太阳能-热泵联合干燥木材的实验研究

1、太阳能-热泵联合干燥木材的实验研究张璧光 李梁（北京林业大学材料科学与技术学院100083）摘 要：介绍了太阳能-热泵联合干燥的设备组成与工作原理。列出了联合干燥设备的主要参数与性能测试数据。绘出了太阳能干燥与联合干燥的工艺曲线。论文中将太阳能-热泵联合高与常规蒸汽干燥（又称热风干燥）进行了经济分析对比，联合干燥的节能率在70%左右。关键词：木材联合干燥 太阳能 热泵 性能试验 The experiment and study of combined wood drying system for solar energy and heat pumpZhang biguang Li liang

2、(School of science and technology of material, Beijing Forestry University ,100083)Abstract：The working principle and the composition of the equipment for solar-heat pump united wood drying are introduced in this article. It gives the main parameters and testing performance dates of the equipment. A

3、lso the craft curse is drawn in this report. This paper compares the economical performance between solar-heat pump united and traditional vapor drying (either called hot air drying). And the united drying can save energy about 70%.Key words：united wood drying solar energy heat pump parameter 1. 引言2

4、1世纪我国的能源、环境状况与国民经济可持续发展的矛盾日益突出。太阳能是一种清洁、安全、可持续发展的绿色能源，预计它在我国未来能源结构中的地位将日益重要。我国有丰富的太阳能资源，大约2/3国土的太阳能年辐射量接近或超过6000MT/m21。我国的太阳能利用主要集中在太阳能热水器、太阳能采暖及太阳能光电转换方面。目前我国是世界上生产太阳能热水器最多的国家。我国利用太阳能干燥物料，主要是农副产品方面。太阳能干燥木材的规模很小，主要分布在广东、广西、海南、云南、江西、山东、安徽以及北京等省市，年干燥总量很少，大约5000m3，还不到全国各种干燥设备总干燥量的千分之一2。影响太阳能在木材干燥业推广的主要

5、原因是：太阳能功率密度低、不稳定、不连续，使干燥周期长；低成本的有效贮能问题尚未解决，需要辅助能源，使初步投资较高。目前太阳能干燥的辅助能源多数以木废料或煤燃烧产生的烟气或锅炉供应的蒸汽、热水，其优点是简单、方便，缺点是有CO2和烟尘的污染。热泵干燥也是一种无污染的节能干燥技术，将太阳能干燥与热泵干燥有机的结合，可取二者之长，避二者之短，提高干燥效益。20世纪80年代,美国和日本都先后进行过此类联合干燥的研究3、4。近十几年来北京林业大学先后研制成功并推广应用了TRCW中温型和GRCT高温型太阳能热泵联合干燥装置5、6，有明显的节能效果，产生了良好的经济效益和环境效益。2. 太阳能热泵联合干燥

6、系统2.1联合干燥系统的组成与工作原理北京林业大学设计的太阳能热泵联合干燥系统，由太阳能供热系统、热泵除湿干燥机及木材干燥室组成，图1为联合干燥外观图。图2.太阳能热泵联合干燥装置原理图。图2.太阳能热泵联合干燥系统原理图1.2.3太阳能集热器 4.太阳能风机 5.风阀 6.除湿蒸发器 7.膨胀阀 8冷凝器 9.热泵蒸发器 10.单向阀11.压缩机12.湿空气13.干热风14.干燥室太阳能供热系统由太阳能集热器、风机、管路以及风向阀组成。太阳能集热器采用北京市太阳能研究所研制的PK1570系列，拼装式平板型空气集热器2。根据集热器数量多少和位置可布置数个陈列。图1中所示为3个阵列。热泵除湿干燥

7、机与普通热泵工作原理相同，具有蒸发器、压缩机、图1.太阳能热泵联合干燥装置照片冷凝器与膨胀阀四大部件。但它具有除湿机和热泵两个蒸发器，除湿蒸发器6中的制冷工质吸收从干燥室排出的湿空气的热量，使空气中水蒸气冷凝为水而排出，达到使干燥室降低湿度的目的。热泵蒸发器9内的制冷工质从大气环境或太阳能系统供应的热风吸热，制冷工质携热量经压缩机11 至冷凝器8处放出热量，同时加热来自干燥室的空气，使干燥室升温5。木材干燥过程中，干燥室的供热与排湿由太阳能供热系统和热泵除湿机两者配合承担。二者既可以单独使用也可联合运行。如果天气晴朗气温高，可单独开启太阳能供热系统；阴雨天或夜间则启动热泵除湿机来承担木材干燥的

8、供热与除湿。在多云或气温较低的晴天，可同时开启太阳能供热系统和干燥机，但从太阳能集热器出来的热空气不直接送入干燥室，而是经风管送向热泵蒸发器。此时由于送风温度高于大气环境温度，故可明显提高热泵的工作效率。2.2联合干燥系统的设备参数以北京地区用太阳能热泵干燥联合干燥20方松木为例。所用木材为厚度为4cm马尾松，初含水率为50，终含水率10，其基本密度为0.431 t/cm3。太阳能热泵联合干燥系统主要设备性能参数如下：热泵除湿机的压缩机功率为3.75 kW，除湿风机功率2×0.4 kW，除湿机风量6000 m3/h，制冷工质为R22，热泵风机功率0.4 kW，热泵风机风量3000 m

9、3/h；太阳能集热器有效面积270 m2，集热器风机功率3×0.75 kW；窑内风机功率3×0.55 kW，辅助电加热器功率2×6 kW。3. 联合干燥的实验测试3.1太阳能供热系统的性能测试太阳能供热系统的性能可用集热器热效率T和系统供热系数COPT来表示。前者反映太阳辐射能转变为热能的效率；后者等于集热器内空气实际得热，与太阳能供热系统风机能耗的比值，它反映了系统的供热效率。T （1）COPTQT/W （2）式（1）与式（2）中：QT空气流经太阳能集热器的实际得热量；为太阳能照射到集热器的理论热值；G为空气在集热器中的流量；t为空气在集热器中的温升；CP为空气

10、的定压比热；I为太阳能辐射强度；A为集热器透光面积；W为太阳能供热系统的风机能耗。表1列出了太阳能供热系统中3集热器在4月中某一天的测试数据。3集热器总采光面积为32.4m2，风机消耗功率为0.95 kW。测试地点为北京林业大学木材干燥实验室。表1太阳能供热系统性能参数日期记录时刻t0,()t1,()t2,() t,()I,(W/m2)集热器热效率G，(kg/h)Q,（kW）供热系数T瞬时（COP）T平均（COP）T4.29晴10:001826401471731.836.43 18907.40 7.79 10.62 11:001828482082638.7185510.40 10.95 12:

11、002032552394938.4183911.80 12.42 13:002131.55523.5101936.6183912.10 12.74 14:002231522195839.9184910.80 11.37 15:002232511986335.218539.80 10.32 16:002332481674434.418558.30 8.74 注：t0环境温度；t1集热器进口温度；t2集热器出口温度；t进出口温差；I辐射强度；T瞬时热效率；平均热效率；G送风量；Q有效得热。由表1中所列数据可以看出：太阳能供热效率高，能耗小。最小供热系数也达7以上，即太阳能系统风机耗1kW电能，可获

12、得7kW以上的热能；太阳能供热量变化很大，稳定性差，一天中不同时刻和不同月份和日照条件不同对太阳能供热量影响很大；太阳能集热器瞬时热效率最高可达50左右，接近国际同类集热器的热效率2。3.2热泵供热系数的测试热泵供热系数是热泵的主要性能参数之一，它等于热泵供热量与压缩机消耗的电能之比。供热系数越大，性能越好。COPR= (3)式中：COPR热泵实际供热系数；QR热泵实际供热量；W压缩机消耗的功率；热泵的总效率，一般在0.450.77之间；T1、T2分别为热泵的冷凝和蒸发温度；热泵的理论供热系数，取决于蒸发温度和冷凝温度，当冷凝温度一定时，蒸发温度越高，则（T1T2）的差值就越小，热泵供热系数随

13、之增大。表2列出了实验测试的热泵供热系数与它进风温度之间的关系。从表5中数据看出，当热泵冷凝温度维持在52时，热泵进风温度（即热泵热源温度）由5增至40，则热泵供热系数由2.0增至4.24，相应的供热量由8.42kW增至15.7kW，除去太阳能风机电耗，净增供热量6kW以上。这是太阳能供风代替大气环境供风带来的效益。它进一步说明了太阳能与热泵联合的优越性。图4.太阳能热泵联合干燥工艺曲线图3.太阳能干燥工艺曲线3.3太阳能热泵干燥木材的工艺实验图表2.热泵进风温度与供热系数的关系进风温度（）蒸发温度（）冷凝温度（）压缩机耗电（kW）热泵供热（kW)供热系数备注理论实际5-3524.28.425

14、.422.0大气供风100524.19.585.702.34152524.010.645.902.66203523.911.276.022.89254523.812.126.133.19305523.813.306.253.50356523.714.136.393.82太阳能供风408523.715.706.634.24图3为单独使用太阳能干燥时干燥室内温度、相对湿度和木材含水率变化的工艺曲线8。试材为5cm厚的红松，初含水率31，终含水率14.4，材积为15m3干燥时间从8月10日到8月25日，共15天，地点北京。图4为太阳能热泵联合干燥木材的工艺曲线。试材为红松，基本密度0.36g/cm3

15、，板厚为6cm，材积15 m3。初含水率为66，终含水率为18，干燥时间从9月5日到9月17日，共12.5天，地点北京。图3与图4中，干燥室内温度、相对湿度和木材含水率均为每天的平均值。比较图中的曲线变化趋势可以看出：单独使用太阳能干燥时，干燥室内温度、相对湿度的波动较大，木材干燥过程受气候条件的影响大，很难实现预定的干燥工艺。太阳能热泵联合干燥时，干燥室内温度和相对湿度的变化比较平稳，基本上能按规定的工艺运行。木材含水率降低的速度比太阳能快。太阳能热泵联合干燥木材的周期明显比单独使用太阳能干燥的周期短，提高了生产的效率。4.联合干燥的节能分析目前我国以常规蒸汽干燥（即热风干燥）为主，故联合干

16、燥的经济分析采取与常规蒸汽干燥作对比的方法。4.1联合干燥的节能率由于两种干燥方式的用能形式不同，为便于比较折算为干1m3材的标准煤耗。4.1.1联合干燥的能耗联合干燥生产试验的平均能耗为105kW/m3材，计算时取110 kW/m3材。根据国家近年来公布的发电煤耗，取1 kW·h的标准煤耗为400g，则联合干燥的平均能耗为110×400/100044kg标准媒/ m3材。4.1.2蒸汽干燥能耗常规蒸汽干燥能耗取自北京某木材厂近几年来木材干燥生产的统计平均值（以干燥樟子松为主），干燥1 m3材平均耗电为45 kW·h/ m3材，平均耗蒸汽为0.9t/ m3材，取锅

17、炉及输气管网的总效率为60。根据锅炉煤耗的计算方式9、10。产生 1吨蒸汽的标准煤耗为150kg，则采用常规蒸汽干燥1 m3材的总能耗为：（0.9×15045×400）÷1000153kg标准煤/ m3材4.1.3联合干燥的节能率根据联合干燥与蒸汽干燥的能耗，得到联合干燥的节能率为：（153-44）÷15371.25.结论与建议5.1太阳能供热的能耗小，供热系数高，但供热不稳定，随天气状况与自然温度变化大。5.2热泵从太阳能供风管路取热与从环境取热相比，能明显提高热泵的供热系数。5.3太阳能与热泵干燥二者联合可相互取长补短。联合干燥与单独的太阳能干燥相比

18、。气候变化的影响减少，干燥室温度和相对湿度变化平稳，干燥时间很短。5.4联合干燥与蒸汽干燥相比，节能效果十分明显，其节能率在70左右。5.5太阳能是廉价的绿色能源，太阳能热泵联合干燥有利于环保。建议在太阳能丰富，电价便宜的地区推广使用。参考文献1陆继德. 太阳能在建筑中的应用. 中国建材，1998，（8）：55572张璧光等. 太阳能干燥木材的研究. 化工进展， 1999，18（增刊）：51543Chen P.Y.S elal 1987 Design and test of a solardehumidifier kiln with heat storage and heat recover system J. Forest Products 37(5):26304 日小林好纪. 太阳能利用除湿干燥装置. 木材工业， 198，.43(6)：15205