太陽能熱泵干燥室氣流組織優化研究

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(1.上海理工大學 食品科學與工程研究所,上海 200093；2.上海筑能環境科技有限公司,上海 201299)

0 引言

青海省格爾木地處青藏高原腹地，海拔高屬典型的大陸性氣候。晝夜溫差大、少雨、日照時間長、年日均太陽能輻照量達21.93 MJ/m2，光熱資源充足。這些有利因素決定了青海枸杞的產品品質、營養成分及口感外觀的優良，同時枸杞生產企業迅猛發展。枸杞種植規模由2007年的1 580 hm2增長到2015年的2.81萬hm2，2015年生產枸杞干果6.2萬t以上[1]。

枸杞干制多采用成本較低的自然曬干或熱風烘干，自然曬干受天氣影響，枸杞的有效成分損失較大，不能保證干燥成品品質。熱風烘干是將空氣作為干燥介質，加熱后送入干燥室，對枸杞進行干燥，該干燥方式具有對枸杞損傷小，裝載量大，干燥室投資成本低等優點[2]。在此基礎上又出現了太陽能熱泵干燥機，干燥枸杞具有節能環保，系統運行效率高，物料有效成分損失少等特點。但為提高生產效率，增大干燥室，帶來了干燥不均勻等問題。

干燥室內氣流組織的不均勻性造成設備的能源消耗增加、干燥效率低和物料干燥品質差。翟大海[3]等對室內空氣流場進行數值模擬分析，采用了四種不同送風方式，分析了溫度場分布、速度場分布等參數，結果顯示上送下回的送風方式氣流均勻性好。張仲欣[4]等對食品廠在橫流循環式烘干機進行氣流優化，發現影響干燥均勻性的主要因素是物料通風層內氣流分布不均勻，出現風速梯度，從而導致溫度差增加，產生干燥品質不均勻現象。

Zhang[5]等人對蔬菜食品室內采用強制對流換氣循環系統，設計具有三排空氣射流穿孔空氣管，并提供了四種不同的管道布置方式，改善了室內氣流均勻性，解決了蔬菜生長不均勻現象。Majka[6]等人研究風速對木材干燥均勻性的影響，研究表明：風扇轉速的降低提高了木材干燥的均勻性；但風扇速度過度減少，降低到標準水平以下會影響空氣擴散，同時也會導致干燥條件變差。

本文采用送風均勻性較強的孔板送風方式，研究風速、孔徑、風量因素對干燥室氣流不均勻性的影響，為確定各因素對氣流組織的影響，改善干燥室內氣流組織不均勻，采用CFD數值模擬技術并結合正交實驗設計方法[7]，找出最佳的優化方案，為干燥室氣流優化提供參考。其中，物料形體大小在干燥過程中會影響氣流分布，本文主要分析孔板送風方式對氣流均勻性的影響，忽略干燥物料形體對氣流的影響。

1 太陽能熱泵干燥系統

設計的太陽能熱泵干燥系統如圖1所示，分為太陽能集熱系統、熱泵系統、熱回收系統以及干燥室四部分。

干燥系統利用太陽能集熱系統收集太陽輻射轉化為熱量送入干燥室內進行干燥；當太陽能滿足不了負荷時，由空氣源熱泵機組提供干燥熱負荷，保證系統的穩定運行；該干燥系統還針對干燥室排出余熱高濕空氣，通過余熱回收器對新風進行預熱[8]，從而避免能源浪費，提高系統運行效率。

空氣式太陽能集熱器由雙通螺旋真空管、蓄熱棒、聯箱組成，如圖2 所示。青海地區室外溫度在-15～12 ℃，由此在集熱器內選用空氣為傳熱介質，避免集熱器凍裂，延長集熱器壽命；在集熱器真空管內裝設蓄熱棒，儲存太陽能輻射熱量，避免因溫度過高造成真空管爆裂，在沒有太陽輻射時，由蓄熱棒提供熱量，緩解了太陽能利用間斷性問題；雙通螺旋結構，避免玻璃集熱管熱脹冷縮發生爆裂，同時增加換熱面積，提高了換熱效率。

利用空氣源熱泵系統作為輔助能源，在太陽能集熱系統不能滿足烘房熱量需求時，啟動空氣源熱泵系統，保證烘干過程連續性、穩定性。在枸杞烘干過程中溫度超過60 ℃[9]，枸杞易發生褐變，影響產品品質，此時通過空氣源熱泵系統對烘房溫度進行恒溫控制，可避免枸杞褐變，提高干燥品質。

從干燥室內排出的熱空氣通過余熱回收系統進行熱量回收，減少機組的熱負荷，起到了節能減排的效果。

干燥室為長方體結構(長寬高2 400 mm×1 200 mm×2 000 mm)如圖3所示，外壁使用兩層成型金屬面板中間發泡、高分子隔熱內芯，起到保溫效果及強度要求。考慮冷、熱風的下沉與上升現象，干燥室采用底部全面孔板送風，左側上部設置長寬2 400 mm×200 mm出風口。干燥過程中物料平鋪與干燥托盤，且托盤為孔板結構，上下氣流能夠流體均勻，忽略氣流向上的運動阻力。由此，模擬過程不考慮干燥托盤對氣流分布的影響。

2 干燥室實驗設計及模擬

2.1 正交實驗設計

正交試驗設計和分析是處理多因素優化問題的高效處理方法，采取具有代表性的試驗點來代替整體試驗，能有迅速找到最優方案從而降低生產成本[10]。

影響孔板送風的因素有風速、孔徑以及風量等，根據以上因素可計算出孔隙率以及空間距[11]，用于后期三維建模。

孔隙率計算公式如下

(1)

式中K——孔隙率；

Q——送風風量/m3·h-1；

V——氣流流速/m·s-1；

A——送風板面積/m2。

孔間距計算如下

(2)

式中L——孔間距/mm；

d0——選取孔徑/mm。

為研究各因素對干燥室氣流組織的影響，并找出最優設計參數，本文采用正交表格L9(34)進行正交實驗設計，實驗因素水平如表1所示。

表1實驗因素水平表

水平實驗因素風速/m·s-1孔徑/mm風量/m3·h-11261 00024102 00036163 000

按照正交表格L9(34)設計，并補充一個空列因素，實驗安排如表2所示。

表2L9(34)實驗方案

因素試驗號 風速A/m·s-1孔徑B/mm風量Cm3·h-1空列D實驗安排11111A1B1C121222A1B2C231333A1B3C342123A2B1C252231A2B2C362312A2B3C173132A3B1C383213A3B2C193321A3B3C2

2.2 干燥室模擬

2.2.1 網格劃分

實驗設計分為9組，以第三組為例，設置網格數為56萬、104萬、224萬三個算例進行數值求解，在迭代600次左右達到收斂條件。以干燥室高度方向的溫度和速度分布為參考，56萬網格組溫度和流速相差較大，104萬和224萬網格數據無明顯差別，如圖4所示。為簡化計算，縮短模擬時長，采用104萬網格處理，使用結構化六面體網格，對于孔板出風口處采用局部網格加密處理，以確保氣流、溫度場模擬的精確度。

2.2.2 邊界條件設置

采用Fluent分離隱式求解器進行穩態計算，斷流模型采用Realizableκ-ε(2equ)模型，能量方程開啟，由于干燥室高2 m，則開啟重力加速度影響，壓力以及速度的耦合采用Simple算法。邊界條件如下：模型的維護結構溫度恒定邊界，入口邊界采用velocity-inlet，回風口為自由出流outflow，壁面邊界采用第一類邊界條件，速度情況按無滑移條件處理，具體模型的邊界條件參數如表3所示。

3 正交實驗結果分析

3.1 評價指標

采用正交實驗設計時必須明確實驗目的，確定結果的考核指標。對干燥室內氣流均勻性的評價，使用面均勻速度系數和面均勻溫度系數作為考核指標[12]，用于恒定截面上速度與溫度的均勻程度。

表3 CFD模型邊界條件匯總

流體:空氣干燥室空氣入口溫度:334 K干燥室壁面溫度:304 K重力加速度:9.8 m/s2項目性能參數能量模型打開粘性模型κ-ε模型入風口速度口/m·s-12/4/6排風口速度口Outflow聚氨酯保溫墻體導熱系數/W·m-1·K-10.052厚度/mm100密度/kg·m-3350

表4考核指標模擬結果

指標實驗組 面均勻速度系數面均勻溫度系數10.674 20.891 520.694 30.924 530.701 50.998 840.677 90.998 350.596 00.891 260.588 50.871 270.660 60.998 680.591 20.987 890.653 00.998 1

由表4的模擬結果可得，第三組A1B3C3實驗為最佳方案，干燥室內氣流流速以及溫度分布均勻，有效避免了因流速過低造成干燥不足，過高造成物料過度失水；同時室內溫度基本維持在進風溫度334 K，避免不同區域干燥不均。

3.2 實驗結果極差分析

通過正交性實驗找出最優方案，并進行實驗結果的極差分析，初步確定各因素對速度場和溫度場的影響程度。

由表5所示，通過比較各因素的極差大小，對干燥室速度的影響程度依次為：入口風速A，風量C，孔徑B；對干燥室溫度的影響程度依次為：入口風速A，風量C，孔徑B。繪制位級趨勢圖進一步分析各因素的影響趨勢，橫坐標為因素位級，縱坐標為考核指標系數。

表5實驗指標極差分析

指標結果速度不均勻系數Ⅰ2.072.0131.854Ⅱ1.8621.8822.025Ⅲ1.9051.9431.958i0.690.6710.618ii0.6210.6270.675iii0.6350.6480.653極差R0.0690.0440.057溫度不均勻系數Ⅰ2.8152.8882.751Ⅱ2.7612.8042.921Ⅲ2.9852.8682.889i0.9380.9630.917ii0.9200.9350.974iii0.9950.9560.963極差R0.0750.0280.057

注：I、II、III分別是各列數字1、2、3相應實驗指標之和，i、ii、iii是各列數字1、2、3相應實驗指標的平均值，R為極差，是各列相應位級下實驗指標平均值中最大值與最小值的差。

圖5(a)所示，干燥室內空氣流速均勻性隨入口風速的增加而降低，隨孔徑的增大而增加，風量的變化對其影響相對較小；圖5(b)所示，干燥室內空氣溫度均勻性有最佳入口風速，隨孔徑的增大而增加，風量變化對溫度均勻性影響較大。

3.3 實驗結果方差分析

以上通過極差分析對各因素的影響大小和影響趨勢做了簡單分析，并未考慮位級量和實驗誤差的影響，以下對實驗模擬數據進行方差分析。

如表6所示，通過極差分析三個因素對速度均勻性和溫度均勻性的影響大小依次為：入口風速A、風量C、孔徑B，與前述極差分析結果相符，證明結果的可靠性。

表6實驗指標方差分析

指標結果速度不均勻系數Ⅰ 24.2854.0513.437Ⅱ23.4693.5404.101Ⅲ23.6283.7753.834P11.38211.36611.373Q3.7943.7893.791S0.0080.0030.005溫度不均勻系數Ⅰ 27.9238.3437.565Ⅱ27.6217.8608.532Ⅲ28.9078.2268.344P24.45224.42824.441Q8.1518.1438.147S0.0090.0010.005

4 結論

本文以實際工程需求，針對太陽能干燥室進行氣流組織的優化研究，將數值模擬CFD與正交性實驗設計相結合，針對太陽能熱泵干燥室(2 400 mm×1 200 mm×2 200 mm)氣流不均勻性提出優化方案。本文采用9組正交實驗減少了模擬次數，降低實驗成本，縮短實驗周期。主要分析了入口風速、孔徑、送風量對氣流均勻性的影響，并對模擬數據采用極差分析和方差分析確保結果的準確性。

通過實驗分析得出如下結論：

(1)流速均勻性隨入口風速的增加而降低，隨孔徑的增大而增加，風量的變化對其影響相對較小；

(2)溫度均勻性隨孔徑的增大而增加，風量變化對溫度均勻性影響較大；

(3)得到最優方案為：入口風速2 m/s，孔徑16 mm，送風量為3 000 m3/h，較低的風速不易出現渦流，增加氣流均勻；合適的孔徑和送風量有利于氣流擴散，避免出風孔口之間的氣流干擾。

干燥室內氣流組織均勻性的影響因素較多，本文分析了上述三種因素，另外孔隙率和孔板送風的穩壓層高度對氣流的影響也較大，還需進一步深入研究。