热泵-太阳能花椒干燥系统的设计与数值模拟

李江波 薛韩玲 陈柳

摘要：为解决传统花椒干燥方式效率低、花椒品质低、能耗大的问题，提出热泵-太阳能花椒干燥系统，阐述了该系统的结构与工作原理，研究了热泵-太阳能花椒干燥系统的设计方法。以在陕西省韩城市干燥3 t花椒为例，设计了热泵-太阳能花椒干燥系统，并利用Airpak软件的方法对烘干室采用下部送风、上部回风的气流组织方式进行模拟。结果表明，烘干室风速和温度能较好地满足花椒干燥的要求。

关键词：太阳能;热泵;花椒干燥系统;气流组织

中图分类号： S226.6  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）14-0251-04

花椒是中国香料中的一大特色，我国花椒行业规模每年以25%左右的速度递增。因此，花椒干燥所带来的能源问题也成为研究热点，相关数据显示，干燥行业的能耗占国民经济能耗的1/5，农产品的干燥技术研究备受关注[1-3]。近年来，把热泵这种高能效比的机组和清洁太阳能联合起来研究，因为具有高效、环保、干燥品质好等优点在干燥系統中受到越来越多的关注[4-5]。

Yahya利用太阳能辅助热泵提供热源干燥红辣椒，试验发现，与露天晾晒相比，用烘干机干燥可节约82%的时间[6]。Salehi等对热泵-太阳能系统进行研究，发现热泵-太阳能联合干燥更具优势，能大幅提高经济效益，且能缩短干燥时间[7]。李海雁等设计热泵-太阳能联合干燥系统对木材进行干燥，并将试验结果与普通干燥技术对比，发现热泵-太阳能联合干燥系统更经济，且产品质量更优[8]。许彩霞等用热泵-太阳能联合系统干燥木材，得出热泵-太阳能联合系统相比常规能源方法节能70%[9]。

花椒的传统干燥方式易受天气影响，会对环境造成污染，干燥产品质量差、效率低。为了能满足花椒的大规模干燥，急须利用先进的干燥技术来取代传统的干燥工艺[10]。本研究提出了热泵-太阳能花椒干燥系统，用该系统对3 t花椒进行干燥处理，并用数值模拟的方法对烘干房气流组织进行研究[11]。

1 热泵-太阳能花椒干燥系统

1.1 系统结构

热泵干燥一般属于热风低温干燥，干燥温度主要集中在40～80 ℃，太阳能干燥比热泵干燥更节能、更环保，但由于太阳能的间歇性、随时间的变化性，对其在干燥系统有非常大的障碍。本研究提出的热泵-太阳能花椒干燥系统的工作原理如图1所示。

热泵-太阳能联合干燥系统由干燥房、热泵系统、太阳能系统以及控制系统组成。干燥房采用特别材料建造，其内分为2个部分，中间用回风隔板隔开，一部分为物料室，另一部分为加热室。热泵系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀、送风管道、制冷剂流管、制冷剂及风机组成;太阳能系统由真空管集热器、风管等组成;控制系统由温度传感器、湿度传感器、数据总线、计算机组成。系统使用循环风，整个风循环系统是一个封闭循环系统，不再引入新风，减少因排风带走热量的损失[12]。

1.2 工作原理

干燥过程热风加热热量由太阳能和热泵提供：热泵干燥是根据逆卡诺循环，制冷剂在压缩机的动力作用下在整个热泵系统循环，吸收空气的低品位热能在压缩机做功的条件下，产生高品位热能并将热量输送至干燥房，在相关设备的工作下实现热质交换，达到干燥效果;太阳能利用集热器收集热量，这种能量供应方式清洁，所以当太阳充足时，尽可能多地利用，但受天气影响，所以太阳能只是作为辅助设备。太阳能通过集热器收集，并通过集热器与热管换热，加热回风温度[13]。

干燥过程开始时，打开所有风机，让干燥用的循环风在整个系统循环，再开启热泵，空气被加热成为高温空气。通过总进风管送入干燥房，并通过支管送风到物料车底部，干燥花椒。干燥房从上侧排出低温高湿的气体，气体首先来到蒸发器，蒸发器制冷剂要吸热，故空气温度会降低，当降低到机器露点一下就会结露，析出水分达到减湿的效果。空气流出蒸发器，在三通换向阀处根据集热器温度传感器的数据进行空气流向选择：（1）当数据大于蒸发器出口温度则流向太阳能集热器，经真空集热管换热继而流向热泵冷凝器;（2）反之则直接流向热泵冷凝器;在热泵冷凝器吸收热量变为高温低湿的空气，并在风冷冷凝器风机作用下送入干燥室，如此循环往复，在系统设备配合作用下达到加热空气、干燥花椒的效果。在整个系统多处安装传感器和自动控制部件，并反馈到计算机，并设计程序实现全系统自动控制。换向阀根据集热器温度值选择空气流向，干燥房内也设置有温度、湿度传感器，当温度过高或过低可控制热泵的工作情况来控制温度，当湿度达到一定要求系统自动停止[14]。

2 热泵-太阳能花椒干燥系统设计方法

以陕西省韩城市3 t花椒干燥为例，详细说明本研究提出的热泵-太阳能花椒干燥系统的设计方法。

2.1 原始资料

花椒含水率从50%处理至12%，干燥房内温度最高不超过65 ℃，干燥房最大可容纳的花椒质量为3 t，对太阳能与热泵联合干燥系统设备按照最不利条件进行设计计算。

花椒干燥过程是一个热量和质量交换的过程，所以研究的重点也即干燥过程的热量计算和水分转移量。花椒干燥有3个阶段：花椒吸热升温、恒温蒸发水分、干燥结束降温，干燥阶段温度变化为30 ℃到55 ℃再到40 ℃，其中热力计算主要在恒速干燥阶段，这段干燥时间可根据式（1）计算[15]。

根据热量平衡，完成脱水量的风量热泵会放出热量 192.4万kJ，即所需功率为534.5 kW，根据计算的制热系数，压缩机功率W计算可得W=534/7.4=72.2 kW，由计算功率确定压缩机选用谷轮压缩机型号为VR144KS-TFP-522，共8台，其对应参数见表2。根据热量核算，蒸发器换热面积为210 m2，冷凝器换热面积为800 m2。

2.5 气流组织设计及风机的选型

为保证干燥效果，烘干房采用下送上回送风方式，在每辆物料车下方设置送风口，在干燥室4个顶角设置回风，并在左侧中间位置混合通过排湿排热风机排出。回风管径尺寸 800 mm×500 mm，总进风管径尺寸800 mm×500 mm，从进风总管分支送到每个物料车底部，通过方形散流器送入，再通过孔板送入干燥室，散流器规格为KF-10，尺寸为360 mm×360 mm。要求在干燥空气流过花椒时风速不能超过 0.5 m/s，送风采用静压箱孔板送风，孔板选用直径为25 mm的圆孔，孔板中心距为60 mm。

2.6 控制系统设计

本系统可以实现2种工作状态：（1）晴天。太阳能充足，集热器集热情况良好，温度高于蒸发器出口空气温度，这时三通换向阀通路为蒸发器-太阳能集热器，干燥热量由热泵-太阳能联合提供。（2）多云或阴雨。太阳能不足，此时太阳能集热器温度低于蒸发器出口空气温度，则三通换向阀通路为蒸发器-冷凝器，干燥所需热量全由热泵提供。

3 热泵-太阳能花椒干燥系统数值模拟

为研究热泵-太阳能花椒干燥系统的干燥效果，利用Airpak软件对以上实例进行数值模拟[17]。

3.1 物理模型的建立

干燥房尺寸（长×宽×高）8 m×6 m×2.5 m，其中加热室尺寸（长×宽×高）3 m×6 m×2.5 m，物料室尺寸（长×宽× 高）3 m×6 m×2.5 m。干燥房加热室建立物理模型如图2所示[18]。

3.2 数学模型的建立

烘干房中的气流状态为湍流，且属于不可压缩的低速流体，符合Boussinesq假设，因此选用k-ε模型。模拟控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量方程以及k方程和ε方程。

为了使计算结果尽可能准确，模拟过程中采用残差收敛，迭代100次。在经过100次迭代后，其收敛情况都达到了设计所需的标准。

3.3 速度分布模拟及分析

花椒干燥主要是通过送入的高温低湿空气与湿花椒进行热质交换，风速对花椒干燥影响很大。根据Airpak模拟出干燥房中Y=0.25 m、Y=1.65 m、Y=2.4 m处的风速分布，风速分布图如图3、图4、图5所示。

从图3、图4、图5可以看出，干燥房内风速绝大部分为 0.4～1.0 m/s，花椒表面速度在0.5 m/s左右，不会因风速过大而出现花椒被吹走的问题，且风速分布均匀，利于花椒与热空气的热质交换。

3.4 温度分布模拟及分析

花椒干燥须要满足一定的温度才能高效进行，针对一定的送风量，其温度分布情况是否满足需要进行模拟，参考花椒的铺设位置高度，温度选择的模拟平面也选择在Y=0.4 m、Y=1.0 m、Y=1.6 m平面处的温度分布，分布如图6、图7、图8所示。

从图6、图7、图8可以看出，在Y=0.4 m处花椒及平面周围空气温度在60 ℃左右，周围由于进口温度的热量，温度略高，热空气在Y方向上升，继续与花椒热质交换;在Y=1.05 m 处，花椒温度明显降低，主要是由于花椒除湿的同时要吸收部分热量，使得温度降低;在Y=1.6 m处，花椒温度基本一致，均在55 ℃左右，整体上基本满足花椒干燥的温度要求。

应用Airpak软件对风速和温度模拟结果与理论结算基本符合，从模拟结果也更直接地观察到干燥房内的气流组织情况，结合模拟和理论分析可认为对空气源热泵联合太阳能干燥系统具有一定可行性。

4 结论

本试验提出了热泵-太阳能花椒干燥系统，研究了热 泵- 太阳能花椒干燥系统的设计方法，以3 t花椒为例，设计了热泵-太阳能花椒干燥系统，并利用Airpak软件的方法对烘干室的速度场和温度场进行模拟，结果表明该系统具有如下优点：（1）节能环保。热泵供热的能效比较高，是一种高效的方式，太阳能的应用使系统更具清洁能源优势，整个系统节能环保。（2）干燥效果好。整个干燥过程用稳定热风干燥，良好的气流组织设计保证了不会出现传统干燥方式中的温度过高或过低的现象，从模拟结果也可以看出干燥室温湿度都比较理想，适合花椒干燥。（3）控制优化设计。整个系统控制方案合理，能有效完成太阳能和热泵组合的优化控制。

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