基于太陽能煙囪效應的糧食干燥機的流動與傳熱研究分析

李子翰　周澤華　劉鑫宇

摘 要：提出一種太陽能煙囪的糧食干燥裝置的設計方案，針對該方案的通風性進行研究，建立數學模型，通過利用流體分析軟件fluent對集3個不同高度的集熱模型進行空氣溫度和流速進行仿真，并分析系統內的空氣的流動和傳熱情況，找出最優結構。通過分析速度和溫度分布圖得出：煙囪高度為340mm的太陽能煙囪模型為最優干燥結構。

關鍵詞：太陽能煙囪；糧食干燥；數值仿真

中圖分類號：TU746.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0085-01

我國糧食干燥設備主要采用大型機械設干燥，其消耗能源極高，而小型農戶采用的曬場式干燥法作業周期長，人工物資費用較高，因此，提出了一種小型太陽能糧食煙囪干燥裝置，該裝置采用煙囪式設計利用太陽能輻射為空氣流動提供浮生力，將熱能轉化為動能，強化了自然通風，從而達到干燥糧食的目的。

1 物理模型

1.1 工作原理

如圖1所示該裝置由集熱模塊、儲糧模塊和煙囪模塊構成。集熱模塊基于集熱器設計，當太陽光入射時，面板吸收太陽光線中的熱量，同時熱量通過空氣介質從導管流出。煙囪模塊提供了一個上下高度差，集熱模塊集熱將熱能傳遞給底部空氣，上下空氣溫度存在差值，熱對流效應增強，使糧食得到熱量，糧食內部水蒸氣不斷蒸發。

1.2 樣機參數設計

經過簡化后，如圖2所示整個模型底部直徑為290mm。通過集熱器集熱加熱模型內空氣，裝置底部溫度高于頂部溫度，從而產生熱壓，通過壓力差產生的浮升力帶動空氣向上流動，干燥糧食作物。干燥艙內直徑為390mm，高為340mm，煙囪為普通煙囪，高度 h選取了三種不同高度，圖中高度為416mm，通道直徑為90mm，空氣出口也為90mm，入口直徑為40mm。

2 數學模型

2.1 控制方程

通過數學模型的建立分別列出連續性方程、動量方程、和能量方程，由于熱壓和風壓聯合作用下自然通風系統的氣流流動屬于湍流，所以對于模型內氣流流動應用方程對其進行求解。

方程為：

2.2 邊界條件

在進行分析是采用非均勻網格劃分，太陽能集熱器和空氣進口進行加密，并運用標準的數學模型。

（1）為了使仿真結果更明顯，設定環境里環境溫度為285k，而進風口溫度為330k。（2）進口為速度進口，根據文獻中的計算公式可以算出出口速度為0.675m/s。為了使模擬結果更明顯，設進口速度為0.8m/s。（3）在整個過程中，自然通風是由熱壓和風壓共同作用下產生，所以在湍流強度中選用6%，水利直徑為0.14m（4倍的進口面積與濕周的比）。（4）出口設為壓力出口。（5）其他墻體為默認設置。

3 數值計算結果與分析

利用Fluent軟件對太陽能煙囪內的溫度和速度分別進行模擬，效果圖如圖3～圖4所示。

圖4為煙囪高度為960mm太陽能煙囪整體的溫度和速度分布圖，圖4（a）為溫度分布圖，圖4（b）為速度分布圖。取干燥模塊為主要分析部分。并截取以上2種不同高度的部分模擬圖。

由于數值模擬時，集熱板設為定溫條件。對比兩組圖片所示的溫度分布圖，溫度分布差異不大。

在速度分布圖中，空氣從入口進入，氣體速度降低，在沿煙囪中速度升高，對比兩組圖，h=340mm氣體速度分布更好，穩定性更高經濟性更好。

4 結果與討論

得出結論如下：

（1）當煙囪高度變化時，干燥艙內部溫度變化不明顯，但溫度變化較少；（2）模型內空氣流動穩定性主要煙囪高度有關。

參考文獻

[1]Tu J Y， Yeoh G H， Liu C Q.劉曉冬，譯.計算流體力學——從實踐中學習[M].沈陽：東北大學出版社，2009.

[2]朱麗，王一平，胡彤宇，等.不同蓄熱方式下太陽能煙囟的溫升性能[J].太陽能學報，2008，29（3）：290-294.