賈斌廣，陳茹，王達(dá)

（1.中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院，山東濟(jì)南 250200；2.山東省科學(xué)院生態(tài)研究所，山東濟(jì)南 250101）

干燥一般是指除去濕物料中揮發(fā)性濕分（大多情況下是水），從而獲得具有一定濕含量的固體產(chǎn)品，便于包裝、加工、貯藏、運(yùn)輸和使用的過程[1-2]。作為一種古老的工藝過程，干燥目前仍廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、林業(yè)、化工、礦業(yè)、建筑、食品、造紙、制革和紡織等生產(chǎn)過程[3]。然而干燥加工屬于高能耗的加工過程[4]。相關(guān)資料顯示，英國、美國的干燥能耗約占制造業(yè)總能耗的11.6%與12%，而在我國，一般干燥過程的能源消耗約占整個(gè)加工過程總能耗的10%[5]。此外，在一些特定的行業(yè)中，干燥能耗更是占據(jù)了加工總能耗的主要部分，如干燥消耗的能量占木材產(chǎn)品加工過程中消耗總能量的70%，占玉米與棉花生產(chǎn)所需總能量的60%以上，占紡織品制造業(yè)總能耗的50%以上[6]。目前，常用的干燥設(shè)備以空氣對流式為主，并以化石燃料、生物能量或者電力作為主要的能量來源[7]。隨著國家對節(jié)能環(huán)保與低碳發(fā)展的重視，根據(jù)國家制定的能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃（2014—2020年）的要求，要嚴(yán)格控制能源消費(fèi)總量過快增長[8]。因此，干燥行業(yè)必須走節(jié)約能源和開發(fā)利用新能源的可持續(xù)發(fā)展道路，實(shí)施高效與綠色干燥的發(fā)展道路[9]。

太陽能是一種儲量豐富，分布廣泛的可再生能源[10]。每年輻射到地球表面的太陽輻射總量為50×1018KJ，約等于目前全世界能量消費(fèi)的1.3 萬倍。因此發(fā)展太陽能是節(jié)約能源的有效途徑之一。近年來，人們開發(fā)了許多太陽能干燥機(jī)，利用太陽能干燥各種產(chǎn)品，并且已經(jīng)報(bào)道了大量關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品太陽能干燥的研究[11-12]。太陽能空氣集熱器（SAH）是一種熱交換裝置，可將太陽輻射吸收轉(zhuǎn)化為熱能，并通過空氣與集熱板的對流換熱將其轉(zhuǎn)移到工作流體中。其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、易于維護(hù)、接收太陽輻射面積大等諸多優(yōu)點(diǎn)[13-14]。

1 太陽能空氣干燥裝置的歷史與研究現(xiàn)狀

1.1 太陽能空氣干燥裝置的發(fā)展歷史

太陽能作為農(nóng)產(chǎn)品的干燥能源有悠久的歷史，直到現(xiàn)在，露天晾曬仍然是一些地區(qū)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品干燥的主要形式[15-16]。但露天晾曬的方式對太陽能的利用效率較低，需要大面積的區(qū)域；同時(shí)還會由于灰塵、昆蟲、鳥類、真菌等對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)生污染[17]。因此采用空氣集熱式太陽能干燥裝置進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品干燥是十分必要的。

早在1877 年，人們已經(jīng)開始利用涂黑后的金屬來吸收太陽輻射，從而達(dá)到對太陽能的有效利用[18]。然而直到20 世紀(jì)70 年代，由于節(jié)能環(huán)保意識的不足與對化石燃料過量開發(fā)，太陽能干燥并未取得較大發(fā)展。隨著化石燃料過度開采所帶來的一系列問題，世界興起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，其中太陽能干燥的應(yīng)用前景已得到了普遍重視[19]。

1.2 太陽能空氣干燥裝置的研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

目前對太陽能干燥的研究工作主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家，美國、英國與澳大利亞等均已在太陽能干燥裝置的利用上形成了一定的規(guī)模[20-21]。在熱帶和亞熱帶國家，如南非、津巴布韋、菲律賓、泰國、印度、孟加拉國等，對太陽能干燥的應(yīng)用更為普遍[21-22]。其主要原因有：（1）在大部分的發(fā)展中國家，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品占國民收入的大部分，提升農(nóng)產(chǎn)品的附加值是發(fā)展經(jīng)濟(jì)的迫切需求；（2）在熱帶和亞熱帶國家，太陽輻射受季節(jié)變化的影響較小，太陽能干燥裝置可以全年運(yùn)行；（3）太陽能空氣集熱干燥裝置結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便，適宜在發(fā)展中國家推廣使用[23]。在泰國，早在20 世紀(jì)80 年代就開始利用太陽能空氣集熱裝置來干燥谷物、胡椒、辣椒、咖啡豆等農(nóng)作物[24]。在馬來西亞，太陽能空氣集熱裝置被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品的干燥加工中，以取代傳統(tǒng)的化石燃料干燥方式。經(jīng)過馬來西亞農(nóng)業(yè)研究開發(fā)所、馬來西亞標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)研究所與馬來西亞森林研究所等的共同研究，采用太陽能空氣集熱干燥裝置可節(jié)省30%的燃料費(fèi)用[25-26]。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國太陽能干燥裝置的研究起步較晚，20 世紀(jì)80年代以前，我國只有4 座用于干燥紅棗、黃花菜、棉花的太陽能干燥裝置，總采光面積僅有183 m2[27]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國的太陽能干燥技術(shù)得到較快發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019 年，全國建成太陽能干燥裝置200 多座，總采光面積近20 000 m2[28]。表1（見下頁）匯總了近幾年國內(nèi)外學(xué)者對太陽能空氣集熱干燥裝置的研究。

2 太陽能空氣集熱器干燥裝置的優(yōu)化改進(jìn)

圖1（見下頁）為傳統(tǒng)的太陽能空氣干燥裝置，主要由太陽能空氣集熱器與干燥箱組成。在運(yùn)行過程中，通過太陽能空氣集熱器加熱外界空氣，并將熱空氣送入干燥箱內(nèi)對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行干燥[41]。從圖2 太陽能空氣集熱器熱網(wǎng)絡(luò)圖可以看出，太陽能空氣集熱器是太陽能空氣干燥裝置的核心部件。然而，根據(jù)Duffie 等[42]對太陽能空氣集熱器內(nèi)的傳熱公式：Nu=0.023Re0.8Pr0.4，可以得到太陽能空氣集熱器的集熱效率偏低。同時(shí)在利用太陽能進(jìn)行干燥時(shí)，由于被加熱的熱空氣還會因?yàn)槁?、圍護(hù)散熱等方式導(dǎo)致熱量損失，因此太陽能干燥的綜合效率更低。

表1 國內(nèi)外學(xué)者對太陽能空氣集熱干燥裝置的研究Table 1 Research on solar air heating drying device schdars at home and abroad

圖1 太陽能空氣集熱干燥裝置Fig.1 Solar air dryer

圖2 太陽能空氣集熱器熱網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Thermal network diagram of solar air heater

表2 是一些學(xué)者對太陽能空氣干燥裝置運(yùn)行效率的情況的匯總。通過表2 中的研究數(shù)據(jù)可以得到，傳統(tǒng)的太陽能空氣集熱效率在40%以下，干燥綜合效率更低。因此對太陽能空氣集熱器進(jìn)行優(yōu)化分析，對其流道、間隙、流量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高換熱系數(shù)，同時(shí)采用新技術(shù)提高干燥速率、應(yīng)用范圍等，對提高太陽能空氣干燥裝置的經(jīng)濟(jì)效益，減少干燥時(shí)間有著至關(guān)重要的作用。

2.1 對太陽能空氣干燥裝置送風(fēng)方式的研究

Zhai 等[51]通過對太陽能空氣集熱器的理論與實(shí)驗(yàn)分析，得到相對于自然通風(fēng)，采用機(jī)械通風(fēng)的方式可以獲得最佳的空氣加熱效果。Satish 等[52]以真空管太陽能空氣干燥裝置為研究對象，以椰子為例，研究在印度氣象條件下最佳的太陽能干燥的送風(fēng)形式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)制對流太陽能干燥器不僅顯著地縮短了干燥時(shí)間，而且提升了干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)過Southampton 等[53]對太陽能空氣干燥裝置的自然對流和強(qiáng)制對流運(yùn)行模式的計(jì)算流體力學(xué)分析。結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量流量為0.025 kg/s 時(shí)，最高溫度為71 ℃。分析還表明，強(qiáng)制對流模式下的溫度比自然對流模式高出41%。劉偉濤[54]以帶有V 型太陽能空氣集熱器的干燥裝置為研究對象，對廣式?jīng)龉淖匀粚α髋c強(qiáng)迫對流的干燥效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，自然對流干燥時(shí)間需14 h，強(qiáng)制對流干燥需12 h。同時(shí)，相對于自然對流干燥，強(qiáng)制對流干燥相對穩(wěn)定，因此不需要翻動物料來保證干燥的均勻性。

表2 太陽能空氣干燥裝置的集熱效率與綜合效率Table 2 Collection efficiency and comprehensive efficiency of solar air dryer

2.2 對太陽能干燥裝置強(qiáng)化傳熱的研究

圖3 帶有V 型吸熱板的太陽能空氣干燥裝置Fig.3 Solar air dryer with V-shaped heat absorbing plate

圖4 折流板型太陽能空氣集熱器Fig.4 Baffled plate solar air heater

使用V 型結(jié)構(gòu)改變集熱板的形狀，一方面可以增加太陽能集熱板的吸熱面積，同時(shí)也可以增強(qiáng)空氣在流動過程中的湍流程度[55]。在此基礎(chǔ)上，葉明同[56]設(shè)計(jì)開發(fā)了帶有V 型吸熱板的太陽能空氣干燥裝置（圖3）。以老撾熱帶地區(qū)為基礎(chǔ)環(huán)境條件對香蕉的干燥特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)可以使香蕉片在4 d 內(nèi)干基含水率由1.55 下降到0.34。班婷等[57]設(shè)計(jì)了一種雙風(fēng)道太陽能空氣集熱器，并對其熱性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)上下通道空間比為2:1 時(shí)，悶曬溫度可達(dá)87.6 ℃；當(dāng)空氣為0.06 kg/s 時(shí)，集熱器平均效率可達(dá)84.53%。之后，其又對雙風(fēng)道太陽能空氣集熱器在干燥中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。以蒜片為例得到了其干燥時(shí)間需要5～7 d[58]。

Romdhane[46]在2007 年提出了一種折流板型太陽能空氣集熱器，其通過在太陽能空氣集熱器內(nèi)部增加折流板，使空氣呈蛇形流動，以提高太陽能空氣集熱器的集熱效率（圖4）。之后，開始有很多學(xué)者對此種形式的太陽能空氣集熱器進(jìn)行了分析，并將其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。如肉孜·阿木提等[59]、李曉琳[60]、胡建軍等[61]分別對此種集熱器的流動形式、蓋板類型與流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得到了最佳的流動方式為雙風(fēng)道、采用PC（聚碳酸酯）透明蓋板、擾流板數(shù)量為5。李峰與肉孜·阿木提等[20,62]建立了一體化的折流板太陽能空氣干燥裝置，選取杏進(jìn)行干燥試驗(yàn)。得到了干燥過程的平均效率為42.8%，干燥時(shí)間為79 h，與傳統(tǒng)的干燥方式相比干燥時(shí)間縮短52%，且優(yōu)等品率達(dá)85%。干燥杏的最佳參數(shù)為溫度65 ℃，風(fēng)速10.5 m/s。GuLcimen 等[63]對折流板型太陽能空氣集熱器做了進(jìn)一步的改進(jìn)，其在蛇形流道內(nèi)部添加金屬翅片以增強(qiáng)對太陽能的利用效率見圖5（下頁）。通過對甜羅勒的干燥實(shí)驗(yàn)研究，得到干燥時(shí)間受送風(fēng)量的影響，當(dāng)空氣流量在0.012～0.029 kg/s 的范圍內(nèi)，干燥時(shí)間420～600 min，運(yùn)行效率在29%～63%。羅建文等[64]對蛇形通路平板太陽能空氣集熱干燥裝置的性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該裝置控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，在設(shè)定干燥箱溫度值為60 ℃情況下，2 h 內(nèi)其集熱效率可達(dá)到74.32%。之后，張永輝等[65]在原有的研究基礎(chǔ)上又對折流板型太陽能干燥裝置的集熱效果和最佳連接方式進(jìn)行了研究分析，得到當(dāng)集熱器與干燥箱的最佳連接方式是機(jī)械對流循環(huán)且氣體上進(jìn)下出時(shí)效率最高，可達(dá)到70%以上。

Fudholi 等[66]提出了逆流型雙通道金屬絲網(wǎng)填充式太陽能空氣集熱器，并用于檸檬的干燥實(shí)驗(yàn)研究，得到了空氣流量對干燥裝置效率影響十分明顯，當(dāng)空氣流量從0.006 125 m3/s 增加到0.017 34 m3/s 時(shí)，集熱器的熱效率提高了約20%。同時(shí)還得到了檸檬在太陽能熱風(fēng)干燥下的最佳模型。肉孜·阿木提等[67]設(shè)計(jì)了一種雙風(fēng)道滲透型太陽能空氣集熱器，并將其應(yīng)用于山藥下角料的干燥。當(dāng)干燥室內(nèi)的熱空氣流量為1.05 m3/min 時(shí)，干燥時(shí)間約為11 h，可以使干燥速率提高2.5 倍左右。

2.3 蓄熱型太陽能空氣干燥裝置的研究

圖6 礫石蓄熱的太陽能空氣干燥裝置Fig.6 Solar air drying device for gravel heat storage

圖7 空氣-水復(fù)合太陽能干燥裝置Fig.7 Air-water composite solar dryer

由于太陽能存在不穩(wěn)定、受氣候變化影響大的缺點(diǎn)，同時(shí)由于空氣的比熱容與密度都相對較小，更放大了這個(gè)缺點(diǎn)[67]。因此諸多學(xué)者開始在太陽能空氣干燥裝置上附加蓄熱裝置已實(shí)現(xiàn)太陽能熱風(fēng)的穩(wěn)定輸出[68]。

Mohanraj 等[69]研制了一種帶有礫石蓄熱的太陽能空氣干燥裝置（圖6）。當(dāng)空氣流量為0.25 kg/s，可以使辣椒在24 h 內(nèi)將水分從72.8%最終降至9.1%，其單位能耗除濕量（SMER）約0.87 kg/(kW·h)。然而由于采用了蓄熱裝置，其集熱效率有所降低約為21%。Chauhan 等[70]研究了帶有巖床蓄熱器的太陽能空氣干燥裝置，其中巖床由多個(gè)彼此堆疊的薄層顆粒組成。通過對中芫荽的干燥實(shí)驗(yàn)，得到了當(dāng)空氣流量為250 kg/hm2時(shí)，在31 日照小時(shí)可以將其水分從28.2%降低到11.4%。NATARAJAN 等[71]對以鋁片、砂層、巖層為蓄熱材料的太陽能隧道干燥機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，與開放式太陽干燥相比，采用帶蓄熱材料的太陽能隧道干燥機(jī)，能有效降低水分去除率和干燥時(shí)間。太陽能隧道干燥機(jī)蓄熱材料的平均熱效率提高了2%～3%。在蓄熱材料中，砂的蓄熱效率較高，平均熱效率為19.6%。Tiwari 等[72]提出了一種空氣-水復(fù)合太陽能集熱器（圖7）。其結(jié)構(gòu)為太陽能空氣集熱器下層附有一個(gè)水槽，可以在加熱空氣的同時(shí)，通過水槽進(jìn)行蓄熱。當(dāng)干燥系統(tǒng)不工作時(shí)，該系統(tǒng)可以用來提供熱水。在陽光明媚的時(shí)候，熱水器在系統(tǒng)中起著儲存材料的作用。之后，Zhang 等[73]對空氣-水復(fù)合太陽能集熱器的熱性能進(jìn)行了深入分析，并對（A）單獨(dú)空氣加熱、（B）單獨(dú)加熱水、（C）空氣-水復(fù)合加熱這三種工作方式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，A、B 兩種模式下的平均集熱效率可達(dá)51.3%，模式C 的總集熱效率可以達(dá)到73.4%。此外，Hao 等[43]也對空氣-水復(fù)合太陽能干燥裝置（FSDF）進(jìn)行了研究，對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用空氣-水復(fù)合太陽能干燥裝置時(shí)，其年成本和現(xiàn)值分別比電干燥低1.09%和1.086%，比熱泵低142.9%和142.9%，比煤低13.69%和14.46%。因此與不同干燥系統(tǒng)相比，F(xiàn)SDF 具有較好的經(jīng)濟(jì)性和較好的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 蓄熱型太陽能空氣干燥裝置Fig.8 Solar air dryer with heat storage

圖9 相變蓄熱型太陽能空氣干燥裝置Fig.9 Phase change heat storage solar air dryer

Komilov 等[74]開發(fā)了由空氣加熱器和蓄熱器組成的太陽能干燥器（圖8）。與空氣和晾曬干燥相比，其將干燥過程縮短了4～5 倍，并且成品具有高質(zhì)量。由于太陽能的積累和干燥劑的循環(huán)，與單相裝置相比，裝置的生產(chǎn)率和效率提高了1.5～2 倍。Esakkimuthu 等[75]以HS58 為例，探究利用無機(jī)鹽相變蓄熱材料在太陽能空氣干燥過程中儲熱的可行性。結(jié)果表明，考慮的儲罐配置和PCM球尺寸，200 kg/h 的空氣流量能夠提供較為均勻的熱傳遞速率。El-Khadraoui 等[76]設(shè)計(jì)了一種采用相變材料的間接式主動式太陽能干燥機(jī)（圖9），它由太陽能空氣板和太陽能蓄能器（具有相變材料腔的太陽能空氣收集器）組成。通過實(shí)驗(yàn)表明：夜間使用太陽能蓄能器，干燥室溫度上升了4～16 ℃。蓄熱式太陽能空氣干燥裝置的火用效率和能效分別為8.5%和33.9%。

馮小江等[77]為了解決太陽能間歇性和不穩(wěn)定性等問題，研制了一種移動式相變儲熱木材太陽能干燥裝置，并對其進(jìn)行理論計(jì)算。該裝置采用石蠟相變蓄熱管來儲存太陽能熱風(fēng)的部分能量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干燥0.03m3木材時(shí)，所需要的集熱面積、蓄熱管數(shù)量分別為1.69m2、248 根。

3 結(jié)論與展望

太陽能干燥是太陽能光熱利用的重要方向之一，也是取代化石燃料和露天太陽干燥的最佳方法。本文綜述了太陽能空氣集干燥裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景與不足進(jìn)行了總結(jié)，分析得出：

（1）目前常見的農(nóng)產(chǎn)品干燥溫度與太陽能中低溫光熱形成互補(bǔ)。根據(jù)目前對太陽能空氣干燥的研究，使用太陽能干燥的方式能有效縮短干燥周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等。同時(shí)由于太陽能干燥初投資與運(yùn)行成本都較低，且操作簡單。因此用于偏遠(yuǎn)與欠發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品初加工，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極為重要的作用。

（2）干燥裝置內(nèi)的空氣流動形式對被干燥物料的熱質(zhì)傳遞起著至關(guān)重要的作用。相比受限于溫度梯度的自然對流的送風(fēng)方式，利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫對流進(jìn)行物料的干燥更有利于快速的對物料進(jìn)行干燥處理。然而，由于風(fēng)機(jī)需要高品位的電能驅(qū)動，因此在考慮送風(fēng)速度時(shí)需要從熱質(zhì)傳遞與經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮。

（3）受限于空氣的物理性質(zhì)，傳統(tǒng)的太陽能空氣集熱器的集熱效率相對較低，其效率一般在40%以下。因此，改進(jìn)太陽能空氣集熱器的集熱板、流動形式及流道結(jié)構(gòu)，對提高太陽能的利用率，減少太陽能空氣干燥裝置的占地面積，提升太陽能干燥的經(jīng)濟(jì)效率有著極為重要的作用?？傮w來說，通過對太陽能空氣集熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以有效提高集熱效率10%～40%。然而目前對太陽能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)眾多，且太陽能的工作情況受輻射強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速、送風(fēng)量等因素影響巨大，因此無法單純通過對比效率分析最優(yōu)的集熱器結(jié)構(gòu)。

（4）由于太陽能是間歇性低密度能源，因此，太陽能空氣干燥裝置在進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時(shí)必然會遭遇占地面積大、熱風(fēng)輸出不穩(wěn)定的問題。故而，還需加強(qiáng)太陽能蓄熱裝置的研發(fā)，以克服太陽能間歇性的缺點(diǎn)。然而，增加蓄熱結(jié)構(gòu)會降低集熱裝置白天對太陽能的吸收量，因此蓄熱裝置的設(shè)計(jì)還需要根據(jù)被干燥物料的干燥特性來設(shè)置。此外，采用太陽能多能源互補(bǔ)的干燥形式，如太陽能-熱泵、太陽能-生物質(zhì)能等，可以克服太陽能能源密度低的缺點(diǎn)，也是今后太陽能干燥發(fā)展的重點(diǎn)方向。