羅建文,張永輝,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學(xué) 化工學(xué)院， 陜西 西安 710069)

?

·化學(xué)與化學(xué)工程·

蛇形通路平板太陽能空氣集熱-干燥裝置的性能分析

羅建文,張永輝,鄭茂盛,謝超超,路麗婷

(西北大學(xué) 化工學(xué)院， 陜西 西安 710069)

利用自行設(shè)計的包括蛇形通路太陽能空氣集熱器、干燥箱、控制系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)等的整套裝置,在西安地理和氣候環(huán)境下于不同設(shè)定溫度下進(jìn)行實際控制和測試,以及集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率的分析。結(jié)果表明:該裝置控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好,溫度控制精確;蛇形通路的平板型太陽能空氣集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率較高,在設(shè)定干燥箱溫度值為60℃情況下,兩小時內(nèi)其光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到74.32 %,可望用于實際物料的干燥。

集熱器;蛇形通路;干燥箱;控制系統(tǒng);光熱轉(zhuǎn)化效率

隨著化石能源的減少和環(huán)境污染的日益加重,清潔的太陽能資源得到快速發(fā)展,太陽能干燥設(shè)備也越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。太陽能干燥是通過太陽能集熱器把空氣加熱再將熱空氣通入放置農(nóng)產(chǎn)品的干燥箱,以排除產(chǎn)品中的水分。通常,糧食直接晾曬受天氣的影響極大,并且直接接觸陽光暴曬會導(dǎo)致一些水果蔬菜中的維生素含量顯著減少[1]。在世界上的許多國家,太陽能集熱系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)區(qū)域保護(hù)蔬菜、水果、咖啡和其他作物已經(jīng)證明是實用、經(jīng)濟(jì)和負(fù)責(zé)任的環(huán)保方法[2]。截止目前,國外已建成集熱面積超過500m2的大型太陽能干燥器7座,其中美國4座、印度2座、阿根廷1座[3],印度也研制了太陽能與煙氣聯(lián)合的谷物干燥機(jī)，干燥能力為650～1 000 kg/d,也有干燥能力為375 kg/h的太陽能谷物干燥機(jī)[4]。我國的太陽能干燥裝置大多數(shù)是采光面較小的中小型太陽能集熱干燥設(shè)備,尤其以小型集熱干燥設(shè)備居多。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)干燥牧草的研究,一些研究成果已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn),并取得較大經(jīng)濟(jì)效益與社會效益[5]。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研發(fā)的混聯(lián)式太陽能果蔬干燥機(jī)已經(jīng)在新疆成功進(jìn)行了葡萄烘干試驗,結(jié)果顯示：太陽能干燥比傳統(tǒng)干燥方式縮短時間66.7%,綠級品率由35%提高到79%[6]。這些設(shè)施在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面與傳統(tǒng)的晾曬方法相比,可以明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短干燥周期,與常規(guī)熱風(fēng)干燥技術(shù)相比可大量節(jié)約能源和提高產(chǎn)品品質(zhì)。

按空氣流動方式，太陽能干燥設(shè)備可以分為強制對流干燥和自然對流干燥兩大類。強制對流干燥的典型實例為溫室型干燥器；自然對流干燥是帶有集熱器的干燥器，尤其適用于較大型干燥。

太陽能空氣集熱器以平板式的結(jié)構(gòu)最為簡單，安裝方便，使用維修成本低，無防凍問題，廣泛應(yīng)用于干燥和采暖領(lǐng)域[7]。肉孜·阿木提等在烏魯木齊氣象和地理條件下的測試得到，PC 陽光板式蛇形單層通路集熱板集熱效率最高, 集熱效率可以達(dá)到74.6%[8], 劉一福等對玻璃板擾流板型太陽能平板空氣集熱器面向東南方向30°(衡陽地理環(huán)境)情況下，得到最佳擾流板型太陽能平板空氣集熱器相比普通太陽能平板空氣集熱器效率也為74.6%[9]。

本文報道了在西安地理和氣候環(huán)境下，含有蛇形通路的太陽能空氣集熱-干燥裝置于2015年9月份的實際控制和測試情況。結(jié)果表明，該裝置控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，溫度控制精確，光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到74.32%，可以用于實際物料的干燥。

1 太陽能空氣集熱干燥裝置

太陽能集熱干燥系統(tǒng)是把低溫空氣經(jīng)平板型太陽能空氣加熱器加熱后再由鼓風(fēng)裝置送入干燥室內(nèi),使物料與熱空氣換熱達(dá)到干燥目的。我們設(shè)計的太陽能空氣集熱干燥裝置主要由平板太陽能空氣集熱器、干燥箱、控制系統(tǒng)、鼓風(fēng)裝置等組成。圖1為其示意圖。

圖1 太陽能集熱干燥系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of solar energy drying system

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°,以充分吸收利用陽光。

1.1 集熱器

平板太陽能空氣集熱器由集熱板、透明蓋板、隔熱層、折流板以及殼體組成。如圖2所示。

1 空氣進(jìn)口； 2 木制框架； 3 陽光板； 4 折流板； 5 吸熱板； 6 空氣出口圖2 集熱器組成示意圖Fig.2 Intergral diagram of solar collector

集熱器的邊框用選用長2 400 mm、寬1 200 mm、厚15 mm的木板制成,木板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.18 W/(m·K),遠(yuǎn)低于金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù),而且價格低廉。平板型太陽能空氣集熱器內(nèi)部通風(fēng)通道設(shè)置折流板,用以增加空氣在集熱器中的流動流程,同時設(shè)置折流板還可以作為肋片增加傳熱面積,熱提高集熱器傳熱性能[8-9];折流板之間的距離為150 mm,折流板長度800 mm;透光蓋板選用中空PC陽光板，在相同條件下,PC陽光板有低于普通玻璃和其他塑料的熱導(dǎo)率,成本更低,質(zhì)量更輕,更重要的是陽光板特有的雙層中空結(jié)構(gòu),使其具有良好的隔熱、保溫、抗沖擊性能,有效地防止了熱量的散失[10-11];吸熱板選用噴涂了黑色吸熱涂層的鐵皮;保溫層選用3mm厚塑料泡沫,質(zhì)量輕,保溫性能好,價格低廉。

1.2 干燥箱

干燥箱外層支架也用厚15 mm厚的木板,內(nèi)部保溫層亦選用3 mm厚塑料泡沫。干燥箱上下開有進(jìn)氣口和出氣口,進(jìn)氣口設(shè)在箱體底部,出氣口設(shè)在頂部。這樣氣流進(jìn)出口高度差大,有利于提高氣流流動的壓差與氣流速度,熱空氣垂直穿透物料,有利于提高傳熱效果[11]。干燥箱內(nèi)部設(shè)有鋼絲網(wǎng)物料盤架,用以放置物料。

導(dǎo)風(fēng)管道選用價格低廉性能優(yōu)良的鋼絲軟管,外部套有橡膠海綿保溫套管;鼓風(fēng)裝置選用60W離心式交流鼓風(fēng)機(jī)。

1.3 實驗設(shè)備和測試儀器

實驗選用設(shè)備和測試儀器如下表1所示。

表1 實驗設(shè)備和測試儀器

2 干燥裝置溫度控制系統(tǒng)

2.1 溫度控制系統(tǒng)的組成及工作原理

在溫度控制過程中,單一的定值開關(guān)控制方式會產(chǎn)生較大的溫度遲滯現(xiàn)象,對于加熱箱等干燥設(shè)備的干燥效果差、干燥品質(zhì)低[12]。因此,本文采用智能PID控制儀控制干燥箱溫度,系統(tǒng)中設(shè)計有PID智能溫度控制儀表,固態(tài)繼電器(SSR),Pt100溫度測試傳感器,2 kW輔助加熱裝置,電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,并設(shè)有上下線報警指示燈。溫度控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Diagram of temperature control system

其工作原理是,在太陽能供給不足的情況下,通過Pt100溫度傳感器測得干燥箱內(nèi)溫度,反饋給系統(tǒng)與設(shè)定值進(jìn)行比較,并經(jīng)PID溫度控制儀表運算處理后,輸出一個控制信號來控制固態(tài)繼電器的輸出,從而控制輔助加熱設(shè)備,以達(dá)到控制干燥箱中溫度的效果。當(dāng)干燥箱內(nèi)溫度超過報警設(shè)定值時,系統(tǒng)報警燈閃爍提醒,并開啟電動風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,以降低干燥箱內(nèi)溫度。

2.2 溫度控制系統(tǒng)性能測試分析

控制系統(tǒng)性能指標(biāo)主要有峰值時間Tp,超調(diào)量P.O.,調(diào)節(jié)時間Ts和穩(wěn)態(tài)誤差ess。峰值時間可以反映系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量可以反映對期望響應(yīng)的逼近性。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后與期望值之間的差值。超調(diào)量定義為:P.O.=(Mpt-fv)/fv,其中Mpt為響應(yīng)的峰值,fv為響應(yīng)的終值,即預(yù)期的設(shè)定值。調(diào)節(jié)時間定義為響應(yīng)達(dá)到且維持在穩(wěn)態(tài)值的某個誤差百分比δ范圍內(nèi)所需的時間,本次測定取±0.5 ℃。

為了方便地得到PID參數(shù),采用參數(shù)自整定的方法,經(jīng)人工測試、微調(diào)后得到參數(shù):P=13,I=138,D=34。圖3-5給出了干燥箱內(nèi)的設(shè)定溫度分別為55℃，60℃和65℃等情況下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果。

圖4 干燥箱內(nèi)的設(shè)定溫度為55 ℃時控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.4 The testing results of control system stability at temperature 55℃(測試時間2015年9月6日16:45-17:21)

圖5 干燥箱內(nèi)設(shè)定溫度為60 ℃情況下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.5 The testing results of control system stability at temperature 65℃(測試時間2015年9月6日15:00-15:30)

(測試時間2015年9月6日14∶00-14∶30)圖6 干燥箱內(nèi)設(shè)定溫度為65 ℃情況下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 The testing results of control system stability at temperature 65℃

如圖4所示,干燥箱內(nèi)設(shè)定溫度為55 ℃,干燥箱中溫度在0～4 min時間段內(nèi)上升迅速,主要是由于在這一時間段內(nèi)干燥箱中溫度距設(shè)定值55 ℃還相差較大,控制儀表通過傳感器的測量反饋信號啟動了2 kW電加熱裝置,使干燥箱內(nèi)溫度迅速上升。在4～8 min時間段內(nèi)有一最大溫度(實際響應(yīng))55.8 ℃,即實際響應(yīng)高出期望值(設(shè)定值55 ℃)0.8 ℃,體現(xiàn)了實際響應(yīng)和期望值的匹配程度。8 min后干燥箱內(nèi)溫度逐漸維持在設(shè)定溫度范圍內(nèi)。 另外, 在整個測試過程中照度和集熱器出口溫度都變化較大, 但干燥箱中溫度維持恒定, 證明了控制系統(tǒng)對外界干擾有很好的穩(wěn)定性。 由圖4可得以下性能參數(shù):控制系統(tǒng)在Tp=6 min時達(dá)到最大峰值;超調(diào)量P.O.=(55.8～55.0)/55.0=1.45%;系統(tǒng)在8～10 min時間段內(nèi)進(jìn)入(55±0.5)℃范圍,即該系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間Ts<10 min;10 min后系統(tǒng)最大偏差都不超過0.2℃,即穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.2℃。如圖5所示，干燥箱內(nèi)設(shè)定溫度值為60℃時:控制系統(tǒng)在Tp=4 min時達(dá)到最大峰值;超調(diào)量P.O.=(60.7～60.0)/60.0=1.17%;系統(tǒng)在4～6 min時間段內(nèi)進(jìn)入(60±0.5) ℃范圍,即調(diào)節(jié)時間Ts<6 min;6 min后系統(tǒng)最大偏差都不超過0.2℃,即穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.2℃。如圖6所示,干燥箱內(nèi)設(shè)定溫度值為65℃時:控制系統(tǒng)在Tp=6 min時達(dá)到最大峰值;超調(diào)量P.O.=(66.5～65.0)/65.0=2.30%;系統(tǒng)在6～8 min時間段內(nèi)進(jìn)入(65±0.5)℃范圍,即該系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間Ts<8 min;8 min后系統(tǒng)最大偏差都不超過0.2℃,即穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.2℃。不同設(shè)定溫度下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同設(shè)定溫度下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

Tab.2 Stability of the controlling system at different temperature

峰值時間Tp超調(diào)量P.O.穩(wěn)態(tài)誤差ess調(diào)節(jié)時間Ts控制溫度55℃6min1.45%0.2℃<10min控制溫度60℃4min1.17%0.2℃<6min控制溫度65℃4min2.30%0.2℃<8min

由表2總結(jié)可以得出:在整個測量過程中該控制系統(tǒng)的峰值時間Tp<6 min,說明控制系統(tǒng)響應(yīng)快速;系統(tǒng)超調(diào)量P.O.不超過2.5 %,穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.2℃,說明控制系統(tǒng)誤差小,控制精確;系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間Ts<10 min,說明系統(tǒng)達(dá)到誤差允許范圍±0.5℃時所用的時間小于10 min,即達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的時間少。該溫度控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉、溫度控制穩(wěn)定和精確度高等優(yōu)點,有利于干燥設(shè)備的推廣。

3 集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率的測試

3.1 太陽能集熱器和電加熱互補式加熱的情形

在太陽能集熱器和電加熱互補式加熱的情況下,實驗測量在2015年9月份某天進(jìn)行,數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實驗實測數(shù)據(jù)

由表3可知,在測試時間11∶30-13∶30時間段內(nèi)集熱器進(jìn)口平均溫度為26.5 ℃, 集熱器出口平均溫度為63.2 ℃, 太陽輻射照度平均值為740 W/m2。 2小時以內(nèi),電加熱耗能量為0.8 kW·h。

3.2 純粹電加熱干燥情況下的測試結(jié)果

純粹電加熱干燥情況下的耗電情況如圖7所示。測試條件為:①環(huán)境溫度26.5℃;②干燥箱內(nèi)設(shè)定控制溫度為60℃;③測試時間為2小時。

圖8為在太陽能集熱器和電加熱互補式加熱的條件下，系統(tǒng)在2小時內(nèi)的用電量變化情況。測試環(huán)境溫度、干燥箱設(shè)定溫度、測試時間等均與圖7情形相同。

圖7 純粹電加熱干燥系統(tǒng)的溫度、耗電測試結(jié)果Fig.7 Variations of temperature and power consumption for the drying system under electric heating condition

圖8 太陽能集熱器干燥系統(tǒng)的溫度、耗電測試結(jié)果Fig.8 Variations of temperature and power consumption for the solar drying system with electric heating supplementary

圖7所示的干燥箱內(nèi)熱量全部由電加熱提供?？梢钥闯?當(dāng)干燥箱內(nèi)控制溫度達(dá)到設(shè)定值60℃時,電加熱用電量成一直線逐漸增加,測試段兩小時內(nèi)總耗電量為3.0 kW·h。圖8所示的干燥箱內(nèi)熱量由太陽能集熱器和輔助電加熱共同提供?？梢钥闯?在干燥箱內(nèi)溫度未達(dá)到穩(wěn)定前,實線的斜率較大,表明這一時間段內(nèi)電加熱持續(xù)工作。當(dāng)干燥箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后,隨著太陽能集熱器出口溫度的上升,實線的斜率逐漸減小,即干燥箱內(nèi)電加熱用電量逐漸減小,并且可以看出測試段兩小時內(nèi)電加熱的總耗電量為0.8kW·h。

由圖7，8比較可知,在設(shè)定值60℃情況下2小時內(nèi),太陽能加熱干燥系統(tǒng)的用電量要比純粹的電加熱干燥系統(tǒng)少用電2.2 kW·h,節(jié)能效果明顯。

3.3 集熱器的太陽能轉(zhuǎn)化效率

根據(jù)圖7和圖8的對比分析,可以得到,在設(shè)定值60℃情況下2小時內(nèi),太陽能集熱器向干燥箱提供了Eheat=2.2 kW·h的熱能。

同時,由表3的實測數(shù)據(jù)得到,在測試時間段11∶30-13∶30內(nèi)太陽輻射照度平均值為740 W/m2,因此在兩個小時內(nèi)2m2面積的集熱器所接收到的太陽輻射能量為

Elight=740×2×2=2 960W·h=

2.96kW·h。

(1)

從而,得到該集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率為

(2)

4 總 結(jié)

本文利用蛇形通路的平板太陽能空氣集熱器、干燥箱、鼓風(fēng)機(jī)、自動控制系統(tǒng)和傳感裝置等組建了一套太陽能空氣集熱干燥裝置。通過控制系統(tǒng)性能和集熱器效率及裝置節(jié)能效果的測試可以得出以下結(jié)論:

1)本實驗設(shè)計的控制系統(tǒng)峰值時間Tp<6 min,超調(diào)量P.O.不超過2.5 %,穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.2 ℃,系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間Ts<10 min,有效地提高了溫度控制的穩(wěn)定性、精確度。該系統(tǒng)將干燥箱中溫度控制在±2℃的誤差范圍內(nèi),提高了干燥設(shè)備的自動化程度。此方案完全能夠滿足實際干燥生產(chǎn)的需要,有利于干燥設(shè)備的推廣。

2)平板太陽能空氣集熱器具有良好的集熱效果。在西安地理和氣候環(huán)境下,集熱器與地面的夾角為40°,當(dāng)干燥箱中設(shè)定值60℃情況下2小時內(nèi),該集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率為74.32 %。

[1] EKECHUKWU O Va, NORTON Bb. Review of solar-energy drying systems II: an overview of solar drying technology[J].Energy Conversion & Management, 1999,40(6):615-655.

[2] SHARMA A, CHEN C R, LAN N V. Solar-energy drying systems: A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009,13(6-7):1185-1210.

[3] 崔璐,王香英.國內(nèi)外太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀與展望[J].行業(yè)綜述,2010(5)：37-39.

[4] 樊軍慶,張寶珍.太陽能干燥在農(nóng)產(chǎn)品加工中的利用[J].世界農(nóng)業(yè),2008(7):68-70.

[5] 李峰.利用太陽能干燥杏、紅棗的研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[6] 馬洪江,王海.混聯(lián)式太陽能果蔬烘干機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(3):50-54.

[7] 肉孜·阿木提,高澤斌.不同結(jié)構(gòu)平板型太陽能空氣集熱板集熱效率研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,32(3):78-81.

[8] 夏佰林,趙東亮.折流板型太陽能平板空氣集熱器集熱性能[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2011,45(6):870-874.

[9] 劉一福,黃坤榮.折流板型太陽能平板空氣集熱器集數(shù)值模擬分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2012(1):65-68.

[10] 鄭瑞澄.太陽能供熱、采暖工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑科技,2008(1): 49-52.

[11] 李汴生,申曉曦.小型全天候太陽能干燥機(jī)的設(shè)計及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(5):336-341.

[12] 林建雄.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)研制[J].電力學(xué)報,2008(2):106-109.

(編 輯 陳鐿文)

Testing and analysis of colubrine channel typed flat solar air collector-drying system

LUO Jianwen, ZHANG Yonghui, ZHENG Maosheng, XIE Chaochao, LU Liting

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

The performance of self-designed solar drying device is tested and analyzed, which contains PC sheet colubrine channel typed solar air collectors, dry box, control systems, blowers and other units devices. The test was conducted for various selected temperature in the geography and climate environments of Xi′an, the energy-saving efficiency of the system was assessed. The result shows that the system performs a good controlling stability and accuracy, the flat solar air collector has higher heat colleting efficiency of 74.32% with in 2h under condition of the drying box temperature fixed at 60℃.Therefore, it promises a good potential of application in actual drying field.

solar collector; colubrine channel; drying storage; control system; light-heat efficiency

2016-03-10

陜西省工業(yè)攻關(guān)基金資助項目(2016GY-155)

羅建文，男，甘肅會寧人，從事能源技術(shù)與材料研究。

鄭茂盛，男，陜西西安人，教授，從事能源技術(shù)與材料研究。

TK513

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-012