小型移動式太陽能干燥裝置的研制

■ 伊松林 馮小江 譚輝 張璧光

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院；2.北新集團建材股份有限公司；3.西雙版納州綜合技術(shù)檢測中心)

一 引言

干燥作業(yè)涉及國民經(jīng)濟的廣泛領(lǐng)域，是大批工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品不可或缺的基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。干燥作業(yè)能耗高，據(jù)不完全統(tǒng)計，全球20%～25%的能源用于工業(yè)化的熱力干燥。干燥也是我國的耗能大戶之一，所用能源占國民經(jīng)濟總能耗的12%左右。另外，干燥過程造成的污染也常常是我國環(huán)境污染的重要來源。因此實現(xiàn)干燥技術(shù)的節(jié)能與環(huán)保十分重要。

與采用常規(guī)能源的干燥裝置相比，太陽能干燥具有節(jié)能、減少對環(huán)境的污染、運行費用低和操作簡單等優(yōu)點。今后我國在太陽能干燥技術(shù)的應(yīng)用方面也會有一定的發(fā)展，特別是一些小型、簡易的太陽能干燥室，在太陽日照條件好，而經(jīng)濟又欠發(fā)達的偏遠地區(qū)，有較好的應(yīng)用前景。針對這種情況，筆者近年來研制了一套小型可移動式太陽能干燥裝置。

二 太陽能干燥裝置的設(shè)計

1 干燥參數(shù)選取與裝置工作說明

本設(shè)計以木材為干燥對象，也可干燥其他物料。綜合考慮箱式太陽能干燥裝置的外型尺寸以及它的移動性，將干燥裝置干燥的實材體積設(shè)計為0.03m3。通過理論計算得到干燥箱每小時所需要的熱量為199.4kJ，儲熱裝置需要的儲熱量為3402kJ，干燥箱每小時需要的循環(huán)空氣為259.2 m2，風(fēng)機全壓為390 Pa (詳見參考文獻5)。

如圖1所示為干燥裝置的總成照片，其干燥箱本體兩側(cè)以及儲熱裝置的兩側(cè)分別開有循環(huán)風(fēng)口，通過有保溫的管道與集熱器的兩端連接，在集熱器及儲熱箱的出口端各安裝有一個離心風(fēng)機。由于箱式干燥裝置的體積相對溫室型干燥設(shè)施小，排濕問題容易解決，干燥箱的頂部有旋扣式排濕口。

集熱器出風(fēng)口處、干燥箱本體和儲熱箱的進風(fēng)口處各安裝有一個風(fēng)閥，可以控制進入干燥箱和儲熱箱通道的開關(guān)，從而保證干燥箱中各階段的溫度均勻，且易于控制。白天，當(dāng)干燥箱中的溫度低于設(shè)定的干燥溫度時，可以打開集熱器到干燥箱的風(fēng)閥，并關(guān)閉集熱器到儲熱箱的風(fēng)閥，集熱器給干燥箱供熱；當(dāng)干燥箱中的溫度高于設(shè)定的干燥溫度時，可以關(guān)閉集熱器到干燥箱的風(fēng)閥，同時打開集熱器到儲熱箱的風(fēng)閥，將多余的熱量儲存在儲熱箱中。晚上，由于沒有陽光，集熱器停止工作，關(guān)閉集熱器出風(fēng)口處的風(fēng)閥，以防止由于管路原因造成熱量散失，并保持干燥箱和儲熱箱之間的循環(huán)通道打開，此時由儲熱箱給干燥箱供熱。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣，集熱器和儲熱箱都不能給干燥箱供給熱量的時候，就可以啟動干燥箱內(nèi)的輔助電加熱器，以保障干燥過程的正常連續(xù)進行。

2 太陽能干燥裝置組成設(shè)備與參數(shù)

太陽能干燥裝置由具有輔助電加熱器的干燥箱本體、移動機構(gòu)以及集熱、儲熱、控制等系統(tǒng)組成。干燥裝置的各部分為：

(1)干燥箱本體：包括放置待干物料的干燥箱和促使干燥箱內(nèi)空氣流動的內(nèi)部循環(huán)風(fēng)機。此外，為了保證干燥裝置能夠在持續(xù)陰雨天氣和冬天都能連續(xù)正常工作，在干燥箱底部加裝了兩組功率分別為900W的電加熱器，既可單獨工作，也可同時工作。

(2)集熱系統(tǒng)：包括收集太陽能的熱管式真空太陽能空氣集熱管、將收集的太陽能轉(zhuǎn)化成可利用熱能的集熱箱、促使空氣流動的離心風(fēng)機以及控制集熱系統(tǒng)工作的風(fēng)閥。為了增強換熱，在集熱管的冷端加裝了螺旋翅片。裝置中采用YDKR-58-1500型熱管真空集熱管13根，呈“V”字形排列，此種排列方式，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、接收太陽能充分，而且可使集熱箱內(nèi)換熱效果更好。在集熱管的下面還加裝了折光板，用于反射太陽光，使集熱管最大限度吸收太陽能。

(3)儲熱系統(tǒng)：包括促使空氣流動的離心風(fēng)機、控制儲熱系統(tǒng)工作的風(fēng)閥、儲存集熱系統(tǒng)輸送的熱量的儲熱箱。儲熱箱內(nèi)部放置有外殼為鋁管的儲熱管束，儲熱管束通過支架呈叉排方式排列在儲熱箱內(nèi)，儲熱管內(nèi)裝有石蠟相變儲熱材料，用于將熱能轉(zhuǎn)變成相變潛熱存儲。

(4)控制系統(tǒng)：兼有手動、自動及數(shù)據(jù)采集功能，通過分別安裝在集熱箱、干燥箱和儲熱箱中的溫度傳感器測定的溫度，調(diào)控安裝在集熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)管道上的閥門和離心風(fēng)機開啟或關(guān)閉?？勺詣訉嵤o動作、儲熱、集熱器供熱、儲熱系統(tǒng)供熱、輔助加熱器供熱五種工作模式。

此外，在干燥裝置底座的前部，裝有移動整個裝置的杠桿機構(gòu)，通過拉動或轉(zhuǎn)動干燥裝置，可實現(xiàn)整個干燥裝置的移動，以便最大限度接收和轉(zhuǎn)化太陽能。此種可移動式太陽能干燥裝置各部分的參數(shù)見表1。

表1 小型可移動式太陽能干燥裝置主要設(shè)備參數(shù)

三 太陽能干燥裝置的性能

1 太陽能集熱器

整個干燥裝置集熱器的平均功率為0.572kW，單根熱管真空集熱管的平均功率達到45W左右，完全能夠滿足當(dāng)初的設(shè)計需求；集熱器的平均供風(fēng)溫度為60.1℃，最高可達65℃；集熱器的瞬時熱效率為56%左右，高于普通的平板式集熱器；由于該裝置體積小、保溫效果好、熱損失小，故太陽能系統(tǒng)向干燥箱的供熱效率較高，可達到70%以上。

2 石蠟相變儲熱系統(tǒng)

石蠟相變材料的相變區(qū)間為48℃～54℃，儲熱系統(tǒng)的儲能效率為58.8%～74.4%，平均儲能效率大于66%，儲熱密度為54.5MJ/m3。

試驗證明，隨著石蠟管排數(shù)的增加，石蠟系統(tǒng)的換熱增強，但大于15排以后就可以忽略管排數(shù)的影響。

3 干燥木材的測試

使用此干燥裝置干燥35mm厚的杉木板材，從含水率72.7%降至13.5%耗時99小時，相比于大氣干燥，太陽能干燥時間縮短了111小時，干燥速率提高了1.12倍。針對木材干燥質(zhì)量的檢測表明：93.3%達到了終含水率標(biāo)準(zhǔn)，并且干燥均勻度很好，各測點最終含水率與平均最終含水率的偏差范圍為?0.94%～1.98%。

此裝置在晴朗天氣的白天采用太陽能輻射供熱，晚上則使用儲熱系統(tǒng)白天儲存的熱量供熱，輔助電加熱只在惡劣天氣下啟用，平時幾乎不啟用，因此整個干燥裝置的能耗較低。在不使用輔助電加熱的情況下，與蒸汽干燥相比，其節(jié)能率為71.2%，節(jié)能效果明顯。

四 結(jié)語

總體來看，這種小型可移動式太陽能干燥裝置熱效率高，由于采用了石蠟儲熱系統(tǒng)，減少了氣候變化對太陽能干燥過程的影響，比大氣中干燥速度快1倍以上，比常規(guī)干燥明顯節(jié)能，節(jié)能率在70%以上。而且木材干燥均勻性好，無明顯干燥缺陷。

由于這種裝置體積小、可移動，適于在農(nóng)村各家輪流使用，初步的試材雖然是木材，其實它更適于干燥人參、木耳、珍貴山野菜與山果等，筆者計劃將進一步的試驗轉(zhuǎn)向這些農(nóng)林副產(chǎn)品。今后還準(zhǔn)備探索干燥物料量與集熱器面積的優(yōu)化配比、相變儲熱材料用量與物料干燥量配比關(guān)系，以及優(yōu)化選擇不同的相變材料方面做進一步的研究。

總之， 太陽能是清潔、價廉的可再生能源，太陽能干燥是太陽能熱利用中的重要部分，太陽能干燥的物料品質(zhì)好、節(jié)能效果明顯，對環(huán)境沒有污染，今后應(yīng)該有相應(yīng)的政策鼓勵開發(fā)各種太陽能干燥裝置。

[1]劉登瀛,曹崇文.探索我國干燥技術(shù)的新型發(fā)展道路[J].通用機械, 2006, 7: 16－18.

[2]張璧光, 劉志軍, 謝擁群.太陽能干燥技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2007, 3－13.

[3]馮小江, 變儲熱太陽能木材干燥裝置設(shè)計及性能研究[D].2010, 6.

[4]馮小江, 伊松林等.太陽能相變儲熱系統(tǒng)對木材干燥速率的影響[J].華北電力大學(xué)學(xué)報, 2010, 37 (3): 131－135.

[5]馮小江, 伊松林等.移動式相變儲熱木材太陽能干燥裝置的理論設(shè)計[J].干燥技術(shù)與設(shè)備, 2010, 8 (1): 9－15.