基于太陽(yáng)能煙囪效應(yīng)的糧食干燥機(jī)的流動(dòng)與傳熱研究分析

李子翰　周澤華　劉鑫宇

摘 要：提出一種太陽(yáng)能煙囪的糧食干燥裝置的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)該方案的通風(fēng)性進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)利用流體分析軟件fluent對(duì)集3個(gè)不同高度的集熱模型進(jìn)行空氣溫度和流速進(jìn)行仿真，并分析系統(tǒng)內(nèi)的空氣的流動(dòng)和傳熱情況，找出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析速度和溫度分布圖得出：煙囪高度為340mm的太陽(yáng)能煙囪模型為最優(yōu)干燥結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能煙囪；糧食干燥；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TU746.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0085-01

我國(guó)糧食干燥設(shè)備主要采用大型機(jī)械設(shè)干燥，其消耗能源極高，而小型農(nóng)戶采用的曬場(chǎng)式干燥法作業(yè)周期長(zhǎng)，人工物資費(fèi)用較高，因此，提出了一種小型太陽(yáng)能糧食煙囪干燥裝置，該裝置采用煙囪式設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能輻射為空氣流動(dòng)提供浮生力，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，強(qiáng)化了自然通風(fēng)，從而達(dá)到干燥糧食的目的。

1 物理模型

1.1 工作原理

如圖1所示該裝置由集熱模塊、儲(chǔ)糧模塊和煙囪模塊構(gòu)成。集熱模塊基于集熱器設(shè)計(jì)，當(dāng)太陽(yáng)光入射時(shí)，面板吸收太陽(yáng)光線中的熱量，同時(shí)熱量通過(guò)空氣介質(zhì)從導(dǎo)管流出。煙囪模塊提供了一個(gè)上下高度差，集熱模塊集熱將熱能傳遞給底部空氣，上下空氣溫度存在差值，熱對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)，使糧食得到熱量，糧食內(nèi)部水蒸氣不斷蒸發(fā)。

1.2 樣機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，如圖2所示整個(gè)模型底部直徑為290mm。通過(guò)集熱器集熱加熱模型內(nèi)空氣，裝置底部溫度高于頂部溫度，從而產(chǎn)生熱壓，通過(guò)壓力差產(chǎn)生的浮升力帶動(dòng)空氣向上流動(dòng)，干燥糧食作物。干燥艙內(nèi)直徑為390mm，高為340mm，煙囪為普通煙囪，高度 h選取了三種不同高度，圖中高度為416mm，通道直徑為90mm，空氣出口也為90mm，入口直徑為40mm。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立分別列出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、和能量方程，由于熱壓和風(fēng)壓聯(lián)合作用下自然通風(fēng)系統(tǒng)的氣流流動(dòng)屬于湍流，所以對(duì)于模型內(nèi)氣流流動(dòng)應(yīng)用方程對(duì)其進(jìn)行求解。

方程為：

2.2 邊界條件

在進(jìn)行分析是采用非均勻網(wǎng)格劃分，太陽(yáng)能集熱器和空氣進(jìn)口進(jìn)行加密，并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。

（1）為了使仿真結(jié)果更明顯，設(shè)定環(huán)境里環(huán)境溫度為285k，而進(jìn)風(fēng)口溫度為330k。（2）進(jìn)口為速度進(jìn)口，根據(jù)文獻(xiàn)中的計(jì)算公式可以算出出口速度為0.675m/s。為了使模擬結(jié)果更明顯，設(shè)進(jìn)口速度為0.8m/s。（3）在整個(gè)過(guò)程中，自然通風(fēng)是由熱壓和風(fēng)壓共同作用下產(chǎn)生，所以在湍流強(qiáng)度中選用6%，水利直徑為0.14m（4倍的進(jìn)口面積與濕周的比）。（4）出口設(shè)為壓力出口。（5）其他墻體為默認(rèn)設(shè)置。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

利用Fluent軟件對(duì)太陽(yáng)能煙囪內(nèi)的溫度和速度分別進(jìn)行模擬，效果圖如圖3～圖4所示。

圖4為煙囪高度為960mm太陽(yáng)能煙囪整體的溫度和速度分布圖，圖4（a）為溫度分布圖，圖4（b）為速度分布圖。取干燥模塊為主要分析部分。并截取以上2種不同高度的部分模擬圖。

由于數(shù)值模擬時(shí)，集熱板設(shè)為定溫條件。對(duì)比兩組圖片所示的溫度分布圖，溫度分布差異不大。

在速度分布圖中，空氣從入口進(jìn)入，氣體速度降低，在沿?zé)焽柚兴俣壬?，?duì)比兩組圖，h=340mm氣體速度分布更好，穩(wěn)定性更高經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié)果與討論

得出結(jié)論如下：

（1）當(dāng)煙囪高度變化時(shí)，干燥艙內(nèi)部溫度變化不明顯，但溫度變化較少；（2）模型內(nèi)空氣流動(dòng)穩(wěn)定性主要煙囪高度有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]Tu J Y， Yeoh G H， Liu C Q.劉曉冬，譯.計(jì)算流體力學(xué)——從實(shí)踐中學(xué)習(xí)[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2009.

[2]朱麗，王一平，胡彤宇，等.不同蓄熱方式下太陽(yáng)能煙囟的溫升性能[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（3）：290-294.