熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

李江波 薛韓玲 陳柳

摘要：為解決傳統(tǒng)花椒干燥方式效率低、花椒品質(zhì)低、能耗大的問題，提出熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，研究了熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以在陜西省韓城市干燥3 t花椒為例，設(shè)計(jì)了熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)，并利用Airpak軟件的方法對(duì)烘干室采用下部送風(fēng)、上部回風(fēng)的氣流組織方式進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，烘干室風(fēng)速和溫度能較好地滿足花椒干燥的要求。

關(guān)鍵詞：太陽能;熱泵;花椒干燥系統(tǒng);氣流組織

中圖分類號(hào)： S226.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）14-0251-04

花椒是中國香料中的一大特色，我國花椒行業(yè)規(guī)模每年以25%左右的速度遞增。因此，花椒干燥所帶來的能源問題也成為研究熱點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，干燥行業(yè)的能耗占國民經(jīng)濟(jì)能耗的1/5，農(nóng)產(chǎn)品的干燥技術(shù)研究備受關(guān)注[1-3]。近年來，把熱泵這種高能效比的機(jī)組和清潔太陽能聯(lián)合起來研究，因?yàn)榫哂懈咝?、環(huán)保、干燥品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)在干燥系統(tǒng)中受到越來越多的關(guān)注[4-5]。

Yahya利用太陽能輔助熱泵提供熱源干燥紅辣椒，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與露天晾曬相比，用烘干機(jī)干燥可節(jié)約82%的時(shí)間[6]。Salehi等對(duì)熱泵-太陽能系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱泵-太陽能聯(lián)合干燥更具優(yōu)勢，能大幅提高經(jīng)濟(jì)效益，且能縮短干燥時(shí)間[7]。李海雁等設(shè)計(jì)熱泵-太陽能聯(lián)合干燥系統(tǒng)對(duì)木材進(jìn)行干燥，并將試驗(yàn)結(jié)果與普通干燥技術(shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱泵-太陽能聯(lián)合干燥系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，且產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)[8]。許彩霞等用熱泵-太陽能聯(lián)合系統(tǒng)干燥木材，得出熱泵-太陽能聯(lián)合系統(tǒng)相比常規(guī)能源方法節(jié)能70%[9]。

花椒的傳統(tǒng)干燥方式易受天氣影響，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，干燥產(chǎn)品質(zhì)量差、效率低。為了能滿足花椒的大規(guī)模干燥，急須利用先進(jìn)的干燥技術(shù)來取代傳統(tǒng)的干燥工藝[10]。本研究提出了熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)，用該系統(tǒng)對(duì)3 t花椒進(jìn)行干燥處理，并用數(shù)值模擬的方法對(duì)烘干房氣流組織進(jìn)行研究[11]。

1 熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱泵干燥一般屬于熱風(fēng)低溫干燥，干燥溫度主要集中在40～80 ℃，太陽能干燥比熱泵干燥更節(jié)能、更環(huán)保，但由于太陽能的間歇性、隨時(shí)間的變化性，對(duì)其在干燥系統(tǒng)有非常大的障礙。本研究提出的熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

熱泵-太陽能聯(lián)合干燥系統(tǒng)由干燥房、熱泵系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。干燥房采用特別材料建造，其內(nèi)分為2個(gè)部分，中間用回風(fēng)隔板隔開，一部分為物料室，另一部分為加熱室。熱泵系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、送風(fēng)管道、制冷劑流管、制冷劑及風(fēng)機(jī)組成;太陽能系統(tǒng)由真空管集熱器、風(fēng)管等組成;控制系統(tǒng)由溫度傳感器、濕度傳感器、數(shù)據(jù)總線、計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)使用循環(huán)風(fēng)，整個(gè)風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng)，不再引入新風(fēng)，減少因排風(fēng)帶走熱量的損失[12]。

1.2 工作原理

干燥過程熱風(fēng)加熱熱量由太陽能和熱泵提供：熱泵干燥是根據(jù)逆卡諾循環(huán)，制冷劑在壓縮機(jī)的動(dòng)力作用下在整個(gè)熱泵系統(tǒng)循環(huán)，吸收空氣的低品位熱能在壓縮機(jī)做功的條件下，產(chǎn)生高品位熱能并將熱量輸送至干燥房，在相關(guān)設(shè)備的工作下實(shí)現(xiàn)熱質(zhì)交換，達(dá)到干燥效果;太陽能利用集熱器收集熱量，這種能量供應(yīng)方式清潔，所以當(dāng)太陽充足時(shí)，盡可能多地利用，但受天氣影響，所以太陽能只是作為輔助設(shè)備。太陽能通過集熱器收集，并通過集熱器與熱管換熱，加熱回風(fēng)溫度[13]。

干燥過程開始時(shí)，打開所有風(fēng)機(jī)，讓干燥用的循環(huán)風(fēng)在整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)，再開啟熱泵，空氣被加熱成為高溫空氣。通過總進(jìn)風(fēng)管送入干燥房，并通過支管送風(fēng)到物料車底部，干燥花椒。干燥房從上側(cè)排出低溫高濕的氣體，氣體首先來到蒸發(fā)器，蒸發(fā)器制冷劑要吸熱，故空氣溫度會(huì)降低，當(dāng)降低到機(jī)器露點(diǎn)一下就會(huì)結(jié)露，析出水分達(dá)到減濕的效果?？諝饬鞒稣舭l(fā)器，在三通換向閥處根據(jù)集熱器溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣流向選擇：（1）當(dāng)數(shù)據(jù)大于蒸發(fā)器出口溫度則流向太陽能集熱器，經(jīng)真空集熱管換熱繼而流向熱泵冷凝器;（2）反之則直接流向熱泵冷凝器;在熱泵冷凝器吸收熱量變?yōu)楦邷氐蜐竦目諝?，并在風(fēng)冷冷凝器風(fēng)機(jī)作用下送入干燥室，如此循環(huán)往復(fù)，在系統(tǒng)設(shè)備配合作用下達(dá)到加熱空氣、干燥花椒的效果。在整個(gè)系統(tǒng)多處安裝傳感器和自動(dòng)控制部件，并反饋到計(jì)算機(jī)，并設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)全系統(tǒng)自動(dòng)控制。換向閥根據(jù)集熱器溫度值選擇空氣流向，干燥房內(nèi)也設(shè)置有溫度、濕度傳感器，當(dāng)溫度過高或過低可控制熱泵的工作情況來控制溫度，當(dāng)濕度達(dá)到一定要求系統(tǒng)自動(dòng)停止[14]。

2 熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

以陜西省韓城市3 t花椒干燥為例，詳細(xì)說明本研究提出的熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2.1 原始資料

花椒含水率從50%處理至12%，干燥房內(nèi)溫度最高不超過65 ℃，干燥房最大可容納的花椒質(zhì)量為3 t，對(duì)太陽能與熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)設(shè)備按照最不利條件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

花椒干燥過程是一個(gè)熱量和質(zhì)量交換的過程，所以研究的重點(diǎn)也即干燥過程的熱量計(jì)算和水分轉(zhuǎn)移量。花椒干燥有3個(gè)階段：花椒吸熱升溫、恒溫蒸發(fā)水分、干燥結(jié)束降溫，干燥階段溫度變化為30 ℃到55 ℃再到40 ℃，其中熱力計(jì)算主要在恒速干燥階段，這段干燥時(shí)間可根據(jù)式（1）計(jì)算[15]。

根據(jù)熱量平衡，完成脫水量的風(fēng)量熱泵會(huì)放出熱量 192.4萬kJ，即所需功率為534.5 kW，根據(jù)計(jì)算的制熱系數(shù)，壓縮機(jī)功率W計(jì)算可得W=534/7.4=72.2 kW，由計(jì)算功率確定壓縮機(jī)選用谷輪壓縮機(jī)型號(hào)為VR144KS-TFP-522，共8臺(tái)，其對(duì)應(yīng)參數(shù)見表2。根據(jù)熱量核算，蒸發(fā)器換熱面積為210 m2，冷凝器換熱面積為800 m2。

2.5 氣流組織設(shè)計(jì)及風(fēng)機(jī)的選型

為保證干燥效果，烘干房采用下送上回送風(fēng)方式，在每輛物料車下方設(shè)置送風(fēng)口，在干燥室4個(gè)頂角設(shè)置回風(fēng)，并在左側(cè)中間位置混合通過排濕排熱風(fēng)機(jī)排出?；仫L(fēng)管徑尺寸 800 mm×500 mm，總進(jìn)風(fēng)管徑尺寸800 mm×500 mm，從進(jìn)風(fēng)總管分支送到每個(gè)物料車底部，通過方形散流器送入，再通過孔板送入干燥室，散流器規(guī)格為KF-10，尺寸為360 mm×360 mm。要求在干燥空氣流過花椒時(shí)風(fēng)速不能超過 0.5 m/s，送風(fēng)采用靜壓箱孔板送風(fēng)，孔板選用直徑為25 mm的圓孔，孔板中心距為60 mm。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2種工作狀態(tài)：（1）晴天。太陽能充足，集熱器集熱情況良好，溫度高于蒸發(fā)器出口空氣溫度，這時(shí)三通換向閥通路為蒸發(fā)器-太陽能集熱器，干燥熱量由熱泵-太陽能聯(lián)合提供。（2）多云或陰雨。太陽能不足，此時(shí)太陽能集熱器溫度低于蒸發(fā)器出口空氣溫度，則三通換向閥通路為蒸發(fā)器-冷凝器，干燥所需熱量全由熱泵提供。

3 熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)數(shù)值模擬

為研究熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)的干燥效果，利用Airpak軟件對(duì)以上實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬[17]。

3.1 物理模型的建立

干燥房尺寸（長×寬×高）8 m×6 m×2.5 m，其中加熱室尺寸（長×寬×高）3 m×6 m×2.5 m，物料室尺寸（長×寬× 高）3 m×6 m×2.5 m。干燥房加熱室建立物理模型如圖2所示[18]。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

烘干房中的氣流狀態(tài)為湍流，且屬于不可壓縮的低速流體，符合Boussinesq假設(shè)，因此選用k-ε模型。模擬控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量方程以及k方程和ε方程。

為了使計(jì)算結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，模擬過程中采用殘差收斂，迭代100次。在經(jīng)過100次迭代后，其收斂情況都達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 速度分布模擬及分析

花椒干燥主要是通過送入的高溫低濕空氣與濕花椒進(jìn)行熱質(zhì)交換，風(fēng)速對(duì)花椒干燥影響很大。根據(jù)Airpak模擬出干燥房中Y=0.25 m、Y=1.65 m、Y=2.4 m處的風(fēng)速分布，風(fēng)速分布圖如圖3、圖4、圖5所示。

從圖3、圖4、圖5可以看出，干燥房內(nèi)風(fēng)速絕大部分為 0.4～1.0 m/s，花椒表面速度在0.5 m/s左右，不會(huì)因風(fēng)速過大而出現(xiàn)花椒被吹走的問題，且風(fēng)速分布均勻，利于花椒與熱空氣的熱質(zhì)交換。

3.4 溫度分布模擬及分析

花椒干燥須要滿足一定的溫度才能高效進(jìn)行，針對(duì)一定的送風(fēng)量，其溫度分布情況是否滿足需要進(jìn)行模擬，參考花椒的鋪設(shè)位置高度，溫度選擇的模擬平面也選擇在Y=0.4 m、Y=1.0 m、Y=1.6 m平面處的溫度分布，分布如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6、圖7、圖8可以看出，在Y=0.4 m處花椒及平面周圍空氣溫度在60 ℃左右，周圍由于進(jìn)口溫度的熱量，溫度略高，熱空氣在Y方向上升，繼續(xù)與花椒熱質(zhì)交換;在Y=1.05 m 處，花椒溫度明顯降低，主要是由于花椒除濕的同時(shí)要吸收部分熱量，使得溫度降低;在Y=1.6 m處，花椒溫度基本一致，均在55 ℃左右，整體上基本滿足花椒干燥的溫度要求。

應(yīng)用Airpak軟件對(duì)風(fēng)速和溫度模擬結(jié)果與理論結(jié)算基本符合，從模擬結(jié)果也更直接地觀察到干燥房內(nèi)的氣流組織情況，結(jié)合模擬和理論分析可認(rèn)為對(duì)空氣源熱泵聯(lián)合太陽能干燥系統(tǒng)具有一定可行性。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)提出了熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)，研究了熱 泵- 太陽能花椒干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以3 t花椒為例，設(shè)計(jì)了熱泵-太陽能花椒干燥系統(tǒng)，并利用Airpak軟件的方法對(duì)烘干室的速度場和溫度場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)能環(huán)保。熱泵供熱的能效比較高，是一種高效的方式，太陽能的應(yīng)用使系統(tǒng)更具清潔能源優(yōu)勢，整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保。（2）干燥效果好。整個(gè)干燥過程用穩(wěn)定熱風(fēng)干燥，良好的氣流組織設(shè)計(jì)保證了不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)干燥方式中的溫度過高或過低的現(xiàn)象，從模擬結(jié)果也可以看出干燥室溫濕度都比較理想，適合花椒干燥。（3）控制優(yōu)化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)控制方案合理，能有效完成太陽能和熱泵組合的優(yōu)化控制。

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