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全真空管式太阳能热风干燥系统的理论研究

2016-10-08 11:11:41.0   |    作者:陈金敏   |   浏览:110
摘要:简单介绍了全真空管式太阳能热风干燥系统的工作流程,根据南京地区的典型天气变化和太阳辐射强度,对全真空管式太阳能热风干燥系统额的集热器和干燥箱部分分别进行了理论研究和计算。主要的目的是为进行下一步的模拟提供必要的依据和数据。

  0 前言

  干燥作业涉及国民经济的很多领域,它不仅是大批工农业产品不可或缺的基本生产环节,同时也是我国的耗能大户。干燥作业所用能源占国民经济总能耗的12%左右,据不完全统计,全球20%~25%的能源用于工业化的热力干燥。[1]因此,干燥作业产生的能源消耗以及带来环境问题都亟待我们思考和解决。

  上至远古时期,就有自然风干的方式来完成干燥的过程。但是随着经济水平提高和工业化的发展这样的干燥方式已经逐渐退出历史的舞台,原因有二。其一,自然风干的风干时间过长;其二,由于天气和温度的限制会导致干燥的产量和质量产生重大的影响。然而,太阳能作为永不枯竭的清洁能源,以及较高的单位辐射量,使得它又与干燥作业联系起来,采用太阳能热风干燥的方式不仅可以有效地节约能源,而且可以减少对环境的破坏,一举多得。目前的太阳能干燥装置主要有两大类,即温室型太阳能干燥装置和集热器型太阳能干燥装置,在实际应用中还有两者结合的太阳能干燥装置。

  本套太阳能热风干燥系统属于集热器型干燥装置,可以降低化石能源的使用量,改善环境污染状况,避免物料直接在阳光下曝晒,适用于不同物料的不同干燥要求,提高物料干燥速率。整个干燥系统的热效率很高,真空管对太阳辐射的吸收较好。在冬季也可以使用,由于没有大量的液态水通过,也不会产生腐蚀集热器和管路爆管等问题,无承压的要求,即使有少量泄露对整个系统的运行和效率不会有较大的影响。并且整个系统的成本也相对比较低,空气集热器的时间常数小,反应快,可直接用于谷物和经济作物的干燥。

  1 系统介绍

  如图1所示,当白天太阳辐射比较好的时候,太阳能集热器加热进入的空气并与一部分的回风混合进入干燥室干燥物料,再由干燥室上方的风机带出,带走湿空气,以达到除湿的作用。当晚上或者太阳辐射不易于干燥作业的时候,可以利用辅助的热源来加热空气,以达到除湿的效果。

图1 全玻璃真空管式太阳能热风干燥系统.jpg

1.风机2.集热器3.辅助加热器4.干燥室5.轴流风机6.回气管

图1 全玻璃真空管式太阳能热风干燥系统

  对于整个全玻璃管太阳能热风干燥系统来说,影响的干燥效率的因素有很多。比如:空气温度、空气速度、太阳能集热器类型、太阳能集热器面积、物料的厚薄、物料初始湿度和需要干燥的湿度、干燥室的类型等等。[2]对于太阳能系统整体,按季节来说,夏季的干燥效率肯定比冬季的要好,干燥的速度势必比冬季要快;按天气来说,晴天的效率比阴天好;按逐时时间来说,中午的效率比早晚的好。

  以全玻璃管太阳能热风干燥系统整体来说:

  质量守恒方程为[2]:

公式1.jpg

(公式1)

  能量守恒方程为:

  Q0=Q1+Q2+Q3

  Q0=QC+P1+P2

  式中:

  Q0为输入太阳能装置的有效能量,W;

  P1为风机耗功,W;

  P2为辅助热源耗能,W;

  Q1为干燥物料的有效得热,W;

  Q2为干燥室排气热损失,W;

  Q3为干燥室及其他装置的热损失,W;

  QC为集热器实际集热空气量,W;系统热效率为:η=Q1/Q0×100%

  系统性能评价指标(能量利用率)为:

公式2.jpg

(公式2)

  式中:

  hd,i和hd,o分别为干燥箱中干燥空气进出口的焓值,kJ/kg;

  Tc,i和Tc,o分别为集热器中空气的进出口温度,℃;

  2 集热器部分的研究

  本系统所使用的全玻璃真空管集热器的结构形式比较特殊,如图2 和图3 所示。全真空玻璃管中插入一根空心铝管,太阳能辐射到真空管上,吸收层吸收热量,通过传导和对流的方式将热量传递给铝管。铝管再将热量导热至伸入总集管的顶端,进入总集管的冷空气与金属管顶端换热带走热量,使得空气温度升高。

图2 真空管太阳能集热器截面图.jpg

1.真空集热管 2.金属细管3.内集管 4.外集管 5.支架

图2 真空管太阳能集热器截面图

  以全玻璃真空管太阳能集热器为模型:

  QC=η·Ii·Aa

  Ii=ID,i+IS,i+IR,i

  式中:

  Ii为倾斜面太阳总辐射量,W/m2

  ID,i为倾斜面太阳直射辐射量,W/m2

  IS,i为倾斜面太阳散射辐射量,W/m2

  IR,i为地面太阳反射辐射量,W/m2

  其中[4]:

公式3.jpg

(公式3)

  式中:

  φ为地理纬度,度;θ为集热器倾角,度;

  (为其全年利用太阳能集热装置,其安装倾角应等于当地纬度,即φ=θ=32°)

  δ为赤纬角,度;

  Ws为水平面上的日落时角,度;

  Ws′为倾斜面上的日落时角,度;

  (对于北半球(φ>0),太阳能集热器的放置一般要照顾冬半年,故Ws=Ws′)

  ID为倾斜面太阳直射辐射量,W/m2;

公式4.jpg

(公式4)

  式中:

  Is为倾斜面太阳散射辐射量,W/m2

  RR为斜面上反射量与水平面上辐射量之比;

  RS为斜面上散射量与水平面上辐射量之比;

图3 金属式全玻璃真空管换热结构示意图.jpg

1.保温层 2.集管 3.金属管 4.全玻璃真空管

图3 金属式全玻璃真空管换热结构示意图

公式5.jpg

(公式5)

公式6.jpg

(公式6)

  式中:

  d为总集管直径,m;

  v为空气的质量流速,m/s;

  ρ为空气密度,kg/m3

  c为空气比热,J/kg·℃;

  Tout为空气离开太阳能集热器温度,℃;

  Tin为空气进入太阳能集热器温度,℃;

  Aa为采光面积,m2

  根据以上一系列公式以及在南京的地理条件,可以计算出在南京地区不同季节的太阳能辐射强度逐时值,如图4所示。

图4 南京低区不同季节所对应的逐时斜面辐射强度.jpg

图4 南京低区不同季节所对应的逐时斜面辐射强度

  由图4可以看出在同一季节情况下,斜面上的太阳辐射强度总是随着时间的增大先变大再减小。在不同的季节变化时,夏季的太阳辐射强度比冬季的太阳辐射强度要明显大很多,几乎是冬季辐射强度的2倍。夏季最大的辐射强度为446.8W/m2,最小辐射强度为105.5W/m2;冬季最大的辐射强度为212.5W/m2,而春季和秋季介于冬季和夏季之间。

  当进入太阳能集热器的空气流速v=4.2m/s,集热面积为4m2,总管直径为0.08m,集热器效率取50%时,可得南京地区不同的季节下,集热器集出口温度与逐时的关系,如图5所示。

图5 时间与太阳能集热器出口温度的关系.jpg

图5 时间与太阳能集热器出口温度的关系

  由图5可以看出,不同的季节情况下,太阳能集热器出口温度与逐时时间的变化趋势是一致的,都是随着时间的增加先变大后减小。夏季最大的集热器出口温度可达62.7℃,冬季最大的集热器出口温度可达21.1℃。春季和秋季不仅变化趋势基本一致,而且数值也相差不大。

  3 干燥箱部分的研究

  自由含水量Wf:

  Wf=W-We

  式中:

  Wf为自由含水量,即物料所能脱去的水分含量;

  W为初始含水量,即物料干燥前的水分含量;

  We为平衡含水量,即物料干燥完成后所含有的水分含量;

  物料的干基含水率U为:

公式7.jpg

(公式7)

  式中:

  Ge为干燥物料的绝干物料量;

  物料的湿基含水率W为:

公式8.jpg

(公式8)

  假定干燥前后,物料中的绝干物料量Ge保持不变,那么:

公式9.jpg

(公式9)

  式中:

  G1,G2 分别为干燥前后物料的质量,kg;

  W1,W2分别为干燥前后湿物料的湿基含水率,%;

  Wf=G1-G2

  干燥过程中空气消耗量为:

公式10.jpg

(公式10)

  式中:

  Din,Dou分别为进入和离开干燥室时的空气含湿量,kg/kg干空气;

  干燥速率R为:

公式11.jpg

  (公式11)

  式中:

  A为物料的表面干燥面积,m2

  t为时间,h;

  4 结论

  本文详细介绍了全玻璃真空管式太阳能热风干燥系统的工作流程及模型介绍,并且分别以全玻璃管集热器和干燥箱作为研究重点进行模型分析和部分的理论计算,主要的目的是为了进行下一步的模拟提供必要的依据和数据。

  参考文献

  [1]张璧光,刘志军,谢拥群.太阳能干燥技术[M].北京:化学工业出版社,2006:3–4.

  [2]Sevik,Seyfi.Experimental investigation of a new design solar-heat pump dryer under the different climatic conditions and drying behavior of selected products[J].Solar Energy,2014,105(7):190-205.

  [3]张晴源,JoeHuang.中国建筑用标准气象数据库[M].北京:机械工业出版社,2004:146-149.

  [4]S A Klein.Calculation of nonthly average isolation on titled surface[J].Solar Energy,1977,19(4):325-329

关键字:全玻璃真空管,热风干燥系统,理论研究
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