常 華

（西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048）

0 引 言

太陽(yáng)能是世界上豐富的可再生能源，而且是環(huán)境友好的清潔能源，其利用方式多種多樣。例如，為保持農(nóng)產(chǎn)品的儲(chǔ)存質(zhì)量，可利用太陽(yáng)能對(duì)其進(jìn)行干燥，去除農(nóng)產(chǎn)品水分的同時(shí)保證干燥產(chǎn)品的質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量取決于許多因素，包括干燥溫度和持續(xù)時(shí)間。諸如草藥之類的產(chǎn)品需要低溫干燥，以防止傳統(tǒng)的高溫干燥過(guò)程中損失揮發(fā)性或活性成分[1]。過(guò)去大多利用陽(yáng)光進(jìn)行直曬，但該方法需要較大的開放空間，產(chǎn)品質(zhì)量高度依賴于日照的可用性，并且容易受到異物的污染[2]。太陽(yáng)能干燥器作為陽(yáng)光直曬的替代方式，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。

目前，全球已設(shè)計(jì)和開發(fā)許多類型的太陽(yáng)能干燥器，根據(jù)所需的干燥能力，可選擇太陽(yáng)能干燥器的參數(shù)和尺寸，應(yīng)用之前需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和性能評(píng)估。計(jì)算流體力學(xué)、MATLAB 等軟件的應(yīng)用對(duì)于開發(fā)和分析數(shù)學(xué)模型以預(yù)測(cè)不同類型的太陽(yáng)能干燥器的性能非常重要。太陽(yáng)能干燥器的設(shè)計(jì)也可以借助軟件進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。統(tǒng)計(jì)軟件SPSS、Sigmaplot 和Statistica 等是用于太陽(yáng)能干燥器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的重要工具，它可以計(jì)算可決系數(shù)，簡(jiǎn)化的卡方檢驗(yàn)和均方根誤差，這些參數(shù)可用于選擇描述干燥過(guò)程的最佳擬合方程[3]。

本文對(duì)不同類型的分析軟件和性能評(píng)估軟件在不同的太陽(yáng)能干燥器中的應(yīng)用進(jìn)行了比較全面地分析和討論，以期為太陽(yáng)能干燥器的精準(zhǔn)應(yīng)用提供支撐[4]。

1 太陽(yáng)能干燥器的模擬和分析

太陽(yáng)能干燥器大致可分為3 類，包括直接、間接和混合模式太陽(yáng)能干燥器，這些干燥器應(yīng)用不同軟件進(jìn)行模擬的情況如下[5]。

1.1 直接太陽(yáng)能干燥器

在直接太陽(yáng)能干燥器中，干燥物直接暴露在陽(yáng)光下以脫除水分。通常這類干燥系統(tǒng)具有一個(gè)涂有黑色油漆的吸熱表面，該表面可以收集陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為熱量，將被干燥物直接放在該表面上即可。這類干燥器一般配有玻璃蓋和通風(fēng)孔，以提高干燥效率[6]。

1.1.1 計(jì)算流體力學(xué)模擬

在直接太陽(yáng)能干燥器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，計(jì)算流體力學(xué)軟件可做到模擬不同條件下的空氣運(yùn)動(dòng)情況以預(yù)測(cè)干燥速度，進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)入口風(fēng)速風(fēng)向、通風(fēng)位點(diǎn)布置以及干燥室長(zhǎng)度等。

MATHIOULAKIS 等[7-8]研究了采用計(jì)算流體力學(xué)FLUENT 軟件用于干燥器的性能因素影響，可以看出，計(jì)算流體力學(xué)軟件中應(yīng)用較多的是FLUENT，其強(qiáng)大的氣流和溫度分布模擬保證了直接太陽(yáng)能干燥器的具體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)優(yōu)化。

1.1.2 FORTRAN

相比于計(jì)算流體力學(xué)軟件，通過(guò)FORTRAN 開發(fā)計(jì)算機(jī)模擬程序，可更深入地了解干燥過(guò)程的熱量和質(zhì)量平衡，從而進(jìn)行相應(yīng)曲線擬合，直接指導(dǎo)太陽(yáng)能干燥器的改進(jìn)。

MAHAPATRA 等[9]使用FORTRAN 開發(fā)了計(jì)算機(jī)模擬程序，以研究帶有集成集熱器的隧道式太陽(yáng)能干燥器的工藝和性能。在該干燥系統(tǒng)的熱流網(wǎng)絡(luò)模型中，考慮了空氣在干燥空間中的熱量和質(zhì)量平衡方程，以及在干燥條件下材料靜態(tài)層的多層傳質(zhì)模型。RAFIEE 等[10]使用Compaq Visual FORTRAN 編程語(yǔ)言編寫深層日光溫室干燥器的薄層干燥方程和平衡干燥模型，在不同的指定負(fù)載（例如15、30、45、60 kg/m2）下獲得了洋甘菊干燥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，平衡干燥模型可計(jì)算出溫度曲線、物料的水分含量、濕度比曲線和干燥空氣的溫度。

1.1.3 MATLAB 模擬

MATLAB 模擬則比前兩者更加強(qiáng)大，不僅可以編程模擬，還可以進(jìn)行具體的直接太陽(yáng)能干燥器設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件的開發(fā)，值得一提的是，MATLAB 還可用于復(fù)雜人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的開發(fā)，以最大的精度預(yù)測(cè)直接太陽(yáng)能干燥器的性能數(shù)據(jù)。

PRAKASH 等[11]使用MATLAB 軟件在干燥器中發(fā)揮作用的影響，開發(fā)了具有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)ANFIS模型，以模擬自然對(duì)流溫室干燥系統(tǒng)中的水分蒸發(fā)室溫度和粗糖溫度。該ANFIS 模型已通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證了粗糖的完全干燥。如圖1 所示，x 和y 被用作輸入向量。燃燒強(qiáng)度w1和w2是從規(guī)定部分的等級(jí)獲得。將E 作為燃燒強(qiáng)度相對(duì)于所有燃燒強(qiáng)度的總和的比率。輸出的“f”是每個(gè)規(guī)則的平均權(quán)重。ANFIS模型還用于根據(jù)環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)溫室的熱性能。因此，對(duì)于給定的帶有薄層的粗糖狀物體，使用ANFIS 模型可能是開發(fā)自然對(duì)流溫室干燥器的最佳方法。

圖1 應(yīng)用于太陽(yáng)能干燥器的一階Sugeno 模糊模型

1.1.4 SPSS

SPSS 常被看作社會(huì)科學(xué)的常用統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，其在直接太陽(yáng)能干燥器的軟件模擬數(shù)據(jù)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)組的設(shè)計(jì)和少數(shù)回歸模型的選擇上。HOSSAIN 等[12]在太陽(yáng)能隧道式干燥器的辣椒干燥中使用了統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 9.0 進(jìn)行方差分析，對(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的紅色和綠色辣椒的色值和辛辣指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查?？梢?jiàn)，在已有研究中，SPSS 對(duì)直接太陽(yáng)能干燥器的統(tǒng)計(jì)分析多限制于牛頓模型，對(duì)數(shù)模型和Page 模型等線型回歸分析。

1.1.5 TRNSYS

TRNSYS 被廣泛用作太陽(yáng)能利用的科學(xué)模擬工具，它理論上可在瞬態(tài)條件下研究木材干燥過(guò)程。由于木材本身的干燥實(shí)驗(yàn)特別耗時(shí)費(fèi)力，而TRNSYS則是專門針對(duì)木材的直接太陽(yáng)能干燥過(guò)程而被開發(fā)。TRNSYS 模擬“木材干燥”的流程圖如圖2 所示，干燥過(guò)程的計(jì)算分為60 個(gè)部分，選擇了15 s 的時(shí)間步長(zhǎng)。TRNSYS 模擬優(yōu)化干燥器的目標(biāo)是不斷獲得高品質(zhì)的優(yōu)質(zhì)干燥木材，而且，建模使困難又耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)被簡(jiǎn)單而快速的計(jì)算機(jī)軟件模擬所代替。TRNSYS 不光用于木材干燥模型分析，還可用于洋甘菊等輕質(zhì)產(chǎn)品的干燥過(guò)程模擬分析。

圖2 TRNSYS 模擬“木材干燥”的流程圖

1.2 間接太陽(yáng)能干燥器

在間接太陽(yáng)能干燥器中，涂有黑色油漆的吸熱表面會(huì)加熱周圍的空氣，此時(shí)被干燥物不直接暴露于太陽(yáng)輻射下，而是讓加熱的空氣隨后通過(guò)被干燥物，吸收水分并通過(guò)煙囪排出。

1.2.1 計(jì)算流體力學(xué)模擬

相比于直接太陽(yáng)能干燥器，計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)于間接太陽(yáng)能干燥器的模擬分析則需要關(guān)注更多的位點(diǎn)，包括但不限于集熱器的進(jìn)出口、干燥室的進(jìn)出口等。

ROMERO 等[13]考慮環(huán)境中恒定的對(duì)流傳熱系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，在干燥1 個(gè)月后，香草的質(zhì)量減少了約62%，而不是傳統(tǒng)的干燥3 個(gè)月。通過(guò)FLUENT ANSYS 軟件的模擬優(yōu)化，間接太陽(yáng)能干燥器的干燥效率大幅提升。

1.2.2 Comsol Multiphysics 模擬

Comsol Multiphysics 是基于先進(jìn)數(shù)值算法的通用仿真軟件，可對(duì)間接太陽(yáng)能干燥器中復(fù)雜物理場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行耦合建模，更精確分析其干燥過(guò)程參數(shù)的變化。

VINTILA 等[14]應(yīng)用Comsol Multiphysics 仿真 軟件在間接太陽(yáng)能干燥器中進(jìn)行物理場(chǎng)建模。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)忽略側(cè)壁的末端效應(yīng)，使用簡(jiǎn)化的二維域模型，使用Comsol Multiphysics 計(jì)算流體力學(xué)代碼進(jìn)行了數(shù)值模擬，將預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)有非常好的一致性。

1.2.3 MATLAB 模擬

對(duì)于間接太陽(yáng)能干燥器的模擬分析，MATLAB更能發(fā)揮其強(qiáng)大的瞬態(tài)、層流和三維分析功能。

JAIN 等[15]使用MATLAB5.3 求解了傾斜的多通道太陽(yáng)能空氣加熱器的瞬態(tài)分析模型，該加熱器與儲(chǔ)熱器集成在一起并連接到深床干燥器上。結(jié)果表明，基于MATLAB5.3 提出的模型對(duì)于評(píng)估谷物干燥應(yīng)用中的平板太陽(yáng)能空氣加熱器的熱性能非常有用。

1.3 混合式太陽(yáng)能干燥器

混合式太陽(yáng)能干燥器是直接和間接太陽(yáng)能干燥器的組合，其干燥過(guò)程是在入射到待干燥材料上的太陽(yáng)輻射的綜合作用下進(jìn)行的，在太陽(yáng)能收集器中預(yù)熱的空氣提供了干燥操作所需的熱量。

1.3.1 FORTRAN

在既有直接太陽(yáng)能干燥過(guò)程，又有間接作用的復(fù)合情況下，通過(guò)算法變換和系統(tǒng)評(píng)估，F(xiàn)ORTRAN 語(yǔ)言強(qiáng)大的編程功能可應(yīng)對(duì)不同占比的直接和間接作用及其多變復(fù)雜的運(yùn)行條件。BENNAMOUN 等[16]開發(fā)了FORTRAN 程序，以獲得平板集熱器和太陽(yáng)能干燥器的干燥室之間能量平衡的偏微分方程，結(jié)果表明，具有3 m2有效集熱器表面積的太陽(yáng)能間歇式干燥器在50 ℃下每天可干燥250 kg 洋蔥片。

1.3.2 MATLAB 模擬

MATLAB 模擬在混合式太陽(yáng)能干燥器中的應(yīng)用則更加傾向于特殊形式的混合太陽(yáng)能干燥器，包括自然對(duì)流太陽(yáng)能干燥器、PV/T 混合模式干燥器等。同時(shí)，MATLAB 模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型功能在混合式太陽(yáng)能干燥器的復(fù)雜運(yùn)行條件下可得到更好的展示。

VINTILA 等[14]對(duì)干燥器中MATLAB 軟件的應(yīng)用作了相應(yīng)研究，結(jié)果顯示，該工具可使設(shè)計(jì)人員無(wú)需進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)即可估算和優(yōu)化控制太陽(yáng)能干燥過(guò)程。

1.3.3 Sigmaplot

除了SPSS 和Statistica，具有強(qiáng)大圖形功能的Sigmaplo 統(tǒng)計(jì)軟件也被用于混合式太陽(yáng)能干燥器的統(tǒng)計(jì)分析，以可視化方式展示復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

TRIPATHY[17]將Sigmaplot 應(yīng)用于自然對(duì)流混合模式太陽(yáng)能干燥器中的馬鈴薯干燥回歸分析。為了解釋馬鈴薯樣品的干燥性能，對(duì)8 個(gè)薄層干燥模型進(jìn)行了側(cè)試并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較，得出的結(jié)論是，改進(jìn)的Page 模型最適合于解釋馬鈴薯切片和圓柱體的干燥動(dòng)力學(xué)。

2 結(jié) 語(yǔ)

越來(lái)越多的模擬和仿真軟件在太陽(yáng)能干燥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和深度分析中得到應(yīng)用，基于這些軟件的分析數(shù)據(jù)，不僅可節(jié)省干燥器的具體實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間，而且可降低太陽(yáng)能干燥器的研發(fā)和制造成本。通過(guò)軟件模擬，可以清楚地看到干燥室內(nèi)以及整個(gè)干燥單元內(nèi)的氣流和溫度分布及變化。更重要的是，軟件的模擬分析有助于選擇具體合適的太陽(yáng)能干燥器類型，還可為特定被干燥物設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能干燥器，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的果蔬、中草藥等農(nóng)產(chǎn)品的保存尤為重要。隨著科技的進(jìn)步，會(huì)有更多研究人員提出更強(qiáng)大的太陽(yáng)能干燥器計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件，這不僅有助于太陽(yáng)能干燥器本身的設(shè)備研發(fā)和完善，也將促進(jìn)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。