小型太陽能循環干燥機設計及試驗

馬文軍

(黑龍江省農業機械工程科學研究院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

在當前全球資源緊缺和環境保護的背景下,尋找可持續、清潔的能源利用方式成為了全球研究的熱點之一。太陽能作為一種豐富的可再生能源,具有廣闊的應用前景。太陽能循環干燥是將太陽能轉化為干燥過程所需的熱能,以實現對各種材料快速、節能的干燥處理[1-3]。

太陽能循環干燥作為利用太陽能進行干燥的方法,經過不斷研究與創新取得了顯著進展。研究人員在系統設計與優化、熱能儲存技術、熱量轉移機制和性能評估等方面進行了深入研究,如優化太陽能集熱器[4]、改善循環風扇和干燥室的參數配置,提高能量利用效率和干燥速度[5]。其中,熱能儲存技術的引入解決了太陽能不穩定性的問題,改進熱量傳遞機制,進一步提高了干燥效率[6]。盡管太陽能循環干燥的研究得到了廣泛關注,但在設備研制方面仍存在較少的研究成果,特別是針對小型太陽能循環干燥設備的研究。

為了推動小型太陽能循環干燥設備的發展,滿足農戶對小型干燥設備的要求,提高太陽能循環干燥的應用范圍,本文設計一種小型太陽能循環干燥設備,以大豆為研究對象開展干燥驗證。

1 小型太陽能循環干燥機結構及工作原理

1.1 結構組成

小型太陽能循環干燥設備主要包括太陽能集熱器、吸氣風機和干燥室等主要部件組成。

1.1.1 太陽能集熱器

太陽能集熱器主要作用是收集太陽輻射能并將其轉化為熱能,為干燥過程提供熱源,包括平板式(圖1a)和真空管式(圖1b)結構。平板式集熱器具有結構簡單、制造成本低等優點。真空管式太陽能集熱器具有較高的熱效率和良好的隔熱性能。為更好吸收太陽輻射能,本文選擇真空管式太陽能集熱器,布置方式選用南斜式布置方式,因為太陽直射時太陽輻射能的入射角度最大,能量傳輸效率也最高。將太陽能集熱器朝向太陽直射方向布置,可以使集熱器表面與太陽輻射的垂直入射角最小化,從而最大限度地吸收太陽能并將其轉化為熱能。此外,南斜式布置方式還有助于在不同季節和不同時間段內優化太陽能的吸收效果,通過調整集熱器的傾角,可以使集熱器在不同季節都能獲得最佳的太陽輻射能吸收效果,提供穩定而持續的熱能供應。為滿足對熱風溫度的需求,設置太陽能集熱器吸熱板參數如表1所示。

表1 太陽能集熱器吸熱板參數

圖1 太陽能集熱器分類

1.1.2 吸氣風機

小型太陽能循環干燥機中的吸氣風機是關鍵的組成部分,引入外部空氣并將其送入太陽能集熱器,以產生熱風用于干燥[7-8]。通過合理的吸氣風機設計,可以確保充足的新鮮空氣進入太陽能集熱器,以產生足夠熱風用于干燥過程。同時,風機的高效運行和可靠性能夠提高整個小型太陽能循環干燥機的干燥效率和工作穩定性。

本文選擇軸流風機作為吸氣風機,通過葉輪的旋轉將空氣沿軸線方向推動,產生較大風量和較低風壓,適用于需要大風量但風速要求較低的干燥過程。本文選擇FV-20NLF1型吸氣風機,性能參數如表2所示。

表2 FV-20NLF1型吸氣風機性能參數

1.1.3 干燥室

干燥室是太陽能循環干燥設備中的關鍵組成部分,負責完成谷物干燥和熱風的傳熱傳質過程。為滿足小型農戶的干燥量需求,本文設定干燥倉的尺寸為800 mm×800 mm×1 500 mm,干燥室材料選擇為不銹鋼,同時在干燥室安裝兩個篩網葉輪,葉輪在干燥室內的交叉平帶作用下反向轉動。每個葉輪上均勻分布有6個篩網葉片,葉片之間的夾角為60°(圖2),可以實現物料的翻動和混合,以促進熱風與谷物之間的充分接觸和傳熱傳質,從而實現有效的干燥過程。

圖2 篩網葉輪

1.2 工作原理

太陽能集熱器將太陽輻射能轉化為熱能,并通過吸氣風機的引導和循環熱風的作用產生負壓,將空氣吸入太陽能集熱器,并經過熱傳導和對流,吸收集熱器中的熱能將熱風送入干燥室[9]。在干燥室內,農產品經過篩網葉輪的攪拌和熱風的傳熱傳質過程,通過反向轉動,實現農產品的攪拌均勻干燥和水分蒸發。

2 小型太陽能循環干燥機工藝試驗研究

2.1 試驗設計

以大豆烘干為試驗過程,通過小型太陽能循環干燥機的工藝試驗,評估其在農副產品干燥方面的性能和效果,驗證其可行性和可靠性。本文選取干燥溫度和風速為試驗因素,以干燥效率和能源利用效率為評價指標開展試驗。

2.1.1 試驗因素

設定不同的干燥溫度,分別為30,40,50 ℃。風速設定為1,2,3 m/s。

2.1.2 測定指標及方法

1)干燥效率。測量試驗材料在不同干燥條件下的初始水分含量和最終水分含量,并計算水分去除百分比。計算公式如式(1)所示

干燥效率(%)=(初始水分含量-最終水分含量)/初始水分含量×100%

(1)

2)能源利用效率。測量太陽能集熱器的熱能輸出和干燥室的能量消耗,并計算能源利用效率。計算公式如式(2)所示

能源利用效率(%)=(干燥室的能量輸出/太陽能集熱器的熱能輸入)×100%

(2)

2.2 結果與分析

2.2.1 干燥效率

在小型太陽能循環干燥機試驗中,測定了不同干燥條件下的干燥效率,試驗結果如表3所示,隨著干燥溫度的升高,干燥效率逐漸提高。主要是由于較高的溫度可以提供更多的熱能,促進水分的蒸發,從而加快干燥過程。其次,較高的風速可以增加熱風與試驗材料之間的傳熱傳質效率,促進水分的蒸發和去除。因此,在合適的干燥溫度和風速條件下,小型太陽能循環干燥機能夠實現較高的干燥效率。綜合考慮干燥溫度和風速的影響,最佳的組合是60 ℃的干燥溫度和3 m/s的風速,達到了最高的干燥效率。

表3 不同試驗條件下大豆干燥效率分析

2.2.2 能源利用效率

不同干燥條件下的能源利用效率試驗結果如表4所示,結果表明,較高的溫度可以提供更多熱能,使能源得到更有效的利用,從而提高能源利用效率。其次,較高的風速可以增加熱風與試驗材料之間的傳熱速率,促進能源的有效利用。綜合考慮干燥溫度和風速的影響,最佳的組合是60 ℃的干燥溫度和2 m/s的風速,主要是由于增加風速可以提高空氣與谷物之間的傳熱速度,從而加速干燥過程,但高風速會導致能耗增加。

表4 不同試驗條件下大豆能源利用效率分析

3 結論

本文通過對小型太陽能循環干燥機的設計與試驗研究,得出以下結論:

1)小型太陽能循環干燥機由太陽能集熱器、吸氣風機和干燥室等主要部件組成,能夠利用太陽能收集熱能進行谷物干燥。通過采用真空管式太陽能集熱器,并選擇南斜式布置方式,能夠更好地吸收太陽輻射能,提高集熱效率。

2)通過設定適當的太陽能集熱器吸熱板尺寸和其他參數,可以滿足熱風溫度的要求,進而實現有效的谷物干燥。干燥室作為關鍵組成部分,本文通過安裝篩網葉輪和合理設計干燥倉尺寸,能夠實現谷物的充分干燥和熱風的傳熱傳質。

3)在試驗中,干燥溫度和風速是影響干燥效果和能源利用效率的重要因素。通過試驗結果分析,得出最佳的干燥條件是60 ℃的干燥溫度和3 m/s的風速,達到了最高的干燥效率,60 ℃的干燥溫度和2 m/s的風速,能夠實現較高的能源利用效率,具體參數根據需求進行合理選擇。