張 力 胡傳坤 高建民 張璧光
(北京林業(yè)大學(xué),北京,100083)
責(zé)任編輯:戴芳天。
木材干燥作為木質(zhì)品加工過(guò)程中的耗能大戶,占加工過(guò)程能耗的40%~70%,而且干燥過(guò)程中熱效率普遍偏低,通常僅在60%左右[1]。干燥過(guò)程中的污染問(wèn)題也同樣不容忽視,因此,發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新型木材干燥技術(shù)顯得尤為重要。
太陽(yáng)能干燥是一種節(jié)能的干燥技術(shù),太陽(yáng)能作為一種清潔、可持續(xù)利用能源,在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要。我國(guó)太陽(yáng)能總量豐富,但主要應(yīng)用于取暖、發(fā)電、農(nóng)作物干燥方面[2],用于木材干燥方面不足千分之一。傳統(tǒng)太陽(yáng)能干燥設(shè)備也因其穩(wěn)定性差,前期投資高而很難推廣[3]。
熱泵干燥也是一種節(jié)能干燥技術(shù),干燥過(guò)程中能夠循環(huán)利用干燥窯中的空氣,不向大氣中排放廢氣,因此也是一種環(huán)保的干燥技術(shù)[4]。太陽(yáng)能與熱泵兩種干燥方式相結(jié)合,能夠提高干燥效益[5-6],所以太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥的優(yōu)化設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)。
本實(shí)驗(yàn)以北京林業(yè)大學(xué)研制的太陽(yáng)能雙熱源熱泵干燥設(shè)備作為基礎(chǔ),對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試,得到設(shè)備的性能參數(shù)。再使用設(shè)備對(duì)落葉松進(jìn)行模擬干燥實(shí)驗(yàn),探討出更加合理高效的太陽(yáng)能熱泵干燥工藝,進(jìn)一步提高太陽(yáng)能的利用效率。為太陽(yáng)能干燥設(shè)備的推廣普及提供一定的理論借鑒依據(jù)。
太陽(yáng)能及雙熱源熱泵干燥系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)、空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)、水源熱泵干燥系統(tǒng)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)裝置見圖1。
圖1 太陽(yáng)能與雙熱源熱泵組合裝置
太陽(yáng)能熱風(fēng)干燥子系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、散熱風(fēng)機(jī)、管路、水泵、儲(chǔ)熱水箱等組成。集熱器與儲(chǔ)熱水箱相連,當(dāng)集熱器7中水溫高于儲(chǔ)熱水箱5中水溫7℃時(shí),電池閥6、9打開,同時(shí)水泵打開,進(jìn)行循環(huán),完成儲(chǔ)熱。
空氣源熱泵干燥子系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等組成,其中蒸發(fā)器包括熱泵蒸發(fā)器28和除濕蒸發(fā)器23,除濕蒸發(fā)器可以利用干燥室中的濕空氣的冷凝過(guò)程,回收熱量同時(shí)排出水分。
水源熱泵干燥子系統(tǒng)由除濕熱泵、儲(chǔ)熱水箱、管路、水泵等組成,儲(chǔ)熱水箱5中的熱水流經(jīng)板式換熱器12,與熱泵制冷工質(zhì)換熱,提高制冷工質(zhì)溫度,提升干燥系統(tǒng)的干燥溫度和性能。
實(shí)際使用中,可以根據(jù)天氣和干燥階段不同,可分別使用不同的干燥模式達(dá)到節(jié)能和提高干燥速率的要求。太陽(yáng)能與雙熱源熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)的主要設(shè)備的參數(shù)如表1。
表1 組合干燥系統(tǒng)主要部件特征及參數(shù)
聯(lián)合干燥系統(tǒng)共有3種運(yùn)行模式,太陽(yáng)能干燥模式,水源熱泵干燥模式和空氣源熱泵干燥模式。當(dāng)天氣晴好,水溫高時(shí),熱水直接通過(guò)窯內(nèi)散熱銅管,進(jìn)行加熱??諝庠茨J较?,熱泵直接從空氣中取熱,對(duì)干燥窯加熱。水源模式下,水箱中的熱水通過(guò)換熱器給熱泵提供熱量,熱泵再對(duì)干燥窯進(jìn)行加熱。3種模式在干燥過(guò)程中可以相互轉(zhuǎn)換,適應(yīng)不同的干燥要求。
在模擬實(shí)驗(yàn)中,熱泵干燥實(shí)驗(yàn)使用空氣源熱泵,組合干燥實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)天氣條件達(dá)到干燥要求時(shí)使用太陽(yáng)能干燥,陰天或陰雨天使用空氣源熱泵或水源熱泵進(jìn)行干燥。
太陽(yáng)能集熱器性能指標(biāo)由集熱器效率ηT和供熱系數(shù)PT來(lái)表示,集熱器效率表示集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的效率,數(shù)值越大表明集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率越高,供熱系數(shù)表示集熱器收集的熱量和消耗電能之比,衡量系統(tǒng)供熱能力,數(shù)值越大表明系統(tǒng)的供熱能力越強(qiáng)。ηT和PT由以下公式計(jì)算:
式中:QT為太陽(yáng)能集熱器實(shí)際獲得的熱量(J);為照射到太能集熱器上的熱值(J);G為集熱器中水的流量(kg/h);Δt為循環(huán)水的升溫(℃);Cp為水的比熱容(J·kg-1·K-1);I為太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度(W·m-2);A為集熱器的集熱面積(m2);W為循環(huán)水泵的能耗(J)。
試驗(yàn)在8月份進(jìn)行,地點(diǎn)為北京林業(yè)大學(xué)木材干燥實(shí)驗(yàn)室,選取晴朗天氣,記錄1 d中各個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、循環(huán)水的流速,儲(chǔ)熱水箱的進(jìn)水溫度和出水溫度,水的比熱容取值為4.2 J·g-1·℃-1。詳情見表2。
表2 太陽(yáng)能集熱器的性能參數(shù)
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:1 d中不同時(shí)刻,隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化,集熱效率和供熱系數(shù)變化很大,由此可知,不同季節(jié)、月份、氣候條件,對(duì)太陽(yáng)能集熱器的集熱效率和供熱系數(shù)均會(huì)產(chǎn)生較大影響,即太陽(yáng)能集熱器的穩(wěn)定性差,對(duì)環(huán)境的依賴性強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)電加熱設(shè)備,太陽(yáng)能集熱器供熱效率高,能耗低,北京地區(qū)8月份天氣情況下,可以保證平均供熱系數(shù)達(dá)到8以上,即可以理解為循環(huán)水泵消耗1 kW電能,為系統(tǒng)提供8 kW的熱能。8月份集熱器平均效率達(dá)到40.2,接近國(guó)際同等集熱器性能[5-6]。
熱泵的性能主要由供熱系數(shù)P衡量,供熱系數(shù)越高,系統(tǒng)性能越好。P由以下公式計(jì)算:
式中:Ma為冷凝器的空氣質(zhì)量流量;Pe為熱泵的干燥系統(tǒng)的電功率;T2、T1為冷凝器的出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口溫度;Cpa為空氣的定壓比熱。
在環(huán)境溫度為33℃時(shí)進(jìn)行性能試驗(yàn),測(cè)試數(shù)據(jù)見表3??芍諝庠礋岜媚芴峁┳罡?5℃的熱風(fēng),其平均P為2.48,水源熱泵可以提供溫度為67℃的熱風(fēng),平均P為3.77。供熱系數(shù)隨著送風(fēng)溫度的升高而升高。根據(jù)有關(guān)資料介紹[7],P>2就優(yōu)于鍋爐供熱,P>3時(shí),就節(jié)約一次能源。這說(shuō)明兩種熱泵系統(tǒng)都有明顯的節(jié)能效果,水源熱泵供熱系數(shù)優(yōu)于空氣源熱泵,故條件允許時(shí)盡量用水源熱泵[8]。
表3 干燥系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行數(shù)據(jù)
干燥試驗(yàn)分為2組進(jìn)行,第一組只采用空氣源熱泵干燥,第二組采取組合干燥,干燥前中期采用太陽(yáng)能熱干燥和熱泵干燥相結(jié)合,干燥后期采用水源熱泵干燥。
實(shí)驗(yàn)材料為落葉松生材,初含水率為62%,終含水率為12%,基本密度為0.34 g/cm3,試材尺寸為0.6 m×0.1 m×0.02 m,每組15塊。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為北京林業(yè)大學(xué)木材干燥實(shí)驗(yàn)室,試驗(yàn)結(jié)果表4所示。
表4 空氣源熱泵和水源熱泵干燥工藝
表4中窯溫窯濕和相對(duì)濕度全部取平均值。聯(lián)合干燥1、2 d用太陽(yáng)能干燥,3、4 d使用熱泵干燥,其余全部使用太陽(yáng)能—熱泵進(jìn)行干燥。比較數(shù)據(jù)可以看出:單純用熱泵對(duì)木材進(jìn)行干燥,可以滿足木材干燥工藝的要求[9],但是太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥,可以達(dá)到更高的窯溫,大大縮短了干燥時(shí)間,提高了干燥效率。聯(lián)合干燥可以克服單一太陽(yáng)能干燥穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。對(duì)于不同的天氣情況合理選擇干燥方式,干燥形式靈活。在節(jié)能的同時(shí)保證干燥工藝。儲(chǔ)熱水箱能夠在短暫陰雨天氣下保證同熱泵的換熱量,維持干燥系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
目前我國(guó)主要是以常規(guī)蒸汽干燥為主,故干燥能耗的經(jīng)濟(jì)分析采取與常規(guī)蒸汽干燥進(jìn)行對(duì)比。
由于兩種干燥形式采取的能源形式不同,為了便于比較,全部再折算為干材的標(biāo)準(zhǔn)煤耗。
熱泵干燥平均能耗為127 kW·h-1·m-3,聯(lián)合干燥平均能耗為114 kW·h-1·m-3,將兩組干燥方式的耗能折算成的標(biāo)磚煤耗,分別為50.8、45.6 kg/m3,與常規(guī)蒸氣干燥平均153 kg標(biāo)準(zhǔn)煤相比[1],分別節(jié)能67.8%、70.32%。
雖然熱泵干燥和聯(lián)合干燥能耗方面優(yōu)勢(shì)明顯,但是考慮到其使用電能這種優(yōu)質(zhì)能源,電價(jià)的高低對(duì)于太陽(yáng)能熱泵干燥設(shè)備的推廣和應(yīng)用具有很大影響,故電價(jià)低的地區(qū)可以最大化地發(fā)揮太陽(yáng)能熱泵干燥設(shè)備的能耗優(yōu)勢(shì)。
聯(lián)合干燥的干燥方式靈活,有利于節(jié)能和提高干燥速率,熱泵干燥和太陽(yáng)能干燥配合,可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,條件允許時(shí)盡量用水源熱泵。
無(wú)論水源熱泵或空氣源熱泵都有明顯的節(jié)能效果,水源熱泵供熱系數(shù)優(yōu)于空氣源熱泵??諝庠礋岜闷骄嵯禂?shù)P為2.8,水源熱泵供熱系數(shù)P為3.7。
熱泵干燥和聯(lián)合干燥平均能耗分別為木材50.8、45.6 kg/m3標(biāo)準(zhǔn)煤,與常規(guī)蒸汽干燥相比分別節(jié)能67.8%、70.32%,節(jié)能效果明顯。
在太陽(yáng)能資源豐富電價(jià)便宜的地區(qū),太陽(yáng)能熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)能耗優(yōu)勢(shì)明顯,更適用于推廣應(yīng)用。
[1]張璧光,周永東,李賢軍.淺析熱風(fēng)干燥過(guò)程中的節(jié)能途徑[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2013,11(4):3-10.
[2]張璧光.太陽(yáng)能—熱泵聯(lián)合干燥木材的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28(8):870-873.
[3]王芳.太陽(yáng)能藕合熱泵干燥技術(shù)[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2013,5(5):181.
[4]伊松林,張璧光.太陽(yáng)能及熱泵干燥技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.
[5]Kuang Yuhui,Wang Ruzhu.Experimental research of heat supply coefficient of solar energy-heat pump[J].Solar Energy,2002,23(4):408-413.
[6]羅龍會(huì),彭金輝,張利波,等.空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,33(6):963-967.
[7]張璧光.實(shí)用木材干燥技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
[8]張璧光.除濕干燥中臨界除濕狀態(tài)的分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6):181-184.
[9]徐彩霞,張璧光,伊松林,等.太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合干燥木材特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].干燥技術(shù)與設(shè)備,2008,4(6):184-189.