An experimental investigation of a heat pump dryer used for drying of wheat

Abstract

Bu çalışmada tanecikli bir malzeme olan buğdayı kurutmak için akışkan yataklı tip ısı pompalı kurutucu sistemi tasarlandı ve kuruldu. Sistem iki temel üniteden oluşmaktadır: hava devresi olarak kurutma ünitesi ve soğutucu akışkan devresi olarak ısı pompası ünitesi. Bu tezde akışkan yataklı tip kurutma sistemine ısı pompasının bağlanması ve kurutma ortamı içindeki dönel akımın buğday kurutma üzerine olan etkileri deneysel olarak incelendi. Deneyler farklı sistem çalışma şartları ve parametrelerinin sistem performansı üzerine olan etkilerini incelemek için yapıldı. Bu incelenen değişkenler kurutma ortamı içindeki kütlesel hava akım miktarı, hava akım sıcaklığı ve kurutma ortamı içindeki akım alanının girdap sayısı. Ayrıca, kurutma ortamından çıkan sıcak ve nemli havanın dış ortama veya evaporator üzerine veya tekrar kurutma ortamı içine transfer edilmesini içeren farklı konfıgurasyonlarının sistem performansı ve verimi üzerine olan etkilerini test etmek için incelendi. Sistem performansını incelemek için, bu deneysel çalışmada ölçülen parametreler: kurutma ortamından geçen havanın kütlesel akım miktarı; kurutucunun kurutma ortamı ve ısı pompasının genleşme eşanjörü giriş ve çıkışlarında kuru ve nemli hava sıcaklıkları; çalışılan laboratuvar ortamındaki havanın kuru ve nemli ivsıcaklıkları ve mutlak basıncı; ısı pompası ünitesinde çalışan soğutucu akışkanın kompresör, yoğuşma ve genleşme eşanj örlerinin ve genleşme valfinin giriş ve çıkış sıcaklıkları; kompresör ve genleşme valfi giriş ve çıkışlarında soğutucu akışkanın basıncı; kompresör, santrifüj fan ve elektrik ısıtıcısı tarafından harcanan güç; kurutma ortamı içinde havanın eksenel ve teğetsel hız bileşenleri ve kurutma ortamı öncesi ve sonrasında statik basınç. Sistem performansını değerlendirmek için ise hesaplanan değerler: nem çekme oranı, MER; belirli nem çekme oranı, SMER; kurutucu verimi, DE; performans katsayısı, COP, ve akım girdap sayısı, S. Test edilen konfigurasyonlar arasında kısmi kapalı bir devre olan 6 nolu konfigurasyonun en yüksek performans ve verime sahip olduğu görüldü. Kurutma ortamı içindeki kütlesel hava akım miktarının artırılması MER' i artırıyor, SMER' i ve DE' yi ise düşürüyor. Diğer taraftan kurutma ortamı içindeki hava akım sıcaklığının artırılması MER'i ve DE'yi artırıyor, SMER'i ise düşürüyor. Kurutma ortamı içinde 0.2-0.85 aralığında girdap sayısına sahip dönel akım MER'i yüzde 5-25 aralığında, SMER'i yüzde 12-28 aralığında ve DE'yi yüzde 38'e kadar artırıyor. Isı pompası ve elektrik enerjilerinin maliyetleri kıyaslandığında, ısı pompasının rezistanslı ısıtmadan yüzde 110 oranında daha ekonomik olduğu görülmüştür. Anahtar kelimeler: Isı pompalı kurutucu, akışkan yataklı kurutucu, buğday kurutma, dönel akım

In this study, a fluidized bed type heat pump dryer was designed and constructed for drying granular wheat particles. The system consisted of two main units: fluidized bed dryer as air circuit and the heat pump unit as refrigerant circuit. In this thesis, the introduction of heat pump to fluidized bed type dryer, and the effects of swirling flow field in the bed, drying medium, on the wheat drying were experimentally investigated. Experiments were performed to investigate the effects of various system operating conditions and parameters on the performance of the system. These investigated operating parameters are the air mass flow rate, temperature of the air flow and swirl number of the flow field in the bed. Also, the various air circuit configurations including recycle of the exhaust air flow discharging from the bed into the ambient or evaporator or again the bed were investigated in order to test their effects on the system performance and efficiency. In order to investigate the system performance, in this experimental study, the measured parameters were: mass flow rate of air passing through the bed; dry and wet bulb air temperatures at inlet and outlet sides of the dryer bed and evaporator of the heat pump; dry and wet bulb temperatures and the absolute pressure of the ambient air; temperatures of the refrigerant working in the heat pump at the inlet and outlet sides of the compressor, condenser, evaporator and expansion valve; the gage iipressures of the refrigerant at the inlet and outlet sides of the compressor and expansion valve; power consumed by the compressor, centrifugal fan and electrical heater; axial and tangential velocity components of air flow in the bed and the static pressures at upstream and downstream sections of the bed. In order to evaluate the system performance, the calculated parameters were: moisture extraction rate, MER; specific moisture extraction rate, SMER; dryer efficiency, DE; coefficient of performance, COP, and swirl number, S. Among the tested configurations, the configuration 6 which has a closed cycle has the highest MER, SMER, DE and the second highest COP. Thus, the configuration 6 is recommended as the best configuration. Higher mass flow rates in the bed result in higher MER, but lower SMER and DE when higher air flow temperature in the bed result in higher MER and DE and lower SMER. The swirling flow which has a swirl number in the range of 0.2-0.85 in the bed increased the MER of the dryer by 5-25 per cent and the SMER by 12-28 per cent and the DE up to 38 per cent. When the cost rate of heat pump is compared with that of the direct electrical energy, it is observed that the heat pump is more economical device at the range of about 110 percent than the direct electrical heating. Keywords: Heat pump dryer, fluidized bed dryer, wheat drying, swirling flow m