计算机软件模拟在太阳能干燥器中的应用

常 华

（西安工程大学，陕西 西安 710048）

0 引 言

太阳能是世界上丰富的可再生能源，而且是环境友好的清洁能源，其利用方式多种多样。例如，为保持农产品的储存质量，可利用太阳能对其进行干燥，去除农产品水分的同时保证干燥产品的质量。产品质量取决于许多因素，包括干燥温度和持续时间。诸如草药之类的产品需要低温干燥，以防止传统的高温干燥过程中损失挥发性或活性成分[1]。过去大多利用阳光进行直晒，但该方法需要较大的开放空间，产品质量高度依赖于日照的可用性，并且容易受到异物的污染[2]。太阳能干燥器作为阳光直晒的替代方式，在经济上也是可行的。

目前，全球已设计和开发许多类型的太阳能干燥器，根据所需的干燥能力，可选择太阳能干燥器的参数和尺寸，应用之前需要对其进行测试和性能评估。计算流体力学、MATLAB 等软件的应用对于开发和分析数学模型以预测不同类型的太阳能干燥器的性能非常重要。太阳能干燥器的设计也可以借助软件进行优化，从而节省实验的时间。统计软件SPSS、Sigmaplot 和Statistica 等是用于太阳能干燥器的统计数据分析的重要工具，它可以计算可决系数，简化的卡方检验和均方根误差，这些参数可用于选择描述干燥过程的最佳拟合方程[3]。

本文对不同类型的分析软件和性能评估软件在不同的太阳能干燥器中的应用进行了比较全面地分析和讨论，以期为太阳能干燥器的精准应用提供支撑[4]。

1 太阳能干燥器的模拟和分析

太阳能干燥器大致可分为3 类，包括直接、间接和混合模式太阳能干燥器，这些干燥器应用不同软件进行模拟的情况如下[5]。

1.1 直接太阳能干燥器

在直接太阳能干燥器中，干燥物直接暴露在阳光下以脱除水分。通常这类干燥系统具有一个涂有黑色油漆的吸热表面，该表面可以收集阳光并将其转化为热量，将被干燥物直接放在该表面上即可。这类干燥器一般配有玻璃盖和通风孔，以提高干燥效率[6]。

1.1.1 计算流体力学模拟

在直接太阳能干燥器的设计和优化中，计算流体力学软件可做到模拟不同条件下的空气运动情况以预测干燥速度，进而辅助设计入口风速风向、通风位点布置以及干燥室长度等。

MATHIOULAKIS 等[7-8]研究了采用计算流体力学FLUENT 软件用于干燥器的性能因素影响，可以看出，计算流体力学软件中应用较多的是FLUENT，其强大的气流和温度分布模拟保证了直接太阳能干燥器的具体设计和细节优化。

1.1.2 FORTRAN

相比于计算流体力学软件，通过FORTRAN 开发计算机模拟程序，可更深入地了解干燥过程的热量和质量平衡，从而进行相应曲线拟合，直接指导太阳能干燥器的改进。

MAHAPATRA 等[9]使用FORTRAN 开发了计算机模拟程序，以研究带有集成集热器的隧道式太阳能干燥器的工艺和性能。在该干燥系统的热流网络模型中，考虑了空气在干燥空间中的热量和质量平衡方程，以及在干燥条件下材料静态层的多层传质模型。RAFIEE 等[10]使用Compaq Visual FORTRAN 编程语言编写深层日光温室干燥器的薄层干燥方程和平衡干燥模型，在不同的指定负载（例如15、30、45、60 kg/m2）下获得了洋甘菊干燥的实验数据，平衡干燥模型可计算出温度曲线、物料的水分含量、湿度比曲线和干燥空气的温度。

1.1.3 MATLAB 模拟

MATLAB 模拟则比前两者更加强大，不仅可以编程模拟，还可以进行具体的直接太阳能干燥器设计和优化软件的开发，值得一提的是，MATLAB 还可用于复杂人工神经网络模型的开发，以最大的精度预测直接太阳能干燥器的性能数据。

PRAKASH 等[11]使用MATLAB 软件在干燥器中发挥作用的影响，开发了具有网络设计结构ANFIS模型，以模拟自然对流温室干燥系统中的水分蒸发室温度和粗糖温度。该ANFIS 模型已通过实验观察验证了粗糖的完全干燥。如图1 所示，x 和y 被用作输入向量。燃烧强度w1和w2是从规定部分的等级获得。将E 作为燃烧强度相对于所有燃烧强度的总和的比率。输出的“f”是每个规则的平均权重。ANFIS模型还用于根据环境参数预测温室的热性能。因此，对于给定的带有薄层的粗糖状物体，使用ANFIS 模型可能是开发自然对流温室干燥器的最佳方法。

图1 应用于太阳能干燥器的一阶Sugeno 模糊模型

1.1.4 SPSS

SPSS 常被看作社会科学的常用统计分析数据，其在直接太阳能干燥器的软件模拟数据中的应用主要表现在实验组的设计和少数回归模型的选择上。HOSSAIN 等[12]在太阳能隧道式干燥器的辣椒干燥中使用了统计分析软件SPSS 9.0 进行方差分析，对通过实验获得的红色和绿色辣椒的色值和辛辣指数数据进行了检查。可见，在已有研究中，SPSS 对直接太阳能干燥器的统计分析多限制于牛顿模型，对数模型和Page 模型等线型回归分析。

1.1.5 TRNSYS

TRNSYS 被广泛用作太阳能利用的科学模拟工具，它理论上可在瞬态条件下研究木材干燥过程。由于木材本身的干燥实验特别耗时费力，而TRNSYS则是专门针对木材的直接太阳能干燥过程而被开发。TRNSYS 模拟“木材干燥”的流程图如图2 所示，干燥过程的计算分为60 个部分，选择了15 s 的时间步长。TRNSYS 模拟优化干燥器的目标是不断获得高品质的优质干燥木材，而且，建模使困难又耗时的实验被简单而快速的计算机软件模拟所代替。TRNSYS 不光用于木材干燥模型分析，还可用于洋甘菊等轻质产品的干燥过程模拟分析。

图2 TRNSYS 模拟“木材干燥”的流程图

1.2 间接太阳能干燥器

在间接太阳能干燥器中，涂有黑色油漆的吸热表面会加热周围的空气，此时被干燥物不直接暴露于太阳辐射下，而是让加热的空气随后通过被干燥物，吸收水分并通过烟囱排出。

1.2.1 计算流体力学模拟

相比于直接太阳能干燥器，计算流体力学软件对于间接太阳能干燥器的模拟分析则需要关注更多的位点，包括但不限于集热器的进出口、干燥室的进出口等。

ROMERO 等[13]考虑环境中恒定的对流传热系数后发现，在干燥1 个月后，香草的质量减少了约62%，而不是传统的干燥3 个月。通过FLUENT ANSYS 软件的模拟优化，间接太阳能干燥器的干燥效率大幅提升。

1.2.2 Comsol Multiphysics 模拟

Comsol Multiphysics 是基于先进数值算法的通用仿真软件，可对间接太阳能干燥器中复杂物理场环境进行耦合建模，更精确分析其干燥过程参数的变化。

VINTILA 等[14]应用Comsol Multiphysics 仿真 软件在间接太阳能干燥器中进行物理场建模。该实验通过忽略侧壁的末端效应，使用简化的二维域模型，使用Comsol Multiphysics 计算流体力学代码进行了数值模拟，将预测结果与测量结果进行比较，发现有非常好的一致性。

1.2.3 MATLAB 模拟

对于间接太阳能干燥器的模拟分析，MATLAB更能发挥其强大的瞬态、层流和三维分析功能。

JAIN 等[15]使用MATLAB5.3 求解了倾斜的多通道太阳能空气加热器的瞬态分析模型，该加热器与储热器集成在一起并连接到深床干燥器上。结果表明，基于MATLAB5.3 提出的模型对于评估谷物干燥应用中的平板太阳能空气加热器的热性能非常有用。

1.3 混合式太阳能干燥器

混合式太阳能干燥器是直接和间接太阳能干燥器的组合，其干燥过程是在入射到待干燥材料上的太阳辐射的综合作用下进行的，在太阳能收集器中预热的空气提供了干燥操作所需的热量。

1.3.1 FORTRAN

在既有直接太阳能干燥过程，又有间接作用的复合情况下，通过算法变换和系统评估，FORTRAN 语言强大的编程功能可应对不同占比的直接和间接作用及其多变复杂的运行条件。BENNAMOUN 等[16]开发了FORTRAN 程序，以获得平板集热器和太阳能干燥器的干燥室之间能量平衡的偏微分方程，结果表明，具有3 m2有效集热器表面积的太阳能间歇式干燥器在50 ℃下每天可干燥250 kg 洋葱片。

1.3.2 MATLAB 模拟

MATLAB 模拟在混合式太阳能干燥器中的应用则更加倾向于特殊形式的混合太阳能干燥器，包括自然对流太阳能干燥器、PV/T 混合模式干燥器等。同时，MATLAB 模拟的神经网络模型功能在混合式太阳能干燥器的复杂运行条件下可得到更好的展示。

VINTILA 等[14]对干燥器中MATLAB 软件的应用作了相应研究，结果显示，该工具可使设计人员无需进行全面的实验即可估算和优化控制太阳能干燥过程。

1.3.3 Sigmaplot

除了SPSS 和Statistica，具有强大图形功能的Sigmaplo 统计软件也被用于混合式太阳能干燥器的统计分析，以可视化方式展示复杂的统计分析结果。

TRIPATHY[17]将Sigmaplot 应用于自然对流混合模式太阳能干燥器中的马铃薯干燥回归分析。为了解释马铃薯样品的干燥性能，对8 个薄层干燥模型进行了侧试并进行了统计比较，得出的结论是，改进的Page 模型最适合于解释马铃薯切片和圆柱体的干燥动力学。

2 结 语

越来越多的模拟和仿真软件在太阳能干燥器的优化设计和深度分析中得到应用，基于这些软件的分析数据，不仅可节省干燥器的具体实验运行时间，而且可降低太阳能干燥器的研发和制造成本。通过软件模拟，可以清楚地看到干燥室内以及整个干燥单元内的气流和温度分布及变化。更重要的是，软件的模拟分析有助于选择具体合适的太阳能干燥器类型，还可为特定被干燥物设计新型太阳能干燥器，这对于经济价值高的果蔬、中草药等农产品的保存尤为重要。随着科技的进步，会有更多研究人员提出更强大的太阳能干燥器计算机仿真模拟软件，这不仅有助于太阳能干燥器本身的设备研发和完善，也将促进计算机领域相关技术的进一步发展。