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干燥作業(yè)涉及國民經(jīng)濟(jì)的廣泛領(lǐng)域，所用能源占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的12%左右，在干燥生產(chǎn)過程中推廣節(jié)能應(yīng)用具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。近年來國內(nèi)外紛紛進(jìn)行新能源和可再生能源干燥的研究和推廣，例如利用太陽能、生物質(zhì)熱源、熱泵、地?zé)岬确绞竭M(jìn)行干燥，取得了較好的實(shí)效，太陽能干燥具有突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)太陽能具有隨機(jī)性、間歇性特點(diǎn)，連續(xù)進(jìn)行的干燥作業(yè)需要配備輔助熱源。 

    熱泵具有節(jié)能、穩(wěn)定、無污染排放等優(yōu)點(diǎn)，在我國的很多地區(qū)可以全年運(yùn)行，是一種理想的太陽能輔助干燥熱源，近年來太陽能-熱泵干燥方式得到廣泛的研究和生產(chǎn)應(yīng)用。 

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 

    圖1和圖2為太陽能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)干燥房和熱源系統(tǒng)的實(shí)物照片。干燥系統(tǒng)建于廣東佛山市三水區(qū)樂平鎮(zhèn)，屬于熱帶季候風(fēng)氣候，全年平均氣溫和最低氣溫高于零度，太陽能-熱泵熱源可以滿足全年任何時(shí)段的24小時(shí)連續(xù)干燥需求。

    聯(lián)合系統(tǒng)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中換熱柜內(nèi)部安裝有換熱器和離心風(fēng)機(jī)，干燥房內(nèi)部由布風(fēng)孔板隔開為上下兩層，底層送風(fēng)，物品在上層干燥，循環(huán)風(fēng)流動(dòng)方向如圖中箭頭所示。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)干燥房中的熱風(fēng)濕度超過設(shè)定值，控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟熱回收器排放濕空氣并與新風(fēng)換熱，降低室內(nèi)熱空氣濕度。在干燥房中溫度發(fā)生變化后，通過邏輯計(jì)算控制流量調(diào)節(jié)閥的開度改變換熱器中流過的熱水流量，維持物品干燥的吸熱和散熱平衡，實(shí)現(xiàn)恒溫干燥。

    在干燥房的頂部安裝有雙層玻璃蓋板，干燥某些需要有陽光照射的物品時(shí)（如臘腸、臘肉等），蓋板在保證陽光投射的同時(shí)，有效防止頂部散熱。雙層蓋板中間的空氣夾層在降低干燥房頂部傳熱系數(shù)，減少散熱損失，對比單層玻璃蓋板，其頂部散熱損失降低幾十倍。在夜晚或者物料禁止陽光照曬的情況下，蓋板下面的遮擋板鋪開防止太陽直曬。通過玻璃蓋板的使用，干燥房變成類似太陽能集熱器的功能，提高了太陽能的利用率。 

    使用太陽能供熱時(shí)，在小水箱水溫超過設(shè)定值后，大小水箱間的閥門打開進(jìn)行流動(dòng)，保持小水箱水溫恒定和蓄熱。陰天或者夜晚時(shí)小水箱水溫不能滿足使用要求，開啟熱泵循環(huán)加熱大水箱中的水。 

本次實(shí)驗(yàn)用到的裝置和儀器參數(shù)見表1。 

2、系統(tǒng)測試數(shù)據(jù) 

    干燥系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)視窗操作實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)記錄和控制設(shè)定，通過軟硬件配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能控制。預(yù)設(shè)參數(shù)包括水箱溫度、干燥房溫濕度、排氣濕度、干燥時(shí)間、熱源控制模式等，開發(fā)的控制界面如圖4所示。 

    被干燥物品為初始含濕量為95%的新鮮蔬菜，均勻放置于干燥房內(nèi)的不銹鋼多層置料板上。主要測量參數(shù)包括：太陽能總輻射強(qiáng)度，干燥房內(nèi)和環(huán)境的干濕球溫度，測量樣品的重量。即時(shí)測量的集熱器傾斜面上太陽能總輻射強(qiáng)度值隨時(shí)間變化如圖5所示。 

    被干燥菜干重量隨時(shí)間變化如圖6所示。隨著干燥過程的進(jìn)行，被干燥蔬菜的含水量逐漸降低，其重量變化曲線斜率先增加后降低。前期平緩的原因在于干燥房初始溫度低，在室溫逐漸增加的過程中，蔬菜中水分蒸發(fā)速率隨溫度升高而增加，為升速干燥階段。干燥房內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，隨著干燥作業(yè)的進(jìn)行，干燥曲線斜率基本不變，為恒速干燥階段。在樣品干燥出一定水分后，干燥出的水分中結(jié)合水所占的比率增加，干燥難度增大，此時(shí)樣品中水分蒸發(fā)速率隨著樣品含水量的降低而降低，干燥曲線斜率降低。 

    系統(tǒng)干燥后的菜干實(shí)物照片如圖7所示。干燥后的菜干潔凈，品相好，無粉碎，在空氣中放置多天后未腐爛變質(zhì)。干燥運(yùn)行18個(gè)小時(shí)，完全采太陽能熱源，未曾開啟熱源。初始干燥前菜干重量為200kg，干燥后菜干中的水分蒸發(fā)90.86%，干燥過程中水泵和風(fēng)機(jī)總電耗為79.5KW.h。傳統(tǒng)干燥方式的能耗與蒸發(fā)水分的汽化潛熱之比為2-3，本次干燥所耗電能和蒸發(fā)水分的汽化潛熱之比為0.63左右，具有顯著節(jié)能效果。

    本次建設(shè)的干燥系統(tǒng)的保溫性能、換熱效率和干燥量具有很大改善余地，未能發(fā)揮干燥系統(tǒng)的最佳使用性能，在推廣使用過程中其節(jié)能性可以進(jìn)一步提升。 

3、熱回收效果 

    為評估干燥過程中的熱回收器的運(yùn)行效果，控制熱回收器為手動(dòng)操作狀態(tài)。測量計(jì)算干燥過程中熱回收器回收的能量值Qs和能量熱收比K。 

Qs=∑Ws X t (1)

K=Ws/Wi     (2)

Ws=△h X v X p (3)

其中，Ws為熱回收器運(yùn)行過程中回收的能量功率，KW；

K為測量的時(shí)間間隔，S；

Wi為熱回收器運(yùn)行功耗，KW；

△h為濕空氣在熱回收系統(tǒng)進(jìn)出口間的焓差，KJ/kg；

V為濕空氣排放的體積流量，m3/h；

p為濕空氣排放時(shí)的密度，kg/m3； 

    將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算公式（1）、（2），求得熱回收器的回收熱量功率如圖8。隨著干燥作業(yè)的進(jìn)行，干燥物品的濕度降低，排放濕空氣的焓值降低，熱回收器熱量回收的功率降低，而熱回收器運(yùn)行耗功不變，能量熱回收比的數(shù)值逐漸降低。 

    統(tǒng)計(jì)熱回收器每小時(shí)回收能量值可知，在干燥測試的350分鐘時(shí)間內(nèi)，熱回收器回收量42.61kj，回收能量與自身耗功比為29，可見熱回收器的安裝運(yùn)行具有可觀經(jīng)濟(jì)效益和良好的節(jié)能效果。 

4、結(jié)論 

    我們設(shè)計(jì)一套太陽能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)，以真空管集熱器所采集的太陽能作為主要干燥熱源，以高溫?zé)岜煤娓蓹C(jī)作為輔助備用熱源，采用智能控制軟硬件實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)恒溫干燥。 

    利用本系統(tǒng)對新鮮蔬菜進(jìn)行干燥測試表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，干燥后的菜干品相優(yōu)秀。通過智能控制，實(shí)驗(yàn)過程中溫度波動(dòng)被有效的限制在要求范圍內(nèi)，滿足恒溫要求；采用蓄能水箱，有效延長了太陽能熱源的使用時(shí)長；熱回收器的采用產(chǎn)生顯著節(jié)能效果以及經(jīng)濟(jì)效益。