小型移動式太陽能干燥裝置的研制

■ 伊松林 馮小江 譚輝 張璧光

(1.北京林業大學材料學院；2.北新集團建材股份有限公司；3.西雙版納州綜合技術檢測中心)

一 引言

干燥作業涉及國民經濟的廣泛領域，是大批工、農業產品不可或缺的基本生產環節。干燥作業能耗高，據不完全統計，全球20%～25%的能源用于工業化的熱力干燥。干燥也是我國的耗能大戶之一，所用能源占國民經濟總能耗的12%左右。另外，干燥過程造成的污染也常常是我國環境污染的重要來源。因此實現干燥技術的節能與環保十分重要。

與采用常規能源的干燥裝置相比，太陽能干燥具有節能、減少對環境的污染、運行費用低和操作簡單等優點。今后我國在太陽能干燥技術的應用方面也會有一定的發展，特別是一些小型、簡易的太陽能干燥室，在太陽日照條件好，而經濟又欠發達的偏遠地區，有較好的應用前景。針對這種情況，筆者近年來研制了一套小型可移動式太陽能干燥裝置。

二 太陽能干燥裝置的設計

1 干燥參數選取與裝置工作說明

本設計以木材為干燥對象，也可干燥其他物料。綜合考慮箱式太陽能干燥裝置的外型尺寸以及它的移動性，將干燥裝置干燥的實材體積設計為0.03m3。通過理論計算得到干燥箱每小時所需要的熱量為199.4kJ，儲熱裝置需要的儲熱量為3402kJ，干燥箱每小時需要的循環空氣為259.2 m2，風機全壓為390 Pa (詳見參考文獻5)。

如圖1所示為干燥裝置的總成照片，其干燥箱本體兩側以及儲熱裝置的兩側分別開有循環風口，通過有保溫的管道與集熱器的兩端連接，在集熱器及儲熱箱的出口端各安裝有一個離心風機。由于箱式干燥裝置的體積相對溫室型干燥設施小，排濕問題容易解決，干燥箱的頂部有旋扣式排濕口。

集熱器出風口處、干燥箱本體和儲熱箱的進風口處各安裝有一個風閥，可以控制進入干燥箱和儲熱箱通道的開關，從而保證干燥箱中各階段的溫度均勻，且易于控制。白天，當干燥箱中的溫度低于設定的干燥溫度時，可以打開集熱器到干燥箱的風閥，并關閉集熱器到儲熱箱的風閥，集熱器給干燥箱供熱；當干燥箱中的溫度高于設定的干燥溫度時，可以關閉集熱器到干燥箱的風閥，同時打開集熱器到儲熱箱的風閥，將多余的熱量儲存在儲熱箱中。晚上，由于沒有陽光，集熱器停止工作，關閉集熱器出風口處的風閥，以防止由于管路原因造成熱量散失，并保持干燥箱和儲熱箱之間的循環通道打開，此時由儲熱箱給干燥箱供熱。當遇到連續陰雨天氣，集熱器和儲熱箱都不能給干燥箱供給熱量的時候，就可以啟動干燥箱內的輔助電加熱器，以保障干燥過程的正常連續進行。

2 太陽能干燥裝置組成設備與參數

太陽能干燥裝置由具有輔助電加熱器的干燥箱本體、移動機構以及集熱、儲熱、控制等系統組成。干燥裝置的各部分為：

(1)干燥箱本體：包括放置待干物料的干燥箱和促使干燥箱內空氣流動的內部循環風機。此外，為了保證干燥裝置能夠在持續陰雨天氣和冬天都能連續正常工作，在干燥箱底部加裝了兩組功率分別為900W的電加熱器，既可單獨工作，也可同時工作。

(2)集熱系統：包括收集太陽能的熱管式真空太陽能空氣集熱管、將收集的太陽能轉化成可利用熱能的集熱箱、促使空氣流動的離心風機以及控制集熱系統工作的風閥。為了增強換熱，在集熱管的冷端加裝了螺旋翅片。裝置中采用YDKR-58-1500型熱管真空集熱管13根，呈“V”字形排列，此種排列方式，不僅結構緊湊、接收太陽能充分，而且可使集熱箱內換熱效果更好。在集熱管的下面還加裝了折光板，用于反射太陽光，使集熱管最大限度吸收太陽能。

(3)儲熱系統：包括促使空氣流動的離心風機、控制儲熱系統工作的風閥、儲存集熱系統輸送的熱量的儲熱箱。儲熱箱內部放置有外殼為鋁管的儲熱管束，儲熱管束通過支架呈叉排方式排列在儲熱箱內，儲熱管內裝有石蠟相變儲熱材料，用于將熱能轉變成相變潛熱存儲。

(4)控制系統：兼有手動、自動及數據采集功能，通過分別安裝在集熱箱、干燥箱和儲熱箱中的溫度傳感器測定的溫度，調控安裝在集熱系統、干燥系統和儲熱系統管道上的閥門和離心風機開啟或關閉。可自動實施無動作、儲熱、集熱器供熱、儲熱系統供熱、輔助加熱器供熱五種工作模式。

此外，在干燥裝置底座的前部，裝有移動整個裝置的杠桿機構，通過拉動或轉動干燥裝置，可實現整個干燥裝置的移動，以便最大限度接收和轉化太陽能。此種可移動式太陽能干燥裝置各部分的參數見表1。

表1 小型可移動式太陽能干燥裝置主要設備參數

三 太陽能干燥裝置的性能

1 太陽能集熱器

整個干燥裝置集熱器的平均功率為0.572kW，單根熱管真空集熱管的平均功率達到45W左右，完全能夠滿足當初的設計需求；集熱器的平均供風溫度為60.1℃，最高可達65℃；集熱器的瞬時熱效率為56%左右，高于普通的平板式集熱器；由于該裝置體積小、保溫效果好、熱損失小，故太陽能系統向干燥箱的供熱效率較高，可達到70%以上。

2 石蠟相變儲熱系統

石蠟相變材料的相變區間為48℃～54℃，儲熱系統的儲能效率為58.8%～74.4%，平均儲能效率大于66%，儲熱密度為54.5MJ/m3。

試驗證明，隨著石蠟管排數的增加，石蠟系統的換熱增強，但大于15排以后就可以忽略管排數的影響。

3 干燥木材的測試

使用此干燥裝置干燥35mm厚的杉木板材，從含水率72.7%降至13.5%耗時99小時，相比于大氣干燥，太陽能干燥時間縮短了111小時，干燥速率提高了1.12倍。針對木材干燥質量的檢測表明：93.3%達到了終含水率標準，并且干燥均勻度很好，各測點最終含水率與平均最終含水率的偏差范圍為?0.94%～1.98%。

此裝置在晴朗天氣的白天采用太陽能輻射供熱，晚上則使用儲熱系統白天儲存的熱量供熱，輔助電加熱只在惡劣天氣下啟用，平時幾乎不啟用，因此整個干燥裝置的能耗較低。在不使用輔助電加熱的情況下，與蒸汽干燥相比，其節能率為71.2%，節能效果明顯。

四 結語

總體來看，這種小型可移動式太陽能干燥裝置熱效率高，由于采用了石蠟儲熱系統，減少了氣候變化對太陽能干燥過程的影響，比大氣中干燥速度快1倍以上，比常規干燥明顯節能，節能率在70%以上。而且木材干燥均勻性好，無明顯干燥缺陷。

由于這種裝置體積小、可移動，適于在農村各家輪流使用，初步的試材雖然是木材，其實它更適于干燥人參、木耳、珍貴山野菜與山果等，筆者計劃將進一步的試驗轉向這些農林副產品。今后還準備探索干燥物料量與集熱器面積的優化配比、相變儲熱材料用量與物料干燥量配比關系，以及優化選擇不同的相變材料方面做進一步的研究。

總之， 太陽能是清潔、價廉的可再生能源，太陽能干燥是太陽能熱利用中的重要部分，太陽能干燥的物料品質好、節能效果明顯，對環境沒有污染，今后應該有相應的政策鼓勵開發各種太陽能干燥裝置。

[1]劉登瀛,曹崇文.探索我國干燥技術的新型發展道路[J].通用機械, 2006, 7: 16－18.

[2]張璧光, 劉志軍, 謝擁群.太陽能干燥技術[M].化學工業出版社, 2007, 3－13.

[3]馮小江, 變儲熱太陽能木材干燥裝置設計及性能研究[D].2010, 6.

[4]馮小江, 伊松林等.太陽能相變儲熱系統對木材干燥速率的影響[J].華北電力大學學報, 2010, 37 (3): 131－135.

[5]馮小江, 伊松林等.移動式相變儲熱木材太陽能干燥裝置的理論設計[J].干燥技術與設備, 2010, 8 (1): 9－15.