太阳能结合辅助加热型节能热处理窑的理论设计

宋 杰 ，许忠祥 ，王建斌 ，李玉秀 ，吴 晶

（1.南京出入境检验检疫局，江苏 南京 211100；2.苏州出入境检验检疫局，江苏 苏州 215000；3.上海市林业总站，上海 200072）

太阳能结合辅助加热型节能热处理窑的理论设计

宋 杰1，许忠祥1，王建斌2，李玉秀3，吴 晶1

（1.南京出入境检验检疫局，江苏 南京 211100；2.苏州出入境检验检疫局，江苏 苏州 215000；3.上海市林业总站，上海 200072）

针对太阳能应用于国际木质包装检验检疫热处理领域进行了理论计算与方案的设计，提出了两种适合实际生产并且太阳能利用率超过50%的解决方案。研究得出理论上标准热处理窑当集热面积达到216㎡时，整个处理过程中太阳能利用率超过93%，实现了太阳能利用占主导地位的目的。从理论计算中得出设计方案能够满足国际木质包装热处理的基本要求，实际热处理效果有待于进一步研究过程中的具体试验数据。该设计不仅从理论上论证了太阳能应用于热处理领域的可行性，同时在国际上首次提出木质包装热处理使用太阳能的思路，为今后的研究提供试验指导。

太阳能；节能；热处理；理论设计

目前国际上木质包装的处理方式主要为热处理，热处理过程中需要消耗大量的热能，热能的主要供给方式在国内仍然采用燃料锅炉，由于热处理企业规模限制，绝大多数处理企业仍然沿用的高能耗，高污染锅炉，如何解决热处理过程中能耗的节约与降低污染排放，已经成为束缚整个热处理行业进一步发展的关键。通过研究如何将环保绿色的太阳能应用于木质包装热处理当中是热处理行业高能耗与高污染问题的有效方法。国内外目前尚无太阳能应用于木质包装检验检疫热处理的相关研究报道，相关研究主要集中在木材太阳能干燥的理论及装置设计方面。检验检疫热处理与木材干燥的主要区别在于热处理升温阶段温度的要求较木材干燥高，热处理在升温阶段要求木心温度最低达到56℃。由于太阳能属于间歇性能源，能流密度低[1]，在实际利用中影响因素较多，连续供热能力以及稳定性差，若将太阳能应用于检验检疫热处理领域需要通过方案设计解决短时高热量供给和能量连续供给的问题。因此，太阳能在这些需要连续供热的场合，太阳能的应用受到了一定限制[2]。本设计通过理论公式模拟计算并结合热处理企业实际，针对上述问题设计了集热、数字控制、能量存储、辅助供热4个单元为主体的太阳能热处理窑，在理论上实现了木质包装热处理的节能、环保。

1 总体方案

1.1 热处理材积量确定

按照国内标准热处理窑体积规格，选取2011年度江苏地区热处理企业标准窑进行木托盘热处理的数量统计为基础，托盘规格取标准尺寸计算。

标准窑整窑处理托盘数量约为500个，实际生产过程中平均每窑处理托盘数量约为350个，单个常用规格标准托盘材积为0.034 2 m3。设计方案材积量=平均每窑处理托盘数量*常用规格单个标准托盘体积=350*0.034 2 m3=12.0 m3

1.2 热处理条件确定

1.2.1 中心温度

考虑到不同企业实际热处理条件设定的差异，设计方案采用国际标准“56℃，30 min”设计[3]。即按常用标准托盘的脚墩（托盘最厚处）的木芯达到56℃计算。

1.2.2 处理温度及时间

窑内处理温度结合文献对太阳能干燥处理过程中出风口温度进行综合考虑，热处理温度按70℃计算。处理时间在设计中划分为3个阶段：第一，升温阶段处理时间利用木材中心温度测算软件进行计算；第二，恒温阶段时间设定为国际标准中的规定时间30 min[3]；第三，干燥阶段时间结合实际热处理干燥过程的时间进行综合考虑按30 h计算。

1.3 热量供给方式确定

热量供给方式根据加热阶段不同采取不同方式进行。升温阶段采用太阳能+电辅助供热+储热能三方供热；恒温阶段主要采用太阳能供热；干燥阶段主要为太阳能供热+储热能双方供热+电辅助供热。结合热处理企业实际情况，太阳能集热面积计算按窑体顶部、运输通道顶棚以及朝向南的墙立面三部分计算，根据大多数企业热处理窑占地情况，设计太阳能集热面积不宜超过200 m2。辅助加热设施按环保要求采用一定功率电加热代替燃煤锅炉，电加热按实际干燥期和加热期配备大小不同的辅助电加热设备。

1.4 热处理窑总体设计方案

太阳能辅助加热节能型热处理窑示意图及系统构成如图1和图2所示。节能型热处理窑主要由4个系统单元构成：节能集热单元、辅助供热单元、能量数字化控制单元、能量储存单元。总体设计宗旨为：在不改变窑体主体结构的前提下，利用现有空间及软硬件控制实现节能减排的目的。节能型热处理窑并不是需要重新建立新窑，而是对现有窑体增加了太阳能等功能单元实现节能。首先，在可以利用的空间上，如处理窑的顶端、运输通道顶棚以及朝向南的墙里面等处增加太阳能集热管，收集太阳能产生热量并通过管道传到。其次，使用能量数字化系统进行窑内热量供给，并设定能量供给储存的优先权，即太阳能——储热能——其他辅助能量的供给顺序。在处理过程中，通过能量数字控制单元对各个温度控制点的温度采集来控制能量流向电磁阀门的开关实现节能目的。

图1 节能热处理窑示意Fig. 1 Sketch map of energy-saving heat treatment kiln

图2 节能型热处理窑系统构成Fig. 2 Constitution of system of energy-saving heat treatment kiln

1.5 设计方案系统构成

1.5.1 节能集热系统

节能集热系统主要收集太阳能的集热管[图1中A]及由数字能量控制单元控制的热量传导保温管道组成。节能集热系统的主要功能是实现太阳能热量的收集转换与传导。设计方案采用热管真空集热管，一方面保证在严寒、阴天等条件下可正常供热，另一方面可以在同等天气条件下获得更高的出口温度。

1.5.2 辅助供热系统

辅助供热系统结合热处理窑加热的3个阶段与太阳能受天气等因素影响的特点，设计方案中增加电辅助加热部分，主要用来弥补太阳能集热功率不能满足热处理条件时热量的供给，以保证生产正常进行。

1.5.3 能量数字控制系统

能量数字化控制系统通过图1中4个温度采集点来控制能量供给方向。能量会按照事先设定好的程序来进行供给，通过对感温点数据的采集和电磁阀门开关的控制，让整个热处理过程中能量的供给方式更加科学，实现通过软件节能的目的。详细控制方案如表1所示。

表1 能量控制系统设计方案Table 1 Design scheme of energy control system

1.5.4 能量储存系统

根据目前国内企业实际生产情况，热处理平均生产周期拟按5天计算。因为但绝大多数企业在两次处理过程中均会有1～2天的作业间歇时间，而每次处理的时间一般在3天左右。根据生产周期和两次处理过程中的间歇时间，设计间歇时间热能存储系统。该系统主要由高、低温两个储热罐以及与数字化能量控制系统相关联的热水流向控制阀门组成。在生产作业的间歇期将太阳能转换为热水存储起来，低温存储罐热水供生活使用，高温储热罐为下个生产周期提供热能。高温储热罐容积设计按实际集热面积两天全日照产生90℃热水计算，低温储热罐容积设计按企业使用生活热水人数日均用水量的5倍（平均生产周期）计算。

2 理论计算

2.1 热处理过程热量需求

热处理过程按国际标准执行，即木心温度达到56℃并持续30min[3]，理论计算按以下模拟条件计算：木材初始温度20℃，干燥时间30 h，升温过程窑内温度70℃，木材整窑处理量12 m3，材种松木，木材厚度12 cm初始含水率30%，升温阶段时间取整按4 h计算，处理后实现含水率14%。参照相关文献[4-8]的计算方法进行理论计算如式（1）～（3）。

式（2）中：Q为热量；m为质量；△T为温度变化值。

式（3）中：W为木材绝对含水率；Gs为湿木材重量；Ggo为绝干材重量。

式（4）中：M为蒸发量；E为木材体积；ρ为木材比重；△W为木材变化含水率。

2.1.1 升温阶段(S)

通过木材中心温度测算软件计算，得出木材加热时间为4 h，为简化计算，升温阶段默认含水率变化为0。温度变化：△T=56-20=36℃。计算所需基本参数为：木材比热C木=1.72 kJ/kg•℃；水比热C水=4.2 kJ/kg•℃；木材体积E=12.0 m3；木材比重ρ=490 kg/m3；干材含水率W= 30%；单位质量蒸发量耗能：Q蒸=2,871.5 kJ/kg•H2O。

升温阶段木材需要热量：

2.1.2 恒温阶段(H)

恒温阶段时间为30 min，所需热量主要为窑体热损失，木材温度变化取0计算，为简化计算，此阶段默认含水率变化为0，窑体热损失基数取升温阶段Qs木为准。

2.1.3 干燥阶段(G)

干燥阶段初期含水率W初30%，干燥后含水率取W末=14%，干燥时间按30 h设计。

2.1.4 热处理过程总热量需求

2.2 热处理过程热量供给方案

整个热处理过程的能量供给理论计算按照3套方案计算，根据企业实际情况择优选择。表2所示。

计算所需主要参数依据文献现有试验以及研究基础计算：

式（5）中：Q管为单根集热管功率，Q管=40 W；S管为单跟集热管面积，S管=0.12 m2；η为集热器的热效率，η=40%；N为集热管根数。

表2 热处理过程中各阶段能量需求Table 2 Energy demand of each phase during heat treatment

2.2.1 太阳能全供给

如果整个处理过程完全由太阳能供给热处理所需要的能量，集热面积必须不小于升温阶段的集热面积345 m2，但热处理企业所建标准窑体的可用采光面积在200 m2左右，所以设计方案中增加电加热辅助系统。如表3所示。

2.2.2 电加热辅助供给

采用两种方案进行辅助加热，方案一为太阳能提供所需最小功率阶段能量，其余阶段能量供应采取电辅供热，电辅供热分为两档，一档满足干燥阶段所需功率，两档全开满足升温阶段所需功率。如表4所示。方案二为太阳能提供干燥阶段所需能量，此方案仅需要在升温阶段采用电辅加热，干燥阶段和保温阶段均完全使用太阳能加热。如表5所示。

表3 热处理太阳能全供给理论参数Table 3 Theoretical parameters of solar energy’s full supply theory for heat treatment

方案一：太阳能管1 100根，采光面积132 m2，太阳能供热功率44.0 kW，两根电加热管，一根27.0 kW，一根44.0 kW。

表4 电辅助加热设计方案功率分配(方案一)Table 4 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 1)

方案二：太阳能管1 800根，采光面积216 m2，太阳能供热功率72.0 kW，一根43.0 kW电加热管。

表5 电辅助加热设计方案功率分配(方案二)Table 5 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 2)

2.2.3 各阶段能量使用情况汇总

两种方案各阶段能量使用分配情况如表6。

3 结 论

通过理论计算证明太阳能结合辅助加热型节能热处理窑是完全可行的，将太阳能应用于检验检疫热处理的理论节能效果非常明显，太阳能在处理过程中总利用率可达90%以上。在食品干燥处理行业已经有相关太阳能应用， 2 t左右的蒸汽锅炉，目前的改造费用在20万人民币以内，经过测算设备投入回收成本不到2年，符合企业实际需求。通过能量数字化控制系统的设计和各阶段的能量需求供给情况的理论计算，不仅能为今后新型节能热处理窑的研制提供理论依据，更重要的是通过后续试验与控制系统模型的改进可为国际上将太阳能应与于检验检疫热处理提供实验指导。

表6 两种方案各阶段能量使用分配情况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

国家质检总局项目（2012IK277）；江苏出入境检验检疫局项目（2009KJ47）

宋 杰(1978-)，男，山东掖县人，工程师，硕士，主要研究森林保护、植物检疫、木包装处理等；

吴 晶(1981-)，女，河南新乡人，农艺师，硕士，主要研究植物检疫、木包装热处理、太阳能应用等；E-mail：wuj2@jsciq.gov.cn

[本文编校：欧阳钦]