李宏燕，何建國(guó)，李明濱

摘要：針對(duì)單一太陽(yáng)能干燥和單一空氣源熱泵干燥存在的不足，設(shè)計(jì)搭建了太陽(yáng)能輔助熱泵干燥系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱器（蒸發(fā)器）、壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)等。試驗(yàn)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(duì)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(shí)，熱泵的制熱性能較高，熱泵噪音較低，更適于太陽(yáng)能輔助熱泵干燥系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;熱泵;干燥

中圖分類號(hào)：TK512 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：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(chǔ)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(shí)間長(zhǎng)、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(xiàng)節(jié)能技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展較快[3-13]。但熱泵用于制熱時(shí)，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(yáng)能與熱泵結(jié)合，可以綜合利用太陽(yáng)能可再生能源和熱泵節(jié)能技術(shù)，以太陽(yáng)能集熱儲(chǔ)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(shí)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(duì)單一太陽(yáng)能干燥和單一熱泵干燥的不足，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能輔助熱泵干燥試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能輔助熱泵干燥系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了太陽(yáng)能連續(xù)穩(wěn)定熱源供熱模式下，不同供熱溫度對(duì)壓縮機(jī)工作性能的影響，對(duì)比分析了不同供熱溫度下壓縮機(jī)的制熱能效。

1 ?太陽(yáng)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(yáng)能輔助熱泵干燥系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)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(yáng)能集熱儲(chǔ)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(jiàn)圖1。系統(tǒng)工作原理為：太陽(yáng)能集熱器收集并儲(chǔ)存太陽(yáng)能，調(diào)節(jié)儲(chǔ)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(yàn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括真空管太陽(yáng)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(jiàn)表1。

2 ?太陽(yáng)能輔助熱泵干燥試驗(yàn)

2.1 ?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以太陽(yáng)能連續(xù)不同供熱溫度下熱泵制熱性能測(cè)試為目的，通過(guò)調(diào)節(jié)集熱器儲(chǔ)熱箱介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱模式下不同試驗(yàn)蒸發(fā)溫度。通過(guò)測(cè)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(guò)程，分析熱泵運(yùn)行狀態(tài)，分別計(jì)算熱泵制熱量和制熱系數(shù)COPh。

2.2 ?試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)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(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)記錄和保存，采集時(shí)間間隔30 s;壓力和電流信號(hào)采用直讀式儀表，采集時(shí)間間隔10 min，并將電流信號(hào)換算為壓縮機(jī)功率。系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)及測(cè)量?jī)x器見(jiàn)表2。

2.3 ?試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)節(jié)儲(chǔ)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(shí)間的變化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2至圖6。

結(jié)果表明，太陽(yáng)能不同供熱蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度有較大影響，對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guò)25 ℃。

3 ?小結(jié)

太陽(yáng)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(guò)對(duì)太陽(yáng)能輔助熱泵不同供熱溫度下的系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)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(yáng)能輔助熱泵蒸發(fā)溫度為20～25 ℃。該試驗(yàn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳 ?東，謝繼紅.熱泵干燥裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 關(guān)志強(qiáng)，鄭立靜，李 ?敏，等.羅非魚(yú)片熱泵-微波聯(lián)合干燥工藝[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（1）：270-275.

[3] SAMI S M，TULEJ P J. A new design for an air source heat pump using a ternary mixture for cold climates[J]. Heat recovery system & Chp，2001，15（6）：521-529.endprint

[4] HEWITT N J， HUANG M J， ANDERSON M，et al.Advanced air source heat pumps for UK and European domestic buildings[J]. Applied Thermal Engineering，2011，31（ 17/18）：3713-3719.

[5] CHO Y，YUN R. A raw water source heat pump air-conditioning system[J].Energy and Buildings，2011，43（11）：3068-3073.

[6] QIAN J F，ZHANG J L. Feasibility analysis of urban sewage source heat pump system with freezing latent heat collection[J]. Journal of Southeast University，2010，26（2）：324-326.

[7] OZGENER O，HEPBASLI A.Modeling and performance evaluation of ground source （geothermal） heat pump systems[J]. Energy and Buildings，2007，39（1）：66-75.

[8] YU X，ZHAI X Q，WANG R Z.Design and performance of a constant temperature and humidity air-conditioning system driven by ground source heat pumps in winter[J]. Energy Conversion and Management，2010，51（11）：2162-2168.

[9] CHEN X， YANG H X，LU L，et al. Experimental studies on a ground coupled heat pump with solar thermal collectors for space heating[J]. Energy， 2011，36（8）：5292-5300.

[10] LIANG C H，ZHANG X S，LI X W，et al. Study on the performance of a solar assisted air source heat pump system for building heating[J]. Energy and Buildings，2011，43（9）：2188-2196.

[11] CHEN X，LU L，YANG H X. Long term operation of a solar assisted ground coupled heat pump system for space heating and domestic hot water[J]. Energy and Buildings，2011，43（8）：1835-1844.

[12] 趙海波，楊 ?昭.熱泵間歇干燥白菜種子內(nèi)部含水率變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（11）：261-266.

[13] 呂 ?君，魏 ?娟，張振濤，等.熱泵烤煙系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（增刊1）：63-76.

[14] 劉圣勇，張百良，袁 ?超，等.采用太陽(yáng)能集熱器干燥玉米的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17（6）：93-96.

[15] NESLIHAN C， HEPBASLI A. A review of heat pump drying： Part 1-Systems， models and studies[J]. Energy Conversion and Management， 2009， 50（9）：2180-2183.

[16] 倪 ?超，李娟玲，丁為民，等.全封閉熱泵干燥裝置監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（10）：134-139.

[17] ITO S，MIURA N，WANG K. Performance of a heat pump using direct expansion solar collectors[J]. Solar Energy，1999，65（3）：189-196.

[18] KUANG Y H，SUMATHY K，WANG R Z. Study on a direct-expansion solar assisted heat pump water heating system[J]. International Journal of Energy Research，2003，2（5）：531-548

[19] CHATURVEDI S K，CHEN D T，KHEIREDDINE A.Thermal performance of a variable capacity direct expansion solar-assisted heat pump[J]. Energy Conversion and Management，2008，39（3-4）：181-191.

[20] 代建國(guó).太陽(yáng)能輔助熱泵就倉(cāng)干燥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[21] 李海峰，李 ?勇，代彥軍，等.太陽(yáng)能輔助熱泵綜合就倉(cāng)干燥系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（7）：109-113.

[22] 呂金虎，趙春芳，李金成.熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品加工中的應(yīng)用與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（1）：212-217.

[23] 張嘉輝.熱泵干燥理論和種子干燥性能的研究[D].天津：天津大學(xué)，1999.

[24] 李思遠(yuǎn).種子熱泵干燥過(guò)程中傳熱傳質(zhì)以及生命物質(zhì)變化規(guī)律[D].天津：天津大學(xué)，1999.

[25] 楊先亮，謝英柏，靳光亞.熱泵干燥婆棗的方案對(duì)比和試驗(yàn)對(duì)比[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：329-332.endprint