双能合璧 | 宁夏吴忠枸杞空气能热泵+太阳能烘干设计方案

《热泵市场》杂志  文_五星太阳能

 

摘要：本工程为枸杞烘干项目，烘房大小为18.53m×7.15m×2.12m，烘房总容积为281立方米，每次可进入枸杞9000Kg，脱水率为80%，烘干时间为24h，烘干房配置14台10匹空气源高温热泵烘干机和162㎡太阳能空气集热器，得到了很高的经济效益和社会效益。

 

关键词：空气源热泵、太阳能集热器、枸杞烘干、设备选型

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1.工程概述

 

本工程位于宁夏回族自治区吴忠市，属温带大陆性半干旱气候，年降水量在260毫米左右，历年平均气温9.4℃。这里四季分明，日照充足，蒸发强烈，雨雪稀少，昼夜温差大，全年日照达3000小时，无霜期163天，是中国太阳辐射最充足的地区之一。枸杞采摘期为6月至10月，这段时间平均辐照19.352MJ/(㎡*d)，平均气温18.3℃。

 

由于枸杞鲜果含水率80%左右，且枸杞果实有胶质果皮，前期烘干不能太高温度，需要分阶段由35℃～65℃逐步加温，烘干时间比较长，大约需要24小时，由高精度控制仪调节温度和湿度。

 

白天有太阳光照时，太阳能集热器直接为烘干系统供热，如温度高于烘干物所需温度，控制系统自动调节至所需温度后再送入烘房。晴好天气的白天，空气源热泵几乎不启动。太阳辐照达不到要求时，启动空气源热泵提供热源。

 

根据客户的要求，建设空气源热泵+太阳能辅助的双源枸杞干燥系统，采用聚胺脂保温板制作烘干房，每次可进入枸杞9000Kg，烘干房配置14台10匹空气源高温热泵烘干机和162㎡太阳能空气集热器，得到了很高的经济效益和社会效益，客户十分满意。

 

2.设计依据

 

《现代干燥技术》；《外墙外保温技术标准》(JG149-2003)；《冷库设计规范》(GB50072-2010)；《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调.动力(2009版)》；《太阳能供热采暖工程技术规范》(GB/50495-2009)；《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》(GB/50274-98)；《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB/50242-2002)

 

3.设计参数

 

3.1烘干系统概述

 

热泵智能烘房是一种能实现自动烘烤、节省人力物力、节省能源的新型自动化烘房。烘干房包括彩钢板节能房及烤架、10匹空气源高温热泵烘干机14台、高温高湿调速风机14台、自动风门、排湿窗、可编程枸杞烘干控制器、温湿度探测器等配套设备。

 

另配有太阳能空气集热器162㎡，整个太阳能系统采用闭式循环。热泵高温烘干与传统加热干燥的区别在于产生能源的来源不同，节能效果也不同。热泵烘干干燥时，空气经过风柜内的冷凝器，被不断循环加热，达到设定的温度，蒸发出被烘物料的水份。

 

空气被加热，物料在高温烘烤的过程中，保温房中的空气温度和湿度不断上升，当保温房内的干湿球温度超过设定的干湿球温度时，风门会自动逐渐开启到最大，外界空气进入，除湿风机联动，将保温房内的“水汽”通过排湿口排出。当排出水份后，保温房内的干湿球温度、湿度都会下降，风门又会逐渐关闭，排湿风机停止工作。

 

空气又在密闭的环境内加热升温，重新达到设定的干湿球温度后，又会重复上述进风排湿过程，直至达到完全烘干。

 

3.2枸杞干燥参数

 

烘干房体采用聚氨酯发泡保温彩钢建造，设计时，考虑到枸杞的成熟度以及含水量的差别，在供热风量上特别设定了高、低两档供风速度，以满足在烘干不同成熟度、不同含水量枸杞时的工艺要求。

 

宁夏枸杞烘干系统烘干房尺寸为：18.53m×7.15m×2.12m，总容积281m3。在枸杞烘干之前，需对烘房进行预热，当温度达到35℃后，方可把物架上的枸杞推进烘房。干球目标从40℃依次升温，逐步升至63℃，湿球目标可设置起始33℃，中期大量排湿，稍微降低湿球目标。烘干到24小时后，检查枸杞的烘干效果。结束后，紧闭烘房，让烘房温度自然降到室外温度。

 

烘干时间：由于枸杞的收获初期为6月中旬至6月下旬，盛期为7月上旬至8月下旬，末期为9月中旬至10月下旬，因此烘干作业的时间为每年的6～10月。

 

3.3气象参数

 

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4.热负荷计算

 

烘干室内空间(体积)为：

 

V=18.53×7.15×2.12=281m3；

 

烘干物料：G=9000Kg；

 

脱水量为：G2=9000Kg×80%=7200Kg；

 

脱水后为：G1=9000Kg×(1-80%)=1800Kg；

 

烘干时间：24h。

 

运行环境计算取值：干球温度11℃；湿球温度5.338℃；相对湿度40%；

 

含湿量3.24g/kg。

 

具体烘干房控制温度情况:计算条件为干球温度63℃，湿球温度33℃，相对湿度13.55%，含湿量19.624g/kg。系统热负荷计算如下：

 

4.1枸杞及烤房温升所需热量为Q1

保温房内空气升温所吸收的负荷q1

q1=cm△t=0.24×1.29×281×(63-11)=4524Kcal；

 

枸杞脱水升温所需热量q2

q2=c1m1△t=1.0×7200×(63-11)=374400Kcal；

 

枸杞温升所需热量q3

q3=c2㎡△t=0.21×1800×(63-11)=19656Kcal。

 

则枸杞及烤房温升所需热量为Q1

Q1=(q1+q2+q3)/860=(4524+374400+19656)/860≈463.5kW

 

式中：c——空气比热[kcal/(kg•℃)]；m——空气重量(kg)；c1——枸杞水分比热[kcal/(kg•℃)]；m1——枸杞水分重量(kg)；c2——干枸杞比热[kcal/(kg•℃)]；㎡——干枸杞重量(kg)；△t=(t2–t1)，t1——湿物料初始温度(℃)，取室外环境温度；t2——室内设计温度(℃)。

 

4.2枸杞所脱水份蒸发所需热量Q2

 

Q2=G2•γ/860

 

式中：G2——湿物料排出的水分(脱水量)(kg)；γ——水的汽化潜热(kJ/kg)，室内设计温度对应的汽化潜热(查水的汽化潜热表)；h——烘干设计时长；

则蒸发水份所需热量为Q2=7200*543/860≈4546.0kW

 

4.3干燥过程排湿所需负荷Q3

 

进行排湿操作需要补充新风消耗的热量(Q3)应按下式计算：

Q3=G2/(d2–d1)•(tn-twn)•Cq/860

 

则新风消耗的热量为

Q3=7200*1000*(63-11)*0.24/(19.624-3.24)/860≈6377.2kW

 

式中：Q3——进行排湿操作需要补充新风消耗的热量(kW)；G2——湿物料排出的水分(脱水量)(kg)；d2——平均排湿温度湿含量(kg/kg)，查焓湿图；d1——环境温度湿含量(kg/kg)，查焓湿图；tn——室内设计温度(℃)；twn——室外环境温度(℃)。

 

4.4围护结构热损失Q4

 

Q4=αKF(t2-t1)=1.1×0.55×374×(63-11)≈11766Kcal

 

Q4=11766/860≈13.7kW

 

式中：α——开门、门缝等泄露修正系数；K——烘干房室体保温层的传热系数(Kcal/㎡•h•℃)；F——烘干房室体保温层的表面积之和(㎡)；t1——环境温度(℃)；t2——烘干室工作温度(℃)；Q4——围护结构热损失(kw)。

 

5.设备选型

 

平均单位时间所需热泵制热量(Qj)应按下式计算:

Qj=(Q1+Q2+Q3)/H+Q4

 

式中：Qj——平均单位时间需热泵制热量(kW)；Q1——枸杞及烤房温升所需热量(kW)；Q2——湿物料水分蒸发吸收的热量(kW)；Q3——进行排湿操作需要补充新风消耗的热量(kW)；q4——围护结构的散热量(kW)；H——设计烘干时间(h)。

 

由上述公式计算可知：

Qj=(463.5+4546+6377.2)/24+13.7≈488.1kW

 

经上述计算每个烘房配备制热量为488.1kW的空气源热泵就能满足干燥的需求，即配置高温热泵烘干机组14套KRG-10(632)10HP的较为合理，它的制热量为490kW。

在配置太阳能空气集热器辅助加热时，天气条件较好时按每天日照时间7小时计算，烘干房安装162平方平板空气集热器可辅助提供560kW热源。

 

6.经济效益分析

 

宁夏枸杞烘房，大大提升了枸杞农在采收季节枸杞的烘烤能力，提高了枸杞成品率。热泵在烘烤过程无任何污染物排放，特别环保，比传统煤烤房还节能。以此次设计的枸杞干燥房为单位计量得出：

采用热泵+太阳能双源枸杞干燥系统的情况下与直接用电加热干燥房相比，每天约能节省9600度电。

采用热泵+太阳能双源枸杞干燥系统，可以得到很高的经济效益和社会效益。

 

版权：首发于《热泵市场》杂志2017年1月刊，案例由广东五星太阳能股份有限公司提供，更多咨询请联系本微编辑徐海政15815530456。本微已获授权在杂志和新媒体端进行推送，文中数据和研究成果均归原作者所有。加“原创”标签只为保护版权，并非意将研究成果据为己有。

来源：热泵市场微信公众号

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