太阳能组合干燥系统主体设备的设计与分析

王文茹， 董继先， 李　靖

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安　710021)



太阳能组合干燥系统主体设备的设计与分析

王文茹， 董继先*， 李靖

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：以太阳能组合干燥设备为例，针对组合干燥箱内热风干燥不均匀性问题以及太阳能集热器的选型问题通过对太阳能集热器的类型进行了分析，详细地计算了它们的集热面积、集热能量以及回收年限，最后优化出在西安地区选用集热器的类型和结构，并通过改变热风进风方式对热风真空组合干燥箱提出改进方案，最终实现物料干燥的均匀性及物料干燥品质进一步提高的目的.优化组合干燥设备为干燥设备更好地利用太阳能及组合干燥设备的进一步研究提供依据.

关键词：干燥设备； 太阳能； 集热器； 组合干燥

0引言

干燥行业能源消耗巨大，所用能源占国民经济总能耗的12%左右[1].因此寻找新的能源极为必要.我国的太阳能资源较为丰富全国平均每年的太阳能辐射量为5 460 MJ 年，太阳能应用于干燥技术是太阳能利用的一个重要方向，因此太阳能用于干燥领域的大力发展可以实现节约能源、保护环境、改善劳动环境[2].

目前,太阳能用于干燥果蔬所开发的设备有：

(1)整体式太阳能干燥器：即将太阳能空气集热器与干燥室两者合并成为一个整体.物料在干燥室内直接吸收太阳辐射能，集热器起吸热板的作用.空气则由于温室效应而被加热.

(2)集热器型太阳能干燥器：是太阳能空气集热器与干燥室组合而成的干燥装置，这种干燥器利用集热器把空气加热60 ℃～70 ℃，然后通入干燥室，物料在干燥室内实现对流热质交换过程，达到干燥的目的[3].

虽然集热器与干燥器的结合既可以节能环保又提高了干燥效率，但是仍然存在着干燥不均匀以及集热器的选型问题.针对以上问题我们课题组将太阳能技术与联合干燥技术相结合，自己开发了太阳能热风真空组合干燥设备，经过大量的试验研究发现，物料在进行热风干燥时会出现干燥不均匀的问题.

本文将通过对热管真空管式、平板式、全玻璃管真空管式集热器的集热面积、集热能量以及回收年限进行分析比较，为太阳能组合干燥设备配置合适的集热器并通过改变热风进风方式提出对干燥箱的改进方案，进而实现热风在干燥箱内分布均匀达到物料干燥均匀的目的.

1太阳能组合干燥器的结构与原理

自制太阳能果蔬热风真空组合干燥设备如图1所示，主要由空气预热器、排风管、排湿风机、智能控制器、太阳能热水器、水泵、真空泵、干燥箱、热风辅助加热器、引风机等组成.此装置结合了热风干燥以及真空干燥技术.热风干燥过程是以热空气作为干燥介质，将热量传递给物料，热量将从物料表面向中心传递，温度逐渐升高；被干物料内部的水分以气态或液态形式扩散至表面，汽化的水蒸气从表面扩散或以对流的方式传递到干燥介质主体，最后由热空气带走[4,5].真空干燥过程是利用低压下水分沸点变低的原理，使具有一定形态的果蔬脱水干燥.真空干燥过程中，果蔬里的水分在较低的温度下蒸发，使得所加工的物料复水后基本上保持了原料的特性和营养成分.当热风干燥结束后进入到真空干燥阶段时，这种干燥设备利用集热器把介质加热到60 ℃～80 ℃通入到真空干燥箱内加热管，加热管将热水的热释放给物料进行真空干燥[6].

1.空气预热器 2.排风管 3.排风控制阀 4.排湿风机 5.物料及物料盘 6.箱门 7.智能控制器 8.均风通道 9.高温进水管 10.给热水控制阀 11.太阳能热水器 12.电加热器 13.太阳能真空水管 14.太阳能支座 15.补水控制阀 16.补水管 17.水箱 18.水泵 19.低温回水管 20.真空泵 21.补水器 22.真空排湿管 23.真空排湿控制阀 24.排湿百叶窗 25.加热盘管 26.干燥箱 27.风量控制阀 28.热风辅助加热器 29.引风机 30.进风管图1　太阳能热风真空组合干燥系统结构图

太阳能组合干燥系统最重要的两个部分即太阳能集热器以及干燥箱.本文通过对热管真空管式、平板式、全玻璃管真空管式集热器的分析计算为组合干燥设备配置合适的集热器，同时针对干燥箱内热风干燥不均匀的问题提出改进方案，进一步完善干燥设备.

2干燥箱的优化设计

2.1热风进风方式对被干物料的影响

传统的热风干燥设备中热风进入干燥箱的方式有两种：一种是热风从干燥箱的两边进入，从干燥箱的顶部出去.这样会使得干燥箱内分布在中间的物料干燥速度较快，而分布于干燥箱顶部与底部的物料干燥速度较慢，在相同的干燥时间内出现了干燥不均匀的现象.另一种是热风从干燥箱的底部进入，通过热风均匀分布器，再通过物料，然后从干燥箱的顶部出去.这种进风方式使得分布于干燥箱底部的物料干燥速度较快，分布于干燥箱顶部的物料干燥速度较慢，因为分布于干燥箱底部的物料得到的热风温度较高，湿度较小，热风所带走的水分较多，当热风经过分布于干燥箱顶部的物料时，热风温度较低，湿度也较大，带走的水分较少，这样就出现干燥不均匀现象，因此这两种进风方式均会产生干燥不均匀现象.

2.2干燥箱的优化设计方案

为克服热风干燥的进风方式所带来的缺点，我们通过改变热风进风方式而提出一种新的干燥箱优化设计方案，即在每层的热水盘管上方安置物料，盘下方安置热风布风管.热风布风管上开有若干朝下方向的出风口，热风布风管的两端通过热风布风管接头与热风风腔相连，这样当进行热风干燥时热风通过热风布风管孔直接吹向物料.由于每层都步有热风布风管,所以吹向每层物料的热风都是均匀的，这样便实现了热风分布均匀进而使得物料干燥均匀.改进结构如图2所示.

由图2可知，一种新型热风真空组合干燥箱，包括物料盘、热风布风管、物料车、热风布风管接头、密封圈、热水管盘以及热风风腔,其中物料车位于箱内，底部安装有物料车车轮,物料盘、热风布风管和热水管盘安装于物料车内，热水管盘盘旋设置成多层结构，每层热水管盘的上方设置一个物料盘,每层热水管盘的下方设置一个热风布风管,热风布风管上开有朝向下方的物料盘的出风孔，每个热风布风管的两端均通过热风布风管接头与热风风腔连通.

(a)主视图

(b)右视图1.热水盘管 2.热风布风管接头 3.热风布风管 4.物料车 5.物料盘 6.物料车车轮 7.热风风腔 8.密封圈图2　一种新型热风真空组合干燥箱的主视图和右视图

从图2可以看出，在干燥箱的顶部有热风出口，物料盘5放在物料车4上，且位于每层热水盘管1的上方，热风布风管3的下方，物料盘内放有需要干燥的物料.热风布风管3固定于物料车4,且热风布风管3上的出风孔向下正对物料盘5,使热风直接吹向物料，两头与热风布风管接头2相连接，热风布风管接头2与热风风腔7通过公母槽配合连接.密封圈8装在干燥箱开口箱壁上，用于箱门与干燥箱的密封.热水管盘1固定于物料车4上并通过不锈钢卡箍与外界热水供应管路连接，物料车车轮6装在物料车4的底部，用于物料车的移动.热风风腔7位于干燥箱内壁的下部及两侧，留有一定的空间，用于将热风输送至各个热风布风管3内.

2.3优化方案的理论分析

将要干燥的物料均匀地平铺在有筛网的物料盘内，关闭箱门.先进行热风干燥,打开热风进出口阀门使达到一定温度的热风通过热风入口进入干燥箱的底部，再通过相互连通的热风风腔到达热风布风管内部，热风通过热风布风管上的出风孔，直接将热风吹向物料，利用热风与物料之间的热对流、热传导、热辐射将热风的温度传递给物料，物料获得温度后，其表面的水分不断汽化并扩散到周围介质中，然后物料所含的水分从内部逐渐向表面转移，使物料含水量下降.在干燥箱内的热风一部分温度传递给物料，用于物料温度的升高及水分的蒸发，另一部分热量随热风经热风出口排除，同时热风带走了物料所蒸发的水分，同时热水通过热水盘管给物料进行传热.热风与物料进行传质传热后从干燥箱的内部通过箱顶部开有的热风出口流出，当进行真空干燥时关闭热风进出口阀门，通过热风出口两连接的管路上开有的抽真空管道进行抽真空干燥.

3集热器的分析计算

太阳能组合干燥设备的核心部件之一便是太阳集热器.本文通过对三种集热器的分析计算，使得水温达到60 ℃～80 ℃供干燥设备使用.分别对热管真空管式、平板式、全玻璃管式太阳能集热器(使用年限为15年)进行了分析比较，为该组合干燥设备选择较为合适的集热器.

3.1平板型集热器

3.1.1结构原理

平板型集热器的结构如图3所示.当太阳照射到集热器时，集热器板上水道中的水被加热，水在集热器中受热由于密度减小而上升，由集热器底部上升至顶部.再经上循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部[7].如此循环，使整个水箱中的水温升高.

图3　平板型太阳集热器的结构

3.1.2分析计算

(1)间接系统集热器面积(依据国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(标准号：GB50364-2005))

(1)

(2)

集热器选择铜管铝翼承压平板集热器，单个集热器规格为2 000×1 000×65 mm，采用4个集热板串联方式连接.储热水箱的容积Vs的取值为7.44×60～7.44×80 L，即选定为Vs=500 L.

(2)年节约能量

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

13 165.56MJ=3 657.39kW·h

(3)

(3)回收年限

(4)

3.1.3优缺点

优点：工艺最简单，加工成本低，整体性能好，具备承压能力.

缺点：当环境温度与集热温度差距大时，散热快，抗冻性能差.

3.2热管真空管式太阳能集热器

3.2.1结构原理

热管式真空管太阳集热器的结构如图4所示.太阳辐射透过真空管玻璃，然后投射到吸热板上，将太阳辐射能转化为热能，再通过导热块将热量传递给集热管内的载热介质[8].上述过程重复循环，使集热管内的载热介质不断升温.

图4　热管式真空管太阳集热器的结构

3.2.2分析计算

(1)间接系统集热器面积

根据公式(1)、(2)可得：

Ac=7.04m2; AIN=7.06m2

集热器选择2组30支Φ58×1 800 mm的热管式真空管集热器.储热水箱Vs的取值为7.06×60～7.06×80 L，确定为500 L.

(2)年节约能量

根据公式(3)可得：

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

=13 195.16MJ=3 665.62Kw·h

(3)回收年限

根据式(4)可得：

Ne=10.34 (年)

3.2.3优缺点

优点：集热温度高且不受外界环境因素影响，规格可以变动以适应不同要求，耐冰冻，保温好.

缺点：生产成本高，技术要求高.

3.3全玻璃管真空管式集热器

3.3.1结构原理

全玻璃管真空管式集热器的结构如图5所示.真空集热管内水被太阳辐射加热后，水的密度减小上升而联箱内的冷水下降补充形成自然循环[9].经过一段时间太阳光照射,联箱中的水就会被加热成热水，从而提供所需热水.

图5　全玻璃管真空管式集热器的结构

3.3.2分析计算

(1)直接系统集热面积

根据公式(1)可得：Ac=7.55 m2.

集热器选择2组35支Φ58×1 800 mm的全玻璃真空管式集热器，热水箱的容积Vs=7.55×60～7.55×80 L，确定为500 L.

(2)年节约量

ΔQsave=Ac·Jt·(1-ηL)·ηcd·L=

13 103.28 MJ=3 640.09 Kw·h

(3)回收年限

根据公式(4)可得：Ne=6.35 (年).

3.3.3优缺点

优点：真空管内直接对水进行加热，吸热效率最高；寿命长；成本低；适用范围广.

缺点：不具备承压能力，一根集热管破损，整个集热器不能使用.

3.4结果分析

以上三种集热器的分析计算结果如表1所示.

表1　三种集热器计算结果对比

4结论

(1)根据3种集热器的计算结果，通过对太阳能集热器在节约能源以及回收年限方面的综合考虑，全玻璃管真空管式集热器优于其它类型集热器，因此采用规格为2组Φ58×1800 mm×30(支)，水箱容积500 L的全玻璃管真空管式太阳能集热系统应用于此组合干燥设备，经济效益更高.

(2)根据理论分析可知所设计的真空热风干燥箱的改进方案与现有技术相比，具有物料干燥均匀性好且物料干燥效率高的特点，为进一步研究组合干燥设备的优化设计提供帮助.

参考文献

[1] 刘登瀛,曹崇文.探索我国干燥技术的新型发展道路[J].通用机械,2006(7):15-17.

[2] 刘相臣.国内外干燥设备的现状与发展趋势[J].化工装备技术,2000,21(6):13-16.

[3] 崔璐,王香英,窦志浩，等.国内外太阳能干燥农副产品的研究现状与展望[J].农产品加工业,2010(5)：37-39.

[4] 裴坤，孔晓玲，段凤江，等.太阳能蒸汽热风干燥技术的研究[J].包装与食品机械，2012,30(1):10-13.

[5] 刘晓娟，赵长滨，林君堂，等.隧道式蔬菜热风脱水干燥机的研究[J].农机化研究，2008(7):113-115.

[6] 童亚子,杨福孙.香蕉太阳能热风真空组合干燥设备设计[J].农机化研究,2014(8):87-90.

[7] 赵冰,王志峰,刘荣厚,等.两种太阳集热器的热性能对比分析[J].可再生能源,2006(3):59-60,62.

[8] 何梓年,蒋富林,葛洪川,等.热管式真空管集热器的热性能研究[J].太阳能学报，1994,15(1):73-82.

[9] 田琦.水在玻璃管真空管太阳集热器热性能计算与分析[J].能源技术，2007,28(3):144-147，151.

【责任编辑：蒋亚儒】

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

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)03-0146-05

作者简介:王文茹(1990-)，女，内蒙古赤峰人，在读硕士研究生，研究方向：热能工程通讯作者:董继先(1957-)，男，陕西礼泉人，教授，博士，研究方向：轻工过程机械

基金项目：陕西省科技厅重大科技创新专项项目(2012ZKC10-1)； 陕西省教育厅产业化培育计划项目(2012JC08)

收稿日期:2016-03-29