太阳能蒸汽热风干燥系统的设计与研究

裴 坤 段凤江 孔晓玲 于 鹏

（安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036）

太阳能蒸汽热风干燥系统的设计与研究

裴 坤 段凤江 孔晓玲 于 鹏

（安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036）

研制一套太阳能干燥系统，采用真空集热管对水加热，产生水蒸气，并转换成热风，实现对农产品的干燥作业。以胡萝卜作为样品进行干燥机的干燥性能试验，结果表明：当太阳辐射值达到750W/m2以上时，蒸汽可以稳定工作5～7h；干燥室内高温工作段温度可以稳定在55℃左右，低温工作段温度可以稳定在40℃左右。干燥后的胡萝卜脱水率为82.3%～86.5%，干燥效果良好。

太阳能蒸汽；真空集热管；干燥；胡萝卜

干燥是农产品加工与储藏的重要工序。目前，中国的加工企业多数采用常压热风干燥法。这种方法具有操作简便，对设备、环境要求不高的特点。但是，该设备主要采用燃煤或燃油蒸汽锅炉作为干燥介质的热源，在当今能源价格不断攀升的情况下，干燥作业的成本也随之增加，另外还会造成诸多环境问题，如CO2、SO2等温室气体排放，空气污染日益加重，所以开发利用新能源成为科技发展的新趋势。

太阳能是一种清洁、廉价、永不枯竭的可再生能源。中国有着较丰富的太阳能资源，约有2/3的国土年辐射时间超过2 200h，年辐射总量超过5 000MJ/m2［1］。充分利用太阳能资源是实现节能减排，可持续发展的重要途径。国内外报道［2－4］过多种试验型干燥装置，结构上有温室型、集热器型、集热器与温室结合型等；气流方式可分为自然对流和强制对流型。中国学者［5－8］针对不同的农产品，采用不同方式进行了试验研究。本干燥系统主要利用太阳能集热器产生水蒸汽，经热交换机转化成热风，对物料进行干燥试验研究，为大规模工业化生产提供依据。

1 太阳能干燥系统的结构设计

图1为太阳能干燥系统的结构。该系统主要由太阳能集热器，带式热风干燥机，水处理系统，蒸汽检测与控制系统等组成。

图1 太阳能干燥系统Figure 1 Solar drying system

1.1 太阳能集热器

本系统的集热器采用两组太阳能偏心聚光真空集热管［9］模块串联安装组成。集热器阵列采用角钢整体焊接而成，易于加工且坚固耐用。正南布置，依据合肥地区纬度，整个集热器与水平地面设置成32°夹角。集热器阵列中的每根集热管下部安装有聚光器，太阳光可聚焦反射到集热管上，使得整个系统可以最大限度的完成太阳光－热转换。下层模块5中的真空集热管内的水先被加热，产生温度较低的蒸汽，通过管道流向上层模块7，流经上层真空集热管时，蒸汽被再次加热，温度得到提高。为避免向四周环境散热，减少热损失，集热器所有管道均设有保温层，保温层主要原料为岩棉，外层用铝薄和玻钎布包裹，保温性能良好。

1.2 热风干燥机

热风干燥机设计成带式，可以干燥颗粒、丸、条状、片状等物料［10］。参见图1，热交换机设置于干燥机下部，干燥机的干燥工作段由中间挡板阻隔，分为预热段、高温段和低温段三部分，干燥工作段的热交换机20均通过电磁阀11与蒸汽管道相连，机内多处安装有温度、湿度传感器16，用于检测干燥机内各段环境温度、湿度和物料温度，通过设定温度传感器温度的上下限来控制电磁阀的开闭，达到控制进入热交换机的蒸汽量的目的。干燥机顶部通过可调风门15与排湿风机14相连，工作过程中，通过强制对流方式进行通风排湿。机内的物料输送带17用食品级不锈钢网制成［11］，工作时由无极变速电机带动，可根据干燥物料的数量、堆放密度和物料层厚度调节带速，以控制干燥生产率，最终优化干燥过程。干燥机内外壁之间设有保温层，可以减少热量损失。

1.3 水处理系统

本系统的水处理系统主要包括水的净化装置、补给水泵、检测控制部分组成。参见图1自来水先流经净水器1，去垢后被电动水泵2抽入下层模块5的集热管内，当水到达预定点时，被安装与此的水位检测传感器6检测到，水泵随即停止工作。热风干燥机工作过程中，随着蒸汽的使用，系统内的水逐渐减少，当减少到一定值时，水位传感器6会发出指令，水泵再次对系统补给水到预定点后停止工作。在系统处于工作状态时，水处理系统如此循环工作，保障系统源源不断地产生蒸汽。

1.4 蒸汽检测与控制系统

在系统内，蒸汽管道中安装有温度表10、压力表9，可以实时的检测蒸汽温度及压力，另外，由于本太阳能集热器内产生的蒸汽具有压力，在靠近上层模块出口处安装有安全阀8，当压力达到设定值时，安全阀打开，自动泄压，保障系统安全运行。

2 阳能干燥系统的应用试验

2.1 材料与方法

2.1.1 试验设备

太阳能蒸汽干燥设备：本实验室自制；

太阳功率表：TES－1333R，台湾泰仕公司。

2.1.2 试验材料

新鲜胡萝卜：市售。

2.1.3 试验方法 将胡萝卜洗净，用模具刨成直径Ф3mm左右的丝状，沥干表面水分，每份质量为（500±0.1）g，称取若干份备用。

对太阳能干燥系统进行调试检查；设定干燥机的各项参数；根据试验的物料的特性设定干燥机高、低温段温度传感器上限和下限温度。当太阳能集热器可提供满足试验要求的蒸汽时，开始连续的干燥试验。

将每份胡萝卜通过输入口铺在传输网带上，每份样品中间隔100～150mm的距离，便于收集称重。物料厚度为10～15mm；每隔5min时间记录一次温度、湿度等，每隔20min收集物料进行称重，每份样品干燥时间为60min。

2.2 太阳能集热器的热性能试验

2011年6月、7月间选取天气条件较好的2d进行试验，分别记录为试验一、试验二。试验一的天气条件为：少云、8时～15时的平均气温为33.8℃、平均空气相对湿度42.4%；试验二的天气条件为：少云、8时～15时的平均气温为32.3℃、平均空气相对湿度47.5%。图2为集热器闷晒试验的数据。两次试验太阳辐射值均在850W/m2以上，蒸汽压力随太阳辐射值的变化，基本呈线性增长趋势。系统蒸汽压力上升至0.7MPa所需时间约2h左右；与试验二相比，试验一条件下，太阳辐射值较稳定，且其平均值高于试验二，蒸汽压力上升速率较快，升至0.7MPa所需时间缩短了20min。

从试验开始至试验结束（8∶30～16∶30），太阳辐射平均值在950W/m2以上，10∶00～13∶00太阳辐射达到最高值区间，均在1 000W/m2以上，15∶00以后太阳辐射值开始下降，16∶30以后太阳能辐射值基本降为750W/m2以下。

图2 蒸汽压力/太阳辐射值随时间变化曲线Figure 2 Curves of steam pressure and solar power at different time

2.3 胡萝卜干燥试验

2.3.1 干燥机的温度 在保证胡萝卜的品质的前提下，设定干燥机高、低温段温度传感器上限分别为60℃和45℃。当温度设置好以后，蒸汽进入到干燥机后，干燥机内的温度变化见图3。由图3可知，试验在初始时，无论低温段和高温段的温度都较低，这是由于蒸汽刚进入交换机时，环境温度较低所致，随着时间的延长，干燥机内温度均呈上升趋势，约30min后基本达到设定温度。干燥过程中，高温段温度均保持在55℃左右，低温段温度均保持在40℃左右。高温段平均温度与室内环境平均温度保持20℃的温差，最高温差达25℃。

2.3.2 胡萝卜干燥 在试验一、试验二条件下测得胡萝卜的质量随时间变化曲线见图4。试验后分别测得胡萝卜的湿基的含水率分别为82.3%和86.5%。从图4可以看出，两条曲线呈一个相似的规律下降：随着干燥时间的延长，胡萝卜的质量呈下降趋势，但是下降的速率不相同。与试验二相比较，试验一天气条件较好，参见图4，干燥段的温度保持在接近上限的水平，所以试验一的干燥时间较比试验二要短，所以试验二又延长了20min。

图3 两次试验干燥机内温度变化曲线Figure 3 Curves of inner temperature at different time

图4 胡萝卜质量和温度随干燥时间变化曲线Figure 4 Drying curves of carrots’weight and temperature at different time

胡萝卜的自身温度变化见图4，温度随着干燥机内的温度提高而提高，但其温度的增加速率小于机内温度增加速率。且物料的最高温度仅达到44℃和42℃，比机内的最高温度低17℃左右。

3 总结

（1）通过太阳能集热器的热性能试验，表明当太阳辐射值达到750W/m2以上时，蒸汽可以稳定工作5～7h。

（2）干燥作业后的胡萝卜脱水率高，品相良好，通过对胡萝卜的干燥试验，表明干燥系统设计合理，结构简单，工作稳定。

（3）干燥系统与生产实际紧密结合，为工业化干燥的技术革新提供了理论依据和技术支持。通过粗略计算，在本干燥系统的技术条件下，以300m2集热面，每年工作100～150d计算，替代燃煤蒸汽锅炉，3～4年可以收回投入的成本。

1 张璧光.太阳能干燥系列讲座（1）［J］.太阳能，2008（1）：11～13.

2 Ekechukwu O V，Norton B.Review of solar－energy drying systems II：an overview of solar drying technology［J］.Energy Conversion and Management 1999，40（6）：615～655.

3 Ramana Murthy M V.A review of new technologies，models and experimental investigations of solar driers［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13（4）：835～844.

4 李洪斌，李志民，张跃，等.农副产品太阳能干燥技术的研究和发展［J］.云南师范大学学报，2004，24（1）：37～40.

5 张东峰.太阳能枸杞干燥装置的研究［J］.农机化研究，2008（1）：95～97.

6 李汴生，申晓曦，刘伟涛，等.小型全天候太阳能干燥机的设计及应用 ［J］.农业工程学报，2011，27（5）：336～341.

7 付立思，孙国凯，王滨，等.热能辅助型太阳能箱式干燥器的设计与试验［J］.农业机械学报，2005，36（8）：157～158.

8 范婷婷，汪政富，胡小松，等.无核白葡萄太阳能干燥设施试验研究［J］.农机化研究，2009（11）：175～177.

9 赵敏晖，张志中.太阳能偏心聚光真空集热管：中国，201020674070.2［P］.2011－07－20.

10 朱文学.食品干燥原理与技术［M］.北京：科学出版社，2009：5～9.

11 张海红，阮竞兰.食品机械的腐蚀与防腐设计［J］.包装与食品机械，2006，24（2）：21～23.

Design and research on solar steamy hot－air drying system

PEI Kun DUAN Feng－jiang KONG Xiao－lingYU Peng

（College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui230036，China）

Designed and developed a set of solar drying systems，use the vacuum tube collector to heat water，the system can produce steam，and then converted it into hot air，realize the drying of agricultural products.The experiments of drying carrots were carried out to test the drying system’s performance.The results show that when solar power reaches above 750W/m2，the steam can stable work for 5～7hours；The temperature of the dryer’s high temperature section can be stabilized at around 55℃，and the temperature of the low can be stabilized at around 40℃.The dehydration rate of dried carrots is between 82.3% ～86.5% ，drying effect is good.

solar steam；vacuum tube collector；drying；carrots

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.028

裴坤（1983－），男，安徽农业大学在读硕士研究生。E－mail：peikun1983＠126.com

孔晓玲

2011－11－01