1、 1 果蔬太阳能干燥脱水装置设计 摘要 ： 根据广式凉果的干燥特性，设计开发了一套小型全天候太阳能干燥设备，并对该设备进行应用试验研究，对比分析不同凉果在研制的干燥设备中的实际应用结果，与传统的自然日晒干燥、热风干燥相比的优势，寻找设备干燥凉果最佳工艺条件，对工厂的实际运作起指导作用。 （ 1）该小型装置特点是利用对 V 型太阳能集热板进行改造，使之成为既可输送热风，也可实现储存热量于热水中，该设备由集热板，干燥室，小型风机，储热水箱，蛇行风管，水泵，温湿度感应器，小型换热器，自动控制阀门及空气过滤装置组成，有完整的一 套集热收集太阳能系统和热风干燥系统。白天干燥过程中，风从集热器底部经加热后
2、进入干燥室干燥，排出的热风经鼓风机重新进风，当干燥室内温度过高时，自动控制阀将打开，水由集热器加热收集热量储存于保温水箱中；夜间当温度感应器感应干燥室内部温度过低，由控制阀中断集热器进风口，风由水箱中蛇形风管由水加热进入干燥室，之后类似于白天干燥过程；白天重新开始时，控制单元驱动控制阀关闭蛇形风管进风口，打开集热器进风口，又开始集热板热风干燥过程，储热水箱又可开始储存热能，周而复始，实现连续干燥操作；气候条件不佳时，可利用水箱中的电热 丝加热水，通过蛇形风管实现热风干燥过程。该太阳能连续供热式干燥设备，能连续供热、全天候工作、成本低、结构简单、干燥效率且热利用效率高。 （ 2）试验中采用的自主
3、研制太阳能干燥设备，空气对流方式为自然对流和强制对流方式，研究了样品的干燥特性，在达到干燥要求的情况下，自然对流干燥时间需 14h，强制对流干燥所需时间为 12h，远远低于传统日晒干燥（ 50h），自然对流干燥整个干燥过程样品的平均 Deff 值为 1.39 10-6m2/s，强制对流干燥过程中样品的平均 Deff 值为 1.26 10-6m2/s，两种干燥方 式干燥的水分扩散能力都比较均匀。 （ 3）干燥设备自然对流干燥和强制对流干燥两种干燥方式下，以干湿梅作为试验样品，研究样品的理化品质及感官特性，试验结果表明，随着湿基湿含量的降低，处于不同层的梅子成品时的总糖、总酸和盐含量均有不同程度的
4、增加，在样品色泽方面，非酶褐变使各层样品的 L*值和 a 值上升，但对于 b 值而言，果皮果肉在干燥过程中趋势相反（果皮 b 值下降，果肉 b 值上升），达到出厂产品品质要求。通过对干燥设备不同干燥方式不同物料层，样品理化及感官特性的研究，试验结果表明，自然对流方式通过适当的调 整物料层的位置，对于样品的品质会有一定程度的提高，而强制对流方式由于干燥相对比较稳定，不需要通过调整物料层的位置来提高样品的品质。 （ 4）太阳能干燥设备不同干燥方式下的应用研究表明，相对于自然日晒干燥、温室、烘箱干燥等传统干燥方式，太阳能干燥设备存在明显优势，干燥时间明显缩短，最多可以缩短 76%，设备干燥总效率为
5、63.4%，干燥过程环保节能；干燥环境高温低湿，产品品质干燥效率和生产成本均有不同程度的提高，可以满足包括梅子等热敏性物料。 在内的多种农产品的干燥要求。 （ 5）样品干燥至目标水分含量时，自然日 晒大约需要 50h，温室干燥约为 30h，烘箱热风干燥需要 12h，自制太阳能干燥设备自然对流方式及强制对流干燥方式耗时分别为 14h 和 12h。强制对流、烘箱干燥、自然对流、温室干燥与自然日晒干燥在 12h 内湿含量分别降至 58.08%、 57.08%、 60.21%、64.32%、 69.22%。在干燥到相同的湿基湿含量（最终产品）的时候，五种干燥方式干燥产品水分活度均到达储藏要求，产品品质
6、均达到了产品出厂的要求，综合而言，太阳能干燥设备干燥效果最佳。 综上分析可以知道，利用自制广式凉果小型太阳能全天 候 干 燥设备研究温室、自然对流和强制对流等干燥方式与传统热风干燥与自然日晒干燥的差异，本试验为小型太阳能全天 候 干燥设备对工厂的 2 加工生产中的实际应用提供理论依据。 太阳辐射具有分散性和断续性的特点，是太阳能利用中最大的困难。如何有效地收集蓄积太阳能，对太阳能的利用效率有着非常重要的影响。太阳能在建筑采暖和农业日光温室的应用中，太阳墙是太阳能收集和蓄积的关键技术，是实现太阳能 -建筑 -体化的重要组成部分，也是世界各国学者普遍研究和关注的课题。因此，太阳墙的研究有着非常重要
7、的意义。本文综合分析了国内外“太阳墙”的研究现状 ，集多孔介质复合 Trombe 墙和太阳能多孔集热墙优点为一体，设计了一种多孔介质太阳墙，并采用数值模拟的方法对多孔介质太阳墙的传热机理及应用进行了研究。 从简化的角度出发，建立描述多孔介质太阳墙传热与流动特性的一维数学模型，对作为媒质的空气在多孔墙内的流动，以及与多孔墙之间的换热机理进行了初步的研究。结果表明 :多孔墙能收集与蓄积太阳能，并加热空气 ；降低多孔墙入口空气速度，能够提高空气的温度 ；在保证所需的太阳辐射吸收率的条件下，增大多孔墙的孔隙率与渗透率，能够提高空气的温度 ；当多孔固体材料采用金属与非金 属材料时，出口空气温度有着较大的
8、差别。当多孔骨架材料采用铝时，空气的温升幅度较大，出口空气温度高，而采用岩石，空气的温升幅度较小。在实际应用中，应合理选择渗透率和多孔骨架材料，尽可能地降低初投资。 基于对多孔墙的热分析，为降低多孔墙与环境之间的辐射与对流换热损失，从结构上对多孔墙进行改进，设计了一种新型的多孔太阳墙系统。在多孔墙的集热面与环境之间设玻璃盖板，形成玻璃通道。利用玻璃通道的“温室效应”降低热损失和收集热空气。在多孔墙内侧通道内设有风机，在风机的作用下，室外空气流入多孔墙，与多孔墙进行热交 换后，被加热到一定的温度，用于冬季的供暖。基于二维稳态 Navier-Stoke 方程、饱和多孔介质 Brinkrnan-Fo
9、rchheimer Extended Darcy 模型和能量双方程模型，对这种设有风机并附加玻璃通道的新型的多孔太阳墙系统内的传热与流动特性进行数值模拟。结果表明 :风机的设计对系统内温度场和流场有较大的影响 ；降低空气入口流速，可减小空气流动阻力，提高多孔墙的集热效率 ；附加玻璃通道的多孔太阳墙可减小长波辐射损失，并具有收集热空气的作用。因此，它具有较高的集热效率。 设计了一种多孔蓄热墙 -温室系统。将温室北墙设计为由“半透明”的等径、均匀的多孔球堆积而成的多孔墙，能吸收和蓄积太阳能，加热温室空气，而且能够主动地调节温室内的热环境。将温室与多孔蓄热墙结合起来，充分发挥两者的作用。从而提高了温
10、室的太阳能利用效果。借助带内热源的饱和多孔介质能量双方程模型和 Brinkman-Forchheimer Extended Darcy 模型以及 k-。紊流模型，对该太阳能温室系统的传热与流动特性进行预测。在此基础上，进一步模拟分析了孔隙率分层多孔墙对温室系统特性的影响。结果表明 :温室系统的入口参数和多孔墙的结 构对温室内的温度场、流场和压力场有较大的影响。因此，针对一定结构的温室系统，应根据温室热环境的要求，合理地设计多孔墙本体，调节风机的运行工况。 设计了两种通风方式下的多孔太阳墙采暖系统。采用饱和多孔介质 Brinlanan-Forchheirner Extended Darcy 模型
11、、带内热源的能量双方程模型以及 k-。紊流模型对采暖系统内的传热与流动特性进行计算、分析和比较。结果表明，多孔太阳墙采暖系统的送排风方式，对采暖房内的温度场、流场有很大的影响，它直接影响到系统的保温作用，对多孔墙的热利用率有较 大的影响。因此，在实际应用中，应合理地设计多孔太阳墙采暖系统，提高多孔墙的热利用率，从而降低多孔墙的热价。 对局部和斜坡地板送风式多孔太阳墙采暖系统内的传热与流动进行了数值模拟，得到了两种系统内的温度分布、流场分布。分析了架空地板的结构、地板送风口尺寸对采暖房内温度场和流场的影响 ；分析了建筑南墙对室内温度的影响。结果表明 :采用地板送风方式，能够保证采暖房内均匀的温度场和流场 ；采用斜坡式地板送风方式，更有利于保证各送风口流量分布均匀。在实际应用中，应注意
