热回收和热储存室太阳能辅助热泵干燥系统的性能和操作模式分析外文翻译资料

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热回收和热储存室太阳能辅助热泵干燥系统的性能和操作模式分析

邱玉^a，李明^a，Reda Hassanien Eama Hassanien^b，王云峰^a，罗西^a，于琼芬^a

1. 云南师范大学太阳能研究所，云南昆明，650500，中国
2. 开罗大学农业学院农业工程部，开罗，12613，埃及

摘要

建立了一个新奇的热回收和热储存太阳能辅助热泵干燥系统，进一步研究了不同变量下在回收期时的影响。冷凝器和蒸发器在干燥室内协调工作，并且在系统中建立了储存水箱用来有效地恢复热量和改善太阳能的利用。基于被要求用23.157MJ的热量干燥10kg胡萝卜的过程，理论分析结果阐明，当日平均辐射强度为0.480，系统运行太阳光干燥（SD）模式；当日平均辐射强度从0.430到0.480，系统运行太阳能辅助热泵干燥（SAHPD）模式；当日平均辐射强度低于0.430，系统运行热泵干燥（HPD）模式。实验结果表明，在SAHPD模式下干燥系统性能系数是从3.21到3.49。此外，SAHPD模式在个热回收和热储存中可以节约40.53%能源消耗。系统干燥胡萝卜、胡椒和蘑菇的回收期分别为6年、4年和2年。因此可以得出结论，蘑菇是最适合用这套系统干燥的材料。

1.介绍

对于许多工业和农业庄稼的保存，干燥是一个至关重要的环节。但是在工业上会消耗大量的能源。木材产业干燥消耗全部所用能源的70%，纺织制造业为50%。据报道，中国在干燥产业上每年大约消耗3吨煤，由煤产生的2.6亿吨CO₂和780万吨SO₂会造成一个恶劣的环境。近来，煤资源逐渐短缺，化石燃料价格急剧增加，生态环境污染增加。因此，政府和科学家已经被指定在干燥源和干燥设计中提供有选择的可再生能源。

太阳能是可再生能源中主要的能源，能被持续提供且不危害环境。它也是在实际应用中干燥食物的最古老的能源。太阳能烘干机不仅节约能源而且节约大部分时间，占据很少的面积，提高产品的质量，制造过程更加有效。同时，通过减少燃料能源的消耗也能保护环境。

1976年，第一台太阳能烘干机由Everitt和Stanley发明。十年后，许多研究者集中于太阳能干燥（SD）系统的性能和结构。Fudholi等人在干燥红辣椒时开发了太阳能干燥系统，他们发现当特定能源消耗、干燥系统效率和平均放射能效率分别为5.26KW h/kg、13%、57%时，红辣椒水分持续减少70%。然而，Borah等人在干燥姜黄时开发了太阳能传导烘干机，他们发现烘干机的平均热效率是55%。Misha等人研究了在低太阳能辐射下干燥洋麻纤维的太阳能辅助坚固去湿烘干机的性能。他们发现和直接阳光干燥相比，用这套系统的干燥时间减少了24%，并且在低太阳辐射（394）时，烘干机的效率大约是12%。同时所用的太阳能源占总消耗能源的44%。

除此之外，Elkhadraoui等人研究了一个集中于干燥红胡椒和葡萄对流传热的新奇的太阳能温室混合模式烘干机的性能。结果显示，在太阳温室中的干燥比例比空气阳光干燥更高，干燥红胡椒和葡萄的时间也分别缩短了7h和17h。更多的是，烘干机的回收期是1.6年。为了找到合适的空气流动团，通过用温度和压力联合作用来提高空气流动比例的被动太阳能烘干机的仿真方法适用于被动太阳能烘干机的设计。然而，用太阳空气加热器而不用热储存室或辅助热泵将会在持续干燥上有很大的困难，特别是在局部多云和晚间时间。因此，有报道说太阳能辅助热泵干燥系统（SAHPDs）增加了产品的质量，减少能源消耗，达到一个高的稳定操作性能系数和一个高的烘干机热效率。有许多的研究已经引导改善SAHPDs的性能和结构。Li 等人开发了一个太阳能辅助热泵室内干燥系统，他们发现干燥室内入口空气温度为8.9℃且用SAHPD室内干燥过程的性能提升了。此外，Sevik等研究了一种新的太阳能热泵干燥机在不同的气候条件下。结果显示室内热泵最大性能系数（COP）在理论和实验上分别是2.2和2。Mohanraj研究了一种在炎热潮湿天气条件下干燥椰子的太阳能环绕混合源热泵烘干机。结果表明，平均COP和SAHPD的特定抽干水分比分别是2.54和0.79kg/KW h。然而，许多研究已经认为，SD模式在晚上达到了最大利用率，是SD系统的经济可行性。此外，先前对于SAHPD的研究没有更多的注重太阳能和热泵的结合，最优化的控制模式和其他问题。

因此，本文的目的是设计和建造一个热回收和热储存室太阳能辅助热泵干燥系统。系统可以在不同的气候条件下持续的干燥。蒸发器和冷凝器也在干燥室内相互协调。系统被认为是一个有效的回收热。它有一个热储存室装置可以在多云天和夜间持续干燥。更多的是，这篇文章研究了热回收和热储存室太阳能辅助热泵干燥系统的性能，同时，为了达到节约能源减少消耗的目的，在不同操作环境下的操作模式也被研究了。此外，回收期是可估计的。

2.材料和方法

这个实验是在中国昆明（东经102.43°E北纬25.02°N）指导的。昆明的相关气象学数据如表1所示。干燥室的尺寸是（L=2.5m，W=2m，H=2m）。实验中，10kg的胡萝卜在干燥室内用三种不同的模式，名为SD模式，HPD模式，SAHPD模式干燥。胡萝卜被均等的分到7个托盘，每个托盘长0.9m，宽0.3m，这些托盘由细金属网线和铁盘组成。干燥过程开始是新鲜的10kg最初水含量为10.36g water/g dry matter到最后水含量为0.25g water/g dry matter。因此，当干燥胡萝卜的重量达到1.1kg时干燥过程就结束。这些胡萝卜仅仅是用来说明系统在不同模式下工作的可行性。

表1 昆明相关气象数据

2.1系统描述

设计了一个新奇的能源热回收和热储存室干燥系统，如图1至图3所示。系统包括两个主要的子系统，太阳能烘干机（SD）子系统和热泵干燥（HPD）子系统。SD子系统包括太阳收集器、热储存室水箱、循环热泵、加热线圈和冷却线圈。而HPD子系统分为材料区域和HPD室。因此，HPD子系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀，湿管排等。干燥室分为材料区和热泵区。太阳能热回收和热储存室干燥系统的原理如下：

当系统运行SD模式时，第一个循环水泵开始工作，第一、第二个阀打开。随后，加热水箱里的水被太阳能收集器加热，然后打开第三个阀和螺旋阀。同时第二个循环水泵和循环空气风扇开始工作。从而，水箱里的热水被送到加热线圈，释放热量到材料区，接着水被从加热线圈运输到冷却线圈，来吸收材料区空气中的热量。最后，水通过第二个循环水泵返回到水箱。因此，材料区的空气通过吸收热水中的热量被加热，热空气被传输到材料区绝缘金属板的外围。此外，在干燥材料时存在热量交换，当空气从材料区移向冷却线圈时，通过吸收热水中的热量被冷却和脱湿。随后，在冷却线圈外部的空气将进入下一个循环。

当系统运行HPD模式时，热泵循环的最初阶段将在干燥室内从冷空气的低温开始。在蒸发器中的工质吸收了干燥室周围空气的热量。随后，制冷剂在压缩机中被吸收，等熵压缩将进入到冷凝器，最后冷凝器释放热空气到干燥室内。同时循环风扇将提高热空气和新鲜材料之间的热交换，来完成热泵干燥材料的过程。

当系统运行太阳能辅助热泵干燥（SAHPD）模式，由SD模式和HPD模式组合辅助持续干燥。

系统主要的组成部件、规格和特征如表2所示。用在实验中不同的仪器特点如表3所示。SD子系统的螺旋线圈被转换为闭环控制系统来控制干燥室内的温度范围为30.0℃到50.0℃。然而在HPD系统中蒸发器和冷凝器被放进干燥室内允许冷凝器吸收潮湿空气的热量并增加HP加热系数。

图1热回收和热储存室太阳能辅助干燥系统原理图

图2 太阳能收集器（a）压缩机和水箱（b）干燥室（c）

图3 材料区（a）加热线圈和循环空气风扇（b）冷凝器、蒸发器和冷却线圈（c）

表2 系统主要的组成部件、规格和特征

表3 仪器特点

2.2模式选择

2.2.1系统热平衡公式

（1）

是干燥过程中要求的总热量（KJ），是SD系统提供的热量（KJ），是HPD系统提供的热量（KJ）。

2.2.2干燥过程总热量

干燥过程要求的总热量包括预热胡萝卜的热量，蒸发水的热量，干燥过程中

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