太陽(yáng)能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯的理論設(shè)計(jì)

宋 杰 ，許忠祥 ，王建斌 ，李玉秀 ，吳 晶

（1.南京出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 南京 211100；2.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 蘇州 215000；3.上海市林業(yè)總站，上海 200072）

太陽(yáng)能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯的理論設(shè)計(jì)

宋 杰1，許忠祥1，王建斌2，李玉秀3，吳 晶1

（1.南京出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 南京 211100；2.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 蘇州 215000；3.上海市林業(yè)總站，上海 200072）

針對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用于國(guó)際木質(zhì)包裝檢驗(yàn)檢疫熱處理領(lǐng)域進(jìn)行了理論計(jì)算與方案的設(shè)計(jì)，提出了兩種適合實(shí)際生產(chǎn)并且太陽(yáng)能利用率超過(guò)50%的解決方案。研究得出理論上標(biāo)準(zhǔn)熱處理窯當(dāng)集熱面積達(dá)到216㎡時(shí)，整個(gè)處理過(guò)程中太陽(yáng)能利用率超過(guò)93%，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用占主導(dǎo)地位的目的。從理論計(jì)算中得出設(shè)計(jì)方案能夠滿足國(guó)際木質(zhì)包裝熱處理的基本要求，實(shí)際熱處理效果有待于進(jìn)一步研究過(guò)程中的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該設(shè)計(jì)不僅從理論上論證了太陽(yáng)能應(yīng)用于熱處理領(lǐng)域的可行性，同時(shí)在國(guó)際上首次提出木質(zhì)包裝熱處理使用太陽(yáng)能的思路，為今后的研究提供試驗(yàn)指導(dǎo)。

太陽(yáng)能；節(jié)能；熱處理；理論設(shè)計(jì)

目前國(guó)際上木質(zhì)包裝的處理方式主要為熱處理，熱處理過(guò)程中需要消耗大量的熱能，熱能的主要供給方式在國(guó)內(nèi)仍然采用燃料鍋爐，由于熱處理企業(yè)規(guī)模限制，絕大多數(shù)處理企業(yè)仍然沿用的高能耗，高污染鍋爐，如何解決熱處理過(guò)程中能耗的節(jié)約與降低污染排放，已經(jīng)成為束縛整個(gè)熱處理行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。通過(guò)研究如何將環(huán)保綠色的太陽(yáng)能應(yīng)用于木質(zhì)包裝熱處理當(dāng)中是熱處理行業(yè)高能耗與高污染問(wèn)題的有效方法。國(guó)內(nèi)外目前尚無(wú)太陽(yáng)能應(yīng)用于木質(zhì)包裝檢驗(yàn)檢疫熱處理的相關(guān)研究報(bào)道，相關(guān)研究主要集中在木材太陽(yáng)能干燥的理論及裝置設(shè)計(jì)方面。檢驗(yàn)檢疫熱處理與木材干燥的主要區(qū)別在于熱處理升溫階段溫度的要求較木材干燥高，熱處理在升溫階段要求木心溫度最低達(dá)到56℃。由于太陽(yáng)能屬于間歇性能源，能流密度低[1]，在實(shí)際利用中影響因素較多，連續(xù)供熱能力以及穩(wěn)定性差，若將太陽(yáng)能應(yīng)用于檢驗(yàn)檢疫熱處理領(lǐng)域需要通過(guò)方案設(shè)計(jì)解決短時(shí)高熱量供給和能量連續(xù)供給的問(wèn)題。因此，太陽(yáng)能在這些需要連續(xù)供熱的場(chǎng)合，太陽(yáng)能的應(yīng)用受到了一定限制[2]。本設(shè)計(jì)通過(guò)理論公式模擬計(jì)算并結(jié)合熱處理企業(yè)實(shí)際，針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了集熱、數(shù)字控制、能量存儲(chǔ)、輔助供熱4個(gè)單元為主體的太陽(yáng)能熱處理窯，在理論上實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)包裝熱處理的節(jié)能、環(huán)保。

1 總體方案

1.1 熱處理材積量確定

按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)熱處理窯體積規(guī)格，選取2011年度江蘇地區(qū)熱處理企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)窯進(jìn)行木托盤(pán)熱處理的數(shù)量統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，托盤(pán)規(guī)格取標(biāo)準(zhǔn)尺寸計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)窯整窯處理托盤(pán)數(shù)量約為500個(gè)，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中平均每窯處理托盤(pán)數(shù)量約為350個(gè)，單個(gè)常用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)材積為0.034 2 m3。設(shè)計(jì)方案材積量=平均每窯處理托盤(pán)數(shù)量*常用規(guī)格單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)體積=350*0.034 2 m3=12.0 m3

1.2 熱處理?xiàng)l件確定

1.2.1 中心溫度

考慮到不同企業(yè)實(shí)際熱處理?xiàng)l件設(shè)定的差異，設(shè)計(jì)方案采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“56℃，30 min”設(shè)計(jì)[3]。即按常用標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)的腳墩（托盤(pán)最厚處）的木芯達(dá)到56℃計(jì)算。

1.2.2 處理溫度及時(shí)間

窯內(nèi)處理溫度結(jié)合文獻(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能干燥處理過(guò)程中出風(fēng)口溫度進(jìn)行綜合考慮，熱處理溫度按70℃計(jì)算。處理時(shí)間在設(shè)計(jì)中劃分為3個(gè)階段：第一，升溫階段處理時(shí)間利用木材中心溫度測(cè)算軟件進(jìn)行計(jì)算；第二，恒溫階段時(shí)間設(shè)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定時(shí)間30 min[3]；第三，干燥階段時(shí)間結(jié)合實(shí)際熱處理干燥過(guò)程的時(shí)間進(jìn)行綜合考慮按30 h計(jì)算。

1.3 熱量供給方式確定

熱量供給方式根據(jù)加熱階段不同采取不同方式進(jìn)行。升溫階段采用太陽(yáng)能+電輔助供熱+儲(chǔ)熱能三方供熱；恒溫階段主要采用太陽(yáng)能供熱；干燥階段主要為太陽(yáng)能供熱+儲(chǔ)熱能雙方供熱+電輔助供熱。結(jié)合熱處理企業(yè)實(shí)際情況，太陽(yáng)能集熱面積計(jì)算按窯體頂部、運(yùn)輸通道頂棚以及朝向南的墻立面三部分計(jì)算，根據(jù)大多數(shù)企業(yè)熱處理窯占地情況，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱面積不宜超過(guò)200 m2。輔助加熱設(shè)施按環(huán)保要求采用一定功率電加熱代替燃煤鍋爐，電加熱按實(shí)際干燥期和加熱期配備大小不同的輔助電加熱設(shè)備。

1.4 熱處理窯總體設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)能輔助加熱節(jié)能型熱處理窯示意圖及系統(tǒng)構(gòu)成如圖1和圖2所示。節(jié)能型熱處理窯主要由4個(gè)系統(tǒng)單元構(gòu)成：節(jié)能集熱單元、輔助供熱單元、能量數(shù)字化控制單元、能量?jī)?chǔ)存單元?？傮w設(shè)計(jì)宗旨為：在不改變窯體主體結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有空間及軟硬件控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。節(jié)能型熱處理窯并不是需要重新建立新窯，而是對(duì)現(xiàn)有窯體增加了太陽(yáng)能等功能單元實(shí)現(xiàn)節(jié)能。首先，在可以利用的空間上，如處理窯的頂端、運(yùn)輸通道頂棚以及朝向南的墻里面等處增加太陽(yáng)能集熱管，收集太陽(yáng)能產(chǎn)生熱量并通過(guò)管道傳到。其次，使用能量數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行窯內(nèi)熱量供給，并設(shè)定能量供給儲(chǔ)存的優(yōu)先權(quán)，即太陽(yáng)能——儲(chǔ)熱能——其他輔助能量的供給順序。在處理過(guò)程中，通過(guò)能量數(shù)字控制單元對(duì)各個(gè)溫度控制點(diǎn)的溫度采集來(lái)控制能量流向電磁閥門(mén)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

圖1 節(jié)能熱處理窯示意Fig. 1 Sketch map of energy-saving heat treatment kiln

圖2 節(jié)能型熱處理窯系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 2 Constitution of system of energy-saving heat treatment kiln

1.5 設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)構(gòu)成

1.5.1 節(jié)能集熱系統(tǒng)

節(jié)能集熱系統(tǒng)主要收集太陽(yáng)能的集熱管[圖1中A]及由數(shù)字能量控制單元控制的熱量傳導(dǎo)保溫管道組成。節(jié)能集熱系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱量的收集轉(zhuǎn)換與傳導(dǎo)。設(shè)計(jì)方案采用熱管真空集熱管，一方面保證在嚴(yán)寒、陰天等條件下可正常供熱，另一方面可以在同等天氣條件下獲得更高的出口溫度。

1.5.2 輔助供熱系統(tǒng)

輔助供熱系統(tǒng)結(jié)合熱處理窯加熱的3個(gè)階段與太陽(yáng)能受天氣等因素影響的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案中增加電輔助加熱部分，主要用來(lái)彌補(bǔ)太陽(yáng)能集熱功率不能滿足熱處理?xiàng)l件時(shí)熱量的供給，以保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。

1.5.3 能量數(shù)字控制系統(tǒng)

能量數(shù)字化控制系統(tǒng)通過(guò)圖1中4個(gè)溫度采集點(diǎn)來(lái)控制能量供給方向。能量會(huì)按照事先設(shè)定好的程序來(lái)進(jìn)行供給，通過(guò)對(duì)感溫點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和電磁閥門(mén)開(kāi)關(guān)的控制，讓整個(gè)熱處理過(guò)程中能量的供給方式更加科學(xué)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件節(jié)能的目的。詳細(xì)控制方案如表1所示。

表1 能量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Table 1 Design scheme of energy control system

1.5.4 能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，熱處理平均生產(chǎn)周期擬按5天計(jì)算。因?yàn)榈^大多數(shù)企業(yè)在兩次處理過(guò)程中均會(huì)有1～2天的作業(yè)間歇時(shí)間，而每次處理的時(shí)間一般在3天左右。根據(jù)生產(chǎn)周期和兩次處理過(guò)程中的間歇時(shí)間，設(shè)計(jì)間歇時(shí)間熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高、低溫兩個(gè)儲(chǔ)熱罐以及與數(shù)字化能量控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱水流向控制閥門(mén)組成。在生產(chǎn)作業(yè)的間歇期將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱水存儲(chǔ)起來(lái)，低溫存儲(chǔ)罐熱水供生活使用，高溫儲(chǔ)熱罐為下個(gè)生產(chǎn)周期提供熱能。高溫儲(chǔ)熱罐容積設(shè)計(jì)按實(shí)際集熱面積兩天全日照產(chǎn)生90℃熱水計(jì)算，低溫儲(chǔ)熱罐容積設(shè)計(jì)按企業(yè)使用生活熱水人數(shù)日均用水量的5倍（平均生產(chǎn)周期）計(jì)算。

2 理論計(jì)算

2.1 熱處理過(guò)程熱量需求

熱處理過(guò)程按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即木心溫度達(dá)到56℃并持續(xù)30min[3]，理論計(jì)算按以下模擬條件計(jì)算：木材初始溫度20℃，干燥時(shí)間30 h，升溫過(guò)程窯內(nèi)溫度70℃，木材整窯處理量12 m3，材種松木，木材厚度12 cm初始含水率30%，升溫階段時(shí)間取整按4 h計(jì)算，處理后實(shí)現(xiàn)含水率14%。參照相關(guān)文獻(xiàn)[4-8]的計(jì)算方法進(jìn)行理論計(jì)算如式（1）～（3）。

式（2）中：Q為熱量；m為質(zhì)量；△T為溫度變化值。

式（3）中：W為木材絕對(duì)含水率；Gs為濕木材重量；Ggo為絕干材重量。

式（4）中：M為蒸發(fā)量；E為木材體積；ρ為木材比重；△W為木材變化含水率。

2.1.1 升溫階段(S)

通過(guò)木材中心溫度測(cè)算軟件計(jì)算，得出木材加熱時(shí)間為4 h，為簡(jiǎn)化計(jì)算，升溫階段默認(rèn)含水率變化為0。溫度變化：△T=56-20=36℃。計(jì)算所需基本參數(shù)為：木材比熱C木=1.72 kJ/kg?℃；水比熱C水=4.2 kJ/kg?℃；木材體積E=12.0 m3；木材比重ρ=490 kg/m3；干材含水率W= 30%；單位質(zhì)量蒸發(fā)量耗能：Q蒸=2,871.5 kJ/kg?H2O。

升溫階段木材需要熱量：

2.1.2 恒溫階段(H)

恒溫階段時(shí)間為30 min，所需熱量主要為窯體熱損失，木材溫度變化取0計(jì)算，為簡(jiǎn)化計(jì)算，此階段默認(rèn)含水率變化為0，窯體熱損失基數(shù)取升溫階段Qs木為準(zhǔn)。

2.1.3 干燥階段(G)

干燥階段初期含水率W初30%，干燥后含水率取W末=14%，干燥時(shí)間按30 h設(shè)計(jì)。

2.1.4 熱處理過(guò)程總熱量需求

2.2 熱處理過(guò)程熱量供給方案

整個(gè)熱處理過(guò)程的能量供給理論計(jì)算按照3套方案計(jì)算，根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況擇優(yōu)選擇。表2所示。

計(jì)算所需主要參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)現(xiàn)有試驗(yàn)以及研究基礎(chǔ)計(jì)算：

式（5）中：Q管為單根集熱管功率，Q管=40 W；S管為單跟集熱管面積，S管=0.12 m2；η為集熱器的熱效率，η=40%；N為集熱管根數(shù)。

表2 熱處理過(guò)程中各階段能量需求Table 2 Energy demand of each phase during heat treatment

2.2.1 太陽(yáng)能全供給

如果整個(gè)處理過(guò)程完全由太陽(yáng)能供給熱處理所需要的能量，集熱面積必須不小于升溫階段的集熱面積345 m2，但熱處理企業(yè)所建標(biāo)準(zhǔn)窯體的可用采光面積在200 m2左右，所以設(shè)計(jì)方案中增加電加熱輔助系統(tǒng)。如表3所示。

2.2.2 電加熱輔助供給

采用兩種方案進(jìn)行輔助加熱，方案一為太陽(yáng)能提供所需最小功率階段能量，其余階段能量供應(yīng)采取電輔供熱，電輔供熱分為兩檔，一檔滿足干燥階段所需功率，兩檔全開(kāi)滿足升溫階段所需功率。如表4所示。方案二為太陽(yáng)能提供干燥階段所需能量，此方案僅需要在升溫階段采用電輔加熱，干燥階段和保溫階段均完全使用太陽(yáng)能加熱。如表5所示。

表3 熱處理太陽(yáng)能全供給理論參數(shù)Table 3 Theoretical parameters of solar energy’s full supply theory for heat treatment

方案一：太陽(yáng)能管1 100根，采光面積132 m2，太陽(yáng)能供熱功率44.0 kW，兩根電加熱管，一根27.0 kW，一根44.0 kW。

表4 電輔助加熱設(shè)計(jì)方案功率分配(方案一)Table 4 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 1)

方案二：太陽(yáng)能管1 800根，采光面積216 m2，太陽(yáng)能供熱功率72.0 kW，一根43.0 kW電加熱管。

表5 電輔助加熱設(shè)計(jì)方案功率分配(方案二)Table 5 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 2)

2.2.3 各階段能量使用情況匯總

兩種方案各階段能量使用分配情況如表6。

3 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)算證明太陽(yáng)能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯是完全可行的，將太陽(yáng)能應(yīng)用于檢驗(yàn)檢疫熱處理的理論節(jié)能效果非常明顯，太陽(yáng)能在處理過(guò)程中總利用率可達(dá)90%以上。在食品干燥處理行業(yè)已經(jīng)有相關(guān)太陽(yáng)能應(yīng)用， 2 t左右的蒸汽鍋爐，目前的改造費(fèi)用在20萬(wàn)人民幣以內(nèi)，經(jīng)過(guò)測(cè)算設(shè)備投入回收成本不到2年，符合企業(yè)實(shí)際需求。通過(guò)能量數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和各階段的能量需求供給情況的理論計(jì)算，不僅能為今后新型節(jié)能熱處理窯的研制提供理論依據(jù)，更重要的是通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)與控制系統(tǒng)模型的改進(jìn)可為國(guó)際上將太陽(yáng)能應(yīng)與于檢驗(yàn)檢疫熱處理提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

表6 兩種方案各階段能量使用分配情況Table 6 Use and assignment of energy in each phase in the two schemes

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Theoretical design of combination of solar energy and auxiliary heating energy-saving heat treatment kiln

SONG Jie1, XU Zhong-xiang1, WANG Jian-bin2, LI Yu-xiu3, WU Jing1
(1. Nanjing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Nanjing 211100, Jiangsu, China; 2.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Suzhou 215000, Jiangsu, China; 3. Shanghai Forest Station, Shanghai 200072, China)

A theoretical calculation and schematic design has been carried out in view of the application of solar energy in the heat treatment fi eld of international wood package inspection and quarantine, and two solutions which are applicable in actual production and can provide over 50% utilization ratio of solar energy have been presented. The study shows that, in theory, when the heat collection area reaches 216 m2，the utilization ratio of solar energy is more than 93% during the entire treating process of standard heat treatment kiln, from which the utilization of solar energy as the leading role is realized. From the theoretical calculation, the basic requirements of international wood package heat treatment can be met by the schematic design, while the effects of the heat treatment by the theoretical calculation need to be verif i ed with the specif i c test data produced in the further study. In the design, the feasibility of solar energy applying in heat treatment is theoretically proved; moreover, for the fi rst time, a thought of using solar energy in wood package heat treatment is presented as well, thus providing a testing guidance for future study.

solar energy; energy-saving; heat treatment; theoretical design

S718.4；S412

A

1673-923X(2013)01-0099-05

2012-10-10

國(guó)家質(zhì)檢總局項(xiàng)目（2012IK277）；江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局項(xiàng)目（2009KJ47）

宋 杰(1978-)，男，山東掖縣人，工程師，碩士，主要研究森林保護(hù)、植物檢疫、木包裝處理等；

吳 晶(1981-)，女，河南新鄉(xiāng)人，農(nóng)藝師，碩士，主要研究植物檢疫、木包裝熱處理、太陽(yáng)能應(yīng)用等；E-mail：wuj2@jsciq.gov.cn

[本文編校：歐陽(yáng)欽]