科学院草原研究所农牧交错试验示范基地,试验地点为内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区内蒙古农业大学机电学院实训基地,试验时间为2021年6月30日～7月20日。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 太阳能单独制热试验

表2为进行太阳能单独制热试验日的环境参数变化范围,具体时间是2021年6月30日、7月1日、7月3日。

表2 太阳能单独制热试验日环境参数Table 2 Environmental parameters of solar heating alone test day

试验日环境温度和太阳辐照度变化曲线如图3所示。由图3可知:干燥室内温度变化趋势与环境温度和太阳辐照度变化趋势基本一致,即当环境温度和太阳能辐照度增加时干燥室内温度也会随之增加;晴间多云时的太阳辐照度和环境温度波动与晴天相比更为剧烈,说明太阳能单独制热模式受天气因素影响明显且制热温度波动大,且制热效率低;干燥室内最高温度为38.6℃(2021年7月3日13时),温度升高范围在4.7～8.3℃。

图3 环境温度和太阳能辐照度变化曲线Fig.3 Variation curves of ambient temperature and solar irradiance

图4为温升速率图。由图4可知:即使在晴天,温升速率也不随着辐射增大而增加,且温升速率很低;太阳能辐射有波动时温升速率的波动随之变大,如辐射范围在315～787W/m2范围内的晴间多云天气的温升速率在-0.123～+0.117℃/min之间(2021年7月1日)。此外,温升速率有出现负值的现象,说明太阳能单独制热模式会受到环境因素的制约,无法提供稳定的制热温度,温升速率低同时也使系统能耗增大。

图4 温升速率变化曲线Fig.4 Temperature rise rate change curve

3.2.23种工作模式下系统温升速率vt和单位温升耗电量wt对比分析

分别选取与2021年7月3日环境条件基本接近的另外两种试验,对3种试验模式下干燥室内温度由环境温度(24℃)升至38℃时的数据进行分析,获得的温升速率范围耗电量如表3所示。

表3 vt和wt对比表Table 3 vt and wt comparison table

由表3可知:在温升试验中,太阳能热泵联合制热模式的温升速率比太阳能单独制热模式高99～112倍,比热泵单独制热模式温升速率低7.7%～17.6%。由于太阳能制热模式制热速率过小、制热时间过长,导致单位温升耗电量相较高。太阳能-热泵联合制热模式与其相比,单位温升耗电量降低86.2%,与热泵单独制热单位温升耗电量相比低8.0%。

3.2.3热泵系统与太阳能-热泵联合系统的性能分析

图5为热泵单独制热和太阳能-热泵联合制热试验的单位温升耗电量和系统的COP随制热温度的变化图。由图5可知:升温制热过程中,不同温度阶段耗电量不同,且随着制热温度的升高耗电量也增大;在相同温升阶段的制热模式下,联合制热能耗普遍比热泵单独制热能耗低;恒温制热过程中的耗电量也随制热温度的升高而增大。

图5 单位温升耗电量和系统的COP随温度的变化图Fig.5 Changes in power consumption per unit temperature rise and COP of the system with temperature

表4为热泵单独制热和太阳能-热泵联合制热两种模式下不同温度或温度范围内的系统耗电量情况,表5为两种制热模式下不同温度或温度范围内的系统COP值。

表4 两种制热模式下的耗电量及其增幅Table 4 Power consumption and its increase in two heating modes

表5 两种制热模式下的COP及其增幅Table 5 COP and its increase in two heating modes

由表4、表5可知:无论是恒温制热,还是升温制热,太阳能-热泵联合制热模式均体现了低能耗、高COP的特点,且两种制热模式的变化趋势基本一致:随着制热温度或温度区间的增大,耗电量随之增加,COP随之降低。

相比热泵单独制热模式,恒温制热下耗电量降低了5.8%～10.7%,COP提高了6.5%～1.1%;升温制热下,耗电量降低了6.7%～11.1%,COP提高了6.0%～10.4%。

3.2.4 系统除湿能力分析

为了探究干燥系统的除湿能力,在干燥系统上对紫花苜蓿进行恒温干燥试验。制热模式有热泵单独干燥和太阳能-热泵联合干燥,变化曲线如图6所示。苜蓿草初湿含水率为55%,状态为捆草,密度为80kg/m3,干燥温度55℃。

图6 系统的SMER与苜蓿含水率随时间的变化曲线Fig.6 Variation curve of SMER and water content of alfalfa system with time

由图6(a)、(b)可知:干燥温度及干燥介质温度一定情况下,苜蓿含水率不同对应的单位能耗除湿量SMER也不同,除湿能力与含水率变化呈正相关,含水率越高除湿能力越强。图6(c)显示:太阳能热泵联合干燥的SMER值范围为0.79～2.97,热泵单独干燥的SMER值范围为0.59～2.43,太阳能联合干燥模式的除湿效率比热泵单独干燥模式高19.8%～36.2%。