小型太阳能循环干燥机设计及试验

2023-12-22马文军

农机使用与维修 2023年12期

马文军

(黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院,黑龙江佳木斯 154004)

0 引言

在当前全球资源紧缺和环境保护的背景下,寻找可持续、清洁的能源利用方式成为了全球研究的热点之一。太阳能作为一种丰富的可再生能源,具有广阔的应用前景。太阳能循环干燥是将太阳能转化为干燥过程所需的热能,以实现对各种材料快速、节能的干燥处理[1-3]。

太阳能循环干燥作为利用太阳能进行干燥的方法,经过不断研究与创新取得了显著进展。研究人员在系统设计与优化、热能储存技术、热量转移机制和性能评估等方面进行了深入研究,如优化太阳能集热器[4]、改善循环风扇和干燥室的参数配置,提高能量利用效率和干燥速度[5]。其中,热能储存技术的引入解决了太阳能不稳定性的问题,改进热量传递机制,进一步提高了干燥效率[6]。尽管太阳能循环干燥的研究得到了广泛关注,但在设备研制方面仍存在较少的研究成果,特别是针对小型太阳能循环干燥设备的研究。

为了推动小型太阳能循环干燥设备的发展,满足农户对小型干燥设备的要求,提高太阳能循环干燥的应用范围,本文设计一种小型太阳能循环干燥设备,以大豆为研究对象开展干燥验证。

1 小型太阳能循环干燥机结构及工作原理

1.1 结构组成

小型太阳能循环干燥设备主要包括太阳能集热器、吸气风机和干燥室等主要部件组成。

1.1.1 太阳能集热器

太阳能集热器主要作用是收集太阳辐射能并将其转化为热能,为干燥过程提供热源,包括平板式(图1a)和真空管式(图1b)结构。平板式集热器具有结构简单、制造成本低等优点。真空管式太阳能集热器具有较高的热效率和良好的隔热性能。为更好吸收太阳辐射能,本文选择真空管式太阳能集热器,布置方式选用南斜式布置方式,因为太阳直射时太阳辐射能的入射角度最大,能量传输效率也最高。将太阳能集热器朝向太阳直射方向布置,可以使集热器表面与太阳辐射的垂直入射角最小化,从而最大限度地吸收太阳能并将其转化为热能。此外,南斜式布置方式还有助于在不同季节和不同时间段内优化太阳能的吸收效果,通过调整集热器的倾角,可以使集热器在不同季节都能获得最佳的太阳辐射能吸收效果,提供稳定而持续的热能供应。为满足对热风温度的需求,设置太阳能集热器吸热板参数如表1所示。

表1 太阳能集热器吸热板参数

图1 太阳能集热器分类

1.1.2 吸气风机

小型太阳能循环干燥机中的吸气风机是关键的组成部分,引入外部空气并将其送入太阳能集热器,以产生热风用于干燥[7-8]。通过合理的吸气风机设计,可以确保充足的新鲜空气进入太阳能集热器,以产生足够热风用于干燥过程。同时,风机的高效运行和可靠性能够提高整个小型太阳能循环干燥机的干燥效率和工作稳定性。

本文选择轴流风机作为吸气风机,通过叶轮的旋转将空气沿轴线方向推动,产生较大风量和较低风压,适用于需要大风量但风速要求较低的干燥过程。本文选择FV-20NLF1型吸气风机,性能参数如表2所示。

表2 FV-20NLF1型吸气风机性能参数

1.1.3 干燥室

干燥室是太阳能循环干燥设备中的关键组成部分,负责完成谷物干燥和热风的传热传质过程。为满足小型农户的干燥量需求,本文设定干燥仓的尺寸为800 mm×800 mm×1 500 mm,干燥室材料选择为不锈钢,同时在干燥室安装两个筛网叶轮,叶轮在干燥室内的交叉平带作用下反向转动。每个叶轮上均匀分布有6个筛网叶片,叶片之间的夹角为60°(图2),可以实现物料的翻动和混合,以促进热风与谷物之间的充分接触和传热传质,从而实现有效的干燥过程。

图2 筛网叶轮

1.2 工作原理

太阳能集热器将太阳辐射能转化为热能,并通过吸气风机的引导和循环热风的作用产生负压,将空气吸入太阳能集热器,并经过热传导和对流,吸收集热器中的热能将热风送入干燥室[9]。在干燥室内,农产品经过筛网叶轮的搅拌和热风的传热传质过程,通过反向转动,实现农产品的搅拌均匀干燥和水分蒸发。

2 小型太阳能循环干燥机工艺试验研究

2.1 试验设计

以大豆烘干为试验过程,通过小型太阳能循环干燥机的工艺试验,评估其在农副产品干燥方面的性能和效果,验证其可行性和可靠性。本文选取干燥温度和风速为试验因素,以干燥效率和能源利用效率为评价指标开展试验。

2.1.1 试验因素

设定不同的干燥温度,分别为30,40,50 ℃。风速设定为1,2,3 m/s。

2.1.2 测定指标及方法

1)干燥效率。测量试验材料在不同干燥条件下的初始水分含量和最终水分含量,并计算水分去除百分比。计算公式如式(1)所示

干燥效率(%)=(初始水分含量-最终水分含量)/初始水分含量×100%

(1)

2)能源利用效率。测量太阳能集热器的热能输出和干燥室的能量消耗,并计算能源利用效率。计算公式如式(2)所示

能源利用效率(%)=(干燥室的能量输出/太阳能集热器的热能输入)×100%

(2)

2.2 结果与分析

2.2.1 干燥效率

在小型太阳能循环干燥机试验中,测定了不同干燥条件下的干燥效率,试验结果如表3所示,随着干燥温度的升高,干燥效率逐渐提高。主要是由于较高的温度可以提供更多的热能,促进水分的蒸发,从而加快干燥过程。其次,较高的风速可以增加热风与试验材料之间的传热传质效率,促进水分的蒸发和去除。因此,在合适的干燥温度和风速条件下,小型太阳能循环干燥机能够实现较高的干燥效率。综合考虑干燥温度和风速的影响,最佳的组合是60 ℃的干燥温度和3 m/s的风速,达到了最高的干燥效率。

表3 不同试验条件下大豆干燥效率分析

2.2.2 能源利用效率

不同干燥条件下的能源利用效率试验结果如表4所示,结果表明,较高的温度可以提供更多热能,使能源得到更有效的利用,从而提高能源利用效率。其次,较高的风速可以增加热风与试验材料之间的传热速率,促进能源的有效利用。综合考虑干燥温度和风速的影响,最佳的组合是60 ℃的干燥温度和2 m/s的风速,主要是由于增加风速可以提高空气与谷物之间的传热速度,从而加速干燥过程,但高风速会导致能耗增加。