蛇形通路平板太阳能空气集热-干燥装置的性能分析

罗建文,张永辉,郑茂盛,谢超超,路丽婷

(西北大学 化工学院， 陕西 西安 710069)



·化学与化学工程·

蛇形通路平板太阳能空气集热-干燥装置的性能分析

罗建文,张永辉,郑茂盛,谢超超,路丽婷

(西北大学 化工学院， 陕西 西安 710069)

利用自行设计的包括蛇形通路太阳能空气集热器、干燥箱、控制系统、鼓风机等的整套装置,在西安地理和气候环境下于不同设定温度下进行实际控制和测试,以及集热器的光热转化效率的分析。结果表明:该装置控制系统稳定性好,温度控制精确;蛇形通路的平板型太阳能空气集热器的光热转化效率较高,在设定干燥箱温度值为60℃情况下,两小时内其光热转化效率达到74.32 %,可望用于实际物料的干燥。

集热器;蛇形通路;干燥箱;控制系统;光热转化效率

随着化石能源的减少和环境污染的日益加重,清洁的太阳能资源得到快速发展,太阳能干燥设备也越来越广泛地应用于工农业生产。太阳能干燥是通过太阳能集热器把空气加热再将热空气通入放置农产品的干燥箱,以排除产品中的水分。通常,粮食直接晾晒受天气的影响极大,并且直接接触阳光暴晒会导致一些水果蔬菜中的维生素含量显著减少[1]。在世界上的许多国家,太阳能集热系统在农业区域保护蔬菜、水果、咖啡和其他作物已经证明是实用、经济和负责任的环保方法[2]。截止目前,国外已建成集热面积超过500m2的大型太阳能干燥器7座,其中美国4座、印度2座、阿根廷1座[3],印度也研制了太阳能与烟气联合的谷物干燥机，干燥能力为650～1 000 kg/d,也有干燥能力为375 kg/h的太阳能谷物干燥机[4]。我国的太阳能干燥装置大多数是采光面较小的中小型太阳能集热干燥设备,尤其以小型集热干燥设备居多。内蒙古农业大学干燥牧草的研究,一些研究成果已经应用于实际生产,并取得较大经济效益与社会效益[5]。农业部规划设计研究院研发的混联式太阳能果蔬干燥机已经在新疆成功进行了葡萄烘干试验,结果显示：太阳能干燥比传统干燥方式缩短时间66.7%,绿级品率由35%提高到79%[6]。这些设施在农产品干燥方面与传统的晾晒方法相比,可以明显提高产品质量和缩短干燥周期,与常规热风干燥技术相比可大量节约能源和提高产品品质。

按空气流动方式，太阳能干燥设备可以分为强制对流干燥和自然对流干燥两大类。强制对流干燥的典型实例为温室型干燥器；自然对流干燥是带有集热器的干燥器，尤其适用于较大型干燥。

太阳能空气集热器以平板式的结构最为简单，安装方便，使用维修成本低，无防冻问题，广泛应用于干燥和采暖领域[7]。肉孜·阿木提等在乌鲁木齐气象和地理条件下的测试得到，PC 阳光板式蛇形单层通路集热板集热效率最高, 集热效率可以达到74.6%[8], 刘一福等对玻璃板扰流板型太阳能平板空气集热器面向东南方向30°(衡阳地理环境)情况下，得到最佳扰流板型太阳能平板空气集热器相比普通太阳能平板空气集热器效率也为74.6%[9]。

本文报道了在西安地理和气候环境下，含有蛇形通路的太阳能空气集热-干燥装置于2015年9月份的实际控制和测试情况。结果表明，该装置控制系统稳定性好，温度控制精确，光热转化效率达到74.32%，可以用于实际物料的干燥。

1 太阳能空气集热干燥装置

太阳能集热干燥系统是把低温空气经平板型太阳能空气加热器加热后再由鼓风装置送入干燥室内,使物料与热空气换热达到干燥目的。我们设计的太阳能空气集热干燥装置主要由平板太阳能空气集热器、干燥箱、控制系统、鼓风装置等组成。图1为其示意图。

图1 太阳能集热干燥系统示意图Fig.1 Diagram of solar energy drying system

根据西安地理位置以及常年光照角度,设定集热器与地面的夹角为40°,以充分吸收利用阳光。

1.1 集热器

平板太阳能空气集热器由集热板、透明盖板、隔热层、折流板以及壳体组成。如图2所示。

1 空气进口； 2 木制框架； 3 阳光板； 4 折流板； 5 吸热板； 6 空气出口图2 集热器组成示意图Fig.2 Intergral diagram of solar collector

集热器的边框用选用长2 400 mm、宽1 200 mm、厚15 mm的木板制成,木板的导热系数为0.18 W/(m·K),远低于金属材料的导热系数,而且价格低廉。平板型太阳能空气集热器内部通风通道设置折流板,用以增加空气在集热器中的流动流程,同时设置折流板还可以作为肋片增加传热面积,热提高集热器传热性能[8-9];折流板之间的距离为150 mm,折流板长度800 mm;透光盖板选用中空PC阳光板，在相同条件下,PC阳光板有低于普通玻璃和其他塑料的热导率,成本更低,质量更轻,更重要的是阳光板特有的双层中空结构,使其具有良好的隔热、保温、抗冲击性能,有效地防止了热量的散失[10-11];吸热板选用喷涂了黑色吸热涂层的铁皮;保温层选用3mm厚塑料泡沫,质量轻,保温性能好,价格低廉。

1.2 干燥箱

干燥箱外层支架也用厚15 mm厚的木板,内部保温层亦选用3 mm厚塑料泡沫。干燥箱上下开有进气口和出气口,进气口设在箱体底部,出气口设在顶部。这样气流进出口高度差大,有利于提高气流流动的压差与气流速度,热空气垂直穿透物料,有利于提高传热效果[11]。干燥箱内部设有钢丝网物料盘架,用以放置物料。

导风管道选用价格低廉性能优良的钢丝软管,外部套有橡胶海绵保温套管;鼓风装置选用60W离心式交流鼓风机。

1.3 实验设备和测试仪器

实验选用设备和测试仪器如下表1所示。

表1 实验设备和测试仪器

2 干燥装置温度控制系统

2.1 温度控制系统的组成及工作原理

在温度控制过程中,单一的定值开关控制方式会产生较大的温度迟滞现象,对于加热箱等干燥设备的干燥效果差、干燥品质低[12]。因此,本文采用智能PID控制仪控制干燥箱温度,系统中设计有PID智能温度控制仪表,固态继电器(SSR),Pt100温度测试传感器,2 kW辅助加热装置,电动风量调节阀,并设有上下线报警指示灯。温度控制系统组成如图3所示。

图3 温度控制系统组成示意图Fig.3 Diagram of temperature control system

其工作原理是,在太阳能供给不足的情况下,通过Pt100温度传感器测得干燥箱内温度,反馈给系统与设定值进行比较,并经PID温度控制仪表运算处理后,输出一个控制信号来控制固态继电器的输出,从而控制辅助加热设备,以达到控制干燥箱中温度的效果。当干燥箱内温度超过报警设定值时,系统报警灯闪烁提醒,并开启电动风量调节阀,以降低干燥箱内温度。

2.2 温度控制系统性能测试分析

控制系统性能指标主要有峰值时间Tp,超调量P.O.,调节时间Ts和稳态误差ess。峰值时间可以反映系统响应的快速性,稳态误差和超调量可以反映对期望响应的逼近性。稳态误差是系统达到稳定后与期望值之间的差值。超调量定义为:P.O.=(Mpt-fv)/fv,其中Mpt为响应的峰值,fv为响应的终值,即预期的设定值。调节时间定义为响应达到且维持在稳态值的某个误差百分比δ范围内所需的时间,本次测定取±0.5 ℃。

为了方便地得到PID参数,采用参数自整定的方法,经人工测试、微调后得到参数:P=13,I=138,D=34。图3-5给出了干燥箱内的设定温度分别为55℃，60℃和65℃等情况下控制系统稳定性测试结果。

图4 干燥箱内的设定温度为55 ℃时控制系统稳定性测试结果Fig.4 The testing results of control system stability at temperature 55℃(测试时间2015年9月6日16:45-17:21)

图5 干燥箱内设定温度为60 ℃情况下控制系统稳定性测试结果Fig.5 The testing results of control system stability at temperature 65℃(测试时间2015年9月6日15:00-15:30)

(测试时间2015年9月6日14∶00-14∶30)图6 干燥箱内设定温度为65 ℃情况下控制系统稳定性测试结果Fig.6 The testing results of control system stability at temperature 65℃

如图4所示,干燥箱内设定温度为55 ℃,干燥箱中温度在0～4 min时间段内上升迅速,主要是由于在这一时间段内干燥箱中温度距设定值55 ℃还相差较大,控制仪表通过传感器的测量反馈信号启动了2 kW电加热装置,使干燥箱内温度迅速上升。在4～8 min时间段内有一最大温度(实际响应)55.8 ℃,即实际响应高出期望值(设定值55 ℃)0.8 ℃,体现了实际响应和期望值的匹配程度。8 min后干燥箱内温度逐渐维持在设定温度范围内。 另外, 在整个测试过程中照度和集热器出口温度都变化较大, 但干燥箱中温度维持恒定, 证明了控制系统对外界干扰有很好的稳定性。 由图4可得以下性能参数:控制系统在Tp=6 min时达到最大峰值;超调量P.O.=(55.8～55.0)/55.0=1.45%;系统在8～10 min时间段内进入(55±0.5)℃范围,即该系统调节时间Ts<10 min;10 min后系统最大偏差都不超过0.2℃,即稳态误差ess=0.2℃。如图5所示，干燥箱内设定温度值为60℃时:控制系统在Tp=4 min时达到最大峰值;超调量P.O.=(60.7～60.0)/60.0=1.17%;系统在4～6 min时间段内进入(60±0.5) ℃范围,即调节时间Ts<6 min;6 min后系统最大偏差都不超过0.2℃,即稳态误差ess=0.2℃。如图6所示,干燥箱内设定温度值为65℃时:控制系统在Tp=6 min时达到最大峰值;超调量P.O.=(66.5～65.0)/65.0=2.30%;系统在6～8 min时间段内进入(65±0.5)℃范围,即该系统调节时间Ts<8 min;8 min后系统最大偏差都不超过0.2℃,即稳态误差ess=0.2℃。不同设定温度下控制系统稳定性测试数据如表2所示。

表2 不同设定温度下控制系统稳定性测试数据

Tab.2 Stability of the controlling system at different temperature

峰值时间Tp超调量P.O.稳态误差ess调节时间Ts控制温度55℃6min1.45%0.2℃<10min控制温度60℃4min1.17%0.2℃<6min控制温度65℃4min2.30%0.2℃<8min

由表2总结可以得出:在整个测量过程中该控制系统的峰值时间Tp<6 min,说明控制系统响应快速;系统超调量P.O.不超过2.5 %,稳态误差ess=0.2℃,说明控制系统误差小,控制精确;系统调节时间Ts<10 min,说明系统达到误差允许范围±0.5℃时所用的时间小于10 min,即达到稳态所用的时间少。该温度控制系统具有结构简单、操作方便、成本低廉、温度控制稳定和精确度高等优点,有利于干燥设备的推广。

3 集热器光热转化效率的测试

3.1 太阳能集热器和电加热互补式加热的情形

在太阳能集热器和电加热互补式加热的情况下,实验测量在2015年9月份某天进行,数据如表3所示。

表3 实验实测数据

由表3可知,在测试时间11∶30-13∶30时间段内集热器进口平均温度为26.5 ℃, 集热器出口平均温度为63.2 ℃, 太阳辐射照度平均值为740 W/m2。 2小时以内,电加热耗能量为0.8 kW·h。

3.2 纯粹电加热干燥情况下的测试结果

纯粹电加热干燥情况下的耗电情况如图7所示。测试条件为:①环境温度26.5℃;②干燥箱内设定控制温度为60℃;③测试时间为2小时。

图8为在太阳能集热器和电加热互补式加热的条件下，系统在2小时内的用电量变化情况。测试环境温度、干燥箱设定温度、测试时间等均与图7情形相同。

图7 纯粹电加热干燥系统的温度、耗电测试结果Fig.7 Variations of temperature and power consumption for the drying system under electric heating condition

图8 太阳能集热器干燥系统的温度、耗电测试结果Fig.8 Variations of temperature and power consumption for the solar drying system with electric heating supplementary

图7所示的干燥箱内热量全部由电加热提供。可以看出,当干燥箱内控制温度达到设定值60℃时,电加热用电量成一直线逐渐增加,测试段两小时内总耗电量为3.0 kW·h。图8所示的干燥箱内热量由太阳能集热器和辅助电加热共同提供。可以看出,在干燥箱内温度未达到稳定前,实线的斜率较大,表明这一时间段内电加热持续工作。当干燥箱内温度达到稳定后,随着太阳能集热器出口温度的上升,实线的斜率逐渐减小,即干燥箱内电加热用电量逐渐减小,并且可以看出测试段两小时内电加热的总耗电量为0.8kW·h。

由图7，8比较可知,在设定值60℃情况下2小时内,太阳能加热干燥系统的用电量要比纯粹的电加热干燥系统少用电2.2 kW·h,节能效果明显。

3.3 集热器的太阳能转化效率

根据图7和图8的对比分析,可以得到,在设定值60℃情况下2小时内,太阳能集热器向干燥箱提供了Eheat=2.2 kW·h的热能。

同时,由表3的实测数据得到,在测试时间段11∶30-13∶30内太阳辐射照度平均值为740 W/m2,因此在两个小时内2m2面积的集热器所接收到的太阳辐射能量为

Elight=740×2×2=2 960W·h=

2.96kW·h。

(1)

从而,得到该集热器的光热转化效率为

(2)

4 总 结

本文利用蛇形通路的平板太阳能空气集热器、干燥箱、鼓风机、自动控制系统和传感装置等组建了一套太阳能空气集热干燥装置。通过控制系统性能和集热器效率及装置节能效果的测试可以得出以下结论:

1)本实验设计的控制系统峰值时间Tp<6 min,超调量P.O.不超过2.5 %,稳态误差ess=0.2 ℃,系统调节时间Ts<10 min,有效地提高了温度控制的稳定性、精确度。该系统将干燥箱中温度控制在±2℃的误差范围内,提高了干燥设备的自动化程度。此方案完全能够满足实际干燥生产的需要,有利于干燥设备的推广。

2)平板太阳能空气集热器具有良好的集热效果。在西安地理和气候环境下,集热器与地面的夹角为40°,当干燥箱中设定值60℃情况下2小时内,该集热器的光热转化效率为74.32 %。

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(编 辑 陈镱文)

Testing and analysis of colubrine channel typed flat solar air collector-drying system

LUO Jianwen, ZHANG Yonghui, ZHENG Maosheng, XIE Chaochao, LU Liting

(School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069， China)

The performance of self-designed solar drying device is tested and analyzed, which contains PC sheet colubrine channel typed solar air collectors, dry box, control systems, blowers and other units devices. The test was conducted for various selected temperature in the geography and climate environments of Xi′an, the energy-saving efficiency of the system was assessed. The result shows that the system performs a good controlling stability and accuracy, the flat solar air collector has higher heat colleting efficiency of 74.32% with in 2h under condition of the drying box temperature fixed at 60℃.Therefore, it promises a good potential of application in actual drying field.

solar collector; colubrine channel; drying storage; control system; light-heat efficiency

2016-03-10

陕西省工业攻关基金资助项目(2016GY-155)

罗建文，男，甘肃会宁人，从事能源技术与材料研究。

郑茂盛，男，陕西西安人，教授，从事能源技术与材料研究。

TK513

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-012