太阳能辅助热泵干燥系统的设计

李宏燕，何建国，李明滨

摘要：针对单一太阳能干燥和单一空气源热泵干燥存在的不足，设计搭建了太阳能辅助热泵干燥系统，对太阳能不同供热温度下压缩机的工作性能进行了研究。系统结构主要包括太阳能集热器、储热器（蒸发器）、压缩机、冷凝器、风机及测试系统等。试验结果表明，连续供热泵模式下压缩机的工作性能较为稳定，制热系数在1.91～2.42之间;蒸发温度对热泵制热性能及运行工况有较大影响，当蒸发温度维持在20～25 ℃时，热泵的制热性能较高，热泵噪音较低，更适于太阳能辅助热泵干燥系统。

关键词：太阳能;热泵;干燥

中图分类号：TK512        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）23-5855-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.059

干燥技术直接影响到农林产品的安全储存和保质加工[1]。常规农产品干燥方法受外界环境气候条件限制，农作物经历的干燥时间长、干燥卫生条件差、干燥均匀性差[2]。因此降低干燥能耗、提高干燥效率和农作物干燥品质是农作物干燥技术的发展方向。

热泵及热泵干燥作为一项节能技术，近年来发展较快[3-13]。但热泵用于制热时，其制热性能与低温热源特性紧密相关，如何保障热泵蒸发端所需的稳定低温热源，是热泵制热推广应用的关键。将太阳能与热泵结合，可以综合利用太阳能可再生能源和热泵节能技术，以太阳能集热储热系统作为热泵低温热源，将集热器所收集的温度不稳定的低温热源借助热泵提升为高品位的稳定热源，提供给农作物干燥，可同时起到节约能源、降低能耗、保障农作物品质的目的，已逐渐引起众多研究人员的关注[14-25]。

为此，针对单一太阳能干燥和单一热泵干燥的不足，设计了太阳能辅助热泵干燥试验系统，对太阳能辅助热泵干燥系统进行了试验研究，重点分析了太阳能连续稳定热源供热模式下，不同供热温度对压缩机工作性能的影响，对比分析了不同供热温度下压缩机的制热能效。

1  太阳能辅助热泵干燥系统

1.1  系统构成及其工作原理

太阳能辅助热泵干燥系统由太阳能集热器、储热箱、热泵蒸发器、压缩机、冷凝器、风机、干燥房、循环泵、连接管路等组成。太阳能集热储热系统与热泵系统采用串联方式连接，系统结构示意图见图1。系统工作原理为：太阳能集热器收集并储存太阳能，调节储热箱中的流体流量，使热泵蒸发器达到热泵工质蒸发所需适宜的温度。液态热泵工质吸收蒸发端热量后变成气态工质，经压缩机压缩后变成高温高压蒸汽，在冷凝端与风机吸进的室外空气进行热量交换，将空气加热到干燥所需温度后进入干燥房。

1.2  设备参数

试验系统中的主要设备包括真空管太阳能集热器、压缩机、蒸发器、冷凝器、风机等，各设备的相关参数见表1。

2  太阳能辅助热泵干燥试验

2.1  试验方法

试验以太阳能连续不同供热温度下热泵制热性能测试为目的，通过调节集热器储热箱介质流量，实现连续供热模式下不同试验蒸发温度。通过测试压缩机吸气温度、排气温度、吸气压力、室外空气温度、风机出口风温、蒸发器内水温等参数的变化过程，分析热泵运行状态，分别计算热泵制热量和制热系数COPh。

2.2  试验仪器

试验系统测量参数包括温度、压力、电流等，其中温度点较多，采用自动数据采集系统实现记录和保存，采集时间间隔30 s;压力和电流信号采用直读式仪表，采集时间间隔10 min，并将电流信号换算为压缩机功率。系统测量参数及测量仪器见表2。

2.3  试验结果

调节储热箱水流量，使蒸发器内维持恒定水温为15、20、25、30、35 ℃，分别考察压缩机吸气温度、压缩机排气温度、风机出口风温、热泵制热量、压缩机吸气压力等参数随时间的变化，试验结果见图2至图6。

结果表明，太阳能不同供热蒸发温度对压缩机吸气温度和排气温度有较大影响，对压缩机吸气压力及冷凝器出口风温影响较小;连续供热模式下，压缩机运行工况较稳定，制热性能较高，热泵平均制热系数在1.91～2.42之间（表3）;当蒸发温度较低时，热泵吸气温度较低，工质蒸发量较小，吸气量不足使热泵处于低负荷运行状态，工作噪声较大;当蒸发温度维持在 20 ℃与25 ℃时，压缩机制热量较高，其中25 ℃下压缩机的平均制热系数达到2.42，表明压缩机适宜的蒸发温度为25 ℃;当蒸发温度处于30～35 ℃等较高温度时，压缩机排气温度超出压缩机正常热力循环工作范围，压缩机处于超负荷运行状态，压缩机工作压力较高，制热量降低，因此蒸发温度不宜超过25 ℃。

3  小结

太阳能辅助热泵干燥技术与常规干燥技术相比，具有节约能源、提高被干燥物料的品质等优点。通过对太阳能辅助热泵不同供热温度下的系统性能进行试验研究，分析了压缩机的工作性能。结果表明，连续恒温供热模式下压缩机的工作性能较为稳定，制热系数较高，其中适宜的太阳能辅助热泵蒸发温度为20～25 ℃。该试验系统可推广应用于农林产品的干燥，有助于提高产品干燥品质，缩短干燥周期，提高生产效率。

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