基于Modelica的动态建模与热泵干燥系统的性能分析：同时考虑了废气废热的回收利用

《Energy》：Modelica-Based Dynamic Modeling and Exergy Analysis of a Heat Pump Drying System Incorporating Exhaust Waste-Heat Recovery

热泵干燥（HPD）结合废热回收（WHR）技术可降低能耗并提升干燥效率，但系统动态耦合加剧。本研究基于Modelica语言构建HPD-WHR系统动态模型，分析WHR对系统稳定性和能效的影响，对比三种控制策略（压缩机转速与膨胀阀开度协同控制、温度与超热分步控制等），发现WHR使系统进入开环不稳定状态，需PI控制器实时调节。最优控制策略实现0.36 kg/kWh的SMER提升，总熵损失降低12.8%，但超热控制存在不足。研究揭示了WHR对多物理域耦合的动态影响机制及控制优化路径。

　　

付海仑|施娟|桑德罗·尼泽蒂奇|孙立

国家电力生成控制与安全工程研究中心，东南大学能源与环境学院，南京210096，中国

摘要

热泵干燥（HPD）是一种有前景的技术，它通过用电能高效替代传统的化石燃料燃烧来减少农业碳排放。从干燥室排气中回收废热（WHR）可以进一步提高干燥效率，尽管这会增加系统的动态耦合复杂性。在这项研究中，开发了关键组件的动态模型，并分析了WHR对HPD系统动态特性的影响。研究发现，引入WHR会导致开环不稳定状态，因此需要控制措施来维持设定的干燥温度和过热度。随后，研究了不同控制方案对系统动态性能和熵损失的影响。结果表明，引入WHR可以降低压缩机功耗，并使平均比水分提取率（SMER）提高0.36 kg/kWh。使用压缩机转速控制干燥温度和膨胀阀开度控制过热度可以获得最高的SMER、最低的总熵损失以及最佳的干燥温度控制效果，但过热控制效果较差。相比之下，使用膨胀阀开度控制干燥温度和蒸发器新鲜空气流量控制过热度可以实现最佳的过热调节。

引言

干燥是常用的农产品保存方法，主要有两种方式：露天干燥和热风干燥。前者简单且成本低廉，但耗时较长且产品质量较差；后者效率高，能生产出高质量的产品，但能耗较高[1]，[2]。此外，干燥过程能耗很高，在发达国家中约占总能消耗的12%[3]，[4]。实现农业现代化是中国的重要目标之一，但国内机械化水平远低于发达国家，特别是在粮食机械化和储存方面存在挑战[5]，[6]。为了实现农业现代化并推进干燥技术的发展，同时达到“双碳”目标，应优先发展和采用低碳、高效、高度自动化的粮食干燥技术[7]，[8]。目前，热泵干燥（HPD）因其成本低、产品质量高、可扩展性强等优点，特别适合大规模粮食干燥，它具有低能耗、环保和低碳排放的特点[9]，[10]。开式循环HPD系统是最广泛采用和成熟的HPD技术，已得到大量研究[11]。随着干燥过程的进行，干燥室的出口温度逐渐升高，导致热量损失加剧[12]。废热回收（WHR）在热系统中被广泛应用，因为它可以有效降低传热过程中的平均温差[13]。基于这一概念，全球研究人员广泛研究了WHR在HPD系统中的应用。为了研究带有WHR的HPD系统的年性能并分析其年总能耗，参考文献[14]将气象数据模型纳入系统，结果表明在设定温度50°C时，系统回收的废热占总热需求的57.20%，从而降低了58.20%的能耗。参考文献[15]报告称，WHR提高了干燥性能，太阳能辅助的HPD系统的回收期约为1.9年，净现值为915.60美元。参考文献[16]开发了一种结合WHR和太阳能热储存的新型HPD系统，实验结果表明该系统的性能系数（COP）在3.21到3.49之间，能耗节省了40.53%。参考文献[17]中，光热能作为HPD系统蒸发器的热源，并配备了WHR单元。长期性能评估显示，该系统的COP和比水分提取率（SMER）分别为5.55和9.25，与未配备WHR的相同系统相比，年能耗节省了21.40%。

在动态特性和控制设计方面，参考文献[18]介绍了一种直接膨胀式热泵辅助的太阳能干燥系统，评估了其运行性能，并将其与开放式太阳能干燥器进行了比较。研究结果表明，该系统使蒸发温度提高了9.8°C，干燥室入口处的空气温度保持在40°C以上。系统在干燥过程中的COP为2.56，干燥室入口温度高于40°C的时间占总干燥时间的63.80%。参考文献[19]采用有限体积法对HPD系统进行了瞬态数值模拟，研究了其在不同运行条件和换热器尺寸下的动态性能。分析结果表明，提高压缩机频率可以提高除湿率，而降低频率则可以提高SMER。将换热器长度从80%增加到120%可以使除湿率提高10.00%，SMER提高14.00%。为了提高HPD系统的过热和干燥温度控制精度，参考文献[20]提出了一种同步控制策略，使用两个具有不同隶属函数和控制规则的模糊控制器来控制干燥温度。过热控制器主要包含比例-积分（PI）控制器和转换应急控制器。实验结果证实，该控制器有效管理了过热和干燥温度的非线性。

WHR通过应用于HPD系统的干燥室出口潮湿空气中，可以有效提高干燥效率。然而，这也增加了空气回路和热泵回路之间的耦合程度，影响了系统的动态性能和控制特性。在干燥过程中，干燥室本身存在固有不稳定性——随着物料水分含量的降低，除湿变得越来越困难，出口空气温度逐渐升高。当利用排风进行废热回收以预热进入冷凝器的新鲜空气时，干燥室的这种固有不稳定性会热反馈到整个HPD-WHR系统中，导致系统整体耦合性增强。然而，现有的关于带有WHR的HPD系统的研究主要集中在稳态特性上，经常忽略WHR对系统动态的影响。HPD-WHR系统作为一个强耦合的多物理复杂系统，需要一个能够有效处理多物理域之间非线性相互作用和能量交换的建模平台。Modelica是一种开放式的、面向对象的、基于方程的多域建模语言，特别适合此类应用。与MATLAB/Simulink和TRNSYS等基于信号的平台相比，Modelica在描述非因果物理关系方面具有更高的灵活性，支持符号方程处理，提高了求解器的稳定性，并能够实现热、流体和控制子系统的无缝耦合。这些特性提高了HPD-WHR应用中动态系统建模的效率、准确性和透明度。此外，由于干燥室出口温度不断变化，需要连续的PI控制来维持设定的干燥温度和过热度。然而，目前尚不清楚不同的控制策略是否会导致HPD-WHR系统动态行为的变化。现有的关于HPD系统的熵研究主要集中在稳态熵和熵经济性能上，经常忽略单个组件的动态熵行为。此外，大多数先前的工作基于单一控制方法评估控制性能，未能充分理解不同控制回路组合对系统稳定性、动态耦合和组件级熵行为的影响。

为了解决现有文献中的这些研究空白，本研究的核心成果如下：

●

使用Modelica语言开发了用于稻谷干燥的HPD-WHR系统的动态仿真模型。

●

研究了WHR对传统HPD系统关键参数和干燥效率的影响。

●

研究了在不同控制方案下各组件的全局熵损失特性。

●

分析了不同控制方案下的控制效果和性能扰动特性。

部分摘录

HPD系统

HPD系统的主要组件包括蒸发器、压缩机、冷凝器、风扇、膨胀阀和干燥室。系统的示意图如图1(a)所示。系统主要由制冷剂循环回路（1-2-3-4-1）和潮湿空气回路（1'-2'-3'-4'）组成。新鲜空气从冷凝器吸收热量以达到设定的干燥温度，然后进入干燥室去除湿物料中的水分[23]。这会导致更大的热量损失：

基本参数

本节分析了带有和不带有WHR的HPD系统在整个干燥过程中的动态特性，系统的基本参数如表2所示。本参考文献[36]选择了R134a作为工作流体，这是一种广泛使用的低温制冷剂，具有优异的整体性能。此外，使用PI控制器调节膨胀阀开度以维持设定的过热度，确保HPD的安全运行

不同控制方案下的动态特性分析

由于干燥室的非稳态特性，HPD-WHR系统处于开环不稳定状态。为了确保设定的过热和干燥温度，需要实时进行PI控制器控制。然而，不同的控制方案会导致不同的全局动态特性。为了研究实际可行的控制策略在工程应用中的影响，本研究设计了三种控制方案，如图9所示。

结论

在传统HPD系统的基础上，本研究提出并建模了一种用于从干燥室出口潮湿空气中回收废热的再生器。研究了带有和不带有WHR的HPD系统的动态特性，并系统地分析了不同控制方案对其动态响应和熵损失的影响。主要研究结果总结如下：

(1)

引入WHR改变了传统HPD系统的动态特性，导致开环

CRediT作者贡献声明

孙立：撰写 – 审稿与编辑，监督。桑德罗·尼泽蒂奇：撰写 – 审稿与编辑，研究。施娟：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。付海仑：撰写 – 原稿撰写，验证，软件开发，方法论设计，概念化

未引用参考文献

[21]，[22]。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务及/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文的观点或手稿的评审。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFB4007400）的支持。