折流板型太阳能干燥装置的性能分析

张永辉,罗建文,郑茂盛,谢超超,路丽婷

(西北大学 化工学院，陕西 西安　710069)



折流板型太阳能干燥装置的性能分析

张永辉,罗建文,郑茂盛,谢超超,路丽婷

(西北大学 化工学院，陕西 西安710069)

研究由折流板型太阳能空气集热器和干燥箱组成的太阳能干燥装置的集热效果和最佳连接方式。结果表明,在西安夏季晴天时,集热器出口最高温度和平均温度分别为82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分别达到76.18%和71.32%。提出了评价集热器与干燥器连接效能的方法,并通过对4组试验情况的对比,得到当干燥装置采用机械对流时,集热器与干燥箱的最佳连接方式是机械对流循环且气体上进下出。

太阳能;折流板集热器;效率;连接

在石油、煤炭等化石燃料日趋枯竭的情况下,太阳能已成为人类能源的重要组成部分,被公认为未来社会的能源支柱,有着广阔的发展前景[1]。中国地处亚热带与北温带地区,在世界范围内属太阳能资源最丰富的国家之一,年日照量在2 000h以上的区域约为国土面积的2/3[2]。据统计资料分析,中国陆地面积每年接受的太阳辐射总量约为每年3 340～8 400MJ/(m2·a)，中值为5 860 MJ/(m2·a)[3]。

在太阳光的自然照射下晾晒物品就是最原始的太阳能干燥技术,但易受虫鼠、灰尘污染,影响产品质量,同时干燥时间长。

设有专门干燥室的太阳能干燥装置,可避免虫鼠、灰尘的污染,同时有利于干燥温度的提升,以缩短干燥时间。与其他采用加热干燥技术相比,太阳能干燥具有许多优越性：①节省能源。常压下,20℃水的汽化潜热为2 448kJ/kg。据此估算,干燥1t农副产品就要消耗1t以上的原煤[4],若采用太阳能则能有效节约1t以上的原煤。②减少污染。太阳能是一种清洁无污染的新能源,避免了因燃烧煤炭、石油等常规能源而产生的废气排放问题,缓解环境压力。

目前，世界上许多国家都在对太阳能干燥技术进行研究和推广应用。EI-Sawi A.M.等将连续的Λ型吸热板应用于太阳能空气集热器,并与平板,V型板进行对比实验[5]。结果表明,在特定条件下集热效率可增加20%。Yadav A.S.等对雷诺数范围为3 800～1 800的太阳能空气集热器进行二维的数值模拟[6],分析了12种不同配置的等边三角形截面吸热板对集热腔内换热过程的影响。在理论分析的基础上,提出了吸热板结构的指导原则。胡建军等通过改变结构、运行参数[7],对折流板型太阳能空气集热器进行数值优化,并分析了特定尺寸集热器中腔数的最佳分割问题,结果显示折流板的设置能有效增加集热效率。在集热腔内设置特殊结构或改良吸热板表面形状可以在集热器内人为地制造湍流,从而强化换热过程,这也是提高集热效率的方式[8-9]。王云峰等研制了一种太阳能三七干燥设备[10],由V型波纹槽吸热面的空气集热器和绝热干燥箱及通风装置组成。在昆明的地理条件下,测得冬季晴天时最高温度和最高效率分别达到62.2℃和76.7%;并且比较了机械通风条件下,不同进、出风位置无循环时,干燥箱的热性能,结果表明当干燥箱顶部进风底部排风的方式时,能量损失小,更利于箱内保温和节能。

本文报道了利用自行设计的折流板型PC 阳光板太阳能空气集热器干燥装置。于2014年5月份在西安地理和气候环境下,对比研究了有无循环情况下的性能，以期找到干燥箱的最佳通风方式。结果表明,该装置集热器平均效率为74.93%,可以用于实际物料的干燥。

1　集热器及其工作原理

1.1集热器的构成

本文设计的集热器为折流板型太阳能空气集热器。主要构件包括吸热板、阳光板、保温层、壳体。考虑到壳体强度、安装便捷及经济成本等因素,确定折流板型太阳能空气集热器外壳为2100mm×1100mm×100mm的开口木箱。该集热器吸热板为波纹型吸热板,其上喷涂有黑色吸热涂层,具有耐高温,高吸收率的效果。集热腔内部安装折流板,形成蛇形通道以提高集热效率。阳光板采光面积为2m2。

根据西安地理位置以及常年光照角度,设定集热器与地面的夹角为40°,以充分吸收利用阳光。干燥室由保温材料制作,外部尺寸为1000mm×1000mm×1000mm,内部设置多层物料架,最大限度利用热能。

1 阳光板; 2 吸热板; 3 进气口; 4 折流板; 5 外壳和保温层; 6 出气口图1　太阳能空气集热器基本结构图Fig.1　Basic structure of the solar air-heating collector

1 太阳能辐射仪; 2 集热器; 3 干燥箱; 4 风机; 5 支架图2　太阳能干燥系统示意图Fig.2　Schematic diagram of the solar drier

1.2工作原理

太阳能干燥是以太阳辐射能为热源加热被干燥物料,是利用太阳能加热空气器进行干燥,或者直接晾晒物品而干燥的[12]。本文设计的太阳能干燥装置由太阳光透过阳光板、折流板、集热板吸收等构成集热器,获得热空气。热空气从出口流出在动力驱动下,被送往干燥箱。

2　试验设备和方法

2.1试验设备

试验选用设备和测试仪器如表1所示。

表1　设备和仪器

注：试验于2014年5月和6月在西安市西北大学太白校区进行。

2.2试验方法

2.2.1太阳能集热器效率试验太阳能集热器的瞬时效率ηa定义为在稳态条件下,集热器实际获得的有用功率与集热器表面接收的太阳辐射功率之比,是衡量太阳能集热器工作性能的重要指标。

集热器实际获得的有用功率计算公式为:

Q=mcfΔT。

(1)

式中: m为工质质量流量,kg/s;cf为对应于平均工质温度tm的传热工质比热容,J/(kg·℃);ΔT 为工质进出口温度差,ΔT=te-ti,ti为进口温度,te为出口温度。

集热器的瞬时效率ηa计算公式为:

ηa=Q/(AaG)。

(2)

式中: Aa为集热器采光面积,m2;G为集热器所接收到的太阳光的辐照度,W/m2。

测定集热器效率特性的试验在晴朗天气条件下进行,按照国家标准GB/T 4271-2007实施[13]。

2.2.2太阳能干燥装置的热性能试验在空气含湿量不变的情况下,提高空气温度,既能增加空气对物料水分汽化和带走水分的能力,同时还加大了物料水分的扩散速率,从而提高干燥效率[14]。为了提高干燥箱内空气温度,可对集热器与干燥箱的连接方式进行优化试验。

试验方法为:①在集热器与干燥箱间采用鼓风机的机械对流方式;②在干燥箱顶部和底部各设置一个空气进出口,当其中一个连接热空气进气管道作为进气口时,另一个作为排气口，在环境温度、太阳辐照度相近的4d内测量干燥箱及集热器的温度;③实际干燥作业时,干燥箱排出空气的湿度在湿度设定值之下时空气可循环利用。

选用4种集热器与干燥箱的连接方式进行了试验,按对流方式、干燥箱空气进出口位置及排气有无循环分别命名为:①Ⅰ型(机械对流,气体在干燥箱中由下口进上口出,简称下进上出,并循环);②Ⅱ型(机械对流,下进上出,不循环);③Ⅲ型(机械对流,上进下出,循环);④Ⅳ型(机械对流,上进下出,不循环)。在上述4种连接方式种,集热器始终保持为下进上出的通气方式。

对比试验以上几种测试情况,选择效率最高的最优连接方式。

3　结果与分析

3.1太阳能集热器效率试验

试验日期为2014年5月26日,测量时间为09∶02∶00至15∶02∶00,数据记录间隔为4min,这时集热器不与干燥箱连接,上下气口均打开。试验期间,太阳能集热器采光面的辐照度平均值为707.11W/m2,平均环境温度为26.12℃。图3是集热器出口温度te与环境温度ta之差(te-ta)随时间变化情况。从图3可以看出,大约2h后,集热器出口温度te与环境温度ta之差趋于稳定。

图3　集热器出口温度te与环境温度ta之差(te-ta)随时间变化曲线Fig.3　Variation of the difference between the outlet temperature of the collector and the ambient temperature

由公式(1)，(2)可以计算得到基于集热器采光面积的平均效率。计算时空气比热为1.37kJ/(kg·℃),流量为0.018kg/s,试验数据计算结果如表2所示。表2中温度及辐照度数据分别为1h内的平均值。

若以归一化温差Ti*为参考,则集热器的瞬时效率公式为:

ηa=ηo-UTi*。

(3)

式中:Ti*=(ti-ta)/G，ti为集热器空气进口温度,单位为℃,ta为环境温度,℃;G为集热器采光面积上总日射辐照度,W/m2。在计算以Ti*为参考的集热器瞬时效率时,将每36min数据取平均值,则基于采光面积Aa和集热器进口温度ti的瞬时效率曲线(线性拟合)如图4所示,拟和线性关系式为:

ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

(4)

图4　集热器瞬时效率与基于集热器进口温度Ti*的关系曲线Fig.4　Linear correlation between instantaneous efficiency of collector and inlet temperature of heat collector based on

3.2太阳能干燥装置的通风连接方式

测量了4种集热器与干燥箱连接方式情况下,干燥装置的温度数据,以分析集热器和干燥箱不同通风方式的优劣,期望找到该太阳能干燥装置的最佳通风方式。干燥装置运行约2h后,干燥箱内温度趋于稳定,有关分析和测试结果列入表3中。干燥箱进出口温差随时间变化曲线如图5所示。

图5　机械对流试验干燥箱进出口温差随时间变化Fig.5　Variation of the difference of temperature between inlet and outlet of the solar drier for mechanical convection test

由表3数据可以看出,试验Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的集热器与干燥箱平均温差21.81℃，14.47℃，12.54℃，10.53℃。

表3　干燥装置通风性能试验结果

可以采用集热器和干燥箱平均温差与集热器平均温度之比,作为衡量指标。它表征了干燥箱内温度与集热器内温度接近的程度,就得到了表3中第8列的数值。这个比值越小就表示二者越接近。从表3和图5可见,第4种情形,即机械对流、下进上出、有循环时的连接方式,效果最佳,而且进出口温度差别也较小,而且由于自然对流的作用,有利于温度均匀化。这与王云峰等在无循环时[10],所得到的最佳连接方式不一样。

这是由于采用这种机械对流循环方式不仅有助于推动集热器热量的转移,而且借助于气体自然对流的作用,有利于干燥箱温度的均匀化。

4　结　论

本文论述了太阳能干燥设备的基本结构和性能进行了干燥装置的性能试验得出的结论如下:

1)太阳辐照度平均值为707.11W/m2,平均环境温度为26.12℃,流量为0.018kg/s时,在西安夏季晴天时,集热器出口最高温度和平均温度分别为82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分别达到76.18%和71.32%。

2)拟合得到了基于采光面积Aa和集热器进口温度ti的瞬时效率线性关系式:ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

3)提出了评价集热器与干燥器连接效能的方法,并通过对4组试验情况的对比,得到当干燥装置采用机械对流时,集热器与干燥箱的最佳连接方式是机械对流循环，且气体上进下出。

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(编辑陈镱文)

Performance analysis for solar drying equipment with baffle-plate air collector

ZHANG Yong-hui, LUO Jian-wen, ZHENG Mao-sheng, XIE Chao-chao, LU Li-ting

(College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069，China)

A kind of solar drying device which was composed of a baffle-plate solar air collector and a drying box was employed to test the efficiency of solar collector, and the optimized connection between solar collector and drying box. It results that the averaged heat exchanger efficiency of the collector is 71.32% for the average solar irradiance of 707.11W/m2and air flow rate of 0.018kg/s in Xi′an in summer. An assessment for connecting efficiency of solar collector and drying box is proposed. It proved that the optimized mode of the connection between solar collector and drying box is upper entrance and lower exit under blowing air condition.

solar energy; baffled collector; efficiency; connection

2015-04-11

陕西省工业攻关基金资助项目(2016GY-155)

张永辉，男，山东日照人，从事能源技术与材料研究，

TK513

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-014