一種環保型可蓄熱太陽能烘干設備

章 炯，翟 華，黃繼杰

（1.航空結構件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

烘干涉及國民生活各個方面，如糧食、木材以及農作物干燥，傳統干燥作業多使用煤炭等一次能源，給環境和能源造成了巨大壓力。由于太陽能自身清潔無污染、取之不盡用之不竭的特性，令太陽能烘干設備的研究具有重要意義[1]。

20世紀（70～80）年代，世界各國紛紛開始研究太陽能干燥技術，設計了不同規模的太陽能干燥裝置，文獻[2]通過搭建簡易太陽能干燥平臺對薄荷進行了烘干試驗并取得了良好效果；文獻[3]提出了一種具有v型波紋槽的空氣集熱器所構成的太陽能干燥設備，并對三七進行了干燥實驗；文獻[4]搭建了具有混聯式集熱器太陽能干燥器，采用不同干燥方式進行干燥實驗；文獻[5]將太陽能同空氣源熱泵輔助能源相結合，實現對農作物種子等產品的烘干要求。諸多試驗驗證了太陽能干燥可行性及其在中低溫干燥領域優勢。

太陽能是間歇性能源，國內外學者提出將太陽能干燥裝置同蓄熱裝置相結合克服太陽能干燥的不連續性，相變蓄熱材料日益得到人們重視，文獻[6]研究了石蠟的蓄、放熱性能及其對太陽能干燥作業的影響；文獻[7]利用配置有熱管和石蠟的太陽能干燥室對木材進行干燥；文獻[8]將相變蓄熱材料放置在太陽能干燥箱中，實驗結果表明干燥室內的溫度在夜間高于周邊環境溫度（2.5～7.5）℃。相變蓄熱材料可有效解決太陽能儲能問題，但相變蓄熱裝置未能有效同干燥物料隔離，易對物料造成污染；且蓄熱裝置同干燥介質換熱效率低，影響相變材料放熱時空氣溫升速度。

設計了配備有集熱系統、蓄熱系統、干燥系統以及通風系統的太陽能干燥裝置，并對相關農作物進行烘干實驗，將實驗結果同傳統的日曬干燥做對比以測試干燥裝置的性能。在太陽能干燥平臺基礎上，利用相變材料的儲熱特性，同時添加蛇形銅管增加相變材料與干燥介質的熱交換面積，提高換熱效率，延長干燥時間，同時可方便檢測蓄熱裝置對干燥介質的升溫效果。

2 環保型可蓄熱式太陽能烘干機

2.1 設計目標

環保型可蓄熱式太陽能烘干機利用太陽能轉換成熱能加熱空氣實現對中低溫農作物的烘干工作，同時配置有石蠟這種蓄熱相變材質進行儲能工作，在外界太陽能不穩定的狀況下維持干燥工作的持續進行，實現集熱、貯能及干燥工作于一體，利用清潔無污染的太陽能，提高干燥效率，延長干燥時間，提升干燥品質。

2.2 工作原理

利用鼓風機將空氣送入串聯的太陽能平板集熱器，集熱器將從太陽能轉換的熱能傳遞至冷空氣，使空氣升溫；再將熱空氣送至裝載有石蠟的蓄熱器，將一部份熱能儲存在相變材料當中，之后進入干燥室，由于熱空氣與物料之間存在溫差與相對濕度差，從而達到使物料內部水分蒸發擴散的目的，并在干燥室側壁設置離心風機，將濕空氣及時抽出干燥室加速干燥進程。當外界太陽輻射能不足以支撐太陽能集熱器對外界冷空氣的加熱，此時蓄熱箱中的石蠟開始放熱，將經過蓄熱箱內部銅管中的空氣加熱，送入干燥室使得干燥作業可以持續進行，達到延長干燥時間目的。

3 系統結構設計

環保型可蓄熱太陽能烘干機的主體部分是由鼓風機、覆蓋有藍鈦膜的平板集熱器、裝配有石蠟的蓄熱箱、干燥室、抽濕風機以及包裹有保溫棉的通風管道組成。

本文中的太陽能干燥裝置由以下幾部分組成：平板空氣集熱器、載由相變材料的蓄熱箱、干燥室以及通風系統，如圖1所示。

圖1 太陽能干燥裝置實物圖Fig.1 Solar Dryer

3.1 太陽能集熱器

太陽能空氣集熱器的上、下兩端開孔作為空氣的進、出口，平板空氣集熱器的尺寸為2.0m*1.0m*0.095m，實際采光面積為2.0m2；采光面玻璃板厚0.5cm，內部的鋁制翅片式吸熱板厚0.04cm，吸熱板固定在集熱器內部的銅管上，吸熱板上覆蓋一層藍鈦膜，其對太陽輻射能的熱轉換效率較高，集熱效率最高可達78%。同時集熱器傾角的設置會影響到集熱器吸收太陽能輻射的強弱，當集熱器傾角同當地緯度一致時，可在一年內獲得最優輻射值，由于實驗所在地的緯度為31°，故選取傾角為35°，盡可能同當地中午時的太陽傾角成直角，面向正南方設置，提高太陽輻射有效面積。集熱器的側面設置有耐高溫的聚氨酯泡沫體，導熱系數低；底部保溫層為3cm 厚度的玻璃棉保溫材料，其導熱系數不大于0.042W/（m·k），有效減少集熱器傳向周圍環境的熱損失。該空氣集熱器為雙通道，增大了空氣與吸熱板接觸面積，提高了傳熱效率。為了提高溫升，使用兩塊平板集熱器串聯的方式供熱。

3.2 蓄熱箱

由于太陽能是間歇性能源，能源密度低、不連續、不穩定，因此可采用適合的蓄熱裝置作為輔助能源，常用的蓄熱介質有巖石、卵石及水等，但儲熱效率不高，利用石蠟作為相變儲熱介質，具有較高的相變潛熱，無過冷及析出現象，性能穩定、無毒，價格便宜。蓄熱箱尺寸為110cm*85cm*15cm，采用泡沫夾心彩鋼板的材質，有效減少蓄熱箱內部的石蠟的放熱損失，為了增大蓄熱箱內部流通的空氣與石蠟接觸的有效面積，提高傳熱性能，利用紫銅彎管作為空氣與石蠟之間的傳熱途徑，增加熱傳導的接觸面積。

選用52#石蠟，其熔點溫度在（50～60）℃之間，與低溫烘干領域的溫度相接近，其蓄、放熱過程近似等溫，過程容易控制，且其蓄熱密度較高，適合用來作為中低溫農作物烘干的儲熱介質，蓄熱箱中共裝載有25kg石蠟。在蓄熱箱的上部覆蓋設置一層透明陽光板，尺寸為1000mm*800mm，方便吸收太陽輻射。

3.3 干燥箱

太陽能絕熱干燥箱的外殼尺寸為800mm*600mm*1050mm，采用內部夾有5cm厚的聚苯乙烯泡沫板的彩鋼板搭建而成，確保干燥箱整體的結構強度及保溫性，如圖2所示，內部的容積尺寸為700mm*500mm*950mm，內部設有三層帶有篩孔的不銹鋼托盤，使熱空氣在箱體內部能夠擴散的更加均勻，最下層托盤同箱體底部距離200mm，各層托盤之間相距250mm，頂層托盤同箱體頂部間距300mm，分別在箱體的兩個側面設置有進、出風口，進風口直徑為φ50mm，出風口直徑為φ100mm，進、出風口成對角線分布，使熱空氣同物料之間能夠進行更加充分的換熱。同時在出風口設置抽濕風機，將濕度較大的熱空氣及時排出干燥室，維持物料內部同外界熱空氣之間的濕度差，使干燥過程能夠以較快的速率進行。

圖2 干燥箱Fig.2 Drying Cabinet

4 實驗及討論

4.1 實驗方法及過程

實驗選取當地9月份出產的紅薯作為烘干實驗的物料，利用配置有蓄熱系統的太陽能干燥機同日曬干燥下的自然晾曬實驗作對照，計算太陽能干燥系統的干燥效率；同時利用石蠟的蓄熱特性，在日曬條件不足情況下，檢驗石蠟的蓄熱特性對于干燥實驗的延長效果。將相關系統的各部分結構搭建成實驗平臺，利用直徑為φ50mm的空氣管道將鼓風機、集熱器、蓄熱箱及干燥箱等系統的重要部分相連。同時在蓄熱內裝載重有20kg重的52#石蠟，利用石蠟相變蓄熱的特性維持太陽能干燥穩定進行。

干燥物料取自新鮮紅薯，將紅薯切成厚度較為一致的切片，將切片等分成質量均為兩部分，其中一部分均勻鋪置于干燥箱內的三層物料網架上，另一部分置于外界托盤上放置在陽光充足、通風良好的環境下直接進行日曬干燥。

實驗中主要包含溫度以及物料重量變化的測量，溫度測量主要包括以下幾個測試點—環境溫度、集熱器進出口處溫度、干燥室進出口處溫度、蓄熱箱進出口溫度，每1h測量一次；物料重量的測量包含太陽能干燥實驗以及自然晾曬干燥實驗的測量，從太陽能烘干實驗和日曬干燥的實驗標本中分別抽取樣本進行測量，每1h測量一次，當日照輻射較強的時候，每30min測量一次。當抽取的干燥樣本稱取的質量基本保持不變的時候，干燥實驗結束。

實驗設備主要包括：（1）測量精度為0.1g的電子秤，測量量程可達3kg；（2）型號YC-747U的多功能溫度數據記錄儀以及多條Pt-100溫度探頭；3）鼓風機型號為CZR型離心鼓風機，最高功率為200W，利用調速開關可控制輸出功率。

4.2 干燥過程所需有效熱量的計算

太陽能烘干系統中有效熱量主要是指將水分從物料中移除出去的那部分熱量，烘干物料重量為5kg，白天平均溫度為T1=27℃，環境相對濕度為φ1=45%；進入干燥室內部熱空氣溫度為T2=46℃，相對濕度為φ2=15%；干燥后排出干燥室的濕空氣溫度為T3=35℃，相對濕度φ3=45%。

紅薯初始濕度為75%，設計干燥完成時紅薯濕基含水量15%以下，烘干時間初始設定為20h，由此計算出太陽能干燥系統除去排濕量為[9]：

式中：W—除濕量，kg；

G1、G2—紅薯初始、干燥后質量，kg；

ω1、ω2—紅薯初始、干燥后濕度，%。

根據實驗數據，計算得所需除去的水分為W=4kg。再根據空氣的3種狀態下含濕量及焓值，如表1所示，計算干燥室中的用于除去物料水分的有效熱量。

表1 空氣在三種狀態下的含濕量及焓值Tab.1 Moisture Content and Enthalpy of Air in Three Conditions

干燥所需的有效熱量為Q=11.06MJ。實驗測試時從早上9：30am進行到下午5：30pm，平均太陽輻射為500w/m2，則每平米太陽能集熱器平板可吸收的太陽輻射為14.4MJ，太陽能集熱器平板總面積為4m2，由于太陽能集熱器存在向外界環境熱輻射、熱傳導造成的熱損失，太陽能集熱器的熱轉換效率為50%，則可轉換成的空氣熱能為Q1=28.8MJ；考慮到干燥室本身的熱損失以及排出的熱空氣帶走了大部分熱量造成的熱損失，根據相關文獻，干燥裝置的干燥效率一般為（20～40）%[10]，則可用來干燥物料的熱能為Q2=（5.76～11.52）MJ，結合干燥所需物料的有效熱量，則需2天時間完成對紅薯的干燥。

干燥物料所需的有效熱量為：

式中：W—需去除的物料水分質量，4kg；

H1、H2—集熱器加熱前后的冷、熱空氣的焓值；

d2、d3—干燥室進、出口空氣的含濕量。

4.3 紅薯干燥實驗結果及分析

利用環保型可蓄熱的太陽能烘干系統對紅薯切片進行烘干，同時設置一組在外界環境下直接自然晾曬的紅薯烘干實驗作對照，在太陽能烘干系統的多測點溫度利用熱電偶測量，記錄溫度參數隨時間的變化，每隔1h對測點測量溫度；同時抽取等質量的實驗樣本測量紅薯重量變化，實驗開始時，從每組實驗中抽取測量樣本，記錄紅薯濕度隨時間的變化，每1h 進行一次重量測量，當中午外界輻射較強時，每30min測量一次。

根據實驗測量，干燥實驗的環境平均溫度為27℃，實驗結果顯示，利用太陽能干燥設備的紅薯烘干實驗花費了14h達到了目標濕度，而在自然晾曬條件下的紅薯則花費了23h才從75%的濕基含水率降低至15%，且利用太陽能干燥設備進行的烘干實驗結果相比于露天晾曬下的干燥實驗更為徹底，干燥過程中紅薯切片的重量隨時間變化的曲線，如圖3所示。

圖3 干燥樣本質量變化Fig.3 Weight Changes of Sweet Potatoes under Two Drying Methods

隨著時間的變化，兩者的干燥速度都呈現出逐漸減慢的趨勢，這是因為在干燥初期所除去的水分屬于自由水，較易除去，當干燥進行到中后期時，此時物料內部的水分屬于結合水，需要提供更多的熱量，所以兩種方式下的紅薯干燥的速率呈現出逐漸減慢的趨勢。

同時觀察到兩種方式下干燥速率最高點出現在11：30～13：30，此時的太陽能輻射最高，而且此時物料內部自由水成分較多，導致干燥速率最快。在16：30pm以后干燥速率下降，因為太陽輻射水平降低，而此時的太陽能干燥設備中仍能保持以一種穩定的速率進行干燥作業，同蓄熱箱中的石蠟發生相變放熱現象有重要關系，干燥作業中蓄熱箱進、出口溫度隨時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 蓄熱箱進、出口溫度隨時間變化Fig.4 Temperature Changes at Inlet and Outlet of Thermal Storage Box

從上圖中可以看出，在13：00前，蓄熱箱出口處的溫度要低于蓄熱箱進口處的空氣溫度，這是因為熱空氣中一部分熱量在蓄熱箱中傳遞給石蠟，利用石蠟的相變蓄熱特性將這部分熱量儲存起來，同時使干燥箱內部不易溫升太快，有效避免了物料因溫升太快而破壞其干燥品質的不良影響；當太陽輻射不足時，可以觀察到在下午3：00pm后，蓄熱箱出口處的溫度明顯高于蓄熱箱進口處的溫度，此時石蠟將其儲存的熱量釋放出來對空氣進行加熱，且維持了3h的時間，在下午5：30pm之前，蓄熱箱出口處的溫度仍舊達到了40℃，符合中低溫農作物的干燥溫度條件，延長了太陽能干燥設備的工作時間，提升了太陽能干燥設備的干燥效率。

5 結論

環保型可蓄熱太陽能烘干系統主要由藍鈦膜覆蓋翅片式單層蓋板的空氣集熱器、裝備石蠟相變蓄熱材料的儲熱箱、絕熱干燥箱及通風、排濕裝置組成，利用太陽能作為烘干能源，可以做到干燥作業節能減排的目的，而且配備了石蠟蓄熱材料作為儲熱設施來延長干燥時間，并且通過對紅薯等中低溫烘干領域的農作物的干燥實驗來檢驗其性能。

通過設置對紅薯的太陽能干燥與自然晾曬干燥的對照實驗結果顯示，采用太陽能烘干系統的烘干周期（14h）較自然晾曬干燥的烘干周期（23h）有明顯縮短，干燥品質更為優異，證明了該太陽能干燥設備干燥性能良好。

（1）當外界太陽輻射能充足時，將太陽能以熱能的形式儲存在石蠟相變材料當中；當外界太陽輻射逐漸減弱不足以支持干燥作業進行時，石蠟將其內部的熱能釋放出來，從對照實驗結果顯示，相較于自然晾曬，具有蓄熱箱的太陽能干燥系統的工作時間延長了近3h，提高了干燥效率。

（2）由于太陽能干燥系統的廢氣帶走了大部分熱量，導致太陽能干燥效率不高，如做好余熱利用問題，太陽能干燥的優勢將會進一步凸顯出來。