太阳能-溶液-热泵干燥系统节能分析

２０１５年第５则（总第４３卷第２９１期）　建筑节能　●新能源及其应用　太阳能一溶液一热泵干燥系统节能分析牢　熊慧灵　，ｘＵｔ．－Ｉ清Ｌ　，　李永存　（１．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭４１１２０１；　２．煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭４１　１２０１１　

摘要：　结合溶液加热、除湿与热泵加热、除湿以及太阳能再生机理，提出了一种太阳能一溶液．热泵　干燥系统。通过理论定性分析和实例计算的定量分析得出，夏季：太阳能．溶液一热泵干燥系　统节能效果明显；过渡季节：当环境温度在２０℃以上时，该系统具有一定的节能作用，且室外　空气相对湿度越低，干燥室要求干燥温度越低，节能效果越明显，与常规系统相比，最高可提高　６５．９％。根据物料干燥室温湿度设定值，可确定冬季运行模式、夏季运行模式及太阳能一热泵联　合运行模式的转换时机。　关键词：　太阳能；　溶液除湿；　热泵干燥；　节能　中图分类号：ＴＫ１７３　文献标志码：　Ａ　文章编号：　１６７３—７２３７（２０１５）０５—００５６．０５　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓａｖｉｎｇ　ｏｆ　Ｓ０Ｉａｒ—Ｓ０Ｉｕｔｉ０ｎ—Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｄｒｙｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＸＩＯＮＧ　Ｈｕｉ—ｌｉｎｇ。，ＬＩＵ　Ｈｅ—ｑｉｎｇ　２，Ｌｉ　Ｙｏｎｇ－ｃｕｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｘｉａｎｇｔａｎ　４　１　１　２０　１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４　１　１　２０　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ，ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｈｅａｔｉｎｇ，ｄｅｈｕｍｉｄ￣ｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａ　ｓｏｌａｆ——ｓｏｌｕｔｉｏｎ——ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｒｙｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｑｕｄｉｔａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ—　ｓｏｌｕｔｉｏｎ——ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｒｙｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｉｎ　ｓｕｍｍｅｒ．Ｉｎ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｓｅａｓｏｎ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈｃｕｌ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ——　

．ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｂｏｖｅ　２０℃．Ａ　ｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｄｒｙｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　椰．ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｙｅｎｔｉｏｎａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　’ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｕｐ　ｔｏ　６５．９％．Ａ　ｎｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｔｈａｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｒｅ　ｓｅｔ　ｉｎ　ｄｒｙｉｎｇ　ｒｏｏｍ，ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｔｉｍｉｎｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｏｆｗｉｎｔｅｒ，ｓｕｍｍｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｌａｒ—ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｊｏｉｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｄｅｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｄｒｙｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　

０　引言　很多行业生产过程中都需要干燥工艺。干燥已经　成为生产乃至生活中不可或缺的一个重要环节。据统　计，日前，我国大约有１０％～２０％的燃料应用于干燥技　术。干燥俨然已经成为生产中的耗能环节。　物料的干燥，通常使用干空气通过物料的方法实　现对物料的干燥。在此过程中，原来的干空气吸收物　料中的水分变成了湿空气，湿空气再经过特殊装置再　收稿日期：２０１４一Ｉｌ一０４；修回日期：２０１４．１１．２７　基金项目：湖南省科技计划项目（２０１２ＦＪ２００１）；国家自然科学基金项　目ｆ５　１４７４１０５）　

干燥，重复使用。热泵干燥系统就是一种常用湿空气　干燥装置。　热泵干燥系统实现对湿空气的除湿、干燥，需要　启动制冷压缩机及热泵系统，然后将需要干燥的湿空　气经过热泵系统的蒸发器，降温冷凝析出水分；温度　较低的干燥空气再经过热泵系统的冷凝器加热升温；　然后送人物料干燥室，实现对物料的干燥，循环往复。　由于热泵干燥系统需要借助压缩机实现对湿空气的　干燥，需要消耗较多的电能。　某些无机盐的浓溶液与湿空气接触，能吸收湿空　气中水分，对空气具有一定的除湿作用；但吸收了水　熊慧灵，等：太阳能一溶液一热泵干燥系统节能分析　分的稀溶液需要再生成浓溶液，这一过程也需要消耗　能量。　本文结合溶液除湿机理，利用太阳能作为稀溶液　再生的主要驱动能源，将热泵干燥系统与溶液干燥系　统结合起来，提出一种新型太阳能一溶液．热泵干燥　系统，并对系统能耗及节能效果进行对比分析。　１　系统的组成和工作流程　１．１新型太阳能．溶液．热泵干燥系统的组成　本文所提出的太阳能一溶液一热泵干燥系统能够　

在全年不同季节充分利用太阳能（由于冬季气温较　低，太阳能的利用价值较低，系统运行模式为普通热　泵干燥系统），该系统设计为３个子系统：干燥空气循　环子系统Ｉ、溶液除湿再生子系统ＩＩ和制冷剂循环子　系统ＩＩＩ，如图１所示。　干燥空气循环子系统Ｉ包括：干燥室、绝热型填　料塔、热泵冷凝器。干燥室用于干燥物料，绝热型填料　塔用来对干燥物料后的湿空气除湿，热泵冷凝器在太　阳能不足季节时用来加热除湿后的干空气。　

图１太阳能一溶液一热泵干燥系统结构与原理图　溶液除湿再生子系统ＩＩ包括：太阳能溶液再生　器、内热／绝热两用型填料塔、绝热型填料塔。太阳能　溶液再生器在太阳能充足时用来再生溶液，在太阳能　相对不足时用来预热溶液；内热／绝热两用型填料塔　在太阳能充足时用来加热除湿后的干空气，太阳能相　对不足时，利用热泵热量来实现对溶液的完全再生。　制冷剂循环子系统ＩＩＩ包括：热泵系统（压缩机、冷　凝器、膨胀阀及蒸发器）和内热／绝热两用型填料塔。　１．２新型太阳能．溶液．热泵干燥系统运行模式及　工艺流程　新型太阳能．溶液．热泵干燥系统可根据季节、　温度、湿度、太阳光强度不同选择不同的运行模式。具　体如下。　１．２．１冬季运行模式　如图１所示，自物料干燥室流出的湿空气经阀门　Ｆ１３流人热泵系统蒸发器降温除湿，生成的干空气经　阀门Ｆ３送入热泵系统冷凝器加热升温，高温的干燥　空气流出冷凝器经阀门Ｆ１２流人物料干燥室，实现对　物料的干燥，循环往复。该运行模式，即常规热泵干燥　系统运行模式。　干燥空气循环状态变化过程见图２。状态１的干　空气由风机送人干燥室内干燥物料，吸收物料中的水　分被加湿为湿空气，沿等焓线变化到状态２；状态２　的湿空气送人热泵系统蒸发器内，降温去湿到状态３；　低温的３，状态干空气送人热泵系统冷凝器，等湿升　温到预期的状态１，实现一个物料干燥循环。　１．２．２夏季运行模式　如图１所示，夏季，太阳能充足，打开系统Ｆ１、　Ｆ２、Ｆ１０、Ｆ１１、Ｆ１４阀门，关闭Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８、　Ｆ９、Ｆ１２、Ｆ１３阀门，实现物料干燥和溶液再生。　物料干燥工艺流程为：自物料干燥室流出的湿空　气经阀门Ｆ１４流入绝热型填料塔内与浓溶液接触，去　除水分变成干空气，此干空气经阀门Ｆ１０流入内热／　绝热两用型填料塔，被高温浓溶液加热升温，高温的　

ｆ　５７　熊慧灵，等：太阳能．溶液一热泵干燥系统节能分析　干燥空气流出内热／绝热两用型填料塔经阀门Ｆ１１　流人物料干燥室，实现对物料的干燥，循环往复。　干燥空气循环状态变化过程如图２所示。状态１　的干空气由风机送人干燥室内干燥物料，吸收物料中　的水分被加湿为湿空气，此过程近似看作绝热加湿过　程，空气状态沿等焓线变化到状态２；状态２的湿空　气送人绝热型填料塔内，直接与浓溶液接触，浓溶液　吸收湿空气内的水分被干燥，同时受溶液温度影响，　空气与溶液之间还存在一定的热交换，预计干空气状　态变化到状态３；较低温度的３状态干空气继续送人　内热／绝热两用型填料塔，与温度较高的浓溶液经非　接触式加热，等湿升温到预期的状态１，实现一个物　料干燥循环。　ｄ　图２空气循环ｈ－ｄ图　溶液再生工艺流程为：自绝热型填料塔流出的稀　溶液经阀门Ｆ２流入太阳能溶液再生器实现稀溶液的　再生，并被加热成温度较高的浓溶液，然后经阀门Ｆｌ　进入内热／绝热两用型填料塔加热除湿后的干空气，　再从内热／绝热两用型填料塔流出进入绝热型填料　塔对湿空气进行去湿，变成稀溶液，循环往复。　夏季运行模式，不需要开启热泵制冷循环子系　统，完全靠太阳能集热装置提供溶液再生及干空气加　热所需能量，节能效果明显。　１．２－３过渡季节运行模式　在过渡季（或冬季部分时段）太阳能相对不足时，　太阳能无法实现对溶液的完全再生，此时，需要启动　热泵制冷循环子系统补偿再生热。如图１所示，打开　系统Ｆ１、Ｆ２、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８、Ｆ９、Ｆ１２、Ｆ１４阀ｆ‘】，关　闭Ｆ３、ＦＩＯ、Ｆ１１、Ｆ１３阀门，实现物料干燥和溶液再生。　物料干燥工艺流程为：自物料干燥室流出的湿空　气经阀门Ｆ１４流人绝热型填料塔内与浓溶液接触，去　除水分变成干空气，此干空气经阀门Ｆ９、Ｆ４送入热泵　系统冷凝器加热升温，高温的干燥空气流出冷凝器经　阀门Ｆ１２流人物料干燥室，实现对物料的干燥，循环　往复。　干燥空气循环状态变化过程如图２所示。状态１　的干空气由风机送入干燥室内干燥物料，吸收物料中　５８　１　的水分被加湿为湿空气，沿等焓线变化到状态２；状　态２的湿空气送人绝热型填料塔内，被浓溶液干燥到　状态３；较低温度的３状态干空气送入热泵系统冷凝　器，等湿升温到预期的状态１，实现一个物料干燥循环。　溶液再生工艺流程为：自绝热型填料塔流出的稀　溶液经阀门Ｆ２流人太阳能溶液再生器，该时段由于　太阳能无法提供溶液再生所需的全部热量，太阳能溶　液再生器内只能对稀溶液进行初步的再生预热；然后　阀门Ｆ１将溶液送入被设置在内热／绝热两用型填料　塔内的热泵系统高温制冷剂盘管继续加热，实现完全　再生；此环节，热泵系统压缩机出口高温制冷剂蒸汽　经阀门Ｆ６流入内热／绝热两用型填料塔内的制冷剂　盘管，加热再生液后，再经阀门Ｆ５流人热泵系统冷凝　器内循环；再生后的浓溶液再进入绝热型填料塔内干　燥空气，变成稀溶液，循环往复。　此种情况，需要开启热泵制冷循环子系统用于补　偿溶液再生和干燥空气加热所需热量，太阳能集热装　置提供的热量用于溶液再生的预热，具有一定的节能　作用。　２　系统能耗与节能分析　２．１干燥系统能耗评价指标　热泵干燥系统常用的评价指标有：单位除湿耗能　比ＳＭＥＲ、除湿率ＭＥＲ及能量利用效率卵。本文采用　单位除湿耗能比ＳＭＥＲ和热泵干燥系统的能量利用　效率卵来评价新干燥系统的效率。　除湿能耗比ＳＭＥＲ表示单位耗能量的除湿量：