太陽能熱泵回熱干燥

1、基于太陽能吸收式空氣回熱閉式熱泵干燥系統(tǒng)摘 要: 熱泵用于干燥 ,具有節(jié)能和減少污染雙重效益。 國內(nèi)從 80年代初開始引進并進行研究開發(fā) ,在干燥等領域獲得了推廣應用 ,采用空氣回熱閉式系統(tǒng)，除濕能耗比在一定工況有效降低，在熱泵方面，為了有效解決傳統(tǒng)壓縮機的高耗電和噪聲問題，采取了一種新型的家用太陽能氣泡泵吸收式熱泵裝置。該裝置采用太陽能驅(qū)動溴化鋰吸收式熱泵機組，并以氣泡泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械泵。關鍵詞 太陽能 熱泵 空氣回熱前言 系統(tǒng)由兩個部分組成，干燥系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)采用太陽能集熱器和氣泡泵( 由發(fā)生器、熱虹吸管和分離器組成) 驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式的組合系統(tǒng)，在標準制熱工況下，室外側(cè)進

2、風干 / 濕球溫度為 7 /6 時，制熱量達 18 0kW，在該設計條件下，我們對吸收式制冷機的主要部件和太陽能集熱器以及蓄熱裝置進行了熱力設計計算1.1裝置的結(jié)構和原理圖 圖1 太陽能熱泵系統(tǒng)的設計1.2工作流程 當陽光充足的時候，關閉電加熱器，太陽能集熱器加熱的水先進入蓄熱器，再流到發(fā)生器，驅(qū)動吸收式熱泵當陽光不足的時候則打開電加熱器進行熱補償，熱泵驅(qū)動的同時，含濕量小的空氣進入干燥箱與干燥物體接觸進行等焓吸濕，干燥物料，干燥后的氣體經(jīng)過蒸發(fā)器降溫除濕，這時氣體通過裝在蒸發(fā)器前面的熱管的蒸發(fā)段和在熱管的冷凝段進行空氣回熱利用， 該裝置可以彌補單純利用太陽能的不足性，可以適當進行熱補償，根據(jù)

3、需要還可以改成干冷箱使用，可以干燥更多種類的東西，提高經(jīng)濟型 在干燥箱的進出口增加風速測試儀和溫濕度測試儀，對干燥箱的風速和溫濕度進行實時記錄，掌握物品的干燥程度，可以對機組進行微調(diào)2 太陽能熱泵系統(tǒng)的設計 我們采用太陽能無泵溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)。該太陽能無泵溴化鋰吸收式熱泵一方面利用太陽能與電加熱共同作為驅(qū)動能源，節(jié)約了對大量電能的消耗; 另一方面該統(tǒng)沒有壓縮機等運動部件，可以減少噪聲; 此外，由于使用 LiBr-H2 O 作為制冷工質(zhì)對，對環(huán)境幾乎沒有影響， 采用太陽能集熱器和氣泡泵( 由發(fā)生器、熱虹吸管和分離器組成) 驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷機的組合系統(tǒng)。設計條件：在標準制熱工況，制熱

4、量為18.0KW 2.1 熱泵的針對性分析和熱力計算和設備選型系統(tǒng)主要針對對牛肉的干燥進行設計，通過物料計算進行對各部件的確定（1）物料計算（1） 已知條件干燥5t 牛肉，含濕量75%，干燥時間10h則干料量Gc=5000×（1-75%）=1250Kg水分量Gw=5000-1250=3750Kg理想狀態(tài)下，可除去水分3750Kg1. 熱力計算水分氣化所帶走的熱量Q=3750kg×2260kj/kg=8475000kj所以每小時帶走的熱量為8475000/10=847500kj/h=235.42kw制冷量 Q0=235.42kW冷卻水進口溫度 32蒸發(fā)溫度 6（2） 設計參數(shù)

5、的選定吸收器出口冷卻水溫度tw1和冷凝器出口冷卻水溫度tw2 為了節(jié)省冷卻水的消耗量，采用串聯(lián)方式。假定冷卻水總的溫升tw=10，取tw1=5.4，tw2=4.6，則tw1=tw+tw1=37.4tw2=tw1+tw2=42冷凝溫度tk及冷凝壓力pk取t=3，則Tk=tw2+t=45Pk=9.6KPa蒸發(fā)壓力P0=0.934KPa吸收器內(nèi)稀溶液的最低溫度t2 取t=4.6，則t2=tw1+t=42吸收器壓力pa 假定p0=0.013KPa，則Pa=p0-p0=0.921KPa稀溶液濃度wa 由pa和t2查h-w圖wa=0.575稀溶液濃度wr 取wr-wa=0.044，則wr=wa+0.044

6、=0.619發(fā)生器內(nèi)濃溶液的最高溫度t4 由pk和wr查h-w圖的t4=94濃溶液出熱交換器時的溫度t8 取冷熱端溫差t=15，則t8=t2+t=57稀溶液出熱交換器時的比焓 由t8和wr查h-w圖的h8=307.38kJ/kg稀溶液出熱交換器時的溫度t7 由制冷設備與原理（第4版）（下面都是查此書的公式和圖表）中的式（7-8）和式（7-19）求得a=0.619/(0.619-0.575)=14.01h7=361.47kJ/kg再根據(jù)h7和wa查h-w圖得t7=81.5根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定各點的參數(shù)，其數(shù)值列于表下中，考慮到壓力的數(shù)量級，表中壓力單位為kPa。名稱點號溫度/質(zhì)量分數(shù)（%）壓力/k

7、Pa比焓/（kj/kg）蒸發(fā)器進口冷劑水1600.9325.21蒸發(fā)器出口處冷劑蒸氣1600.932512.6吸收器出口處稀溶液24257.50.93280.19冷凝器出口處冷劑水34208.20175.31冷凝器進口處水蒸氣39108.202661.7發(fā)生器出口處濃溶液49661.98.20380.56發(fā)生器進口處飽和稀溶液581.557.58.20361.47吸收器進口處飽和濃溶液65761.91.47307.38熱交換器出口處稀溶液a781.557.5361.47熱交換器出口處濃溶液b85761.9307.38（3） 設備熱負荷計算冷劑水流量qmd 由式（7-22）和式（7-23）得q0

8、=（2512.6-175.31）=2340.29kJ/kgqmd=0.1kg/s發(fā)生器熱負荷Qg 由式（7-24）得Qg=345.05kW冷凝器熱負荷Qk 由式（7-25）得Qk=252.29kW吸收器熱負荷Qa 由式（7-26）得Qa=318.22kW溶液熱交換器Qex 由式（7-27）得Qex=89.36kW（4） 裝置的熱平衡、性能系數(shù)及熱力完善度熱平衡吸收熱量 Q1=Qg+Q0=345.05+235.42=580.47kW放出熱量 Q2=Qk+Qa=252.29+318.22=570.51kWQ1和Q2十分接近，表明上式的計算是正確的。性能系數(shù) 由式（7-29）得COP=235.42/

9、345.05=0.682熱力完善度 冷卻水的平均溫度twm和冷媒水的平均溫度txm分別為twm=（tw+tw2）/2=37txm=6由式（7-30）得COPC=1.84由式（7-31）得=0.37（5） 加熱水消耗量和各類泵的流量計算加熱水的消耗量qmv 由式（7-32）得qmv=336.33kg/h冷卻水泵流量qvb 由式（7-36）和式（7-37）得qvb1=50.73m³/hqvb2=47.21m³/h兩者基本相同，表明開始假定的冷卻水總溫升的分配式合適的，并取qvb=50.73m³/h.3.換熱面積計算發(fā)生器的傳熱面積Fg 由式（7-41），并取Kg=15

10、00W/(*K），得Fg=25.35冷凝器的傳熱面積Fk 由式（7-42），并取Kk=40W/(*K），得Fk=1368.17吸收器的傳熱面積Fa 由式（7-43），并取Ka=32W/(*K），得Fa=1808.06蒸發(fā)器的傳熱面積F0 由式（7-44），并取K0=2300W/(*K），得F0=48.74溶液熱交換器的傳熱面積Fex 由式（7-45）并取Kex=465W/(*K），得Fex=12.96設備名稱傳熱量（kw）傳熱系數(shù)w/.k傳熱面積發(fā)生器345.05150025.35冷凝器252.29401368.17吸收器318.22321808.06蒸發(fā)器235.42230048.74溶液熱

11、交換器89.3646512.964. 太陽能集熱器 1 、Ac=Qw*Cw*（Tend-Ti)*f/Ji*cd*(1-L)式中： Ac 直接系統(tǒng)集熱器總面積，； Qw日均用水量，取1000； Cw水的定壓比熱容，KJ/· ，取4.187KJ/·； Tend 儲水箱內(nèi)水的終止溫度（用水溫度） ，取100； Ti 水的初始溫度，取32； Ji當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪耆站椪樟縆J/，湛江取14500KJ/； f 太陽能保證率，30%-80%，取50%； cd 集熱器的年平均集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗值宜為0.250.50，具體根據(jù)產(chǎn) 品的實際測試結(jié)果而定，取0.50； L 貯水箱和管路的

12、熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗為0.200.30，取0.25； 經(jīng)計算得：Ac=26.18。5. 蓄熱器設計V= *Ac式中：V儲熱器有效容積,L;Ac 集熱器的集熱面積，; 系數(shù)，范圍為 50 70，偏重于集熱效益的可以取上限，偏重水溫高而直接使用的可取下限分戶式可向上限取值，集中式可向下限取值或突破下限根據(jù)計算取值。取=60 經(jīng)計算得：V=60*Ac=1.57m³6. 換熱器設計蒸發(fā)器、發(fā)生器均采用 15 × 1 的紫銅管無肋片，有效管長 L1 = 0 4m; 吸收器、冷凝器均采用15 × 1 的紫銅管，外面加裝肋片，有效管長 L2 = 0 6m，取肋化系數(shù)為

13、20，則每根管子的管外單位長度的傳熱面積 fc = fi = 20 × 3 14 × 0 015 =0 942 m; 溶液熱交換器采用 12 × 1，有效管長為 lo = 0 4m 的紫銅管，無肋片; 其中冷凝器和吸收器采用風冷，其風速選定為 2 3m /s，進風溫度為32 出口溫度為 35 45 。設備名稱傳熱量（kw）傳熱系數(shù)w/.k傳熱管徑（mm）傳熱面積管子數(shù)（根）發(fā)生器345.05162315×123.431240冷凝器252.294015×11368.172420吸收器318.22116315×149.7288蒸發(fā)器235

14、.42279115×140.172132溶液熱交換器89.3646512×112.968607.氣泡泵分析3 2 1已知參數(shù)在氣泡泵熱虹吸管內(nèi)的蒸汽的參數(shù):蒸汽為96 C0，壓力為 9 59kPa 的過熱蒸汽，蒸汽的質(zhì)量流速qmd=0.093kg/s,體積流量為 Vg= 0 93 m3 /s，密度 = 0 05698kg /m3 ，動力粘度 = 0 00001198Pa·s在氣泡泵熱虹吸管內(nèi)的濃溶液的參數(shù):質(zhì)量流量: qmf = qmd ( a 1) = 0 076kg /s，體積流量 Vf= 5.923 × 10 4 m3 /kg，濃度為 r = 62

15、 4% ，密度f = 1730kg /m3氣泡泵的參數(shù)計算氣泡泵的直徑的計算:假設熱虹吸管內(nèi)的兩相流滿足彈狀流。在氣、液兩相體積流量 Vg 、Vf 確定的條件下，氣泡泵中獲得彈狀流的上限內(nèi)徑:d max= ( 2.4778Vg 1.3938Vf ) 0.4= 1.3m氣泡泵中彈狀流的下限內(nèi)徑:dmin=0.4 =0.0024于是，氣泡泵內(nèi)徑選擇范圍即為: dmin d dmax ，但為保證啟動容易和工作的穩(wěn)定，一般推薦管徑接近其中的下限值，在此處可以取d=0.05m對假設彈狀流的驗證：對于垂直管內(nèi)，彈狀流上升流截面含氣率：=1.27Vg1.528Vg+Vf+0.25g0.5d2.5=0.830

16、90.3無因次容積流速：fg*=VgAsg0.5gdf-g-0.5=0.58670.9液相雷諾數(shù)：Re=Vg+VfAsdff=3306190>8000可知滿足彈狀流的假設3.1干燥系統(tǒng)1空氣回熱器空氣回熱器采用重力熱管換熱器 ,由熱泵蒸發(fā)器出來的冷空氣經(jīng)過熱管換熱器的冷凝段升溫 ,使熱管管內(nèi)工作介質(zhì)冷凝 ,在重力的作用下流至熱管換熱器的蒸發(fā)段 ,使進入蒸發(fā)器前的濕空氣降溫，管內(nèi)工作介質(zhì)升溫 ,這個過程反復運作實現(xiàn)對空氣回熱的利用，熱管換熱器的冷凝段與蒸發(fā)段均采用套片式翅片管式結(jié)構 ,冷凝段與蒸發(fā)段各有 4排 ,分別組成 4個獨立的回路 ,見圖 ,以提高熱管換熱器的換熱能力 ,管內(nèi)充注適量

17、的丙酮。4.優(yōu)化性分析(1) 干燥系統(tǒng)閉式回熱干燥系統(tǒng)和回熱干燥系統(tǒng)在同樣的實驗條件下的優(yōu)化性分析<1>熱泵干燥循環(huán)系統(tǒng)圖 圖 1 閉式熱泵干燥系統(tǒng)示意圖及干燥過程 圖 2 空氣回熱閉式熱泵干燥系統(tǒng)及干燥過程1 2 3 4 1,轉(zhuǎn)變?yōu)?1 2 3 4 5 5 1 ,增加了熱泵干燥的除濕能力。<2>焓降和除濕量分析1：被干燥物料析水量不變的情況下的焓降分析無空氣回熱的閉式熱泵干燥系統(tǒng)空氣循環(huán)過程泵蒸發(fā)器后的焓降H= m ( h2 - h4 )空氣回熱的閉式熱泵干燥系統(tǒng)空氣循環(huán)過程泵蒸發(fā)器后的焓降H = m ( h2 - h4 )注：m 為干空氣流量 ( kg )，h2、

18、h4 分別為進出蒸發(fā)器空氣的比焓 ( k J/kg )由于h2> h2，所以H < H，則表明干燥同等質(zhì)量的水，采用空氣回熱循環(huán)，制冷劑逆向循環(huán)所消耗的補償功量減小 ,除濕能耗比 SPC 下降 ( SPC= 耗功量 /脫水量 )，節(jié)能效果更為明顯。2：蒸發(fā)器的冷負荷不變情況下的除濕量分析無空氣回熱的閉式熱泵干燥系統(tǒng)空氣循環(huán)過程泵蒸發(fā)器后的除濕量G= m ( d3 - d4 ) /1000有空氣回熱的閉式熱泵干燥系統(tǒng)空氣循環(huán)過程泵蒸發(fā)器后的除濕量G = m ( d3 - d5 ) /1000由于兩種空氣系統(tǒng)蒸發(fā)器的焓降H不變，采用回熱循環(huán)后使蒸發(fā)器入口空氣焓 h2< h2所以h5<h4所以采用空氣回熱循環(huán)比不回熱多去除的水分量為G= G - G= m ( d4 - d5 ) /1000所以在同種條件下，采用空氣閉式回熱系統(tǒng)比閉式不回熱系統(tǒng)更節(jié)能，