太阳能热泵回热干燥

1、基于太阳能吸收式空气回热闭式热泵干燥系统摘 要: 热泵用于干燥 ,具有节能和减少污染双重效益。 国内从 80年代初开始引进并进行研究开发 ,在干燥等领域获得了推广应用 ,采用空气回热闭式系统，除湿能耗比在一定工况有效降低，在热泵方面，为了有效解决传统压缩机的高耗电和噪声问题，采取了一种新型的家用太阳能气泡泵吸收式热泵装置。该装置采用太阳能驱动溴化锂吸收式热泵机组，并以气泡泵代替传统的机械泵。关键词 太阳能 热泵 空气回热前言 系统由两个部分组成，干燥系统和热泵系统，热泵系统采用太阳能集热器和气泡泵( 由发生器、热虹吸管和分离器组成) 驱动的单效溴化锂吸收式的组合系统，在标准制热工况下，室外侧进

2、风干 / 湿球温度为 7 /6 时，制热量达 18 0kW，在该设计条件下，我们对吸收式制冷机的主要部件和太阳能集热器以及蓄热装置进行了热力设计计算1.1装置的结构和原理图 图1 太阳能热泵系统的设计1.2工作流程 当阳光充足的时候，关闭电加热器，太阳能集热器加热的水先进入蓄热器，再流到发生器，驱动吸收式热泵当阳光不足的时候则打开电加热器进行热补偿，热泵驱动的同时，含湿量小的空气进入干燥箱与干燥物体接触进行等焓吸湿，干燥物料，干燥后的气体经过蒸发器降温除湿，这时气体通过装在蒸发器前面的热管的蒸发段和在热管的冷凝段进行空气回热利用， 该装置可以弥补单纯利用太阳能的不足性，可以适当进行热补偿，根据

3、需要还可以改成干冷箱使用，可以干燥更多种类的东西，提高经济型 在干燥箱的进出口增加风速测试仪和温湿度测试仪，对干燥箱的风速和温湿度进行实时记录，掌握物品的干燥程度，可以对机组进行微调2 太阳能热泵系统的设计 我们采用太阳能无泵溴化锂吸收式热泵系统。该太阳能无泵溴化锂吸收式热泵一方面利用太阳能与电加热共同作为驱动能源，节约了对大量电能的消耗; 另一方面该统没有压缩机等运动部件，可以减少噪声; 此外，由于使用 LiBr-H2 O 作为制冷工质对，对环境几乎没有影响， 采用太阳能集热器和气泡泵( 由发生器、热虹吸管和分离器组成) 驱动的单效溴化锂吸收式制冷机的组合系统。设计条件：在标准制热工况，制热

4、量为18.0KW 2.1 热泵的针对性分析和热力计算和设备选型系统主要针对对牛肉的干燥进行设计，通过物料计算进行对各部件的确定（1）物料计算（1） 已知条件干燥5t 牛肉，含湿量75%，干燥时间10h则干料量Gc=5000×（1-75%）=1250Kg水分量Gw=5000-1250=3750Kg理想状态下，可除去水分3750Kg1. 热力计算水分气化所带走的热量Q=3750kg×2260kj/kg=8475000kj所以每小时带走的热量为8475000/10=847500kj/h=235.42kw制冷量 Q0=235.42kW冷却水进口温度 32蒸发温度 6（2） 设计参数

5、的选定吸收器出口冷却水温度tw1和冷凝器出口冷却水温度tw2 为了节省冷却水的消耗量，采用串联方式。假定冷却水总的温升tw=10，取tw1=5.4，tw2=4.6，则tw1=tw+tw1=37.4tw2=tw1+tw2=42冷凝温度tk及冷凝压力pk取t=3，则Tk=tw2+t=45Pk=9.6KPa蒸发压力P0=0.934KPa吸收器内稀溶液的最低温度t2 取t=4.6，则t2=tw1+t=42吸收器压力pa 假定p0=0.013KPa，则Pa=p0-p0=0.921KPa稀溶液浓度wa 由pa和t2查h-w图wa=0.575稀溶液浓度wr 取wr-wa=0.044，则wr=wa+0.044

6、=0.619发生器内浓溶液的最高温度t4 由pk和wr查h-w图的t4=94浓溶液出热交换器时的温度t8 取冷热端温差t=15，则t8=t2+t=57稀溶液出热交换器时的比焓 由t8和wr查h-w图的h8=307.38kJ/kg稀溶液出热交换器时的温度t7 由制冷设备与原理（第4版）（下面都是查此书的公式和图表）中的式（7-8）和式（7-19）求得a=0.619/(0.619-0.575)=14.01h7=361.47kJ/kg再根据h7和wa查h-w图得t7=81.5根据以上数据，确定各点的参数，其数值列于表下中，考虑到压力的数量级，表中压力单位为kPa。名称点号温度/质量分数（%）压力/k

7、Pa比焓/（kj/kg）蒸发器进口冷剂水1600.9325.21蒸发器出口处冷剂蒸气1600.932512.6吸收器出口处稀溶液24257.50.93280.19冷凝器出口处冷剂水34208.20175.31冷凝器进口处水蒸气39108.202661.7发生器出口处浓溶液49661.98.20380.56发生器进口处饱和稀溶液581.557.58.20361.47吸收器进口处饱和浓溶液65761.91.47307.38热交换器出口处稀溶液a781.557.5361.47热交换器出口处浓溶液b85761.9307.38（3） 设备热负荷计算冷剂水流量qmd 由式（7-22）和式（7-23）得q0

8、=（2512.6-175.31）=2340.29kJ/kgqmd=0.1kg/s发生器热负荷Qg 由式（7-24）得Qg=345.05kW冷凝器热负荷Qk 由式（7-25）得Qk=252.29kW吸收器热负荷Qa 由式（7-26）得Qa=318.22kW溶液热交换器Qex 由式（7-27）得Qex=89.36kW（4） 装置的热平衡、性能系数及热力完善度热平衡吸收热量 Q1=Qg+Q0=345.05+235.42=580.47kW放出热量 Q2=Qk+Qa=252.29+318.22=570.51kWQ1和Q2十分接近，表明上式的计算是正确的。性能系数 由式（7-29）得COP=235.42/

9、345.05=0.682热力完善度 冷却水的平均温度twm和冷媒水的平均温度txm分别为twm=（tw+tw2）/2=37txm=6由式（7-30）得COPC=1.84由式（7-31）得=0.37（5） 加热水消耗量和各类泵的流量计算加热水的消耗量qmv 由式（7-32）得qmv=336.33kg/h冷却水泵流量qvb 由式（7-36）和式（7-37）得qvb1=50.73m³/hqvb2=47.21m³/h两者基本相同，表明开始假定的冷却水总温升的分配式合适的，并取qvb=50.73m³/h.3.换热面积计算发生器的传热面积Fg 由式（7-41），并取Kg=15

10、00W/(*K），得Fg=25.35冷凝器的传热面积Fk 由式（7-42），并取Kk=40W/(*K），得Fk=1368.17吸收器的传热面积Fa 由式（7-43），并取Ka=32W/(*K），得Fa=1808.06蒸发器的传热面积F0 由式（7-44），并取K0=2300W/(*K），得F0=48.74溶液热交换器的传热面积Fex 由式（7-45）并取Kex=465W/(*K），得Fex=12.96设备名称传热量（kw）传热系数w/.k传热面积发生器345.05150025.35冷凝器252.29401368.17吸收器318.22321808.06蒸发器235.42230048.74溶液热

11、交换器89.3646512.964. 太阳能集热器 1 、Ac=Qw*Cw*（Tend-Ti)*f/Ji*cd*(1-L)式中： Ac 直接系统集热器总面积，； Qw日均用水量，取1000； Cw水的定压比热容，KJ/· ，取4.187KJ/·； Tend 储水箱内水的终止温度（用水温度） ，取100； Ti 水的初始温度，取32； Ji当地集热器采光面上的年日均辐照量KJ/，湛江取14500KJ/； f 太阳能保证率，30%-80%，取50%； cd 集热器的年平均集热效率，根据经验值宜为0.250.50，具体根据产 品的实际测试结果而定，取0.50； L 贮水箱和管路的

12、热损失率，根据经验为0.200.30，取0.25； 经计算得：Ac=26.18。5. 蓄热器设计V= *Ac式中：V储热器有效容积,L;Ac 集热器的集热面积，; 系数，范围为 50 70，偏重于集热效益的可以取上限，偏重水温高而直接使用的可取下限分户式可向上限取值，集中式可向下限取值或突破下限根据计算取值。取=60 经计算得：V=60*Ac=1.57m³6. 换热器设计蒸发器、发生器均采用 15 × 1 的紫铜管无肋片，有效管长 L1 = 0 4m; 吸收器、冷凝器均采用15 × 1 的紫铜管，外面加装肋片，有效管长 L2 = 0 6m，取肋化系数为

13、20，则每根管子的管外单位长度的传热面积 fc = fi = 20 × 3 14 × 0 015 =0 942 m; 溶液热交换器采用 12 × 1，有效管长为 lo = 0 4m 的紫铜管，无肋片; 其中冷凝器和吸收器采用风冷，其风速选定为 2 3m /s，进风温度为32 出口温度为 35 45 。设备名称传热量（kw）传热系数w/.k传热管径（mm）传热面积管子数（根）发生器345.05162315×123.431240冷凝器252.294015×11368.172420吸收器318.22116315×149.7288蒸发器235

14、.42279115×140.172132溶液热交换器89.3646512×112.968607.气泡泵分析3 2 1已知参数在气泡泵热虹吸管内的蒸汽的参数:蒸汽为96 C0，压力为 9 59kPa 的过热蒸汽，蒸汽的质量流速qmd=0.093kg/s,体积流量为 Vg= 0 93 m3 /s，密度 = 0 05698kg /m3 ，动力粘度 = 0 00001198Pa·s在气泡泵热虹吸管内的浓溶液的参数:质量流量: qmf = qmd ( a 1) = 0 076kg /s，体积流量 Vf= 5.923 × 10 4 m3 /kg，浓度为 r = 62

15、 4% ，密度f = 1730kg /m3气泡泵的参数计算气泡泵的直径的计算:假设热虹吸管内的两相流满足弹状流。在气、液两相体积流量 Vg 、Vf 确定的条件下，气泡泵中获得弹状流的上限内径:d max= ( 2.4778Vg 1.3938Vf ) 0.4= 1.3m气泡泵中弹状流的下限内径:dmin=0.4 =0.0024于是，气泡泵内径选择范围即为: dmin d dmax ，但为保证启动容易和工作的稳定，一般推荐管径接近其中的下限值，在此处可以取d=0.05m对假设弹状流的验证：对于垂直管内，弹状流上升流截面含气率：=1.27Vg1.528Vg+Vf+0.25g0.5d2.5=0.830

16、90.3无因次容积流速：fg*=VgAsg0.5gdf-g-0.5=0.58670.9液相雷诺数：Re=Vg+VfAsdff=3306190>8000可知满足弹状流的假设3.1干燥系统1空气回热器空气回热器采用重力热管换热器 ,由热泵蒸发器出来的冷空气经过热管换热器的冷凝段升温 ,使热管管内工作介质冷凝 ,在重力的作用下流至热管换热器的蒸发段 ,使进入蒸发器前的湿空气降温，管内工作介质升温 ,这个过程反复运作实现对空气回热的利用，热管换热器的冷凝段与蒸发段均采用套片式翅片管式结构 ,冷凝段与蒸发段各有 4排 ,分别组成 4个独立的回路 ,见图 ,以提高热管换热器的换热能力 ,管内充注适量

17、的丙酮。4.优化性分析(1) 干燥系统闭式回热干燥系统和回热干燥系统在同样的实验条件下的优化性分析<1>热泵干燥循环系统图 图 1 闭式热泵干燥系统示意图及干燥过程 图 2 空气回热闭式热泵干燥系统及干燥过程1 2 3 4 1,转变为 1 2 3 4 5 5 1 ,增加了热泵干燥的除湿能力。<2>焓降和除湿量分析1：被干燥物料析水量不变的情况下的焓降分析无空气回热的闭式热泵干燥系统空气循环过程泵蒸发器后的焓降H= m ( h2 - h4 )空气回热的闭式热泵干燥系统空气循环过程泵蒸发器后的焓降H = m ( h2 - h4 )注：m 为干空气流量 ( kg )，h2、

18、h4 分别为进出蒸发器空气的比焓 ( k J/kg )由于h2> h2，所以H < H，则表明干燥同等质量的水，采用空气回热循环，制冷剂逆向循环所消耗的补偿功量减小 ,除湿能耗比 SPC 下降 ( SPC= 耗功量 /脱水量 )，节能效果更为明显。2：蒸发器的冷负荷不变情况下的除湿量分析无空气回热的闭式热泵干燥系统空气循环过程泵蒸发器后的除湿量G= m ( d3 - d4 ) /1000有空气回热的闭式热泵干燥系统空气循环过程泵蒸发器后的除湿量G = m ( d3 - d5 ) /1000由于两种空气系统蒸发器的焓降H不变，采用回热循环后使蒸发器入口空气焓 h2< h2所以h5<h4所以采用空气回热循环比不回热多去除的水分量为G= G - G= m ( d4 - d5 ) /1000所以在同种条件下，采用空气闭式回热系统比闭式不回热系统更节能，