太陽能蒸汽熱風干燥系統的設計與研究

裴 坤 段鳳江 孔曉玲 于 鵬

（安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036）

太陽能蒸汽熱風干燥系統的設計與研究

裴 坤 段鳳江 孔曉玲 于 鵬

（安徽農業大學工學院，安徽 合肥 230036）

研制一套太陽能干燥系統，采用真空集熱管對水加熱，產生水蒸氣，并轉換成熱風，實現對農產品的干燥作業。以胡蘿卜作為樣品進行干燥機的干燥性能試驗，結果表明：當太陽輻射值達到750W/m2以上時，蒸汽可以穩定工作5～7h；干燥室內高溫工作段溫度可以穩定在55℃左右，低溫工作段溫度可以穩定在40℃左右。干燥后的胡蘿卜脫水率為82.3%～86.5%，干燥效果良好。

太陽能蒸汽；真空集熱管；干燥；胡蘿卜

干燥是農產品加工與儲藏的重要工序。目前，中國的加工企業多數采用常壓熱風干燥法。這種方法具有操作簡便，對設備、環境要求不高的特點。但是，該設備主要采用燃煤或燃油蒸汽鍋爐作為干燥介質的熱源，在當今能源價格不斷攀升的情況下，干燥作業的成本也隨之增加，另外還會造成諸多環境問題，如CO2、SO2等溫室氣體排放，空氣污染日益加重，所以開發利用新能源成為科技發展的新趨勢。

太陽能是一種清潔、廉價、永不枯竭的可再生能源。中國有著較豐富的太陽能資源，約有2/3的國土年輻射時間超過2 200h，年輻射總量超過5 000MJ/m2［1］。充分利用太陽能資源是實現節能減排，可持續發展的重要途徑。國內外報道［2－4］過多種試驗型干燥裝置，結構上有溫室型、集熱器型、集熱器與溫室結合型等；氣流方式可分為自然對流和強制對流型。中國學者［5－8］針對不同的農產品，采用不同方式進行了試驗研究。本干燥系統主要利用太陽能集熱器產生水蒸汽，經熱交換機轉化成熱風，對物料進行干燥試驗研究，為大規模工業化生產提供依據。

1 太陽能干燥系統的結構設計

圖1為太陽能干燥系統的結構。該系統主要由太陽能集熱器，帶式熱風干燥機，水處理系統，蒸汽檢測與控制系統等組成。

圖1 太陽能干燥系統Figure 1 Solar drying system

1.1 太陽能集熱器

本系統的集熱器采用兩組太陽能偏心聚光真空集熱管［9］模塊串聯安裝組成。集熱器陣列采用角鋼整體焊接而成，易于加工且堅固耐用。正南布置，依據合肥地區緯度，整個集熱器與水平地面設置成32°夾角。集熱器陣列中的每根集熱管下部安裝有聚光器，太陽光可聚焦反射到集熱管上，使得整個系統可以最大限度的完成太陽光－熱轉換。下層模塊5中的真空集熱管內的水先被加熱，產生溫度較低的蒸汽，通過管道流向上層模塊7，流經上層真空集熱管時，蒸汽被再次加熱，溫度得到提高。為避免向四周環境散熱，減少熱損失，集熱器所有管道均設有保溫層，保溫層主要原料為巖棉，外層用鋁薄和玻釬布包裹，保溫性能良好。

1.2 熱風干燥機

熱風干燥機設計成帶式，可以干燥顆粒、丸、條狀、片狀等物料［10］。參見圖1，熱交換機設置于干燥機下部，干燥機的干燥工作段由中間擋板阻隔，分為預熱段、高溫段和低溫段三部分，干燥工作段的熱交換機20均通過電磁閥11與蒸汽管道相連，機內多處安裝有溫度、濕度傳感器16，用于檢測干燥機內各段環境溫度、濕度和物料溫度，通過設定溫度傳感器溫度的上下限來控制電磁閥的開閉，達到控制進入熱交換機的蒸汽量的目的。干燥機頂部通過可調風門15與排濕風機14相連，工作過程中，通過強制對流方式進行通風排濕。機內的物料輸送帶17用食品級不銹鋼網制成［11］，工作時由無極變速電機帶動，可根據干燥物料的數量、堆放密度和物料層厚度調節帶速，以控制干燥生產率，最終優化干燥過程。干燥機內外壁之間設有保溫層，可以減少熱量損失。

1.3 水處理系統

本系統的水處理系統主要包括水的凈化裝置、補給水泵、檢測控制部分組成。參見圖1自來水先流經凈水器1，去垢后被電動水泵2抽入下層模塊5的集熱管內，當水到達預定點時，被安裝與此的水位檢測傳感器6檢測到，水泵隨即停止工作。熱風干燥機工作過程中，隨著蒸汽的使用，系統內的水逐漸減少，當減少到一定值時，水位傳感器6會發出指令，水泵再次對系統補給水到預定點后停止工作。在系統處于工作狀態時，水處理系統如此循環工作，保障系統源源不斷地產生蒸汽。

1.4 蒸汽檢測與控制系統

在系統內，蒸汽管道中安裝有溫度表10、壓力表9，可以實時的檢測蒸汽溫度及壓力，另外，由于本太陽能集熱器內產生的蒸汽具有壓力，在靠近上層模塊出口處安裝有安全閥8，當壓力達到設定值時，安全閥打開，自動泄壓，保障系統安全運行。

2 陽能干燥系統的應用試驗

2.1 材料與方法

2.1.1 試驗設備

太陽能蒸汽干燥設備：本實驗室自制；

太陽功率表：TES－1333R，臺灣泰仕公司。

2.1.2 試驗材料

新鮮胡蘿卜：市售。

2.1.3 試驗方法 將胡蘿卜洗凈，用模具刨成直徑Ф3mm左右的絲狀，瀝干表面水分，每份質量為（500±0.1）g，稱取若干份備用。

對太陽能干燥系統進行調試檢查；設定干燥機的各項參數；根據試驗的物料的特性設定干燥機高、低溫段溫度傳感器上限和下限溫度。當太陽能集熱器可提供滿足試驗要求的蒸汽時，開始連續的干燥試驗。

將每份胡蘿卜通過輸入口鋪在傳輸網帶上，每份樣品中間隔100～150mm的距離，便于收集稱重。物料厚度為10～15mm；每隔5min時間記錄一次溫度、濕度等，每隔20min收集物料進行稱重，每份樣品干燥時間為60min。

2.2 太陽能集熱器的熱性能試驗

2011年6月、7月間選取天氣條件較好的2d進行試驗，分別記錄為試驗一、試驗二。試驗一的天氣條件為：少云、8時～15時的平均氣溫為33.8℃、平均空氣相對濕度42.4%；試驗二的天氣條件為：少云、8時～15時的平均氣溫為32.3℃、平均空氣相對濕度47.5%。圖2為集熱器悶曬試驗的數據。兩次試驗太陽輻射值均在850W/m2以上，蒸汽壓力隨太陽輻射值的變化，基本呈線性增長趨勢。系統蒸汽壓力上升至0.7MPa所需時間約2h左右；與試驗二相比，試驗一條件下，太陽輻射值較穩定，且其平均值高于試驗二，蒸汽壓力上升速率較快，升至0.7MPa所需時間縮短了20min。

從試驗開始至試驗結束（8∶30～16∶30），太陽輻射平均值在950W/m2以上，10∶00～13∶00太陽輻射達到最高值區間，均在1 000W/m2以上，15∶00以后太陽輻射值開始下降，16∶30以后太陽能輻射值基本降為750W/m2以下。

圖2 蒸汽壓力/太陽輻射值隨時間變化曲線Figure 2 Curves of steam pressure and solar power at different time

2.3 胡蘿卜干燥試驗

2.3.1 干燥機的溫度 在保證胡蘿卜的品質的前提下，設定干燥機高、低溫段溫度傳感器上限分別為60℃和45℃。當溫度設置好以后，蒸汽進入到干燥機后，干燥機內的溫度變化見圖3。由圖3可知，試驗在初始時，無論低溫段和高溫段的溫度都較低，這是由于蒸汽剛進入交換機時，環境溫度較低所致，隨著時間的延長，干燥機內溫度均呈上升趨勢，約30min后基本達到設定溫度。干燥過程中，高溫段溫度均保持在55℃左右，低溫段溫度均保持在40℃左右。高溫段平均溫度與室內環境平均溫度保持20℃的溫差，最高溫差達25℃。

2.3.2 胡蘿卜干燥 在試驗一、試驗二條件下測得胡蘿卜的質量隨時間變化曲線見圖4。試驗后分別測得胡蘿卜的濕基的含水率分別為82.3%和86.5%。從圖4可以看出，兩條曲線呈一個相似的規律下降：隨著干燥時間的延長，胡蘿卜的質量呈下降趨勢，但是下降的速率不相同。與試驗二相比較，試驗一天氣條件較好，參見圖4，干燥段的溫度保持在接近上限的水平，所以試驗一的干燥時間較比試驗二要短，所以試驗二又延長了20min。

圖3 兩次試驗干燥機內溫度變化曲線Figure 3 Curves of inner temperature at different time

圖4 胡蘿卜質量和溫度隨干燥時間變化曲線Figure 4 Drying curves of carrots’weight and temperature at different time

胡蘿卜的自身溫度變化見圖4，溫度隨著干燥機內的溫度提高而提高，但其溫度的增加速率小于機內溫度增加速率。且物料的最高溫度僅達到44℃和42℃，比機內的最高溫度低17℃左右。

3 總結

（1）通過太陽能集熱器的熱性能試驗，表明當太陽輻射值達到750W/m2以上時，蒸汽可以穩定工作5～7h。

（2）干燥作業后的胡蘿卜脫水率高，品相良好，通過對胡蘿卜的干燥試驗，表明干燥系統設計合理，結構簡單，工作穩定。

（3）干燥系統與生產實際緊密結合，為工業化干燥的技術革新提供了理論依據和技術支持。通過粗略計算，在本干燥系統的技術條件下，以300m2集熱面，每年工作100～150d計算，替代燃煤蒸汽鍋爐，3～4年可以收回投入的成本。

1 張璧光.太陽能干燥系列講座（1）［J］.太陽能，2008（1）：11～13.

2 Ekechukwu O V，Norton B.Review of solar－energy drying systems II：an overview of solar drying technology［J］.Energy Conversion and Management 1999，40（6）：615～655.

3 Ramana Murthy M V.A review of new technologies，models and experimental investigations of solar driers［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13（4）：835～844.

4 李洪斌，李志民，張躍，等.農副產品太陽能干燥技術的研究和發展［J］.云南師范大學學報，2004，24（1）：37～40.

5 張東峰.太陽能枸杞干燥裝置的研究［J］.農機化研究，2008（1）：95～97.

6 李汴生，申曉曦，劉偉濤，等.小型全天候太陽能干燥機的設計及應用 ［J］.農業工程學報，2011，27（5）：336～341.

7 付立思，孫國凱，王濱，等.熱能輔助型太陽能箱式干燥器的設計與試驗［J］.農業機械學報，2005，36（8）：157～158.

8 范婷婷，汪政富，胡小松，等.無核白葡萄太陽能干燥設施試驗研究［J］.農機化研究，2009（11）：175～177.

9 趙敏暉，張志中.太陽能偏心聚光真空集熱管：中國，201020674070.2［P］.2011－07－20.

10 朱文學.食品干燥原理與技術［M］.北京：科學出版社，2009：5～9.

11 張海紅，阮競蘭.食品機械的腐蝕與防腐設計［J］.包裝與食品機械，2006，24（2）：21～23.

Design and research on solar steamy hot－air drying system

PEI Kun DUAN Feng－jiang KONG Xiao－lingYU Peng

（College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei，Anhui230036，China）

Designed and developed a set of solar drying systems，use the vacuum tube collector to heat water，the system can produce steam，and then converted it into hot air，realize the drying of agricultural products.The experiments of drying carrots were carried out to test the drying system’s performance.The results show that when solar power reaches above 750W/m2，the steam can stable work for 5～7hours；The temperature of the dryer’s high temperature section can be stabilized at around 55℃，and the temperature of the low can be stabilized at around 40℃.The dehydration rate of dried carrots is between 82.3% ～86.5% ，drying effect is good.

solar steam；vacuum tube collector；drying；carrots

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.028

裴坤（1983－），男，安徽農業大學在讀碩士研究生。E－mail：peikun1983＠126.com

孔曉玲

2011－11－01