太陽能組合干燥系統(tǒng)主體設(shè)備的設(shè)計與分析

王文茹， 董繼先， 李　靖

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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太陽能組合干燥系統(tǒng)主體設(shè)備的設(shè)計與分析

王文茹， 董繼先*， 李靖

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：以太陽能組合干燥設(shè)備為例，針對組合干燥箱內(nèi)熱風(fēng)干燥不均勻性問題以及太陽能集熱器的選型問題通過對太陽能集熱器的類型進行了分析，詳細地計算了它們的集熱面積、集熱能量以及回收年限，最后優(yōu)化出在西安地區(qū)選用集熱器的類型和結(jié)構(gòu)，并通過改變熱風(fēng)進風(fēng)方式對熱風(fēng)真空組合干燥箱提出改進方案，最終實現(xiàn)物料干燥的均勻性及物料干燥品質(zhì)進一步提高的目的.優(yōu)化組合干燥設(shè)備為干燥設(shè)備更好地利用太陽能及組合干燥設(shè)備的進一步研究提供依據(jù).

關(guān)鍵詞：干燥設(shè)備； 太陽能； 集熱器； 組合干燥

0引言

干燥行業(yè)能源消耗巨大，所用能源占國民經(jīng)濟總能耗的12%左右[1].因此尋找新的能源極為必要.我國的太陽能資源較為豐富全國平均每年的太陽能輻射量為5 460 MJ 年，太陽能應(yīng)用于干燥技術(shù)是太陽能利用的一個重要方向，因此太陽能用于干燥領(lǐng)域的大力發(fā)展可以實現(xiàn)節(jié)約能源、保護環(huán)境、改善勞動環(huán)境[2].

目前,太陽能用于干燥果蔬所開發(fā)的設(shè)備有：

(1)整體式太陽能干燥器：即將太陽能空氣集熱器與干燥室兩者合并成為一個整體.物料在干燥室內(nèi)直接吸收太陽輻射能，集熱器起吸熱板的作用.空氣則由于溫室效應(yīng)而被加熱.

(2)集熱器型太陽能干燥器：是太陽能空氣集熱器與干燥室組合而成的干燥裝置，這種干燥器利用集熱器把空氣加熱60 ℃～70 ℃，然后通入干燥室，物料在干燥室內(nèi)實現(xiàn)對流熱質(zhì)交換過程，達到干燥的目的[3].

雖然集熱器與干燥器的結(jié)合既可以節(jié)能環(huán)保又提高了干燥效率，但是仍然存在著干燥不均勻以及集熱器的選型問題.針對以上問題我們課題組將太陽能技術(shù)與聯(lián)合干燥技術(shù)相結(jié)合，自己開發(fā)了太陽能熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備，經(jīng)過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，物料在進行熱風(fēng)干燥時會出現(xiàn)干燥不均勻的問題.

本文將通過對熱管真空管式、平板式、全玻璃管真空管式集熱器的集熱面積、集熱能量以及回收年限進行分析比較，為太陽能組合干燥設(shè)備配置合適的集熱器并通過改變熱風(fēng)進風(fēng)方式提出對干燥箱的改進方案，進而實現(xiàn)熱風(fēng)在干燥箱內(nèi)分布均勻達到物料干燥均勻的目的.

1太陽能組合干燥器的結(jié)構(gòu)與原理

自制太陽能果蔬熱風(fēng)真空組合干燥設(shè)備如圖1所示，主要由空氣預(yù)熱器、排風(fēng)管、排濕風(fēng)機、智能控制器、太陽能熱水器、水泵、真空泵、干燥箱、熱風(fēng)輔助加熱器、引風(fēng)機等組成.此裝置結(jié)合了熱風(fēng)干燥以及真空干燥技術(shù).熱風(fēng)干燥過程是以熱空氣作為干燥介質(zhì)，將熱量傳遞給物料，熱量將從物料表面向中心傳遞，溫度逐漸升高；被干物料內(nèi)部的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴散至表面，汽化的水蒸氣從表面擴散或以對流的方式傳遞到干燥介質(zhì)主體，最后由熱空氣帶走[4,5].真空干燥過程是利用低壓下水分沸點變低的原理，使具有一定形態(tài)的果蔬脫水干燥.真空干燥過程中，果蔬里的水分在較低的溫度下蒸發(fā)，使得所加工的物料復(fù)水后基本上保持了原料的特性和營養(yǎng)成分.當(dāng)熱風(fēng)干燥結(jié)束后進入到真空干燥階段時，這種干燥設(shè)備利用集熱器把介質(zhì)加熱到60 ℃～80 ℃通入到真空干燥箱內(nèi)加熱管，加熱管將熱水的熱釋放給物料進行真空干燥[6].

1.空氣預(yù)熱器 2.排風(fēng)管 3.排風(fēng)控制閥 4.排濕風(fēng)機 5.物料及物料盤 6.箱門 7.智能控制器 8.均風(fēng)通道 9.高溫進水管 10.給熱水控制閥 11.太陽能熱水器 12.電加熱器 13.太陽能真空水管 14.太陽能支座 15.補水控制閥 16.補水管 17.水箱 18.水泵 19.低溫回水管 20.真空泵 21.補水器 22.真空排濕管 23.真空排濕控制閥 24.排濕百葉窗 25.加熱盤管 26.干燥箱 27.風(fēng)量控制閥 28.熱風(fēng)輔助加熱器 29.引風(fēng)機 30.進風(fēng)管圖1　太陽能熱風(fēng)真空組合干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

太陽能組合干燥系統(tǒng)最重要的兩個部分即太陽能集熱器以及干燥箱.本文通過對熱管真空管式、平板式、全玻璃管真空管式集熱器的分析計算為組合干燥設(shè)備配置合適的集熱器，同時針對干燥箱內(nèi)熱風(fēng)干燥不均勻的問題提出改進方案，進一步完善干燥設(shè)備.

2干燥箱的優(yōu)化設(shè)計

2.1熱風(fēng)進風(fēng)方式對被干物料的影響

傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥設(shè)備中熱風(fēng)進入干燥箱的方式有兩種：一種是熱風(fēng)從干燥箱的兩邊進入，從干燥箱的頂部出去.這樣會使得干燥箱內(nèi)分布在中間的物料干燥速度較快，而分布于干燥箱頂部與底部的物料干燥速度較慢，在相同的干燥時間內(nèi)出現(xiàn)了干燥不均勻的現(xiàn)象.另一種是熱風(fēng)從干燥箱的底部進入，通過熱風(fēng)均勻分布器，再通過物料，然后從干燥箱的頂部出去.這種進風(fēng)方式使得分布于干燥箱底部的物料干燥速度較快，分布于干燥箱頂部的物料干燥速度較慢，因為分布于干燥箱底部的物料得到的熱風(fēng)溫度較高，濕度較小，熱風(fēng)所帶走的水分較多，當(dāng)熱風(fēng)經(jīng)過分布于干燥箱頂部的物料時，熱風(fēng)溫度較低，濕度也較大，帶走的水分較少，這樣就出現(xiàn)干燥不均勻現(xiàn)象，因此這兩種進風(fēng)方式均會產(chǎn)生干燥不均勻現(xiàn)象.

2.2干燥箱的優(yōu)化設(shè)計方案

為克服熱風(fēng)干燥的進風(fēng)方式所帶來的缺點，我們通過改變熱風(fēng)進風(fēng)方式而提出一種新的干燥箱優(yōu)化設(shè)計方案，即在每層的熱水盤管上方安置物料，盤下方安置熱風(fēng)布風(fēng)管.熱風(fēng)布風(fēng)管上開有若干朝下方向的出風(fēng)口，熱風(fēng)布風(fēng)管的兩端通過熱風(fēng)布風(fēng)管接頭與熱風(fēng)風(fēng)腔相連，這樣當(dāng)進行熱風(fēng)干燥時熱風(fēng)通過熱風(fēng)布風(fēng)管孔直接吹向物料.由于每層都步有熱風(fēng)布風(fēng)管,所以吹向每層物料的熱風(fēng)都是均勻的，這樣便實現(xiàn)了熱風(fēng)分布均勻進而使得物料干燥均勻.改進結(jié)構(gòu)如圖2所示.

由圖2可知，一種新型熱風(fēng)真空組合干燥箱，包括物料盤、熱風(fēng)布風(fēng)管、物料車、熱風(fēng)布風(fēng)管接頭、密封圈、熱水管盤以及熱風(fēng)風(fēng)腔,其中物料車位于箱內(nèi)，底部安裝有物料車車輪,物料盤、熱風(fēng)布風(fēng)管和熱水管盤安裝于物料車內(nèi)，熱水管盤盤旋設(shè)置成多層結(jié)構(gòu)，每層熱水管盤的上方設(shè)置一個物料盤,每層熱水管盤的下方設(shè)置一個熱風(fēng)布風(fēng)管,熱風(fēng)布風(fēng)管上開有朝向下方的物料盤的出風(fēng)孔，每個熱風(fēng)布風(fēng)管的兩端均通過熱風(fēng)布風(fēng)管接頭與熱風(fēng)風(fēng)腔連通.

(a)主視圖

(b)右視圖1.熱水盤管 2.熱風(fēng)布風(fēng)管接頭 3.熱風(fēng)布風(fēng)管 4.物料車 5.物料盤 6.物料車車輪 7.熱風(fēng)風(fēng)腔 8.密封圈圖2　一種新型熱風(fēng)真空組合干燥箱的主視圖和右視圖

從圖2可以看出，在干燥箱的頂部有熱風(fēng)出口，物料盤5放在物料車4上，且位于每層熱水盤管1的上方，熱風(fēng)布風(fēng)管3的下方，物料盤內(nèi)放有需要干燥的物料.熱風(fēng)布風(fēng)管3固定于物料車4,且熱風(fēng)布風(fēng)管3上的出風(fēng)孔向下正對物料盤5,使熱風(fēng)直接吹向物料，兩頭與熱風(fēng)布風(fēng)管接頭2相連接，熱風(fēng)布風(fēng)管接頭2與熱風(fēng)風(fēng)腔7通過公母槽配合連接.密封圈8裝在干燥箱開口箱壁上，用于箱門與干燥箱的密封.熱水管盤1固定于物料車4上并通過不銹鋼卡箍與外界熱水供應(yīng)管路連接，物料車車輪6裝在物料車4的底部，用于物料車的移動.熱風(fēng)風(fēng)腔7位于干燥箱內(nèi)壁的下部及兩側(cè)，留有一定的空間，用于將熱風(fēng)輸送至各個熱風(fēng)布風(fēng)管3內(nèi).

2.3優(yōu)化方案的理論分析

將要干燥的物料均勻地平鋪在有篩網(wǎng)的物料盤內(nèi)，關(guān)閉箱門.先進行熱風(fēng)干燥,打開熱風(fēng)進出口閥門使達到一定溫度的熱風(fēng)通過熱風(fēng)入口進入干燥箱的底部，再通過相互連通的熱風(fēng)風(fēng)腔到達熱風(fēng)布風(fēng)管內(nèi)部，熱風(fēng)通過熱風(fēng)布風(fēng)管上的出風(fēng)孔，直接將熱風(fēng)吹向物料，利用熱風(fēng)與物料之間的熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射將熱風(fēng)的溫度傳遞給物料，物料獲得溫度后，其表面的水分不斷汽化并擴散到周圍介質(zhì)中，然后物料所含的水分從內(nèi)部逐漸向表面轉(zhuǎn)移，使物料含水量下降.在干燥箱內(nèi)的熱風(fēng)一部分溫度傳遞給物料，用于物料溫度的升高及水分的蒸發(fā)，另一部分熱量隨熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)出口排除，同時熱風(fēng)帶走了物料所蒸發(fā)的水分，同時熱水通過熱水盤管給物料進行傳熱.熱風(fēng)與物料進行傳質(zhì)傳熱后從干燥箱的內(nèi)部通過箱頂部開有的熱風(fēng)出口流出，當(dāng)進行真空干燥時關(guān)閉熱風(fēng)進出口閥門，通過熱風(fēng)出口兩連接的管路上開有的抽真空管道進行抽真空干燥.

3集熱器的分析計算

太陽能組合干燥設(shè)備的核心部件之一便是太陽集熱器.本文通過對三種集熱器的分析計算，使得水溫達到60 ℃～80 ℃供干燥設(shè)備使用.分別對熱管真空管式、平板式、全玻璃管式太陽能集熱器(使用年限為15年)進行了分析比較，為該組合干燥設(shè)備選擇較為合適的集熱器.

3.1平板型集熱器

3.1.1結(jié)構(gòu)原理

平板型集熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示.當(dāng)太陽照射到集熱器時，集熱器板上水道中的水被加熱，水在集熱器中受熱由于密度減小而上升，由集熱器底部上升至頂部.再經(jīng)上循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部[7].如此循環(huán)，使整個水箱中的水溫升高.

圖3　平板型太陽集熱器的結(jié)構(gòu)

3.1.2分析計算

(1)間接系統(tǒng)集熱器面積(依據(jù)國家標準《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(標準號：GB50364-2005))

(1)

(2)

集熱器選擇銅管鋁翼承壓平板集熱器，單個集熱器規(guī)格為2 000×1 000×65 mm，采用4個集熱板串聯(lián)方式連接.儲熱水箱的容積Vs的取值為7.44×60～7.44×80 L，即選定為Vs=500 L.

(2)年節(jié)約能量

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

13 165.56MJ=3 657.39kW·h

(3)

(3)回收年限

(4)

3.1.3優(yōu)缺點

優(yōu)點：工藝最簡單，加工成本低，整體性能好，具備承壓能力.

缺點：當(dāng)環(huán)境溫度與集熱溫度差距大時，散熱快，抗凍性能差.

3.2熱管真空管式太陽能集熱器

3.2.1結(jié)構(gòu)原理

熱管式真空管太陽集熱器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.太陽輻射透過真空管玻璃，然后投射到吸熱板上，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的載熱介質(zhì)[8].上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱管內(nèi)的載熱介質(zhì)不斷升溫.

圖4　熱管式真空管太陽集熱器的結(jié)構(gòu)

3.2.2分析計算

(1)間接系統(tǒng)集熱器面積

根據(jù)公式(1)、(2)可得：

Ac=7.04m2; AIN=7.06m2

集熱器選擇2組30支Φ58×1 800 mm的熱管式真空管集熱器.儲熱水箱Vs的取值為7.06×60～7.06×80 L，確定為500 L.

(2)年節(jié)約能量

根據(jù)公式(3)可得：

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

=13 195.16MJ=3 665.62Kw·h

(3)回收年限

根據(jù)式(4)可得：

Ne=10.34 (年)

3.2.3優(yōu)缺點

優(yōu)點：集熱溫度高且不受外界環(huán)境因素影響，規(guī)格可以變動以適應(yīng)不同要求，耐冰凍，保溫好.

缺點：生產(chǎn)成本高，技術(shù)要求高.

3.3全玻璃管真空管式集熱器

3.3.1結(jié)構(gòu)原理

全玻璃管真空管式集熱器的結(jié)構(gòu)如圖5所示.真空集熱管內(nèi)水被太陽輻射加熱后，水的密度減小上升而聯(lián)箱內(nèi)的冷水下降補充形成自然循環(huán)[9].經(jīng)過一段時間太陽光照射,聯(lián)箱中的水就會被加熱成熱水，從而提供所需熱水.

圖5　全玻璃管真空管式集熱器的結(jié)構(gòu)

3.3.2分析計算

(1)直接系統(tǒng)集熱面積

根據(jù)公式(1)可得：Ac=7.55 m2.

集熱器選擇2組35支Φ58×1 800 mm的全玻璃真空管式集熱器，熱水箱的容積Vs=7.55×60～7.55×80 L，確定為500 L.

(2)年節(jié)約量

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

13 103.28 MJ=3 640.09 Kw·h

(3)回收年限

根據(jù)公式(4)可得：Ne=6.35 (年).

3.3.3優(yōu)缺點

優(yōu)點：真空管內(nèi)直接對水進行加熱，吸熱效率最高；壽命長；成本低；適用范圍廣.

缺點：不具備承壓能力，一根集熱管破損，整個集熱器不能使用.

3.4結(jié)果分析

以上三種集熱器的分析計算結(jié)果如表1所示.

表1　三種集熱器計算結(jié)果對比

4結(jié)論

(1)根據(jù)3種集熱器的計算結(jié)果，通過對太陽能集熱器在節(jié)約能源以及回收年限方面的綜合考慮，全玻璃管真空管式集熱器優(yōu)于其它類型集熱器，因此采用規(guī)格為2組Φ58×1800 mm×30(支)，水箱容積500 L的全玻璃管真空管式太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用于此組合干燥設(shè)備，經(jīng)濟效益更高.

(2)根據(jù)理論分析可知所設(shè)計的真空熱風(fēng)干燥箱的改進方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有物料干燥均勻性好且物料干燥效率高的特點，為進一步研究組合干燥設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供幫助.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

The design and analysis of the main equipment in combination of solar drying system

WANG Wen-ru, DONG Ji-xian*, LI Jing

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:In this paper,we take the combination of drying equipment for example,For drying non-uniformity problem of the combination drying oven and solar collector selection problem,we analyze the type of solar collector that is used for it,and calculate detailedly the collector area,collection of heat energy and recovery period of them.Finally,we optimize the type and structure of the selected collector in Xi′an area,and provide the basis for drying equipment to make better use of solar energy.For the unevenness problem in the combination of hot air drying oven.To achieve the uniformity of material drying to further enhance dry material quality and provide help for further study on the combination of drying equipment,we put forward improvement scheme and carry on the reasonable design by changing the way of hot air into the combination for hot air vacuum drying oven.

Key words:drying equipment； solar energy； collector； combination drying

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2016)03-0146-05

作者簡介:王文茹(1990-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，在讀碩士研究生，研究方向：熱能工程通訊作者:董繼先(1957-)，男，陜西禮泉人，教授，博士，研究方向：輕工過程機械

基金項目：陜西省科技廳重大科技創(chuàng)新專項項目(2012ZKC10-1)； 陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育計劃項目(2012JC08)

收稿日期:2016-03-29