太阳能热泵联合干燥

农副产品的太阳能与热泵联合干燥的性能

评价

摘要：本文设计一种新型的太阳能热泵干燥装置，利用太阳能作为清洁能源，同时利用热泵作为辅助设备，回收废气的热量，热交换利用一个控制系统加大热泵给热值，来平衡光照不足条件下的工况，使系统很快的达到稳定状态和要求值。本文通过自行设计实验，通过对不同条件下物料干燥耗电量的测定和不同光照情况下太阳能集热器，热泵，干燥室的热量衡算，对整个实验系统的能耗和效率进行了深入的探索。

关键字：太阳能热泵干燥实验

1.研究背景

1.1我国的能源状况

人类社会赖以生存和发展的物质基础。建立在煤炭，石油，天然气等化石燃料基础上的常规能源，曾极大地推动，并继续支撑着人类社会的发展。虽然我国的矿产资源比较丰富，但人均能源只有世界人均能源的二分之一【1】。同时随着我国经济的快速发展，对能源的需求量日益增加，石化燃料的大规模开采和使用，已经使资源日益枯竭，

环境不断恶化。能源问题已经成为制约我国经济持续发展的瓶颈。有关资料显示：从2000年开始，“电荒”已经从长三角迅速向全国蔓延，目前中国很多地区进入“硬缺电”的状态【2】。因此，大力开拓新能源和可再生能源成为解决我国能源紧张和保护生态环境的重要战略任务。

1.2我国的环境状况

随着能源需求的迅速增长，由此造成的环境污染也日趋严重。其中，煤占我国能源消费总量的60%以上【3】，带来了严重的大气污染，不仅给国民经济带来巨大损失，也给人民生活和健康带来巨大损害。

1.3我国干燥行业的能耗污染状况

干燥作业所用能源占国民经济总耗能的12%左右。我国能源利用率低，同比能耗为发达国家的4~6倍【3】，而干燥行业的用能效率又低于全国平均水平。在行业中占主导地位的热风型干燥设备，其主要损失在于废弃排放的余热没有回收利用。

1.4我国农产品干燥状况

目前，我国的农产品干燥技术有冷冻干燥技术，微波干燥技术等，但这些技术一般成本较高，仅适用于高附加值的农产品，而我国的农业发展水平相对较低，农产品的附加值较低，所以我国大部分农产品采用太阳能干燥技术与自然晾干的方法。太阳能是间断多变的能源。夜晚和阴天都无法利用，即使在晴天，太阳辐射强度也随时间和季节变化，相应的空气温度和湿度也在变化。因此，同一种物料的干燥速率、干燥周期和干燥器的热效率也随之变化。

1.5重大意义

针对目前我国能源状况，环境状况，干燥行业的状况，结合我国农产品干燥的需求提出将太阳能技术与热泵联合干燥的方法。我国的农产品产地主要分布在不发达地区，而我国已有能源基础设施建设又主要服务于东部发达地区的用能需求。我国拥有较丰富的太阳能资源，农产品产地的太阳能资源也比较丰富，所以才用太阳能技术能够很好地解决能源问题，同时能够减小对农产品产地的环境污染，对保证我国的食品安全也具有重要的意义。除此之外，利用太阳能干燥的农产品在颜色美观，物料质量高，可提高我国农产品的国际竞争力。同时我们将太阳能技术与热泵技术结合起来，有效地解决了单纯使用太阳能技术的能量密度低，不连续，不稳定的缺陷。与同类干燥技术相比，采用太阳能和热泵技术联合使用的方法成本较低，适于向太阳日照条件好，且经济欠发达的地区推广，有良好的应用前景。

2.研究内容

太阳能与热泵联合使用，解决了单纯使用太阳能技术的不稳定性。通常太阳辐射能量会随时间的变化而变化，而实际生产中，我们要求尽可能的保持干燥速率，干燥周期，干燥效率的稳定等，这就要求我们根据实际的太阳能辐射情况，调节热泵的输送能量，从而达到稳定操作的目的。干燥阶段的具体过程已经有很具体的计算过程，所以我们小组将重点解决保证干燥过程稳定，即当物料干燥目标一定的情况下，太阳能能量与热泵能量的关系的问题上。同时，与一般加热过程相比，我们小组采用了热泵加热，同时设计了干燥尾气废热的再

利用。为了评价太阳能与热泵联合干燥相比一般干燥过的优势，我们将研究电力直接加热所需能量，废气没有重复利用时热泵加热所需能量，废气重复利用时热泵加热所需的能量三者之间关系。通过三者的对比，我们将更清晰直观的看到太阳能和热泵联用的节能优势。我们还设计一个关于热量衡算的热量的实验，更好的说明本装置的优势。

我们实验的重点将放在能量分析的方面。

3.实验研究方案：

3.1流程图：

实验装置流程图

流程说明：湿物料从干燥室右侧进入，从干燥室左侧出；空气先后经过热泵，太阳能集热器，干燥室风机，在热泵中进行与进口气热

交换。

3.2.实验原理：【5】

设工艺要求生产能力为G（kg/s，干燥完之后），进料湿含量为w1,出料湿含量为w2，干燥器稳定后，空气进口温度为t1，出口温度为t2，进口湿度为H0，出口湿度为H2。

物料进口干基含水量为：

物料出口干基含水量：

汽化水分率：

需要空气用量：

空气进口焓为：r为水在0℃是的汽化潜热。

空气出口焓为：

总共所需的热量为：

式中：为干燥器损失的热量，为物料的比热，为

物料进出口温差。

对于我们设计的干燥系统，就要每秒Q的热量，这部分热量一部分从太阳能中获得，一部分从热泵的Carnot循环系统中获得。

设任意一时刻太阳能给予太阳能集热器每平米每秒x的热量，设

热交换面积为S，交换效率为η1。对于稳定的系统，每秒给定的热量为，

则热泵每秒需要给定热量为

设热泵为理想热泵，所做的功为：

式中为空气在热泵的平均温度，为废气温度，监测太阳光的给热情况，调节热泵的功率，用一个控制装置，自动控制以致达到稳定的干燥速率。

3.3实验仪器与原料：

鼓风机（输送空气），干燥器，太阳能集热器，热泵，加热装置，电表（检测用电量），管道，水，海绵，称重装置，湿糖物料，各个部位的热电偶温度计。

3.4实验步骤：

实验一：效率的测定与比较

3.4.1测定无热泵时，而直接用加热器的用电量：

取m克的海绵和粘上n克水于干燥装置，开通加热装置与风机，太阳能集热装置先关闭，测定变为m+0.5n克（干燥器上装上称重传感器）时所需的用电量w1。

3.4.2测定用热泵时的用电量：

取m克的海绵和粘上n克水于干燥装置，开通热泵与风机，太

阳能集热装置先关闭，测定变为m+0.5n克时所需的用电量w2。

3.4.3 测定用热泵时而不用废气循环的用电量：

取m克的海绵和粘上n克水于干燥装置，开通热泵与风机，太阳能集热装置先关闭，测定变为m+0.5n克时所需的用电量w3。

3.4.4 测定用热泵并用太阳能集热装置的用电量：

取m克的海绵和粘上n克水于干燥装置，开通热泵与风机，太阳能集热装置给予一定的光照，测定变为m+0.5n克时所需的用电量w4。

3.4.5比较设计效果

用w1, w3, w4 分别除以w2比较大小。用w2，w1，w3，w4除以0.5n*r t （r t为水在T℃是的汽化潜热），比较实验装置设计的效果。

实验二：实验测定太阳光给能，热泵给能和干燥室需热的关系，验证

，并计算热泵的效率。

3.4.6开通风机，记录空气用量L。

3.4.7给以最大的光照，开通热泵。装入湿物料，以一定的速率在干燥其中移动，待充分稳定后，测定空气进口温度t1与出口温度t2。3.4.8降低光照，打开热泵，缓慢调节，使进口温度同样为t1，记录功率w，，（空气进入太阳能集热器的温度），测量热泵中的温度，物料进出口温度，空气湿度。

3.4.9重复3.4.8步。

3.4.10计算太阳能集热器的给定热量为，为

空气的比热，利用计算。总热量用此公式计算

。其中可以忽略。验证三者与的关系，计算热机较理想偏差效率。

4.11用第3.9步骤得到的数值，画图，比较效率与热衡算。

附：实验数据记录与计算的表格

4.预期研究结果

通过实验，我们可以计算出电力直接加热，废气没有重复利用时热泵加热，废气重复利用时热泵时三者的之间能量利用率的关系。预期在达到一定的干燥结果的条件下，电力直接加热所需热量对多，废

气重复利用时所需能量最少，相应的太阳能技术与热泵联用，并重复利用尾气的情况下能量利用率最高。通过三者的比较，可以更清晰直观的看到太阳能和热泵联用的节能优势，由此可以计算出节省能源量。

同时，我们研究了当物料干燥目标一定的情况下，太阳能能量与热泵能量的关系的问题。首先，我们通过物料衡算，能量衡算，计算出太阳能量与热泵提供能量之间的关系，并希望通过该实验验证该关系。如果实验结果能够很好的符合实验预期，那么我们在实际生产应用中，就可以在该关系的指导下，对热泵提供的能量加以调节，已达到稳定生产的目的，这就有效地解决了单纯使用太阳能技术时的干燥过程不稳定的状况。

5.主要创新点

在选题上，我们综合考虑了我国的能源状况和环境状况，结合我国节能减排，发展可再生能源的需求，看到现阶段干燥行业能源消耗量大，利用率低的缺点，提出来将太阳能技术与热泵结合起来实现低能耗低污染的干燥过程。太阳能具有分布广泛，取之不尽，用之不竭，不会污染环境和破坏生态的特点。符合我国的可持续发展路线。同时，太阳能技术和热泵技术都。是现阶段比较成熟的技术，这就确保了该方案可实施性。目前，有将两者结合使用的先例，但是多是在提供热水方面，我们将之应用到农产品干燥上，结合了农产品产地太阳能比较充足的特点，既降低了干燥农产品的成本，同时保证了农产品的质量。具有良好的推广前景和实际应用价值。

在过程设计中，我们将太阳能技术与热泵技术结合，保证了在阴雨天气等太阳光照射不足的情况下该装置的正常运行。同时我们设计了干燥物料后排除的废气的循环利用过程，进一步降低了干燥过程所需的能耗，对实际应用有良好的指导作用。

从实验上来说，实验一：利用海绵作为干燥介质，可以有很好的对照作用，实验的重复性大大加强。利用对电量的测定，来做比较，而不是用一定的干燥时间下的测定效果用来衡量实验的好坏，可以很好的从实际上说明实验的效果。实验二：利用化工稳态的时候进行测定，通过改变不同的光照强度，可以计算热泵在不同工作条件下的与理论效率的差别，并且用温度差来计算换热量，避免了繁琐的传热推导，大大简化了实验的工作量。

参考文献

【1】张璧光，刘志军，谢拥群；太阳能干燥技术；化学工业出版社，1~5

【2】中华工商时报；电荒助力五星中标粤港太阳能热泵项目；访问时间：2012/5/26

【3】代建国；太阳能辅助热泵就仓干燥系统关键技术研究；上海交通大学硕士学位论文，1

【4】齐鸣斋；化工能量分析；华东理工大学出版社；168~169

【5】谭天恩，窦梅，周华明；化工原理；化学工业出版社；209~211