太陽能輔助熱源密集烤房集熱器最佳上下通道空間比的實驗研究

沈燕金，許 龍，馮坤，周煉川，唐國俊，汪秋霖，李潤濤，王剛

(1.云南省煙草公司文山州公司，云南文山663000;2.文山州煙草公司丘北縣分公司，云南丘北663200;

3.英美煙草遠東煙葉有限公司，云南昆明650011)

目前，我國已是世界上烤煙生產量最大的國家，但是，我國目前的烤煙方式主要還是依賴傳統的燒煤烘烤，以消耗大量的不可再生能源為條件。我國現在大約有250萬座烤房，每年的烤煙季將會燃燒超過1 000萬t煤炭，產生超過3 000萬t溫室氣體［1］。隨著全球性的能源危機、溫室效應加劇以及煤炭等能源價格的不斷攀升，可再生的、經濟的能源正越來越引起人們的關注，而太陽能是最清潔的、能量巨大的可再生能源，到達地球表面的太陽輻射高達8.5×1010kW［2］。太陽能輔助熱源密集烤房是在普通密集烤房的基礎上加裝平板型空氣集熱器后改建而成，平板型空氣集熱器將太陽能直接轉化為空氣熱能，通過溫差自動控制系統將產生的熱量通往密集烤房的加熱室，這部分能量通入烤房后可以大量減少煤炭的使用，起到節能減排的作用。平板型空氣集熱器是太陽能輔助熱源密集烤房的核心部分，如何提高集熱器在太陽能輔助熱源密集烤房中的利用效率是亟待解決的問題。國內中國科學技術大學的陳則韶等通過理論和實驗相結合得出了最佳的玻璃板與吸熱板的間距［3］;張彥峰等通過理論分析得出了不同傾角集熱器的玻璃板與吸熱板最佳間距［4］;國外的Hollands K GT等通過封閉空間的自然對流原理計算出熱損最小時的玻璃板與吸熱板的間距［5］。

筆者從集熱器上下通道空間比(玻璃蓋板與吸熱板的間距和吸熱板與集熱器底板間距的比值)的角度入手，做了7組對比實驗篩選出最佳的上下通道空間比，以使集熱器的效率達到最高。

1 太陽能輔助熱源密集烤房的工作原理

太陽能輔助熱源密集烤房是利用太陽能作為輔助熱源，煤炭作為主要能源進行煙葉烘烤的專用設備，由太陽能輔助熱源設備和普通密集烤房構成［6］。基本特征是在普通密集烤房的基礎上加裝平板型空氣集熱器后改建而成，平板型空氣集熱器將太陽能直接轉化為空氣熱能，通過溫差自動控制系統將產生的熱量通往密集烤房的加熱室，然后與火爐燒煤產生的熱量一并通入裝煙室對煙葉進行烘烤，同時集熱器的進風口管道直接與裝煙室相連，使熱風得以循環利用。太陽能輔助熱源密集烤房構造如圖1所示，其中平板型空氣集熱器主要由玻璃蓋板、吸熱板、集熱器框架和底板以及保溫材料等組成。溫差控制系統通過安裝在平板空氣集熱器內和裝煙室內的2個溫度探頭判斷比較集熱器內和裝煙室內溫差的大小來控制風機、電動風閥的開啟和關閉。當集熱器內的溫度比裝煙室內的溫度高15℃時，送風管和回風管里的2個電動風閥開啟，同時送風管內的風機開啟;當溫差下降到小于8℃時，2個自動控制風閥關閉、風機停止工作。

2 理論分析

平板型空氣集熱器的熱損主要是由于集熱板溫度高于透明蓋板溫度而產生的自然對流熱損失引起的，集熱器玻璃板與吸熱板的間距大小必定對自然對流造成影響。熱損越小，集熱器的效率就越高，找到合適的集熱器玻璃板與吸熱板的間距就會使自然對流引起的熱損最小，集熱器的效率也就越高。

平板型空氣集熱器的吸熱板與透明蓋板之間的對流換熱是封閉空間中的自然對流換熱，其熱流密度qc可表示為:

圖1 太陽能輔助熱源密集烤房結構示意

式中，h為對流換熱系數，Δt為吸熱板與透明蓋板的溫差，K為空氣在夾層空間平均溫度下的導熱系數，L為空氣夾層的間距，Nu為怒謝爾特數。對于自然對流換熱，Nu是雷利數Ra的函數，即:

式中，g為當地重力加速度，β為體積膨脹系數，v為運動粘度，a為導溫系數。

由式(1)可知，qc與 L、Nu、Δt等有關，且它總是隨著 Δt的增大而增大，L對qc的影響比較復雜:一方面，L增大會直接使qc減小;另一方面，由式(2)可知，L增大時，Ra隨L3增大，而Nu總是隨著Ra的增大而增大，因此，L的增大又通過Nu間接地使qc增大。這2種影響何者占主導地位，對于不同的工作狀態，也即對于不同的Ra情況不一［7］，同時還要考慮到吸熱板與集熱器底板的距離以及玻璃蓋板和吸熱板的間距和吸熱板與集熱器底板間距的比值也會對熱損有一定的影響［8］。鑒于此，需要通過不同的上下通道空間比(玻璃蓋板與吸熱板的間距和吸熱板與集熱器底板間距的比值)實驗驗證得出結論。

3 實驗驗證

3.1 實驗設備 太陽能輔助熱源密集烤房(江蘇現代農業科技公司)7座，定制的集熱器(昆明滇威太陽能集團有限公司)7個。

3.2 實驗方法

3.2.1 實驗處理。實驗設以下7個處理，第1組:吸熱板距透明蓋板10 cm，上下通道空間比1∶4;第2組:吸熱板距透明蓋板15 cm，上下通道空間比3∶7;第3組:吸熱板距透明蓋板20 cm，上下通道空間比2∶3;第4組:吸熱板距透明蓋板25 cm，上下通道空間比1∶1;第5組:吸熱板距透明蓋板30 cm，上下通道空間比3∶2;第6組:吸熱板距透明蓋板35 cm，上下通道空間比7∶3;第7組:吸熱板距透明蓋板40 cm，上下通道空間比4∶1。在2015年7月26日(天氣晴朗)對烤房裝煙室進行集熱器熱性能空載實驗。烤房規格全部相同，集熱器所用的玻璃板和吸熱板全部為同一材料。

3.2.2 觀察記載項目。從11:00～16:00，每1 h記錄一次裝煙室溫度、環境溫度、集熱器進口溫度、集熱器出口溫度、集熱器出口風速、太陽輻射強度。

表1 7組集熱器效率統計

續表1

3.3 實驗結果 表1列出了7種集熱器的性能。由表1可以看出，在太陽能輻射相同的條件下第4組集熱器的平均溫升最高，平均瞬時效率也是最高，第4組平均瞬時效率達到42.2%，比最低的第1組高出2.6%，說明上下通道空間比對集熱器的效率有較明顯的影響。為了進一步明確每個采樣時刻上下通道空間比對集熱器的效率，圖2分別繪出了11:00、12:00、13:00、14:00、15:00、16:00 時刻不同實驗分組集熱器的效率變化曲線。

圖2 不同時刻不同實驗分組集熱器的效率變化曲線

從圖2中可以看出，6條曲線的走勢基本一致，曲線類似于拋物線，有一個最高點，每個取樣時刻都是第4組集熱器的效率最高。因此可以進一步得出結論，上下通道空間比對集熱器的瞬時效率有直接影響，平均瞬時效率最高的集熱器，必定每個時刻的瞬時效率也是最高，當吸熱板距透明蓋板25 cm，上下通道空間比1∶1時，集熱器效率的瞬時效率和平均瞬時效率最高。增加吸熱板距透明蓋板的距離可以增加集熱器效率，這是由于上通道頂部是透明蓋板，流經上通道的空氣與吸熱板進行熱交換的同時，也接受了太陽光的輻射，與下通道相比接受了更多的能量，但是增加到一定程度后，集熱器效率卻開始降低，這可能與公式(1)有關，在L值增加到一定值之前，L越大，對流換熱越小，熱損越小，當L升到一定值之后，再增大對流換熱開始增大，熱損變大。

3.4 用煤量對比 用這7座烤房進行煙葉烘烤實驗，裝煙量都為420桿，同一天開始烘烤，即2015年7月27日開烤，8月5日結束。圖3繪出了7座烤房用煤量的對比圖。從圖3中可以看出，第4組烤房的用煤量最少，比用煤量最多的大概少27 kg。結合圖2和圖3會發現，集熱器的效率越高，一個烤煙周期用煤量越少;效率越低，一個烤煙周期的用煤量越大，因此在集熱器的安裝中，一定要保證集熱器的效率最高。當吸熱板距透明蓋板25 cm，上下通道空間比1∶1時，一個烤煙周期的用煤量最小。

圖3 不同實驗分組烤房用煤量對比

4 結論

實驗得出，平板型空氣集熱器的上下通道空間比(玻璃蓋板與吸熱板的間距和吸熱板與集熱器底板間距的比值)對集熱器的熱損有一定影響。當吸熱板距透明蓋板25 cm，上下通道空間比1∶1時，平板型空氣集熱器的平均瞬時效率和瞬時效率最高。平板型空氣集熱器效率越高，一個烤煙周期的用煤量就越少。因此，太陽能輔助熱源密集烤房集熱器最佳上下通道空間比的確定，可提高集熱器效率，減少煤炭的使用，從而達到節能減排的作用。

［1］王文超，賀帆，徐成龍，等.煙葉烘烤節能技術研究進展［J］.南方農業學報，2011，42(10):1267 －1270.

［2］沈燕金，許龍，馬坤，等.太陽能輔助熱源密集烤房不同透光材料的集熱器性能測試研究［J］.安徽農業科學，2015，43(10):390－392.

［3］陳則韶，葛新石.確定對流熱損小的平板集熱器空氣夾層最佳間距的理論和實踐研究［J］.太陽能學報，1985，6(3):287 －290.

［4］張彥峰，俞頤秦.平板型太陽能集熱器空氣夾層最佳距離的確定［J］.河北工學院學報，1992，21(2):101 －104.

［5］HOLLANDS K G T，UNNY T E，RAITHBY G D，et al.Free convection heat transfer across inclined air layer［J］.Journal of heat transfer，1980，8(1):21－24.

［6］許龍，馮坤，張家征，等.一種太陽能輔助熱源密集烤房的設計特點與應用效果研究［J］.耕作與栽培，2015，2(6):12 －14.

［7］陳則韶，陳熹，葛新石.關于平板集熱器的最佳間距和蜂窩結構熱性能實驗研究［J］.太陽能學報，1991，12(2):109 －114.

［8］魏生賢，李明，季旭，等.太陽能平板集熱器件縱橫比與板間距優化［J］.農業工程學報，2010，26(11):225 －229.