折流板型太陽能干燥裝置的性能分析

張永輝,羅建文,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學 化工學院，陜西 西安　710069)

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折流板型太陽能干燥裝置的性能分析

張永輝,羅建文,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學 化工學院，陜西 西安710069)

研究由折流板型太陽能空氣集熱器和干燥箱組成的太陽能干燥裝置的集熱效果和最佳連接方式。結果表明,在西安夏季晴天時,集熱器出口最高溫度和平均溫度分別為82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分別達到76.18%和71.32%。提出了評價集熱器與干燥器連接效能的方法,并通過對4組試驗情況的對比,得到當干燥裝置采用機械對流時,集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機械對流循環且氣體上進下出。

太陽能;折流板集熱器;效率;連接

在石油、煤炭等化石燃料日趨枯竭的情況下,太陽能已成為人類能源的重要組成部分,被公認為未來社會的能源支柱,有著廣闊的發展前景[1]。中國地處亞熱帶與北溫帶地區,在世界范圍內屬太陽能資源最豐富的國家之一,年日照量在2 000h以上的區域約為國土面積的2/3[2]。據統計資料分析,中國陸地面積每年接受的太陽輻射總量約為每年3 340～8 400MJ/(m2·a)，中值為5 860 MJ/(m2·a)[3]。

在太陽光的自然照射下晾曬物品就是最原始的太陽能干燥技術,但易受蟲鼠、灰塵污染,影響產品質量,同時干燥時間長。

設有專門干燥室的太陽能干燥裝置,可避免蟲鼠、灰塵的污染,同時有利于干燥溫度的提升,以縮短干燥時間。與其他采用加熱干燥技術相比,太陽能干燥具有許多優越性：①節省能源。常壓下,20℃水的汽化潛熱為2 448kJ/kg。據此估算,干燥1t農副產品就要消耗1t以上的原煤[4],若采用太陽能則能有效節約1t以上的原煤。②減少污染。太陽能是一種清潔無污染的新能源,避免了因燃燒煤炭、石油等常規能源而產生的廢氣排放問題,緩解環境壓力。

目前，世界上許多國家都在對太陽能干燥技術進行研究和推廣應用。EI-Sawi A.M.等將連續的Λ型吸熱板應用于太陽能空氣集熱器,并與平板,V型板進行對比實驗[5]。結果表明,在特定條件下集熱效率可增加20%。Yadav A.S.等對雷諾數范圍為3 800～1 800的太陽能空氣集熱器進行二維的數值模擬[6],分析了12種不同配置的等邊三角形截面吸熱板對集熱腔內換熱過程的影響。在理論分析的基礎上,提出了吸熱板結構的指導原則。胡建軍等通過改變結構、運行參數[7],對折流板型太陽能空氣集熱器進行數值優化,并分析了特定尺寸集熱器中腔數的最佳分割問題,結果顯示折流板的設置能有效增加集熱效率。在集熱腔內設置特殊結構或改良吸熱板表面形狀可以在集熱器內人為地制造湍流,從而強化換熱過程,這也是提高集熱效率的方式[8-9]。王云峰等研制了一種太陽能三七干燥設備[10],由V型波紋槽吸熱面的空氣集熱器和絕熱干燥箱及通風裝置組成。在昆明的地理條件下,測得冬季晴天時最高溫度和最高效率分別達到62.2℃和76.7%;并且比較了機械通風條件下,不同進、出風位置無循環時,干燥箱的熱性能,結果表明當干燥箱頂部進風底部排風的方式時,能量損失小,更利于箱內保溫和節能。

本文報道了利用自行設計的折流板型PC 陽光板太陽能空氣集熱器干燥裝置。于2014年5月份在西安地理和氣候環境下,對比研究了有無循環情況下的性能，以期找到干燥箱的最佳通風方式。結果表明,該裝置集熱器平均效率為74.93%,可以用于實際物料的干燥。

1　集熱器及其工作原理

1.1集熱器的構成

本文設計的集熱器為折流板型太陽能空氣集熱器。主要構件包括吸熱板、陽光板、保溫層、殼體。考慮到殼體強度、安裝便捷及經濟成本等因素,確定折流板型太陽能空氣集熱器外殼為2100mm×1100mm×100mm的開口木箱。該集熱器吸熱板為波紋型吸熱板,其上噴涂有黑色吸熱涂層,具有耐高溫,高吸收率的效果。集熱腔內部安裝折流板,形成蛇形通道以提高集熱效率。陽光板采光面積為2m2。

根據西安地理位置以及常年光照角度,設定集熱器與地面的夾角為40°,以充分吸收利用陽光。干燥室由保溫材料制作,外部尺寸為1000mm×1000mm×1000mm,內部設置多層物料架,最大限度利用熱能。

1 陽光板; 2 吸熱板; 3 進氣口; 4 折流板; 5 外殼和保溫層; 6 出氣口圖1　太陽能空氣集熱器基本結構圖Fig.1　Basic structure of the solar air-heating collector

1 太陽能輻射儀; 2 集熱器; 3 干燥箱; 4 風機; 5 支架圖2　太陽能干燥系統示意圖Fig.2　Schematic diagram of the solar drier

1.2工作原理

太陽能干燥是以太陽輻射能為熱源加熱被干燥物料,是利用太陽能加熱空氣器進行干燥,或者直接晾曬物品而干燥的[12]。本文設計的太陽能干燥裝置由太陽光透過陽光板、折流板、集熱板吸收等構成集熱器,獲得熱空氣。熱空氣從出口流出在動力驅動下,被送往干燥箱。

2　試驗設備和方法

2.1試驗設備

試驗選用設備和測試儀器如表1所示。

表1　設備和儀器

注：試驗于2014年5月和6月在西安市西北大學太白校區進行。

2.2試驗方法

2.2.1太陽能集熱器效率試驗太陽能集熱器的瞬時效率ηa定義為在穩態條件下,集熱器實際獲得的有用功率與集熱器表面接收的太陽輻射功率之比,是衡量太陽能集熱器工作性能的重要指標。

集熱器實際獲得的有用功率計算公式為:

Q=mcfΔT。

(1)

式中: m為工質質量流量,kg/s;cf為對應于平均工質溫度tm的傳熱工質比熱容,J/(kg·℃);ΔT 為工質進出口溫度差,ΔT=te-ti,ti為進口溫度,te為出口溫度。

集熱器的瞬時效率ηa計算公式為:

ηa=Q/(AaG)。

(2)

式中: Aa為集熱器采光面積,m2;G為集熱器所接收到的太陽光的輻照度,W/m2。

測定集熱器效率特性的試驗在晴朗天氣條件下進行,按照國家標準GB/T 4271-2007實施[13]。

2.2.2太陽能干燥裝置的熱性能試驗在空氣含濕量不變的情況下,提高空氣溫度,既能增加空氣對物料水分汽化和帶走水分的能力,同時還加大了物料水分的擴散速率,從而提高干燥效率[14]。為了提高干燥箱內空氣溫度,可對集熱器與干燥箱的連接方式進行優化試驗。

試驗方法為:①在集熱器與干燥箱間采用鼓風機的機械對流方式;②在干燥箱頂部和底部各設置一個空氣進出口,當其中一個連接熱空氣進氣管道作為進氣口時,另一個作為排氣口，在環境溫度、太陽輻照度相近的4d內測量干燥箱及集熱器的溫度;③實際干燥作業時,干燥箱排出空氣的濕度在濕度設定值之下時空氣可循環利用。

選用4種集熱器與干燥箱的連接方式進行了試驗,按對流方式、干燥箱空氣進出口位置及排氣有無循環分別命名為:①Ⅰ型(機械對流,氣體在干燥箱中由下口進上口出,簡稱下進上出,并循環);②Ⅱ型(機械對流,下進上出,不循環);③Ⅲ型(機械對流,上進下出,循環);④Ⅳ型(機械對流,上進下出,不循環)。在上述4種連接方式種,集熱器始終保持為下進上出的通氣方式。

對比試驗以上幾種測試情況,選擇效率最高的最優連接方式。

3　結果與分析

3.1太陽能集熱器效率試驗

試驗日期為2014年5月26日,測量時間為09∶02∶00至15∶02∶00,數據記錄間隔為4min,這時集熱器不與干燥箱連接,上下氣口均打開。試驗期間,太陽能集熱器采光面的輻照度平均值為707.11W/m2,平均環境溫度為26.12℃。圖3是集熱器出口溫度te與環境溫度ta之差(te-ta)隨時間變化情況。從圖3可以看出,大約2h后,集熱器出口溫度te與環境溫度ta之差趨于穩定。

圖3　集熱器出口溫度te與環境溫度ta之差(te-ta)隨時間變化曲線Fig.3　Variation of the difference between the outlet temperature of the collector and the ambient temperature

由公式(1)，(2)可以計算得到基于集熱器采光面積的平均效率。計算時空氣比熱為1.37kJ/(kg·℃),流量為0.018kg/s,試驗數據計算結果如表2所示。表2中溫度及輻照度數據分別為1h內的平均值。

若以歸一化溫差Ti*為參考,則集熱器的瞬時效率公式為:

ηa=ηo-UTi*。

(3)

式中:Ti*=(ti-ta)/G，ti為集熱器空氣進口溫度,單位為℃,ta為環境溫度,℃;G為集熱器采光面積上總日射輻照度,W/m2。在計算以Ti*為參考的集熱器瞬時效率時,將每36min數據取平均值,則基于采光面積Aa和集熱器進口溫度ti的瞬時效率曲線(線性擬合)如圖4所示,擬和線性關系式為:

ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

(4)

圖4　集熱器瞬時效率與基于集熱器進口溫度Ti*的關系曲線Fig.4　Linear correlation between instantaneous efficiency of collector and inlet temperature of heat collector based on

3.2太陽能干燥裝置的通風連接方式

測量了4種集熱器與干燥箱連接方式情況下,干燥裝置的溫度數據,以分析集熱器和干燥箱不同通風方式的優劣,期望找到該太陽能干燥裝置的最佳通風方式。干燥裝置運行約2h后,干燥箱內溫度趨于穩定,有關分析和測試結果列入表3中。干燥箱進出口溫差隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5　機械對流試驗干燥箱進出口溫差隨時間變化Fig.5　Variation of the difference of temperature between inlet and outlet of the solar drier for mechanical convection test

由表3數據可以看出,試驗Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的集熱器與干燥箱平均溫差21.81℃，14.47℃，12.54℃，10.53℃。

表3　干燥裝置通風性能試驗結果

可以采用集熱器和干燥箱平均溫差與集熱器平均溫度之比,作為衡量指標。它表征了干燥箱內溫度與集熱器內溫度接近的程度,就得到了表3中第8列的數值。這個比值越小就表示二者越接近。從表3和圖5可見,第4種情形,即機械對流、下進上出、有循環時的連接方式,效果最佳,而且進出口溫度差別也較小,而且由于自然對流的作用,有利于溫度均勻化。這與王云峰等在無循環時[10],所得到的最佳連接方式不一樣。

這是由于采用這種機械對流循環方式不僅有助于推動集熱器熱量的轉移,而且借助于氣體自然對流的作用,有利于干燥箱溫度的均勻化。

4　結　論

本文論述了太陽能干燥設備的基本結構和性能進行了干燥裝置的性能試驗得出的結論如下:

1)太陽輻照度平均值為707.11W/m2,平均環境溫度為26.12℃,流量為0.018kg/s時,在西安夏季晴天時,集熱器出口最高溫度和平均溫度分別為82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分別達到76.18%和71.32%。

2)擬合得到了基于采光面積Aa和集熱器進口溫度ti的瞬時效率線性關系式:ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

3)提出了評價集熱器與干燥器連接效能的方法,并通過對4組試驗情況的對比,得到當干燥裝置采用機械對流時,集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機械對流循環，且氣體上進下出。

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(編輯陳鐿文)

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

陜西省工業攻關基金資助項目(2016GY-155)

張永輝，男，山東日照人，從事能源技術與材料研究，

TK513

A

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