胡燈運,何 偉,張世超,呂 松,胡中停,庾漢成,秦明輝,季 杰
(1. 中國科學技術大學,熱科學和能源工程系,合肥 230026;2. 合肥工業(yè)大學,建筑環(huán)境與技術工程系,合肥 230009;3. 青海建筑職業(yè)技術學院,西寧 810000)
枸杞,又稱紅耳墜,其營養(yǎng)豐富,富含枸杞多糖和多種氨基酸,具有調節(jié)免疫力、抗衰老、補腎養(yǎng)肝和潤肺明目等功效。我國枸杞產地主要分布在寧夏回族自治區(qū)、青海省和河北省等地區(qū),尤以擁有“中寧枸杞甲天下”美譽的寧夏中寧枸杞最為有名,其作為馳名中外的名貴藥材,備受國內外消費者的青睞[1]。由于新鮮枸杞的濕基含水量最高可達83%[2],不能長時間保存,因此需要對其烘干后貯藏,即干制。但是,落后的枸杞干燥技術制約了枸杞產業(yè)的發(fā)展。目前寧夏、青海等地的枸杞大多采用自然晾曬和機械熱風烘干。自然晾曬的傳統(tǒng)干燥方法易受天氣影響,且存在干燥時間長、營養(yǎng)物質流失嚴重等問題[3-5]。近些年,隨著市場對枸杞需求量不斷增加以及消費者對干燥品質要求的提高,隧道式、有箱式熱風干燥機等機械化烘干技術得到了一定推廣[6-7],這雖然很好地解決了自然晾曬遇到的問題,但由于其對能源的消耗過大,在個體農戶中推廣受限。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強,清潔無污染的太陽能熱干燥技術越來越引起人們的重視和青睞,受到廣泛的研究[8-12]。目前太陽能-熱泵干燥系統(tǒng)設計尚不能實現(xiàn)多種模式運行或者在切換不同運行模式時程序過于復雜,且對排濕過程的熱回收考慮較少,運行成本較高。基于上述的研究現(xiàn)狀,本文創(chuàng)新地提出了一種更適合干燥枸杞的太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。該系統(tǒng)的太陽能空氣集熱器和熱泵機組可以實現(xiàn)兩者聯(lián)合運作和選擇性獨立運行,簡化了不同模式之間的切換程序,同時排濕裝置中全熱交換器的使用減少了熱損、提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。
本文設計了太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng),既可以根據(jù)枸杞的干燥特性設置干燥溫度,提高干燥枸杞的品質,同時又將可再生能源——太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合使用,減少電能消耗,符合可持續(xù)發(fā)展的理念。為了研究該系統(tǒng)干燥枸杞的節(jié)能效果,本文進行了熱泵單獨運行和太陽能-熱泵聯(lián)合運行干燥枸杞的實驗研究。結果表明該系統(tǒng)可以不受外界環(huán)境的影響提供符合枸杞特性的干燥條件,縮短干燥時間,提高干制枸杞的品質,另外太陽能-熱泵聯(lián)合干燥模式可以節(jié)省更多的電能。
太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)主要由太陽能空氣集熱器、空氣源熱泵機組和排濕裝置構成,如圖1所示。為了將太陽能與熱泵技術有效地結合,實現(xiàn)不同的運行模式,本文設計了包含三通閥和全熱交換器獨特的風道系統(tǒng),更便于不同模式之間的切換和節(jié)省更多的能源。其俯視圖和主視圖分別如圖2和圖3所示。具體的工作模式如下。
圖1 太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥枸杞系統(tǒng)示意圖Fig. 1 A schematic diagram of Chinese wolfberry drying with solar assisted heat pump system
圖2 干燥系統(tǒng)的風道俯視圖Fig. 2 The overlook map of the air duct of drying system
圖3 干燥系統(tǒng)的風道主視圖Fig. 3 The main view of the air duct of drying system
(1)熱泵單獨運行干燥模式
在太陽輻照較弱,太陽能集熱器的空氣出口溫度低于干燥所設定的溫度時,集熱器風機2關閉,三通閥6關閉。在干燥房內的空氣濕度未達到設置的上限時,風閥15打開,從干燥房排出的循環(huán)氣體從管道16經過風閥13、三通閥6后進入管道11,最終經過空氣源熱泵的冷凝器加熱后被循環(huán)風機送入干燥室。如果干燥房內的熱風濕度過高,風閥13關閉,三通閥6打開(如圖2所示位置),管道16中的回風進入全熱交換器 5,加熱新風后排出,被加熱的新風經三通閥6進入管道11進行循環(huán),減少因排出的空氣溫度過高而導致的熱損,提高能源利用率。
(2)太陽能單獨運行干燥模式
在夏季太陽輻照較高時,太陽能集熱器提供的能量足夠滿足干燥需求,集熱器風機2打開,三通閥6打開。當不需要排濕時,集熱器進口風閥10打開,風閥15關閉,干燥后的空氣被送入空氣集熱器,加熱后送入干燥室。當濕度過高時,風閥15打開,一部分回風經過通道16經全熱交換器5排出,室外的新風經全熱交換器加熱后通過管道12和另一部分回風混合后進入集熱器,被加熱后繼續(xù)循環(huán)使用。
(3)太陽能-熱泵聯(lián)合運行干燥模式
當太陽輻照較強,或干燥負載過大時,集熱器出口空氣的溫度高于干燥所需的溫度但其提供的熱量不能夠滿足干燥所需,干燥模式和太陽單獨工作時相似,只是經集熱器出口的熱空氣,被熱泵的冷凝器加熱后再送入干燥室,既保證了干燥過程的穩(wěn)定性又節(jié)省了能源。
為研究太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥枸杞系統(tǒng)的節(jié)能效果,搭建了實驗測試平臺,實物圖如圖4所示。實驗過程中用輻照儀記錄太陽輻照強度,用K型熱電偶測量集熱器進、出口及干燥房內空氣溫度,并用采集儀實時記錄這些數(shù)據(jù),同時用熱線風速儀測量集熱器的空氣流速,用電能表每隔1 h測量熱泵機組和集熱器風機的耗電量。實驗儀器和系統(tǒng)的主要裝置參數(shù)分別如表1和表2所示。
圖4 太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥枸杞系統(tǒng)實物圖Fig. 4 The picture of drier with solar assisted heat pump system
表1 實驗設備及準確度Table 1 The apparatus and accuracy
表2 實驗設備參數(shù)Table 2 The apparatus and parameter
為了比較該系統(tǒng)在熱泵單獨工作模式和太陽能-熱泵聯(lián)合工作模式下的節(jié)能效果,于 2017年10月中旬在合肥選擇了天氣狀況相近的三天,分別進行了空載-熱泵單獨運行、負載-太陽能熱泵聯(lián)合運行和負載-熱泵單獨運行三種運行模式的實驗測試,三天的輻照和環(huán)境溫度如圖5所示。
圖5 三天的輻照和環(huán)境溫度Fig. 5 The radiation and ambient temperature of three days
實驗材料為經保鮮空運至合肥的寧夏新鮮枸杞,測得鮮果的初始含水率為80%。在兩種干燥模式下分別將初始重量為50 kg的新鮮枸杞干燥到含水率為12%左右。由于枸杞干燥的速度主要受枸杞表面的水分蒸發(fā)速度和枸杞內部的水分傳輸速度的影響,枸杞干燥過程大致可以分為三個階段[13]。在干燥的第一階段,干燥溫度過高會使內部傳輸速度小于表面蒸發(fā)速度,使枸杞表面硬化,影響進一步的內部傳輸,進而影響干燥速率和干制枸杞的質量。另外,由于夜間間斷而導致干燥時間過長,不僅會影響用戶干制枸杞的產量,還會導致枸杞內部的多糖流失,破壞枸杞的品質。為此實驗采用“三段式”干燥,即從7:00開始,先用較低溫度50℃干燥2 h,然后將溫度升到58℃干燥2 h,最后把溫度設置為66℃,直到枸杞的含水率為 12%時干燥結束,整個干燥過程耗時11 h。這樣不僅可以提高干制枸杞的品質,還可以節(jié)約能源。
枸杞的水分比反映了枸杞在干燥過程中水分的變化情況,計算式為[14]:
式中,MR為水分比,M0為初始含水率,%;Mt為在t時刻的平均含水率,%;Me為平衡含水率,%。
由于平衡含水率相較于很小,所以可簡化為:
枸杞的干燥速率反映了枸杞水分向外蒸發(fā)的快慢,計算式為[14]:
式中:Mt1、Mt2分別為t1、t2時刻是作物的干基含水率;t1、t2為時間,h。
太陽能集熱器效率計算式為[15]:
式中,η為集熱器的熱效率;m為集熱器空氣的質量流量,kg/s;ca為空氣比熱,J/(kg·K);Tin、Tout分別為集熱器進、出口溫度,℃;A為受太陽輻照面積,m2;G為太陽輻照強度,W/m2。
干燥系統(tǒng)的除濕能耗比是評價熱泵干燥系統(tǒng)節(jié)能性的重要指標,即除去枸杞中的水分與熱泵干燥系統(tǒng)消耗總的能量之比,表達式為[8]:
式中,RSME為除濕耗能比,kg/(kW·h);MW為從作物中除去的水的質量,kg;WP熱泵干燥過程中消耗的電能,kW·h。
圖6為兩種運行模式下枸杞的水分比MR及干燥速率DR隨時間的變化情況。從圖中可以看出,從7:00-8:00,由于存在預熱階段,枸杞干燥速率較慢,當枸杞溫度達到干燥設定溫度后干燥速率逐漸上升;9:00-11:00由于設定的溫度升高,干燥速率有明顯的加快;干燥到達第三階段,干燥速率達到最大,之后由于枸杞內部水分的下降,內部水分擴散速率下降而導致枸杞干燥速率下降。這種變溫式干燥可以使枸杞一直保持處于較高的干燥速率,提高了干制枸杞的品質,還減少了能源的消耗。由于設定的干燥溫度一致,干燥過程中枸杞的水分比MR和干燥速率 DR的變化趨勢幾乎一致,因此可以通過對比兩種干燥模式的耗電量和RSME來評價該干燥裝置的綜合性能。
圖6 枸杞的MR和DR隨時間變化的情況Fig. 6 MR and DR of Lycium barbarum
為了探究太陽能集熱器在該干燥系統(tǒng)中的節(jié)能效果,本文測試了集熱器的特征效率和干燥過程中的實時效率。
集熱器性能測試實驗在2017年10月18日正午時分進行。太陽輻照為800 W/m2左右,風速約為2 m/s,環(huán)境溫度為18℃左右,空氣的質量流量為480 m3/h。集熱器的瞬時效率曲線如圖7所示,集熱器的特征效率為 58.8%,對應的光熱效率與歸一化溫差的擬合關系式為:
式中,η為集熱器的熱效率;Tin、Ta分別為集熱器的進口溫度和環(huán)境溫度,℃。
圖7 集熱器的瞬時光熱效率曲線Fig. 7 The instantaneous thermal efficiency curve of the collector
太陽能-熱泵聯(lián)合運行干燥過程中集熱器大約在 8:40開始工作,其中每小時內平均熱效率和對應的輻照如圖8所示,可以看出集熱器的效率隨著太陽輻照的升高而變大,整個干燥過程中集熱器具有較高的熱效率,這有利于提高整個干燥系統(tǒng)節(jié)能效果。
圖8 集熱器平均熱效率和其對應的太陽輻照Fig. 8 The average thermal efficiency of collector with radiation
不同干燥模式的耗電量是該系統(tǒng)節(jié)能效果的直觀反映,從圖9可以看出,隨著設定干燥溫度的升高,系統(tǒng)的耗電量變大,并在每階段的第一個小時內由于枸杞的預熱升溫耗電量較大,同時可以發(fā)現(xiàn)在每個干燥階段隨著干燥的進行,枸杞的含水率逐漸下降,釋放水分所需的熱負荷減少,耗電量也不斷減少。為了保證干制枸杞的品質,在一天內完成干燥,實驗設置的干燥溫度較高,因此干燥室對外界有一定的熱損。熱泵單獨干燥和太陽能-熱泵聯(lián)合干燥曲線在 12:00-13:00間距最大,因為這段時間內太陽輻照較強,集熱器可以提供更多的熱量,減少系統(tǒng)的耗電量。
圖9 干燥系統(tǒng)的耗電情況Fig. 9 The power consumption of the drying system
圖10為相同的干燥溫度下三種不同運行模式的耗電量。從圖中可以發(fā)現(xiàn),由于干燥房內循環(huán)風機的使用和干燥房對外界存在熱量損失,使系統(tǒng)空載時就有一定的耗電量,在同樣的工況下系統(tǒng)一天的耗能大約為14.8 kW·h。另外,和熱泵單獨工作相比,太陽能-熱泵聯(lián)合干燥的熱泵機組可以節(jié)省5.3 kW·h,但由于集熱器工作時集熱器風機需要耗電,大約為 2.4 kW·h,因此總體可以節(jié)省電能2.9 kW·h。若除去空載時系統(tǒng)的耗電量14.8 kW·h,節(jié)省的電量占熱泵單獨干燥耗電量的29.5%。
圖10 干燥系統(tǒng)的總耗電量Fig. 10 The total power consumption of the drying system
圖11反映了兩種干燥模式下枸杞的除濕能耗比的變化情況。在干燥前幾個小時,升高溫度,RSEM不斷升高,因此在保證枸杞質量的情況下,適當提高溫度可以減少能耗。當枸杞含水率較低時,枸杞的內部水分擴散速率下降,釋放相同質量的水分需要消耗更多的能量,因此枸杞的RSEM不斷下降。從整體上可以得出,太陽能集熱器的使用對提高系統(tǒng)的RSEM有顯著效果。
圖11 干燥系統(tǒng)的RSEMFig. 11 The RSEM of the drying system
本文將太陽能干燥技術的節(jié)能性與熱泵干燥技術的穩(wěn)定性相結合,提出了太陽能-空氣源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)。該干燥系統(tǒng)具有:①熱泵的可調控性,可以根據(jù)枸杞的干燥特性設定干燥溫度,以提高干燥枸杞的質量和減少能源消耗;②獨特設計的送風-回風系統(tǒng)可以實現(xiàn)太陽能單獨運行、熱泵單獨運行和太陽能-熱泵聯(lián)合運行三種運行模式,根據(jù)不同的天氣狀況和干燥量的多少選擇合理的干燥模式以減少能源的消耗;③全熱交換器的使用可以在排濕過程中回收更多的熱量。
通過對熱泵單獨運行和太陽能-熱泵聯(lián)合運行干燥枸杞的對比實驗研究,可以得出以下結論:①干燥室對外界有一定的散熱,在相同的設定溫度情況下系統(tǒng)空載運行的耗電量約為14.8 kW·h。②由于設定的干燥溫度相同,兩種模式下枸杞的MR和DR變化趨勢幾乎一致,并且枸杞的干燥速率隨干燥溫度的升高而升高,隨著枸杞含水率的減少而下降。③實驗過程中集熱器工作時間為8:43-15:45,集熱器的效率在中午可達52%,集熱器的使用一共可以節(jié)省2.9 kW·h的電能,若同時減去空載時系統(tǒng)的耗電14.8 kW·h,節(jié)省的電量占熱泵單獨干燥耗電的 29.5%。同時太陽能-熱泵聯(lián)合干燥的RSEM也比熱泵單獨干燥時低,最大差值為0.7 kg/(kW·h)。因此本創(chuàng)新型太陽能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)可以一定程度上減少能源的消耗,降低作物的干燥成本,更適宜在枸杞產量高、太陽輻照充足的青海和寧夏等地推廣。
參考文獻:
[1]茍金萍. 枸杞產品標準現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 農業(yè)質量標準, 2007(4): 28-29. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8255.2007.04.009.
[2]李瑞盈. 寧夏枸杞產地特征識別技術研究[D]. 保定:河北大學, 2013.
[3]柴京富. 枸杞熱風干燥特性及最佳工藝的試驗研究[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業(yè)大學, 2004.
[4]吳古飛. 枸杞干燥過程中防霉劑的開發(fā)與應用研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2011.
[5]劉錫建, 肖穩(wěn)發(fā), 曹儉, 等. 枸杞多糖的研究進展[J].上海工程技術大學學報, 2008, 22(4): 299-302. DOI:10.3969/j.issn.1009-444X.2008.04.003.
[6]王海, 高月, 王頡, 等. 適宜干燥方法提高干制枸杞品質[J]. 農業(yè)工程學報, 2015, 31(21): 271-276. DOI:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.036.
[7]聶林林. 香菇熱泵除濕干燥技術的研究[D]. 鄭州: 河南工業(yè)大學, 2015.
[8]姚思遠. 混聯(lián)式太陽能干燥設備優(yōu)化及枸杞干燥工藝研究[D]. 保定: 河北農業(yè)大學, 2014.
[9]BEST R, CRUZ J M, GUTIERREZ J, et al.Experimental results of a solar assisted heat pump rice drying system[J]. Renewable energy, 1996, 9(1/4):690-694. DOI: 10.1016/0960-1481(96)88379-0.
[10]?EVIK S, AKTA? M, DO?AN H, et al. Mushroom drying with solar assisted heat pump system[J]. Energy conversion and management, 2013, 72: 171-178. DOI:10.1016/j.enconman.2012.09.035.
[11]姚遠, 廉永旺, 王顯龍, 等. 太陽能-熱泵聯(lián)合茶葉烘焙裝置的創(chuàng)新設計與實驗研究[J]. 新能源進展, 2017,5(1): 47-55. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2017.01.007.
[12]馮道寧, 孫健, 李麗, 等. 小型太陽能空氣源熱泵聯(lián)合果蔬干燥系統(tǒng)研究與設計[J]. 中國農機化學報, 2015,36(3): 160-163, 173. DOI: 10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2015.03.039.
[13]吳中華, 李文麗, 趙麗娟, 等. 枸杞分段式變溫熱風干燥特性及干燥品質[J]. 農業(yè)工程學報, 2015, 31(11):287-293. DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.11.041.
[14]DARVISHI H, ASL A R, ASGHARI A, et al. Study of the drying kinetics of pepper[J]. Journal of the saudi society of agricultural sciences, 2014, 13(2): 130-138.DOI: 10.1016/j.jssas.2013.03.002.
[15]MOHANRAJ M, BELYAYEV Y, JAYARAJ S, et al.Research and developments on solar assisted compression heat pump systems-A comprehensive review (Part A:modeling and modifications)[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2018, 83: 90-123. DOI:10.1016/j.rser.2017.08.022.