熱質(zhì)可交換的多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室設(shè)計(jì)的探討

李惠玲

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

熱質(zhì)可交換的多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室設(shè)計(jì)的探討

李惠玲

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

提出了一種熱質(zhì)可交換的多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室，該干燥溫室可滿足物料各階段對(duì)干燥溫濕度不同的干燥特性要求，并可通過(guò)控制各個(gè)區(qū)域之間的熱量傳遞和空氣交換流程達(dá)到節(jié)能和溫度準(zhǔn)確控制的目的。同時(shí)以高溫干燥區(qū)、中溫干燥區(qū)和低溫干燥區(qū)的太陽(yáng)能干燥溫室為例，簡(jiǎn)單描述了其結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了中溫干燥區(qū)的控制邏輯流程，該流程可延伸至整個(gè)干燥溫室的控制邏輯流程設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)能 干燥溫室 多區(qū)域 熱質(zhì)交換

0 引言

2008年我國(guó)能源消耗約0.95 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元GDP，其中12%的能耗用于干燥作業(yè)[1]，干燥能耗相當(dāng)于0.114 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元GDP，因此，研制高效節(jié)能干燥設(shè)備和改造現(xiàn)有設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排的長(zhǎng)期規(guī)劃具有重要意義。

太陽(yáng)能利用具有普遍、無(wú)害、巨大和長(zhǎng)久性等優(yōu)點(diǎn)，是廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的清潔能源，但太陽(yáng)能同時(shí)具有分散性、隨機(jī)性和間歇性的缺點(diǎn)[2]，這些缺點(diǎn)使太陽(yáng)能干燥技術(shù)在應(yīng)用穩(wěn)定性上受到限制，通常配備輔助加熱克服該缺點(diǎn)。

本文探討的熱質(zhì)可交換的多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室（以下簡(jiǎn)稱多區(qū)域干燥溫室）是基于物料干燥特性要求、太陽(yáng)能（能量）充分利用、溫濕度獨(dú)立調(diào)控和分區(qū)同時(shí)進(jìn)行不同干燥階段的思路而設(shè)計(jì)的。該設(shè)計(jì)在一定程度上弱化了只有一個(gè)干燥區(qū)域的太陽(yáng)能干燥溫室的缺點(diǎn)。本文將圍繞設(shè)計(jì)要點(diǎn)、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和控制邏輯流程進(jìn)行敘述。

1 多區(qū)域干燥溫室的熱質(zhì)交換流程簡(jiǎn)介

1.1 多區(qū)域干燥溫室概述

多數(shù)的農(nóng)產(chǎn)品干燥加工工藝要求在不同干燥階段使用不同干燥溫度，對(duì)熱量的需求隨之不同。

普通的太陽(yáng)能干燥器只有一個(gè)干燥區(qū)域（下文簡(jiǎn)稱普通干燥溫室），只有一個(gè)設(shè)定溫度和設(shè)定濕度，應(yīng)用于干燥過(guò)程需要改變干燥溫度和濕度的物料，一般操作步驟是在一批物料干燥完畢后才進(jìn)下一批物料。普通干燥溫室是基于干燥過(guò)程熱量需求最大的干燥階段設(shè)計(jì)的，當(dāng)物料干燥處于非最大熱量需求的干燥階段時(shí)，太陽(yáng)能的供給過(guò)大，需要大量的通風(fēng)以降低干燥溫度，未能充分利用太陽(yáng)能和場(chǎng)地；當(dāng)加工干燥周期較長(zhǎng)的物料時(shí)，需要大量的場(chǎng)地吸收太陽(yáng)能。

多區(qū)域干燥溫室分為低溫干燥區(qū)、中溫干燥區(qū)和高溫干燥區(qū)（可分更多區(qū)域，本文以3區(qū)為例），各區(qū)域的溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)，滿足多批物料處于不同干燥階段的要求，并通過(guò)3個(gè)區(qū)域之間合理的“熱量傳遞”和“空氣交換”的方法，使熱量和空氣的利用達(dá)到最佳效果，既節(jié)能又減少場(chǎng)地。

“熱量傳遞”指區(qū)域間僅有熱量的交換，沒(méi)有物質(zhì)的交換（本文是指區(qū)域間沒(méi)有空氣的交換），屬傳熱學(xué)范疇。熱量傳遞可以統(tǒng)一由太陽(yáng)能或輔助加熱器（以下統(tǒng)稱為熱源）向各區(qū)域供給，也可以由溫度較高的干燥區(qū)域往溫度較低的干燥區(qū)域傳遞，具有單向性。

“空氣交換”指區(qū)域間發(fā)生空氣交換的現(xiàn)象，通過(guò)空氣交換把熱量和質(zhì)量引入另一個(gè)干燥區(qū)域。它可以把溫度較高的干燥區(qū)域的空氣引向溫度較低的干燥區(qū)域，反之也可，具有雙向性。

本文的“熱質(zhì)交換”是對(duì)“熱量傳遞”和“空氣交換”的表述。

1.2 熱量傳遞的技術(shù)流程圖

圖1表示了各干燥區(qū)域的熱量供給流程，其中高溫干燥區(qū)只能由熱源供熱，而低溫干燥區(qū)則可由熱源、高溫和中溫干燥區(qū)供熱。換言之，當(dāng)?shù)蜏馗稍飬^(qū)熱量不足時(shí)，熱量可以由熱源向高溫干燥區(qū)供給后，再由高溫干燥區(qū)往低溫干燥區(qū)供給。通過(guò)組合原理分析得，圖1中熱量向高溫、中溫和低溫干燥區(qū)的傳遞路線分別為1、2和4條。即指向每個(gè)區(qū)的箭頭終點(diǎn)均為一條線路，盡管指向低溫干燥區(qū)高溫區(qū)的箭頭只有3個(gè)，但通過(guò)高溫干燥區(qū)到中溫干燥區(qū)再往低溫干燥區(qū)的間接路線仍算一條。以下舉例說(shuō)明：

向低溫干燥區(qū)供熱的4條傳遞路線分別為：①熱源→低溫干燥區(qū)；②熱源→中溫干燥區(qū)→低溫干燥區(qū)；③熱源→高溫干燥區(qū)→中溫干燥區(qū)→低溫干燥區(qū)；④熱源→高溫干燥區(qū)→低溫干燥區(qū)。其它區(qū)域的供熱路線同理。

1.3 空氣交換的技術(shù)流程圖

圖2表示了各干燥區(qū)域的空氣交換是雙向的，任何區(qū)域間的空氣可以互換。

圖2中“環(huán)境空氣”與3個(gè)區(qū)域間沒(méi)有使用雙向箭頭，而使用了單箭頭，意在表達(dá)“環(huán)境空氣”可以引入任何一個(gè)區(qū)域，但該區(qū)域的空氣不一定就排向環(huán)境，該區(qū)域的空氣可以流向其它區(qū)域，再由其他區(qū)域排向環(huán)境。

而3個(gè)區(qū)域都引出了一個(gè)沒(méi)有指向?qū)ο蟮膯蜗蚣^，正是對(duì)“環(huán)境空氣”引出的單箭頭的呼應(yīng)，表示對(duì)應(yīng)區(qū)域的空氣排向了環(huán)境，不一定有環(huán)境空氣進(jìn)入該區(qū)域。

通過(guò)組合原理分析得，圖2中空氣在高溫、中溫和低溫干燥區(qū)的流向路線均為4條。即指向每個(gè)區(qū)的箭頭終點(diǎn)均為一條線路，均為3條，加上各區(qū)域指向環(huán)境的1條，共4條。

其中，中溫干燥區(qū)4條空氣流向路線分別為：①環(huán)境→中溫干燥區(qū)；②低溫干燥區(qū)→中溫干燥區(qū)；③高溫干燥區(qū)→中溫干燥區(qū)；④中溫干燥區(qū)→環(huán)境。其它區(qū)域的流向路線同理。

1.4 熱量傳遞和空氣交換的技術(shù)流程合并

圖1 熱量傳遞技術(shù)流程圖

圖2 空氣交換技術(shù)流程圖

熱量傳遞和空氣交換可以單獨(dú)發(fā)生也可同時(shí)發(fā)生。也就是說(shuō)，將圖1和圖2的流程合并可形成熱質(zhì)交換流程圖，熱質(zhì)交換路線的數(shù)量應(yīng)為熱量傳遞數(shù)量與空氣交換路線數(shù)量的乘積，即高溫、中溫和低溫干燥區(qū)的“熱質(zhì)交換”路線分別為4、8和16條。原理是在熱量傳遞路線中隨機(jī)抽取1條與在空氣交換路線中隨機(jī)抽取1條形成組合的問(wèn)題。

圖3 干燥溫室的結(jié)構(gòu)原理圖

2 干燥溫室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3是根據(jù)技術(shù)方案的熱量傳遞和空氣交換流程原理，設(shè)計(jì)的多區(qū)域干燥溫室的結(jié)構(gòu)原理圖（三視圖）。

熱源風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)熱量從太陽(yáng)能吸熱層或輔助加熱器向個(gè)區(qū)域供給。風(fēng)機(jī)使空氣流經(jīng)輔助加熱器或吸熱層，吸收熱量，空氣溫度升高后再進(jìn)入干燥區(qū)域，該過(guò)程空氣在區(qū)域內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)。

換熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)熱量在干燥區(qū)域間傳遞。俯視圖中，把換熱風(fēng)機(jī)包圍在內(nèi)的是一個(gè)換熱器，兩個(gè)不同區(qū)域的空氣同時(shí)流經(jīng)換熱器時(shí)就產(chǎn)生熱量的交換，通過(guò)換熱風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣流經(jīng)換熱器。

換氣風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)空氣在干燥區(qū)域間流動(dòng)。換氣風(fēng)機(jī)以2個(gè)為一組（如BC、AB和AC均是兩個(gè)風(fēng)機(jī)），送風(fēng)方向相反。若同時(shí)啟動(dòng)BC可以進(jìn)行相鄰區(qū)域的空氣交換，只啟動(dòng)其中一個(gè)可以使空氣有序地流動(dòng)。

排氣風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)空氣由干燥區(qū)域流向環(huán)境。

風(fēng)機(jī)均帶閥門(mén)，在不運(yùn)行時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，隔絕各區(qū)域間的自然傳遞。

各個(gè)風(fēng)機(jī)的啟停條件（控制邏輯）就是“熱質(zhì)交換”路線的真實(shí)反映，如上文所述各區(qū)域的“熱質(zhì)交換”路線分別為4、8和16條，換言之，各個(gè)風(fēng)機(jī)的啟停條件共有4+8+16=32種邏輯組合。采用計(jì)算機(jī)編程或PLC編程輔助可快速實(shí)現(xiàn)32個(gè)邏輯組合判斷。

下文以中溫干燥區(qū)首先達(dá)到干燥濕度設(shè)定上限為例，設(shè)計(jì)控制邏輯，設(shè)計(jì)結(jié)果必須涵蓋中溫干燥區(qū)的8條“熱質(zhì)交換”路線。

3 干燥溫室熱量傳遞和空氣交換控制邏輯的設(shè)計(jì)

表1 設(shè)計(jì)控制邏輯過(guò)程需要使用的參數(shù)

3.1 控制參數(shù)說(shuō)明

由于控制過(guò)程中存在空氣交換即2股空氣混和，混和結(jié)果是空氣焓和含濕量總量不變，所以空氣焓和含濕量是重要的控制參數(shù)。由于兩者均是空氣的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算可以與空氣的溫度、相對(duì)濕度和密度等其它狀態(tài)參數(shù)相互轉(zhuǎn)化，具體數(shù)值的轉(zhuǎn)換參看文獻(xiàn)[3]。

在編制控制邏輯的程序時(shí)，人機(jī)界面上以溫度和相對(duì)濕度為控制值，而控制程序內(nèi)部則以空氣焓和含濕量（絕對(duì)濕度）為控制值?？刂七^(guò)程需要用到的參數(shù)如表1所列。

在各參數(shù)標(biāo)上0、1、2、3下標(biāo)，表示不同區(qū)域的參數(shù)（0、1、2和3分別對(duì)應(yīng)環(huán)境、高溫、中溫和低溫區(qū)域的參數(shù)），下標(biāo)4則表示各區(qū)域同類參數(shù)之和。如其中各區(qū)之間熱濕比即時(shí)值ε的下標(biāo)為2個(gè)數(shù)字即ε12，則代表高溫和中溫干燥區(qū)之間的空氣熱濕比。各區(qū)總焓H=M·h，總含濕量D=M·d。設(shè)定高值和低值（HH、DH、HL和DL）由設(shè)定溫度和相對(duì)濕度及其回差計(jì)算所得，整個(gè)干燥溫室的總焓H4=H1+H2+H3，整個(gè)干燥溫室的總含濕 量D4=D1+D2+D3。

3.2 控制邏輯流程

由于中溫干燥區(qū)均可與其它區(qū)域發(fā)生熱量傳遞和空氣交換，以中溫干燥區(qū)達(dá)到設(shè)定條件為例，設(shè)計(jì)一個(gè)較具代表性的控制邏輯。

假設(shè)某一時(shí)刻，中溫干燥區(qū)的即時(shí)溫濕度滿足條件D2＞DH2且T2-ΔT2＜t2＜T2+ΔT2時(shí)，表明測(cè)量濕度已高于設(shè)定溫度內(nèi)濕度的高值，而測(cè)量溫度仍在設(shè)定值的范圍內(nèi)，需要做相應(yīng)的處理。

圖4中溫干燥區(qū)濕度高于設(shè)定上限后的控制技術(shù)流程圖。

如圖4，在長(zhǎng)方形中的文字是動(dòng)作輸出（風(fēng)機(jī)啟停），每一個(gè)動(dòng)作輸出后都會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控是否達(dá)到程序結(jié)束條件，控制響應(yīng)時(shí)間少，溫濕度控制精度高，所以把程序結(jié)束的判斷條件放在程序開(kāi)始后，有利于流程圖的解讀。表2列出了流程圖中各關(guān)系式（邏輯條件）的含義和作用。

流程圖中有8個(gè)可能動(dòng)作，包含了圖1與中溫干燥區(qū)連接的3條換熱技術(shù)路線；包含了圖2內(nèi)中溫干燥區(qū)與高溫、低溫干燥區(qū)連接的2條換氣技術(shù)路線；包含了高溫、中溫和低溫干燥區(qū)與環(huán)境連接的3條換氣技術(shù)路線。換言之，已包含中溫干燥區(qū)對(duì)熱量傳遞和空氣交換的所有可能性。

3.3 與普通干燥溫室的節(jié)能分析對(duì)比

當(dāng)d2＞d2+Δd2且T2-ΔT2＜T＜T2+ΔT2時(shí)，普通太陽(yáng)能干燥溫室只有一個(gè)區(qū)域，只能通過(guò)排氣降低濕度，熱量伴隨空氣排向環(huán)境。對(duì)應(yīng)圖4就是馬上執(zhí)行“中溫區(qū)排氣”動(dòng)作。

而本文的多區(qū)域干燥溫室可以考慮把中溫干燥區(qū)的熱量傳遞給低溫干燥區(qū)再排氣，實(shí)現(xiàn)了一次節(jié)能操作，對(duì)應(yīng)圖4就是先執(zhí)行“與低溫區(qū)換熱”動(dòng)作，或者把不適用于中溫干燥區(qū)的空氣與其他區(qū)域交換（只要其他區(qū)域適用即可）。

圖4 中溫干燥區(qū)濕度高于設(shè)定上限后的控制技術(shù)流程圖

表2 流程圖中各關(guān)系式（邏輯條件）的含義及作用

（續(xù)上表）

簡(jiǎn)而言之，圖4內(nèi)要使中溫干燥區(qū)直接排氣（與普通溫室動(dòng)作一樣）必須滿足4個(gè)“虛線菱形”內(nèi)的判斷條件才行，只要中間有一個(gè)判斷條件使其他動(dòng)作執(zhí)行就表示節(jié)能一次，因此本文設(shè)計(jì)的多區(qū)域干燥溫室具有良好的節(jié)能效果。若只發(fā)生區(qū)域間換氣后控制程序結(jié)束，那么節(jié)能效果就更佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室是基于物料干燥工藝在各階段對(duì)干燥溫濕度要求不同而設(shè)計(jì)的，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

2）多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室各區(qū)域的設(shè)定濕度是獨(dú)立的，但與環(huán)境的空氣交換是基于3個(gè)區(qū)域的含濕量總和控制的，有效降低了熱損失。

3）多區(qū)域太陽(yáng)能干燥溫室各區(qū)域的設(shè)定溫度是獨(dú)立的，但熱量可以由較高溫的區(qū)域往較低溫區(qū)域傳遞，當(dāng)必須與環(huán)境空氣交換時(shí)，熱量?jī)?yōu)先考慮留給其它區(qū)域，且選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域與環(huán)境換氣，使換氣過(guò)程最經(jīng)濟(jì)，節(jié)能效果明顯。

4）本文設(shè)計(jì)的中溫干燥區(qū)控制邏輯只要適當(dāng)修改參數(shù)和條件即可為其它干燥區(qū)所用，完成整個(gè)干燥溫室的控制邏輯設(shè)計(jì)。

[1]張德元.淺談干燥設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能減排：第十二屆全國(guó)干燥會(huì)議論文集[C].2009：7-14.

[2]羅運(yùn)俊.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：29-49.

[3]薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998：3-26.

Study on the Design of Multi Area Solar Drying Greenhouse for Heat Mass Exchangeable

LI Huiling
(Guangdong Agricultural Machinery Research Institute,Guangzhou 510630,China)

In this paper,a multi-area solar drying greenhouse with hot mass exchange is presented.The drying greenhouse can meet the drying characteristics of different stages of the drying temperature and humidity,by controlling the flow of Heat transfer and air exchange between every area can achieve the purpose of energy saving and temperature accurate control.For simply describing drying greenhouse’s structure and function,this paper takes solar drying greenhouse as an example of high temperature drying area,middle temperature drying area and low temperature drying area.And then we design the control logic flow of the middle temperature drying area,which can be referred to the control logic flow design of the whole dry greenhouse.

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李惠玲（1982-），女，漢族，海南人，學(xué)士，機(jī)電工程師，主要從事農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備研究。