DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121093
تاريخ النشر: 2026-01-24
المؤلف: Ji Wang
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا التبريد وتكييف الهواء
نظرة عامة
تقدم هذه القسم تحليلًا مقارنًا لأنظمة مضخات الحرارة CO₂ المدمجة مع دورات الهواء المفتوحة والمغلقة لتطبيقات التجفيف. تقترح الدراسة تكوينات لكلا النظامين، وتطوير نماذج فيزيائية موضحة من خلال الرسوم البيانية النفسية. تتناقض دورة الهواء المفتوحة، التي تستخدم الهواء المحيط النقي، مع النظام التقليدي المغلق الذي يعيد تدوير الهواء. كما يتم مناقشة نموذج رياضي موثق للضاغط وإدماج تغير الرطوبة في تصميم المبادلات الحرارية.
تشير نتائج المحاكاة إلى أن دورة الهواء المفتوحة مع مخرج هواء رطب تحقق أعلى قدرة تسخين (17.44 كيلو وات عند 1 كجم/ث) بسبب تكوين التبريد الخاص بها، بينما يوفر متغير مخرج الهواء الجاف أعلى درجة حرارة مخرج (60.8 درجة مئوية عند 0.5 كجم/ث)، مما يعزز امتصاص الرطوبة. ومن الجدير بالذكر أن تكوين مخرج الهواء الجاف يظهر مقاييس أداء متفوقة، مع وقت تجفيف يبلغ 27.77 دقيقة ومعدل استخراج رطوبة محدد (SMER) يبلغ 0.864 كجم/كWh، متفوقًا بشكل كبير على الأساس المغلق. على الرغم من أن دورة المخرج الرطب تحقق معامل أداء أعلى (COP) يبلغ 2.31، إلا أن أدائها غير متسق عند معدلات تدفق أعلى. تشير النتائج إلى أن مخرج الهواء الجاف المفتوح هو التكوين الأمثل لكفاءة التجفيف. ستركز الأعمال المستقبلية على التحقق التجريبي، وتحسين النظام، وتحليل تقني اقتصادي لتقييم الجدوى التجارية لهذه الأنظمة التجفيف.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على زيادة اعتماد أنظمة التجفيف المدعومة بمضخات الحرارة، وخاصة تلك التي تستخدم CO₂ كوسيط عمل بسبب خصائصها الصديقة للبيئة، بما في ذلك إمكانات استنفاد الأوزون (ODP) تبلغ 0 وإمكانات الاحتباس الحراري (GWP) تبلغ 1. تجعل الأداء الديناميكي الحراري المفضل لـ CO₂ في الدورات فوق الحرجة مناسبًا لعمليات التجفيف عالية الحرارة، والتي تعتبر ضرورية في صناعات مختلفة مثل حفظ الطعام، والأدوية، والنسيج، والزراعة. تتطلب الطبيعة المكثفة للطاقة لعمليات التجفيف، التي يمكن أن تمثل ما يصل إلى 15% من إجمالي استهلاك الطاقة الصناعية، استراتيجيات فعالة لإدارة الطاقة. تظهر مجففات مضخات الحرارة أنها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بشكل كبير من المجففات التقليدية، مع توفير محتمل للطاقة يتراوح بين 60% إلى 80%.
كما يميز القسم بين تكوينات مجففات مضخات الحرارة المغلقة والمفتوحة. تتطلب الأنظمة المغلقة، على الرغم من كونها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، استثمارات أولية أعلى ويمكن أن تؤدي إلى أوقات تجفيف أطول. في المقابل، تعتبر الأنظمة المفتوحة أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة ولكنها تلقت اهتمامًا بحثيًا أقل. تشير المقدمة إلى دراسات مختلفة استكشفت تحسينات على الأنظمة المغلقة، مثل المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية وتحسين الأداء الديناميكي الحراري من خلال سوائل العمل المحسّنة. على الرغم من التقدم في تصميمات الأنظمة المغلقة، لا يزال هناك فجوة في البحث فيما يتعلق بالتكوينات المفتوحة، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من التحقيق في هذا المجال لفهم الفوائد والكفاءات المحتملة لها بشكل كامل.
نقاش
في هذا القسم، يركز النقاش على مقارنة الأداء لمجففات مضخات الحرارة CO₂ التي تعمل تحت دورات الهواء المفتوحة والمغلقة. تشير النتائج إلى أن طرق التجفيف المتقطعة تعزز بشكل كبير معدلات التجفيف ومعدلات استخراج الرطوبة المحددة (SMER) بينما تقلل من معدلات التشقق. على سبيل المثال، حسنت نسب التجفيف المتقطعة من 1/6-4/6 معدلات التجفيف بنسبة 3.79-19.49% وSMER بنسبة 29.67-52.21%. بالإضافة إلى ذلك، أدى دمج تخزين الطاقة الحرارية (TES) في نظام مغلق إلى تحسين كفاءات الشحن والتفريغ بنسبة 22.9% و27.9%، على التوالي، بينما عزز أيضًا الكفاءة الحرارية العامة بنسبة 24.6%.
تسلط الدراسة الضوء على فجوة معرفية حاسمة في الأبحاث الحالية، وخاصة نقص التحليلات المقارنة بين التكوينات المفتوحة والمغلقة تحت ظروف متطابقة. تؤكد على الحاجة إلى إطار نمذجة موحد يقيم السلوكيات الديناميكية الحرارية لهذه الأنظمة، خاصة فيما يتعلق بامتصاص الرطوبة وخصائص تسخين الهواء. تهدف النتائج إلى تقديم إرشادات هندسية عملية لاختيار تكوينات الدورة المناسبة، مما يعزز اعتماد تقنيات التجفيف الصديقة للبيئة في صناعات مثل الغذاء والنسيج. تسعى الأبحاث في النهاية إلى توضيح المزايا التشغيلية والقيود لكلا نوعي دورات الهواء، مما يساهم في تحسين أنظمة تجفيف مضخات الحرارة CO₂.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121093
Publication Date: 2026-01-24
Author(s): Ji Wang
Primary Topic: Refrigeration and Air Conditioning Technologies
Overview
This section presents a comparative analysis of CO₂ heat pump systems integrated with open-loop and closed-loop air cycles for drying applications. The study proposes configurations for both systems, developing physical models illustrated through psychrometric charts. The open-loop air cycle, which utilizes fresh ambient air, contrasts with the conventional closed-loop system that recirculates air. A validated mathematical model for the compressor and the incorporation of moisture variation into the heat exchanger design are also discussed.
Simulation results indicate that the open-loop air cycle with a wet air outlet achieves the highest heating capacity (17.44 kW at 1 kg/s) due to its cooling configuration, while the dry air outlet variant provides the highest outlet temperature (60.8 °C at 0.5 kg/s), enhancing moisture absorption. Notably, the dry air outlet configuration demonstrates superior performance metrics, with a drying time of 27.77 minutes and a specific moisture extraction rate (SMER) of 0.864 kg/kWh, significantly outperforming the closed-loop baseline. Although the wet outlet cycle achieves a higher coefficient of performance (COP) of 2.31, its performance is inconsistent at higher flow rates. The findings suggest that the open-loop dry air outlet is the optimal configuration for drying efficiency. Future work will focus on experimental validation, system optimization, and a techno-economic analysis to assess the commercial viability of these drying systems.
Introduction
The introduction highlights the increasing adoption of heat pump-assisted drying systems, particularly those utilizing CO₂ as a working fluid due to its environmentally friendly properties, including an ozone depletion potential (ODP) of 0 and a global warming potential (GWP) of 1. CO₂’s favorable thermodynamic performance in transcritical cycles makes it suitable for high-temperature drying processes, which are essential in various industries such as food preservation, pharmaceuticals, textiles, and agriculture. The energy-intensive nature of drying operations, which can account for up to 15% of total industrial energy consumption, necessitates effective energy management strategies. Heat pump dryers are shown to be significantly more energy-efficient than conventional dryers, with potential energy savings of 60% to 80%.
The section also distinguishes between closed-loop and open-loop heat pump dryer configurations. Closed-loop systems, while more energy-efficient, require higher initial investments and can lead to longer drying times. In contrast, open-loop systems are simpler and more cost-effective but have received less research attention. The introduction references various studies that have explored enhancements to closed-loop systems, such as ultrasonic pretreatment and improved thermodynamic performance through optimized working fluids. Despite the advancements in closed-loop designs, there remains a gap in research regarding open-loop configurations, indicating a need for further investigation in this area to fully understand their potential benefits and efficiencies.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the performance comparison of CO₂ heat pump dryers operating under open-loop and closed-loop air cycles. The findings indicate that intermittent drying methods significantly enhance drying rates and specific moisture extraction rates (SMER) while reducing crack rates. For instance, intermittent drying ratios of 1/6-4/6 improved drying rates by 3.79-19.49% and SMER by 29.67-52.21%. Additionally, the integration of thermal energy storage (TES) in a closed-loop system improved charge and discharge efficiencies by 22.9% and 27.9%, respectively, while also enhancing overall thermal efficiency by 24.6%.
The study highlights a critical knowledge gap in existing research, particularly the lack of comparative analyses between open-loop and closed-loop configurations under identical conditions. It emphasizes the need for a unified modeling framework that evaluates the thermodynamic behaviors of these systems, particularly regarding moisture absorption and air heating characteristics. The results aim to provide practical engineering guidance for selecting appropriate cycle configurations, thereby advancing the adoption of environmentally friendly drying technologies in industries such as food and textiles. The research ultimately seeks to clarify the operational advantages and limitations of both air cycle types, contributing to the optimization of CO₂ heat pump drying systems.