太阳能空气干燥装置的发展现状

贾斌广，陈茹，王达

（1.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250200；2.山东省科学院生态研究所，山东济南 250101）

干燥一般是指除去湿物料中挥发性湿分（大多情况下是水），从而获得具有一定湿含量的固体产品，便于包装、加工、贮藏、运输和使用的过程[1-2]。作为一种古老的工艺过程，干燥目前仍广泛应用于各种生产领域，如农业、林业、化工、矿业、建筑、食品、造纸、制革和纺织等生产过程[3]。然而干燥加工属于高能耗的加工过程[4]。相关资料显示，英国、美国的干燥能耗约占制造业总能耗的11.6%与12%，而在我国，一般干燥过程的能源消耗约占整个加工过程总能耗的10%[5]。此外，在一些特定的行业中，干燥能耗更是占据了加工总能耗的主要部分，如干燥消耗的能量占木材产品加工过程中消耗总能量的70%，占玉米与棉花生产所需总能量的60%以上，占纺织品制造业总能耗的50%以上[6]。目前，常用的干燥设备以空气对流式为主，并以化石燃料、生物能量或者电力作为主要的能量来源[7]。随着国家对节能环保与低碳发展的重视，根据国家制定的能源发展战略行动计划（2014—2020年）的要求，要严格控制能源消费总量过快增长[8]。因此，干燥行业必须走节约能源和开发利用新能源的可持续发展道路，实施高效与绿色干燥的发展道路[9]。

太阳能是一种储量丰富，分布广泛的可再生能源[10]。每年辐射到地球表面的太阳辐射总量为50×1018KJ，约等于目前全世界能量消费的1.3 万倍。因此发展太阳能是节约能源的有效途径之一。近年来，人们开发了许多太阳能干燥机，利用太阳能干燥各种产品，并且已经报道了大量关于农产品太阳能干燥的研究[11-12]。太阳能空气集热器（SAH）是一种热交换装置，可将太阳辐射吸收转化为热能，并通过空气与集热板的对流换热将其转移到工作流体中。其具有结构简单、造价低廉、易于维护、接收太阳辐射面积大等诸多优点[13-14]。

1 太阳能空气干燥装置的历史与研究现状

1.1 太阳能空气干燥装置的发展历史

太阳能作为农产品的干燥能源有悠久的历史，直到现在，露天晾晒仍然是一些地区进行农产品干燥的主要形式[15-16]。但露天晾晒的方式对太阳能的利用效率较低，需要大面积的区域；同时还会由于灰尘、昆虫、鸟类、真菌等对农产品产生污染[17]。因此采用空气集热式太阳能干燥装置进行农产品干燥是十分必要的。

早在1877 年，人们已经开始利用涂黑后的金属来吸收太阳辐射，从而达到对太阳能的有效利用[18]。然而直到20 世纪70 年代，由于节能环保意识的不足与对化石燃料过量开发，太阳能干燥并未取得较大发展。随着化石燃料过度开采所带来的一系列问题，世界兴起了开发利用太阳能的热潮，其中太阳能干燥的应用前景已得到了普遍重视[19]。

1.2 太阳能空气干燥装置的研究现状

1.2.1 国外研究现状

目前对太阳能干燥的研究工作主要集中在欧美发达国家，美国、英国与澳大利亚等均已在太阳能干燥装置的利用上形成了一定的规模[20-21]。在热带和亚热带国家，如南非、津巴布韦、菲律宾、泰国、印度、孟加拉国等，对太阳能干燥的应用更为普遍[21-22]。其主要原因有：（1）在大部分的发展中国家，农业产品占国民收入的大部分，提升农产品的附加值是发展经济的迫切需求；（2）在热带和亚热带国家，太阳辐射受季节变化的影响较小，太阳能干燥装置可以全年运行；（3）太阳能空气集热干燥装置结构简单、价格低廉、维护方便，适宜在发展中国家推广使用[23]。在泰国，早在20 世纪80 年代就开始利用太阳能空气集热装置来干燥谷物、胡椒、辣椒、咖啡豆等农作物[24]。在马来西亚，太阳能空气集热装置被广泛用于农产品的干燥加工中，以取代传统的化石燃料干燥方式。经过马来西亚农业研究开发所、马来西亚标准和工业研究所与马来西亚森林研究所等的共同研究，采用太阳能空气集热干燥装置可节省30%的燃料费用[25-26]。

1.2.2 国内研究现状

我国太阳能干燥装置的研究起步较晚，20 世纪80年代以前，我国只有4 座用于干燥红枣、黄花菜、棉花的太阳能干燥装置，总采光面积仅有183 m2[27]。进入21 世纪以来，我国的太阳能干燥技术得到较快发展。据统计，截止2019 年，全国建成太阳能干燥装置200 多座，总采光面积近20 000 m2[28]。表1（见下页）汇总了近几年国内外学者对太阳能空气集热干燥装置的研究。

2 太阳能空气集热器干燥装置的优化改进

图1（见下页）为传统的太阳能空气干燥装置，主要由太阳能空气集热器与干燥箱组成。在运行过程中，通过太阳能空气集热器加热外界空气，并将热空气送入干燥箱内对农产品进行干燥[41]。从图2 太阳能空气集热器热网络图可以看出，太阳能空气集热器是太阳能空气干燥装置的核心部件。然而，根据Duffie 等[42]对太阳能空气集热器内的传热公式：Nu=0.023Re0.8Pr0.4，可以得到太阳能空气集热器的集热效率偏低。同时在利用太阳能进行干燥时，由于被加热的热空气还会因为漏气、围护散热等方式导致热量损失，因此太阳能干燥的综合效率更低。

表1 国内外学者对太阳能空气集热干燥装置的研究Table 1 Research on solar air heating drying device schdars at home and abroad

图1 太阳能空气集热干燥装置Fig.1 Solar air dryer

图2 太阳能空气集热器热网络图Fig.2 Thermal network diagram of solar air heater

表2 是一些学者对太阳能空气干燥装置运行效率的情况的汇总。通过表2 中的研究数据可以得到，传统的太阳能空气集热效率在40%以下，干燥综合效率更低。因此对太阳能空气集热器进行优化分析，对其流道、间隙、流量等参数进行优化，提高换热系数，同时采用新技术提高干燥速率、应用范围等，对提高太阳能空气干燥装置的经济效益，减少干燥时间有着至关重要的作用。

2.1 对太阳能空气干燥装置送风方式的研究

Zhai 等[51]通过对太阳能空气集热器的理论与实验分析，得到相对于自然通风，采用机械通风的方式可以获得最佳的空气加热效果。Satish 等[52]以真空管太阳能空气干燥装置为研究对象，以椰子为例，研究在印度气象条件下最佳的太阳能干燥的送风形式。结果发现，强制对流太阳能干燥器不仅显著地缩短了干燥时间，而且提升了干燥产品的质量。经过Southampton 等[53]对太阳能空气干燥装置的自然对流和强制对流运行模式的计算流体力学分析。结果表明，当质量流量为0.025 kg/s 时，最高温度为71 ℃。分析还表明，强制对流模式下的温度比自然对流模式高出41%。刘伟涛[54]以带有V 型太阳能空气集热器的干燥装置为研究对象，对广式凉果的自然对流与强迫对流的干燥效果进行了分析。结果表明，自然对流干燥时间需14 h，强制对流干燥需12 h。同时，相对于自然对流干燥，强制对流干燥相对稳定，因此不需要翻动物料来保证干燥的均匀性。

表2 太阳能空气干燥装置的集热效率与综合效率Table 2 Collection efficiency and comprehensive efficiency of solar air dryer

2.2 对太阳能干燥装置强化传热的研究

图3 带有V 型吸热板的太阳能空气干燥装置Fig.3 Solar air dryer with V-shaped heat absorbing plate

图4 折流板型太阳能空气集热器Fig.4 Baffled plate solar air heater

使用V 型结构改变集热板的形状，一方面可以增加太阳能集热板的吸热面积，同时也可以增强空气在流动过程中的湍流程度[55]。在此基础上，叶明同[56]设计开发了带有V 型吸热板的太阳能空气干燥装置（图3）。以老挝热带地区为基础环境条件对香蕉的干燥特性进行了实验研究，通过实验可以使香蕉片在4 d 内干基含水率由1.55 下降到0.34。班婷等[57]设计了一种双风道太阳能空气集热器，并对其热性能进行了分析。结果表明，当上下通道空间比为2:1 时，闷晒温度可达87.6 ℃；当空气为0.06 kg/s 时，集热器平均效率可达84.53%。之后，其又对双风道太阳能空气集热器在干燥中的应用进行了分析。以蒜片为例得到了其干燥时间需要5～7 d[58]。

Romdhane[46]在2007 年提出了一种折流板型太阳能空气集热器，其通过在太阳能空气集热器内部增加折流板，使空气呈蛇形流动，以提高太阳能空气集热器的集热效率（图4）。之后，开始有很多学者对此种形式的太阳能空气集热器进行了分析，并将其进行实际应用。如肉孜·阿木提等[59]、李晓琳[60]、胡建军等[61]分别对此种集热器的流动形式、盖板类型与流道结构进行了分析，得到了最佳的流动方式为双风道、采用PC（聚碳酸酯）透明盖板、扰流板数量为5。李峰与肉孜·阿木提等[20,62]建立了一体化的折流板太阳能空气干燥装置，选取杏进行干燥试验。得到了干燥过程的平均效率为42.8%，干燥时间为79 h，与传统的干燥方式相比干燥时间缩短52%，且优等品率达85%。干燥杏的最佳参数为温度65 ℃，风速10.5 m/s。GuLcimen 等[63]对折流板型太阳能空气集热器做了进一步的改进，其在蛇形流道内部添加金属翅片以增强对太阳能的利用效率见图5（下页）。通过对甜罗勒的干燥实验研究，得到干燥时间受送风量的影响，当空气流量在0.012～0.029 kg/s 的范围内，干燥时间420～600 min，运行效率在29%～63%。罗建文等[64]对蛇形通路平板太阳能空气集热干燥装置的性能进行了分析，结果表明，该装置控制系统稳定性好，在设定干燥箱温度值为60 ℃情况下，2 h 内其集热效率可达到74.32%。之后，张永辉等[65]在原有的研究基础上又对折流板型太阳能干燥装置的集热效果和最佳连接方式进行了研究分析，得到当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时效率最高，可达到70%以上。

Fudholi 等[66]提出了逆流型双通道金属丝网填充式太阳能空气集热器，并用于柠檬的干燥实验研究，得到了空气流量对干燥装置效率影响十分明显，当空气流量从0.006 125 m3/s 增加到0.017 34 m3/s 时，集热器的热效率提高了约20%。同时还得到了柠檬在太阳能热风干燥下的最佳模型。肉孜·阿木提等[67]设计了一种双风道渗透型太阳能空气集热器，并将其应用于山药下角料的干燥。当干燥室内的热空气流量为1.05 m3/min 时，干燥时间约为11 h，可以使干燥速率提高2.5 倍左右。

2.3 蓄热型太阳能空气干燥装置的研究

图6 砾石蓄热的太阳能空气干燥装置Fig.6 Solar air drying device for gravel heat storage

图7 空气-水复合太阳能干燥装置Fig.7 Air-water composite solar dryer

由于太阳能存在不稳定、受气候变化影响大的缺点，同时由于空气的比热容与密度都相对较小，更放大了这个缺点[67]。因此诸多学者开始在太阳能空气干燥装置上附加蓄热装置已实现太阳能热风的稳定输出[68]。

Mohanraj 等[69]研制了一种带有砾石蓄热的太阳能空气干燥装置（图6）。当空气流量为0.25 kg/s，可以使辣椒在24 h 内将水分从72.8%最终降至9.1%，其单位能耗除湿量（SMER）约0.87 kg/(kW·h)。然而由于采用了蓄热装置，其集热效率有所降低约为21%。Chauhan 等[70]研究了带有岩床蓄热器的太阳能空气干燥装置，其中岩床由多个彼此堆叠的薄层颗粒组成。通过对中芫荽的干燥实验，得到了当空气流量为250 kg/hm2时，在31 日照小时可以将其水分从28.2%降低到11.4%。NATARAJAN 等[71]对以铝片、砂层、岩层为蓄热材料的太阳能隧道干燥机进行了实验分析。结果表明，与开放式太阳干燥相比，采用带蓄热材料的太阳能隧道干燥机，能有效降低水分去除率和干燥时间。太阳能隧道干燥机蓄热材料的平均热效率提高了2%～3%。在蓄热材料中，砂的蓄热效率较高，平均热效率为19.6%。Tiwari 等[72]提出了一种空气-水复合太阳能集热器（图7）。其结构为太阳能空气集热器下层附有一个水槽，可以在加热空气的同时，通过水槽进行蓄热。当干燥系统不工作时，该系统可以用来提供热水。在阳光明媚的时候，热水器在系统中起着储存材料的作用。之后，Zhang 等[73]对空气-水复合太阳能集热器的热性能进行了深入分析，并对（A）单独空气加热、（B）单独加热水、（C）空气-水复合加热这三种工作方式进行了分析。结果表明，A、B 两种模式下的平均集热效率可达51.3%，模式C 的总集热效率可以达到73.4%。此外，Hao 等[43]也对空气-水复合太阳能干燥装置（FSDF）进行了研究，对其经济性进行了分析，结果发现，当采用空气-水复合太阳能干燥装置时，其年成本和现值分别比电干燥低1.09%和1.086%，比热泵低142.9%和142.9%，比煤低13.69%和14.46%。因此与不同干燥系统相比，FSDF 具有较好的经济性和较好的应用价值。

图8 蓄热型太阳能空气干燥装置Fig.8 Solar air dryer with heat storage

图9 相变蓄热型太阳能空气干燥装置Fig.9 Phase change heat storage solar air dryer

Komilov 等[74]开发了由空气加热器和蓄热器组成的太阳能干燥器（图8）。与空气和晾晒干燥相比，其将干燥过程缩短了4～5 倍，并且成品具有高质量。由于太阳能的积累和干燥剂的循环，与单相装置相比，装置的生产率和效率提高了1.5～2 倍。Esakkimuthu 等[75]以HS58 为例，探究利用无机盐相变蓄热材料在太阳能空气干燥过程中储热的可行性。结果表明，考虑的储罐配置和PCM球尺寸，200 kg/h 的空气流量能够提供较为均匀的热传递速率。El-Khadraoui 等[76]设计了一种采用相变材料的间接式主动式太阳能干燥机（图9），它由太阳能空气板和太阳能蓄能器（具有相变材料腔的太阳能空气收集器）组成。通过实验表明：夜间使用太阳能蓄能器，干燥室温度上升了4～16 ℃。蓄热式太阳能空气干燥装置的火用效率和能效分别为8.5%和33.9%。

冯小江等[77]为了解决太阳能间歇性和不稳定性等问题，研制了一种移动式相变储热木材太阳能干燥装置，并对其进行理论计算。该装置采用石蜡相变蓄热管来储存太阳能热风的部分能量。结果发现，当干燥0.03m3木材时，所需要的集热面积、蓄热管数量分别为1.69m2、248 根。

3 结论与展望

太阳能干燥是太阳能光热利用的重要方向之一，也是取代化石燃料和露天太阳干燥的最佳方法。本文综述了太阳能空气集干燥装置的发展现状，并对其发展前景与不足进行了总结，分析得出：

（1）目前常见的农产品干燥温度与太阳能中低温光热形成互补。根据目前对太阳能空气干燥的研究，使用太阳能干燥的方式能有效缩短干燥周期、提高产品质量等。同时由于太阳能干燥初投资与运行成本都较低，且操作简单。因此用于偏远与欠发达地区的农产品初加工，对促进农业经济发展有着极为重要的作用。

（2）干燥装置内的空气流动形式对被干燥物料的热质传递起着至关重要的作用。相比受限于温度梯度的自然对流的送风方式，利用风机进行强迫对流进行物料的干燥更有利于快速的对物料进行干燥处理。然而，由于风机需要高品位的电能驱动，因此在考虑送风速度时需要从热质传递与经济性两方面综合考虑。

（3）受限于空气的物理性质，传统的太阳能空气集热器的集热效率相对较低，其效率一般在40%以下。因此，改进太阳能空气集热器的集热板、流动形式及流道结构，对提高太阳能的利用率，减少太阳能空气干燥装置的占地面积，提升太阳能干燥的经济效率有着极为重要的作用。总体来说，通过对太阳能空气集热器结构的优化可以有效提高集热效率10%～40%。然而目前对太阳能空气集热器的结构改进众多，且太阳能的工作情况受辐射强度、环境风速、送风量等因素影响巨大，因此无法单纯通过对比效率分析最优的集热器结构。

（4）由于太阳能是间歇性低密度能源，因此，太阳能空气干燥装置在进行大规模产业化时必然会遭遇占地面积大、热风输出不稳定的问题。故而，还需加强太阳能蓄热装置的研发，以克服太阳能间歇性的缺点。然而，增加蓄热结构会降低集热装置白天对太阳能的吸收量，因此蓄热装置的设计还需要根据被干燥物料的干燥特性来设置。此外，采用太阳能多能源互补的干燥形式，如太阳能-热泵、太阳能-生物质能等，可以克服太阳能能源密度低的缺点，也是今后太阳能干燥发展的重点方向。