折流板型太陽(yáng)能干燥裝置的性能分析

張永輝,羅建文,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安　710069)

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折流板型太陽(yáng)能干燥裝置的性能分析

張永輝,羅建文,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安710069)

研究由折流板型太陽(yáng)能空氣集熱器和干燥箱組成的太陽(yáng)能干燥裝置的集熱效果和最佳連接方式。結(jié)果表明,在西安夏季晴天時(shí),集熱器出口最高溫度和平均溫度分別為82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分別達(dá)到76.18%和71.32%。提出了評(píng)價(jià)集熱器與干燥器連接效能的方法,并通過(guò)對(duì)4組試驗(yàn)情況的對(duì)比,得到當(dāng)干燥裝置采用機(jī)械對(duì)流時(shí),集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機(jī)械對(duì)流循環(huán)且氣體上進(jìn)下出。

太陽(yáng)能;折流板集熱器;效率;連接

在石油、煤炭等化石燃料日趨枯竭的情況下,太陽(yáng)能已成為人類能源的重要組成部分,被公認(rèn)為未來(lái)社會(huì)的能源支柱,有著廣闊的發(fā)展前景[1]。中國(guó)地處亞熱帶與北溫帶地區(qū),在世界范圍內(nèi)屬太陽(yáng)能資源最豐富的國(guó)家之一,年日照量在2 000h以上的區(qū)域約為國(guó)土面積的2/3[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析,中國(guó)陸地面積每年接受的太陽(yáng)輻射總量約為每年3 340～8 400MJ/(m2·a)，中值為5 860 MJ/(m2·a)[3]。

在太陽(yáng)光的自然照射下晾曬物品就是最原始的太陽(yáng)能干燥技術(shù),但易受蟲(chóng)鼠、灰塵污染,影響產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)干燥時(shí)間長(zhǎng)。

設(shè)有專門(mén)干燥室的太陽(yáng)能干燥裝置,可避免蟲(chóng)鼠、灰塵的污染,同時(shí)有利于干燥溫度的提升,以縮短干燥時(shí)間。與其他采用加熱干燥技術(shù)相比,太陽(yáng)能干燥具有許多優(yōu)越性：①節(jié)省能源。常壓下,20℃水的汽化潛熱為2 448kJ/kg。據(jù)此估算,干燥1t農(nóng)副產(chǎn)品就要消耗1t以上的原煤[4],若采用太陽(yáng)能則能有效節(jié)約1t以上的原煤。②減少污染。太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的新能源,避免了因燃燒煤炭、石油等常規(guī)能源而產(chǎn)生的廢氣排放問(wèn)題,緩解環(huán)境壓力。

目前，世界上許多國(guó)家都在對(duì)太陽(yáng)能干燥技術(shù)進(jìn)行研究和推廣應(yīng)用。EI-Sawi A.M.等將連續(xù)的Λ型吸熱板應(yīng)用于太陽(yáng)能空氣集熱器,并與平板,V型板進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)[5]。結(jié)果表明,在特定條件下集熱效率可增加20%。Yadav A.S.等對(duì)雷諾數(shù)范圍為3 800～1 800的太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行二維的數(shù)值模擬[6],分析了12種不同配置的等邊三角形截面吸熱板對(duì)集熱腔內(nèi)換熱過(guò)程的影響。在理論分析的基礎(chǔ)上,提出了吸熱板結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)原則。胡建軍等通過(guò)改變結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)[7],對(duì)折流板型太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化,并分析了特定尺寸集熱器中腔數(shù)的最佳分割問(wèn)題,結(jié)果顯示折流板的設(shè)置能有效增加集熱效率。在集熱腔內(nèi)設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)或改良吸熱板表面形狀可以在集熱器內(nèi)人為地制造湍流,從而強(qiáng)化換熱過(guò)程,這也是提高集熱效率的方式[8-9]。王云峰等研制了一種太陽(yáng)能三七干燥設(shè)備[10],由V型波紋槽吸熱面的空氣集熱器和絕熱干燥箱及通風(fēng)裝置組成。在昆明的地理?xiàng)l件下,測(cè)得冬季晴天時(shí)最高溫度和最高效率分別達(dá)到62.2℃和76.7%;并且比較了機(jī)械通風(fēng)條件下,不同進(jìn)、出風(fēng)位置無(wú)循環(huán)時(shí),干燥箱的熱性能,結(jié)果表明當(dāng)干燥箱頂部進(jìn)風(fēng)底部排風(fēng)的方式時(shí),能量損失小,更利于箱內(nèi)保溫和節(jié)能。

本文報(bào)道了利用自行設(shè)計(jì)的折流板型PC 陽(yáng)光板太陽(yáng)能空氣集熱器干燥裝置。于2014年5月份在西安地理和氣候環(huán)境下,對(duì)比研究了有無(wú)循環(huán)情況下的性能，以期找到干燥箱的最佳通風(fēng)方式。結(jié)果表明,該裝置集熱器平均效率為74.93%,可以用于實(shí)際物料的干燥。

1　集熱器及其工作原理

1.1集熱器的構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的集熱器為折流板型太陽(yáng)能空氣集熱器。主要構(gòu)件包括吸熱板、陽(yáng)光板、保溫層、殼體?？紤]到殼體強(qiáng)度、安裝便捷及經(jīng)濟(jì)成本等因素,確定折流板型太陽(yáng)能空氣集熱器外殼為2100mm×1100mm×100mm的開(kāi)口木箱。該集熱器吸熱板為波紋型吸熱板,其上噴涂有黑色吸熱涂層,具有耐高溫,高吸收率的效果。集熱腔內(nèi)部安裝折流板,形成蛇形通道以提高集熱效率。陽(yáng)光板采光面積為2m2。

根據(jù)西安地理位置以及常年光照角度,設(shè)定集熱器與地面的夾角為40°,以充分吸收利用陽(yáng)光。干燥室由保溫材料制作,外部尺寸為1000mm×1000mm×1000mm,內(nèi)部設(shè)置多層物料架,最大限度利用熱能。

1 陽(yáng)光板; 2 吸熱板; 3 進(jìn)氣口; 4 折流板; 5 外殼和保溫層; 6 出氣口圖1　太陽(yáng)能空氣集熱器基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Basic structure of the solar air-heating collector

1 太陽(yáng)能輻射儀; 2 集熱器; 3 干燥箱; 4 風(fēng)機(jī); 5 支架圖2　太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the solar drier

1.2工作原理

太陽(yáng)能干燥是以太陽(yáng)輻射能為熱源加熱被干燥物料,是利用太陽(yáng)能加熱空氣器進(jìn)行干燥,或者直接晾曬物品而干燥的[12]。本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能干燥裝置由太陽(yáng)光透過(guò)陽(yáng)光板、折流板、集熱板吸收等構(gòu)成集熱器,獲得熱空氣。熱空氣從出口流出在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下,被送往干燥箱。

2　試驗(yàn)設(shè)備和方法

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用設(shè)備和測(cè)試儀器如表1所示。

表1　設(shè)備和儀器

注：試驗(yàn)于2014年5月和6月在西安市西北大學(xué)太白校區(qū)進(jìn)行。

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1太陽(yáng)能集熱器效率試驗(yàn)太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)效率ηa定義為在穩(wěn)態(tài)條件下,集熱器實(shí)際獲得的有用功率與集熱器表面接收的太陽(yáng)輻射功率之比,是衡量太陽(yáng)能集熱器工作性能的重要指標(biāo)。

集熱器實(shí)際獲得的有用功率計(jì)算公式為:

Q=mcfΔT。

(1)

式中: m為工質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;cf為對(duì)應(yīng)于平均工質(zhì)溫度tm的傳熱工質(zhì)比熱容,J/(kg·℃);ΔT 為工質(zhì)進(jìn)出口溫度差,ΔT=te-ti,ti為進(jìn)口溫度,te為出口溫度。

集熱器的瞬時(shí)效率ηa計(jì)算公式為:

ηa=Q/(AaG)。

(2)

式中: Aa為集熱器采光面積,m2;G為集熱器所接收到的太陽(yáng)光的輻照度,W/m2。

測(cè)定集熱器效率特性的試驗(yàn)在晴朗天氣條件下進(jìn)行,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4271-2007實(shí)施[13]。

2.2.2太陽(yáng)能干燥裝置的熱性能試驗(yàn)在空氣含濕量不變的情況下,提高空氣溫度,既能增加空氣對(duì)物料水分汽化和帶走水分的能力,同時(shí)還加大了物料水分的擴(kuò)散速率,從而提高干燥效率[14]。為了提高干燥箱內(nèi)空氣溫度,可對(duì)集熱器與干燥箱的連接方式進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法為:①在集熱器與干燥箱間采用鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)械對(duì)流方式;②在干燥箱頂部和底部各設(shè)置一個(gè)空氣進(jìn)出口,當(dāng)其中一個(gè)連接熱空氣進(jìn)氣管道作為進(jìn)氣口時(shí),另一個(gè)作為排氣口，在環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度相近的4d內(nèi)測(cè)量干燥箱及集熱器的溫度;③實(shí)際干燥作業(yè)時(shí),干燥箱排出空氣的濕度在濕度設(shè)定值之下時(shí)空氣可循環(huán)利用。

選用4種集熱器與干燥箱的連接方式進(jìn)行了試驗(yàn),按對(duì)流方式、干燥箱空氣進(jìn)出口位置及排氣有無(wú)循環(huán)分別命名為:①Ⅰ型(機(jī)械對(duì)流,氣體在干燥箱中由下口進(jìn)上口出,簡(jiǎn)稱下進(jìn)上出,并循環(huán));②Ⅱ型(機(jī)械對(duì)流,下進(jìn)上出,不循環(huán));③Ⅲ型(機(jī)械對(duì)流,上進(jìn)下出,循環(huán));④Ⅳ型(機(jī)械對(duì)流,上進(jìn)下出,不循環(huán))。在上述4種連接方式種,集熱器始終保持為下進(jìn)上出的通氣方式。

對(duì)比試驗(yàn)以上幾種測(cè)試情況,選擇效率最高的最優(yōu)連接方式。

3　結(jié)果與分析

3.1太陽(yáng)能集熱器效率試驗(yàn)

試驗(yàn)日期為2014年5月26日,測(cè)量時(shí)間為09∶02∶00至15∶02∶00,數(shù)據(jù)記錄間隔為4min,這時(shí)集熱器不與干燥箱連接,上下氣口均打開(kāi)。試驗(yàn)期間,太陽(yáng)能集熱器采光面的輻照度平均值為707.11W/m2,平均環(huán)境溫度為26.12℃。圖3是集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta之差(te-ta)隨時(shí)間變化情況。從圖3可以看出,大約2h后,集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta之差趨于穩(wěn)定。

圖3　集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta之差(te-ta)隨時(shí)間變化曲線Fig.3　Variation of the difference between the outlet temperature of the collector and the ambient temperature

由公式(1)，(2)可以計(jì)算得到基于集熱器采光面積的平均效率。計(jì)算時(shí)空氣比熱為1.37kJ/(kg·℃),流量為0.018kg/s,試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2中溫度及輻照度數(shù)據(jù)分別為1h內(nèi)的平均值。

若以歸一化溫差Ti*為參考,則集熱器的瞬時(shí)效率公式為:

ηa=ηo-UTi*。

(3)

式中:Ti*=(ti-ta)/G，ti為集熱器空氣進(jìn)口溫度,單位為℃,ta為環(huán)境溫度,℃;G為集熱器采光面積上總?cè)丈漭椪斩?W/m2。在計(jì)算以Ti*為參考的集熱器瞬時(shí)效率時(shí),將每36min數(shù)據(jù)取平均值,則基于采光面積Aa和集熱器進(jìn)口溫度ti的瞬時(shí)效率曲線(線性擬合)如圖4所示,擬和線性關(guān)系式為:

ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

(4)

圖4　集熱器瞬時(shí)效率與基于集熱器進(jìn)口溫度Ti*的關(guān)系曲線Fig.4　Linear correlation between instantaneous efficiency of collector and inlet temperature of heat collector based on

3.2太陽(yáng)能干燥裝置的通風(fēng)連接方式

測(cè)量了4種集熱器與干燥箱連接方式情況下,干燥裝置的溫度數(shù)據(jù),以分析集熱器和干燥箱不同通風(fēng)方式的優(yōu)劣,期望找到該太陽(yáng)能干燥裝置的最佳通風(fēng)方式。干燥裝置運(yùn)行約2h后,干燥箱內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定,有關(guān)分析和測(cè)試結(jié)果列入表3中。干燥箱進(jìn)出口溫差隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5　機(jī)械對(duì)流試驗(yàn)干燥箱進(jìn)出口溫差隨時(shí)間變化Fig.5　Variation of the difference of temperature between inlet and outlet of the solar drier for mechanical convection test

由表3數(shù)據(jù)可以看出,試驗(yàn)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的集熱器與干燥箱平均溫差21.81℃，14.47℃，12.54℃，10.53℃。

表3　干燥裝置通風(fēng)性能試驗(yàn)結(jié)果

可以采用集熱器和干燥箱平均溫差與集熱器平均溫度之比,作為衡量指標(biāo)。它表征了干燥箱內(nèi)溫度與集熱器內(nèi)溫度接近的程度,就得到了表3中第8列的數(shù)值。這個(gè)比值越小就表示二者越接近。從表3和圖5可見(jiàn),第4種情形,即機(jī)械對(duì)流、下進(jìn)上出、有循環(huán)時(shí)的連接方式,效果最佳,而且進(jìn)出口溫度差別也較小,而且由于自然對(duì)流的作用,有利于溫度均勻化。這與王云峰等在無(wú)循環(huán)時(shí)[10],所得到的最佳連接方式不一樣。

這是由于采用這種機(jī)械對(duì)流循環(huán)方式不僅有助于推動(dòng)集熱器熱量的轉(zhuǎn)移,而且借助于氣體自然對(duì)流的作用,有利于干燥箱溫度的均勻化。

4　結(jié)　論

本文論述了太陽(yáng)能干燥設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了干燥裝置的性能試驗(yàn)得出的結(jié)論如下:

1)太陽(yáng)輻照度平均值為707.11W/m2,平均環(huán)境溫度為26.12℃,流量為0.018kg/s時(shí),在西安夏季晴天時(shí),集熱器出口最高溫度和平均溫度分別為82.10℃和72.89℃,其最高效率和平均效率分別達(dá)到76.18%和71.32%。

2)擬合得到了基于采光面積Aa和集熱器進(jìn)口溫度ti的瞬時(shí)效率線性關(guān)系式:ηa=0.658 96+3.437 7Ti*。

3)提出了評(píng)價(jià)集熱器與干燥器連接效能的方法,并通過(guò)對(duì)4組試驗(yàn)情況的對(duì)比,得到當(dāng)干燥裝置采用機(jī)械對(duì)流時(shí),集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機(jī)械對(duì)流循環(huán)，且氣體上進(jìn)下出。

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(編輯陳鐿文)

Performance analysis for solar drying equipment with baffle-plate air collector

ZHANG Yong-hui, LUO Jian-wen, ZHENG Mao-sheng, XIE Chao-chao, LU Li-ting

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

A kind of solar drying device which was composed of a baffle-plate solar air collector and a drying box was employed to test the efficiency of solar collector, and the optimized connection between solar collector and drying box. It results that the averaged heat exchanger efficiency of the collector is 71.32% for the average solar irradiance of 707.11W/m2and air flow rate of 0.018kg/s in Xi′an in summer. An assessment for connecting efficiency of solar collector and drying box is proposed. It proved that the optimized mode of the connection between solar collector and drying box is upper entrance and lower exit under blowing air condition.

solar energy; baffled collector; efficiency; connection

2015-04-11

陜西省工業(yè)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2016GY-155)

張永輝，男，山東日照人，從事能源技術(shù)與材料研究，

TK513

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-014