太陽(yáng)能蒸汽熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

裴 坤 段鳳江 孔曉玲 于 鵬

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036）

太陽(yáng)能蒸汽熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

裴 坤 段鳳江 孔曉玲 于 鵬

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036）

研制一套太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)，采用真空集熱管對(duì)水加熱，產(chǎn)生水蒸氣，并轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的干燥作業(yè)。以胡蘿卜作為樣品進(jìn)行干燥機(jī)的干燥性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)太陽(yáng)輻射值達(dá)到750W/m2以上時(shí)，蒸汽可以穩(wěn)定工作5～7h；干燥室內(nèi)高溫工作段溫度可以穩(wěn)定在55℃左右，低溫工作段溫度可以穩(wěn)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(yáng)能蒸汽；真空集熱管；干燥；胡蘿卜

干燥是農(nóng)產(chǎn)品加工與儲(chǔ)藏的重要工序。目前，中國(guó)的加工企業(yè)多數(shù)采用常壓熱風(fēng)干燥法。這種方法具有操作簡(jiǎn)便，對(duì)設(shè)備、環(huán)境要求不高的特點(diǎn)。但是，該設(shè)備主要采用燃煤或燃油蒸汽鍋爐作為干燥介質(zhì)的熱源，在當(dāng)今能源價(jià)格不斷攀升的情況下，干燥作業(yè)的成本也隨之增加，另外還會(huì)造成諸多環(huán)境問(wèn)題，如CO2、SO2等溫室氣體排放，空氣污染日益加重，所以開(kāi)發(fā)利用新能源成為科技發(fā)展的新趨勢(shì)。

太陽(yáng)能是一種清潔、廉價(jià)、永不枯竭的可再生能源。中國(guó)有著較豐富的太陽(yáng)能資源，約有2/3的國(guó)土年輻射時(shí)間超過(guò)2 200h，年輻射總量超過(guò)5 000MJ/m2［1］。充分利用太陽(yáng)能資源是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。國(guó)內(nèi)外報(bào)道［2－4］過(guò)多種試驗(yàn)型干燥裝置，結(jié)構(gòu)上有溫室型、集熱器型、集熱器與溫室結(jié)合型等；氣流方式可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流型。中國(guó)學(xué)者［5－8］針對(duì)不同的農(nóng)產(chǎn)品，采用不同方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本干燥系統(tǒng)主要利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生水蒸汽，經(jīng)熱交換機(jī)轉(zhuǎn)化成熱風(fēng)，對(duì)物料進(jìn)行干燥試驗(yàn)研究，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器，帶式熱風(fēng)干燥機(jī)，水處理系統(tǒng)，蒸汽檢測(cè)與控制系統(tǒng)等組成。

圖1 太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)Figure 1 Solar drying system

1.1 太陽(yáng)能集熱器

本系統(tǒng)的集熱器采用兩組太陽(yáng)能偏心聚光真空集熱管［9］模塊串聯(lián)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(jiān)固耐用。正南布置，依據(jù)合肥地區(qū)緯度，整個(gè)集熱器與水平地面設(shè)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(yáng)光可聚焦反射到集熱管上，使得整個(gè)系統(tǒng)可以最大限度的完成太陽(yáng)光－熱轉(zhuǎn)換。下層模塊5中的真空集熱管內(nèi)的水先被加熱，產(chǎn)生溫度較低的蒸汽，通過(guò)管道流向上層模塊7，流經(jīng)上層真空集熱管時(shí)，蒸汽被再次加熱，溫度得到提高。為避免向四周環(huán)境散熱，減少熱損失，集熱器所有管道均設(shè)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(fēng)干燥機(jī)

熱風(fēng)干燥機(jī)設(shè)計(jì)成帶式，可以干燥顆粒、丸、條狀、片狀等物料［10］。參見(jiàn)圖1，熱交換機(jī)設(shè)置于干燥機(jī)下部，干燥機(jī)的干燥工作段由中間擋板阻隔，分為預(yù)熱段、高溫段和低溫段三部分，干燥工作段的熱交換機(jī)20均通過(guò)電磁閥11與蒸汽管道相連，機(jī)內(nèi)多處安裝有溫度、濕度傳感器16，用于檢測(cè)干燥機(jī)內(nèi)各段環(huán)境溫度、濕度和物料溫度，通過(guò)設(shè)定溫度傳感器溫度的上下限來(lái)控制電磁閥的開(kāi)閉，達(dá)到控制進(jìn)入熱交換機(jī)的蒸汽量的目的。干燥機(jī)頂部通過(guò)可調(diào)風(fēng)門(mén)15與排濕風(fēng)機(jī)14相連，工作過(guò)程中，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流方式進(jìn)行通風(fēng)排濕。機(jī)內(nèi)的物料輸送帶17用食品級(jí)不銹鋼網(wǎng)制成［11］，工作時(shí)由無(wú)極變速電機(jī)帶動(dòng)，可根據(jù)干燥物料的數(shù)量、堆放密度和物料層厚度調(diào)節(jié)帶速，以控制干燥生產(chǎn)率，最終優(yōu)化干燥過(guò)程。干燥機(jī)內(nèi)外壁之間設(shè)有保溫層，可以減少熱量損失。

1.3 水處理系統(tǒng)

本系統(tǒng)的水處理系統(tǒng)主要包括水的凈化裝置、補(bǔ)給水泵、檢測(cè)控制部分組成。參見(jiàn)圖1自來(lái)水先流經(jīng)凈水器1，去垢后被電動(dòng)水泵2抽入下層模塊5的集熱管內(nèi)，當(dāng)水到達(dá)預(yù)定點(diǎn)時(shí)，被安裝與此的水位檢測(cè)傳感器6檢測(cè)到，水泵隨即停止工作。熱風(fēng)干燥機(jī)工作過(guò)程中，隨著蒸汽的使用，系統(tǒng)內(nèi)的水逐漸減少，當(dāng)減少到一定值時(shí)，水位傳感器6會(huì)發(fā)出指令，水泵再次對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)給水到預(yù)定點(diǎn)后停止工作。在系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，水處理系統(tǒng)如此循環(huán)工作，保障系統(tǒng)源源不斷地產(chǎn)生蒸汽。

1.4 蒸汽檢測(cè)與控制系統(tǒng)

在系統(tǒng)內(nèi)，蒸汽管道中安裝有溫度表10、壓力表9，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)蒸汽溫度及壓力，另外，由于本太陽(yáng)能集熱器內(nèi)產(chǎn)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(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，自動(dòng)泄壓，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2 陽(yáng)能干燥系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 材料與方法

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

太陽(yáng)能蒸汽干燥設(shè)備：本實(shí)驗(yàn)室自制；

太陽(yáng)功率表：TES－1333R，臺(tái)灣泰仕公司。

2.1.2 試驗(yàn)材料

新鮮胡蘿卜：市售。

2.1.3 試驗(yàn)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(zhì)量為（500±0.1）g，稱取若干份備用。

對(duì)太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試檢查；設(shè)定干燥機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)；根據(jù)試驗(yàn)的物料的特性設(shè)定干燥機(jī)高、低溫段溫度傳感器上限和下限溫度。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器可提供滿足試驗(yàn)要求的蒸汽時(shí)，開(kāi)始連續(xù)的干燥試驗(yàn)。

將每份胡蘿卜通過(guò)輸入口鋪在傳輸網(wǎng)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(shí)間記錄一次溫度、濕度等，每隔20min收集物料進(jìn)行稱重，每份樣品干燥時(shí)間為60min。

2.2 太陽(yáng)能集熱器的熱性能試驗(yàn)

2011年6月、7月間選取天氣條件較好的2d進(jìn)行試驗(yàn)，分別記錄為試驗(yàn)一、試驗(yàn)二。試驗(yàn)一的天氣條件為：少云、8時(shí)～15時(shí)的平均氣溫為33.8℃、平均空氣相對(duì)濕度42.4%；試驗(yàn)二的天氣條件為：少云、8時(shí)～15時(shí)的平均氣溫為32.3℃、平均空氣相對(duì)濕度47.5%。圖2為集熱器悶曬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。兩次試驗(yàn)太陽(yáng)輻射值均在850W/m2以上，蒸汽壓力隨太陽(yáng)輻射值的變化，基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。系統(tǒng)蒸汽壓力上升至0.7MPa所需時(shí)間約2h左右；與試驗(yàn)二相比，試驗(yàn)一條件下，太陽(yáng)輻射值較穩(wěn)定，且其平均值高于試驗(yàn)二，蒸汽壓力上升速率較快，升至0.7MPa所需時(shí)間縮短了20min。

從試驗(yàn)開(kāi)始至試驗(yàn)結(jié)束（8∶30～16∶30），太陽(yáng)輻射平均值在950W/m2以上，10∶00～13∶00太陽(yáng)輻射達(dá)到最高值區(qū)間，均在1 000W/m2以上，15∶00以后太陽(yáng)輻射值開(kāi)始下降，16∶30以后太陽(yáng)能輻射值基本降為750W/m2以下。

圖2 蒸汽壓力/太陽(yáng)輻射值隨時(shí)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(yàn)

2.3.1 干燥機(jī)的溫度 在保證胡蘿卜的品質(zhì)的前提下，設(shè)定干燥機(jī)高、低溫段溫度傳感器上限分別為60℃和45℃。當(dāng)溫度設(shè)置好以后，蒸汽進(jìn)入到干燥機(jī)后，干燥機(jī)內(nèi)的溫度變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，試驗(yàn)在初始時(shí)，無(wú)論低溫段和高溫段的溫度都較低，這是由于蒸汽剛進(jìn)入交換機(jī)時(shí)，環(huán)境溫度較低所致，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，干燥機(jī)內(nèi)溫度均呈上升趨勢(shì)，約30min后基本達(dá)到設(shè)定溫度。干燥過(guò)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(nèi)環(huán)境平均溫度保持20℃的溫差，最高溫差達(dá)25℃。

2.3.2 胡蘿卜干燥 在試驗(yàn)一、試驗(yàn)二條件下測(cè)得胡蘿卜的質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。試驗(yàn)后分別測(cè)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(gè)相似的規(guī)律下降：隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，胡蘿卜的質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，但是下降的速率不相同。與試驗(yàn)二相比較，試驗(yàn)一天氣條件較好，參見(jiàn)圖4，干燥段的溫度保持在接近上限的水平，所以試驗(yàn)一的干燥時(shí)間較比試驗(yàn)二要短，所以試驗(yàn)二又延長(zhǎng)了20min。

圖3 兩次試驗(yàn)干燥機(jī)內(nèi)溫度變化曲線Figure 3 Curves of inner temperature at different time

圖4 胡蘿卜質(zhì)量和溫度隨干燥時(shí)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(jiàn)圖4，溫度隨著干燥機(jī)內(nèi)的溫度提高而提高，但其溫度的增加速率小于機(jī)內(nèi)溫度增加速率。且物料的最高溫度僅達(dá)到44℃和42℃，比機(jī)內(nèi)的最高溫度低17℃左右。

3 總結(jié)

（1）通過(guò)太陽(yáng)能集熱器的熱性能試驗(yàn)，表明當(dāng)太陽(yáng)輻射值達(dá)到750W/m2以上時(shí)，蒸汽可以穩(wěn)定工作5～7h。

（2）干燥作業(yè)后的胡蘿卜脫水率高，品相良好，通過(guò)對(duì)胡蘿卜的干燥試驗(yàn)，表明干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。

（3）干燥系統(tǒng)與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，為工業(yè)化干燥的技術(shù)革新提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過(guò)粗略計(jì)算，在本干燥系統(tǒng)的技術(shù)條件下，以300m2集熱面，每年工作100～150d計(jì)算，替代燃煤蒸汽鍋爐，3～4年可以收回投入的成本。

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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(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：peikun1983＠126.com

孔曉玲

2011－11－01