■ 伊松林 馮小江 譚輝 張璧光

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院；2.北新集團(tuán)建材股份有限公司；3.西雙版納州綜合技術(shù)檢測中心)

一 引言

干燥作業(yè)涉及國民經(jīng)濟(jì)的廣泛領(lǐng)域，是大批工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品不可或缺的基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。干燥作業(yè)能耗高，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球20%～25%的能源用于工業(yè)化的熱力干燥。干燥也是我國的耗能大戶之一，所用能源占國民經(jīng)濟(jì)總能耗的12%左右。另外，干燥過程造成的污染也常常是我國環(huán)境污染的重要來源。因此實(shí)現(xiàn)干燥技術(shù)的節(jié)能與環(huán)保十分重要。

與采用常規(guī)能源的干燥裝置相比，太陽能干燥具有節(jié)能、減少對環(huán)境的污染、運(yùn)行費(fèi)用低和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。今后我國在太陽能干燥技術(shù)的應(yīng)用方面也會(huì)有一定的發(fā)展，特別是一些小型、簡易的太陽能干燥室，在太陽日照條件好，而經(jīng)濟(jì)又欠發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，有較好的應(yīng)用前景。針對這種情況，筆者近年來研制了一套小型可移動(dòng)式太陽能干燥裝置。

二 太陽能干燥裝置的設(shè)計(jì)

1 干燥參數(shù)選取與裝置工作說明

本設(shè)計(jì)以木材為干燥對象，也可干燥其他物料。綜合考慮箱式太陽能干燥裝置的外型尺寸以及它的移動(dòng)性，將干燥裝置干燥的實(shí)材體積設(shè)計(jì)為0.03m3。通過理論計(jì)算得到干燥箱每小時(shí)所需要的熱量為199.4kJ，儲(chǔ)熱裝置需要的儲(chǔ)熱量為3402kJ，干燥箱每小時(shí)需要的循環(huán)空氣為259.2 m2，風(fēng)機(jī)全壓為390 Pa (詳見參考文獻(xiàn)5)。

如圖1所示為干燥裝置的總成照片，其干燥箱本體兩側(cè)以及儲(chǔ)熱裝置的兩側(cè)分別開有循環(huán)風(fēng)口，通過有保溫的管道與集熱器的兩端連接，在集熱器及儲(chǔ)熱箱的出口端各安裝有一個(gè)離心風(fēng)機(jī)。由于箱式干燥裝置的體積相對溫室型干燥設(shè)施小，排濕問題容易解決，干燥箱的頂部有旋扣式排濕口。

集熱器出風(fēng)口處、干燥箱本體和儲(chǔ)熱箱的進(jìn)風(fēng)口處各安裝有一個(gè)風(fēng)閥，可以控制進(jìn)入干燥箱和儲(chǔ)熱箱通道的開關(guān)，從而保證干燥箱中各階段的溫度均勻，且易于控制。白天，當(dāng)干燥箱中的溫度低于設(shè)定的干燥溫度時(shí)，可以打開集熱器到干燥箱的風(fēng)閥，并關(guān)閉集熱器到儲(chǔ)熱箱的風(fēng)閥，集熱器給干燥箱供熱；當(dāng)干燥箱中的溫度高于設(shè)定的干燥溫度時(shí)，可以關(guān)閉集熱器到干燥箱的風(fēng)閥，同時(shí)打開集熱器到儲(chǔ)熱箱的風(fēng)閥，將多余的熱量儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱箱中。晚上，由于沒有陽光，集熱器停止工作，關(guān)閉集熱器出風(fēng)口處的風(fēng)閥，以防止由于管路原因造成熱量散失，并保持干燥箱和儲(chǔ)熱箱之間的循環(huán)通道打開，此時(shí)由儲(chǔ)熱箱給干燥箱供熱。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣，集熱器和儲(chǔ)熱箱都不能給干燥箱供給熱量的時(shí)候，就可以啟動(dòng)干燥箱內(nèi)的輔助電加熱器，以保障干燥過程的正常連續(xù)進(jìn)行。

2 太陽能干燥裝置組成設(shè)備與參數(shù)

太陽能干燥裝置由具有輔助電加熱器的干燥箱本體、移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及集熱、儲(chǔ)熱、控制等系統(tǒng)組成。干燥裝置的各部分為：

(1)干燥箱本體：包括放置待干物料的干燥箱和促使干燥箱內(nèi)空氣流動(dòng)的內(nèi)部循環(huán)風(fēng)機(jī)。此外，為了保證干燥裝置能夠在持續(xù)陰雨天氣和冬天都能連續(xù)正常工作，在干燥箱底部加裝了兩組功率分別為900W的電加熱器，既可單獨(dú)工作，也可同時(shí)工作。

(2)集熱系統(tǒng)：包括收集太陽能的熱管式真空太陽能空氣集熱管、將收集的太陽能轉(zhuǎn)化成可利用熱能的集熱箱、促使空氣流動(dòng)的離心風(fēng)機(jī)以及控制集熱系統(tǒng)工作的風(fēng)閥。為了增強(qiáng)換熱，在集熱管的冷端加裝了螺旋翅片。裝置中采用YDKR-58-1500型熱管真空集熱管13根，呈“V”字形排列，此種排列方式，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、接收太陽能充分，而且可使集熱箱內(nèi)換熱效果更好。在集熱管的下面還加裝了折光板，用于反射太陽光，使集熱管最大限度吸收太陽能。

(3)儲(chǔ)熱系統(tǒng)：包括促使空氣流動(dòng)的離心風(fēng)機(jī)、控制儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作的風(fēng)閥、儲(chǔ)存集熱系統(tǒng)輸送的熱量的儲(chǔ)熱箱。儲(chǔ)熱箱內(nèi)部放置有外殼為鋁管的儲(chǔ)熱管束，儲(chǔ)熱管束通過支架呈叉排方式排列在儲(chǔ)熱箱內(nèi)，儲(chǔ)熱管內(nèi)裝有石蠟相變儲(chǔ)熱材料，用于將熱能轉(zhuǎn)變成相變潛熱存儲(chǔ)。

(4)控制系統(tǒng)：兼有手動(dòng)、自動(dòng)及數(shù)據(jù)采集功能，通過分別安裝在集熱箱、干燥箱和儲(chǔ)熱箱中的溫度傳感器測定的溫度，調(diào)控安裝在集熱系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)管道上的閥門和離心風(fēng)機(jī)開啟或關(guān)閉?？勺詣?dòng)實(shí)施無動(dòng)作、儲(chǔ)熱、集熱器供熱、儲(chǔ)熱系統(tǒng)供熱、輔助加熱器供熱五種工作模式。

此外，在干燥裝置底座的前部，裝有移動(dòng)整個(gè)裝置的杠桿機(jī)構(gòu)，通過拉動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)干燥裝置，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)干燥裝置的移動(dòng)，以便最大限度接收和轉(zhuǎn)化太陽能。此種可移動(dòng)式太陽能干燥裝置各部分的參數(shù)見表1。

表1 小型可移動(dòng)式太陽能干燥裝置主要設(shè)備參數(shù)

三 太陽能干燥裝置的性能

1 太陽能集熱器

整個(gè)干燥裝置集熱器的平均功率為0.572kW，單根熱管真空集熱管的平均功率達(dá)到45W左右，完全能夠滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)需求；集熱器的平均供風(fēng)溫度為60.1℃，最高可達(dá)65℃；集熱器的瞬時(shí)熱效率為56%左右，高于普通的平板式集熱器；由于該裝置體積小、保溫效果好、熱損失小，故太陽能系統(tǒng)向干燥箱的供熱效率較高，可達(dá)到70%以上。

2 石蠟相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)

石蠟相變材料的相變區(qū)間為48℃～54℃，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為58.8%～74.4%，平均儲(chǔ)能效率大于66%，儲(chǔ)熱密度為54.5MJ/m3。

試驗(yàn)證明，隨著石蠟管排數(shù)的增加，石蠟系統(tǒng)的換熱增強(qiáng)，但大于15排以后就可以忽略管排數(shù)的影響。

3 干燥木材的測試

使用此干燥裝置干燥35mm厚的杉木板材，從含水率72.7%降至13.5%耗時(shí)99小時(shí)，相比于大氣干燥，太陽能干燥時(shí)間縮短了111小時(shí)，干燥速率提高了1.12倍。針對木材干燥質(zhì)量的檢測表明：93.3%達(dá)到了終含水率標(biāo)準(zhǔn)，并且干燥均勻度很好，各測點(diǎn)最終含水率與平均最終含水率的偏差范圍為?0.94%～1.98%。

此裝置在晴朗天氣的白天采用太陽能輻射供熱，晚上則使用儲(chǔ)熱系統(tǒng)白天儲(chǔ)存的熱量供熱，輔助電加熱只在惡劣天氣下啟用，平時(shí)幾乎不啟用，因此整個(gè)干燥裝置的能耗較低。在不使用輔助電加熱的情況下，與蒸汽干燥相比，其節(jié)能率為71.2%，節(jié)能效果明顯。

四 結(jié)語

總體來看，這種小型可移動(dòng)式太陽能干燥裝置熱效率高，由于采用了石蠟儲(chǔ)熱系統(tǒng)，減少了氣候變化對太陽能干燥過程的影響，比大氣中干燥速度快1倍以上，比常規(guī)干燥明顯節(jié)能，節(jié)能率在70%以上。而且木材干燥均勻性好，無明顯干燥缺陷。

由于這種裝置體積小、可移動(dòng)，適于在農(nóng)村各家輪流使用，初步的試材雖然是木材，其實(shí)它更適于干燥人參、木耳、珍貴山野菜與山果等，筆者計(jì)劃將進(jìn)一步的試驗(yàn)轉(zhuǎn)向這些農(nóng)林副產(chǎn)品。今后還準(zhǔn)備探索干燥物料量與集熱器面積的優(yōu)化配比、相變儲(chǔ)熱材料用量與物料干燥量配比關(guān)系，以及優(yōu)化選擇不同的相變材料方面做進(jìn)一步的研究。

總之， 太陽能是清潔、價(jià)廉的可再生能源，太陽能干燥是太陽能熱利用中的重要部分，太陽能干燥的物料品質(zhì)好、節(jié)能效果明顯，對環(huán)境沒有污染，今后應(yīng)該有相應(yīng)的政策鼓勵(lì)開發(fā)各種太陽能干燥裝置。

[1]劉登瀛,曹崇文.探索我國干燥技術(shù)的新型發(fā)展道路[J].通用機(jī)械, 2006, 7: 16－18.

[2]張璧光, 劉志軍, 謝擁群.太陽能干燥技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2007, 3－13.

[3]馮小江, 變儲(chǔ)熱太陽能木材干燥裝置設(shè)計(jì)及性能研究[D].2010, 6.

[4]馮小江, 伊松林等.太陽能相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)對木材干燥速率的影響[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 37 (3): 131－135.

[5]馮小江, 伊松林等.移動(dòng)式相變儲(chǔ)熱木材太陽能干燥裝置的理論設(shè)計(jì)[J].干燥技術(shù)與設(shè)備, 2010, 8 (1): 9－15.