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太阳能干燥
第四章太阳能干燥
第一节概述
在农业生产和农副产品加工过程中,干燥作业是必不可少的重要环节。
改革开放以来,我国农村经济得到了空前发展,广大农村正在利用资源优势脱贫致富,解决温饱,奔向小康。
然而,由于我国农村能源的长期短缺,农副产品的干燥加工仍然以自然摊晒方式为主,这种落后的生产加工方式,不但干燥时间长,受气候变化影响和制约,而且干燥物料易受灰尘、蝇虫以及各种微生物的污染,使得干燥品质不高,质量无法保证。
有些物料,如油脂类食品在阳光下曝晒,还会加速油脂氧化,易产生致癌物质,影响人体健康。
有些物料,如粮食、鲜果等,由于受季节性影响,若不及时干燥处理,常常腐烂变质,使农民蒙受不应有的损失。
传统的陈旧的自然摊晒方式阻碍了农村生产力的发展,已成为制约农副产品加工的“瓶颈”。
为了更有效地利用太阳辐射能来干燥物料,人们结合各地的太阳能资源和气候条件,根据物料的干燥特性,设计和建造了各种形式的太阳能干燥器。
他们可以分成高温聚焦型和低温热利用型两大类。
前者经过尝试,由于造价高、设备复杂,很少使用。
后者由于造价较低,可因地制宜、就地取材施工。
况且,农副产品干燥加工一般只需低温(400c~65°c),有的
必须低温干燥(如种子和带挥发性物质的中药材等),因而低温热利用型太阳能干燥器发展迅速。
本章所述太阳能干燥,均指用低温热利用型干燥器来干燥物料。
这种形式的太阳能干燥器,可使太阳辐射能直接照射在物料上,利用温室效应,人为地创造一种适合于干燥作业的环境,并通过合理的送风使物料于燥;也可以利用太阳能空气集热器采集太阳辐射能加热空气,用流动的热空气来干燥物料;或将两者组合起来应用。
太阳能f-燥器与常规能源配套使用,还能实现全天候运行、仁业化产的目的。
利用太阳能十燥器进行干燥作业,具有干燥周期短,干燥效率高,产品干造品质好,可避免自然摊晒的物料污染和腐妙变质损失实践证明,它具有较明显的经济效益和社会效益。
例如,我用山西省翟山县利用简易太阳能干燥器干燥红枣,与自然摊晒方式利!
比,干燥速度提高了3倍以上;烂枣率由10%~20%下降到2%~3%;成品干枣外形丰满,色洋红润,鲜甜味美。
广州三元里平沙乡利用太阳能干燥器干燥各种干鲜果,每天可得到加工费150~300元,3个月即可回收投资,而且节省了劳力,保证了产品质量。
目前,我国太阳能干燥器已发展到推广应用阶段,已建立的太阳能干燥器的采光面积达2万m2左右。
各种类型的太阳能干燥装置200多座,其中,广东江门农阳能农药干燥
装置太阳能采光面积达3000m2,是世界上少有的大型太阳能干燥装置。
并且从间歇运行向全天候使用的方向发展,有的甚至使用电子计算机来控制干燥器的运行。
总之,太阳能干燥
是一种行之有效的方法.值得大力推广。
利用太阳能干燥,对于发展农村经济、节约常规能源、避免环境污染、提高产品质量、改变落后的生产加工方式和农民致富都将起到积极作用。
由于篇幅所限,本章仅从物料的干燥特性和干燥原理人手,介绍太阳能干燥器的特点、分类以及典型结构、太阳能干燥器的评价指标,并粗略地介绍物料干燥过程中的热量平衡。
第二节物料含有水分的性质及含水量表示法
干燥的过程就是不断地除去物料中水分的过程。
由于干燥对象(物料)千差万别,品种繁
多.其物理构成、化学成分也不同,物料中所含水分在干燥过程中表现出的性质也有很大差异。
物料性质的这些差异,使得干燥的时间、干燥作业的要求、干燥的难易程度也大不相同。
设计十燥器,最基本的数据是需要了解从物料中除去多少水分,除去水分的速率多大,因此,
了解物料含水量的表示法,并通过实验测定出来,就显得十分必要。
一、物料中所含水分的性质
物料中所含水分可能是纯液态,或是水溶液。
根据水分在物料中位置的不同,物料中的水分可分为吸附水分、毛细管水分、溶胀水分和化学结合水分4种,由于化学结合水分的去除已不属于干燥作业的范围,我们仅介绍前3种。
(1)吸附水分吸附水分是物料外表面上附着的水分,与纯态水一样,在任何温度下,它的蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。
(2)毛细管水分它存在于多孔性物料的孔隙中,这种水分在干燥过程中可借助毛细管的吸引作用转移到物料表面。
物料孔隙较大时,所含水分与吸附水分一样,蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压。
孔隙较小时,所含水分的蒸汽压小于同温度卜纯水的饱和燕汽压。
毛细竹水分的蒸汽压还随着干燥过程的进行而下降,这是因为存留的水分大多是在更小的毛细管中。
(3)溶胀水分这是物料组成的一部分·渗透人物料的细胞壁内,它的存在使物料体积增大。
为了说明十燥过程的限度,物料中所含水分又划分为平衡水分和自由水分湿物料中水分的蒸汽压与物料的性质、含水量和温度有关,将湿物料与一定温度(T)、相对湿度()的空气相接触,物料中水分汽化,直到物料表面水蒸气压与空气中水蒸气分压相等为止。
这时,物料中水分与空气中水分达到平衡,继续延长干燥时间,物料中的水分也不再增减。
此时,物料中含有的水分称为平衡水分,或称平衡含水量。
空气的相对湿度越大,或温度越低,平衡水分也越大。
因此,平衡水分是物料在一定的空气状态下可能干燥的最大限度,并随空气状态的变化而变化。
物料的含水量大于平衡含水量时,实际含水量与平衡含水量之差,称为自由水分或自由含水量。
因此,自由含水量是在一定的空气状态下能用干燥方法除去的水分。
根据物料中水分被除去的难易程度,物料中水分又分为结合水分和非结合水分。
结合水分存在于细胞壁和孔隙较小的毛细管内,它与物料的结合力强,较难蒸发,其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。
当物料中只存在结合水分时,物料中水汽至空气主体的扩散推动力(p)随干燥过程的进行逐渐下降。
非结合水分是指存在于物料表面的吸附水分,以及较大孔隙中的水分等.其蒸汽压等于同温度下纯水的饱和蒸汽压,它与物料的结合力弱,容易除去。
上述几种水分的关系列表如下:
自由水分{非结合水首先去出的水分物料中的水分{自平由衡水水分分{能除不去能的除结去合的水结合水
二、物料中含水量的表示方法
在干燥过程中,物料的含水量有湿基含水量和干基含水量两种表示方法。
(1)湿基含水量指湿物料中水分占有的百分率,用符号表示,单位为kg/千克湿物料,
计算公式:
湿物料中水分的质量100%
湿物料中就对干料的质量水分的质量
这是习惯上常用的含水量表示法,但是用这种方法表示物料的最初和最终含水量时,不能用简单的相减来计算水分蒸发量。
(2)干基含水量干基含水量是以绝对干料为基准表示的湿物料中水分的含量,用符号x表
示,单位为kg/千克绝对千料,计算公式:
干基含水量(
湿物料中水分的质量x)=
湿物料中绝对干料的质量
湿物料中水分的质量
湿物料总质量-湿物料中水分的质量
在用干基含水量计算水分蒸发量时,
的换算关系如下:
可用物料最初和最终含水量相减计算。
两种含水量之间
x(4-1)
1
x
(4-2)
1x
第三节干燥原理及物料干燥特性
、干燥原理如前所述,物料的干燥过程就是不断从湿物料中除去水分,直至达到要求含水量的过程。
干燥过程的驱动力是物料表面蒸汽压(p1)与空气中水蒸汽分压力(pv)之差。
在单位时间、单位干燥面积上汽化的水分量,称为干燥速率,用符号U表示,单位是Kg/(m2s)。
物料的干燥速率由实验测定。
设物料的干燥在恒定的空气条件下进行,即干燥介质(热空气)的温度、相对湿度、流速以及与物料接触方式在整个干燥过程中保持恒定。
用大量空气干燥少量物料可以认为是接近恒定的干燥情况。
图4—1表示恒定干燥条件下典型的物料干燥速率曲线。
图中纵坐标是干燥速率,用U表示,横坐标是物料的干基含水量,用x表示。
由图4-1可见,干燥过程明显地分成3个阶段,即预热阶段AB、等速干燥CB和降速干燥阶段CD段。
(1)预热阶段如图4-1中AB段,干燥作业由A点开始,随着物料温度的逐渐升高,干燥速率迅速增加到最大值。
此阶段的特点是物料被热空气加热,从初始温度迅速上升到该热空气的湿度温度。
此阶段的热量消耗主要用于增加物料内能,同时用于物料中水分的蒸发。
(2)等速干燥阶段如图4-1中召BC段,物料的干燥速率和物料表面温度保持不变,且干燥速率不随物料含水缺的不断下降而变化。
这是因为物料表面水分的汽化速率与物料内部水分向农面的扩散速率相等,物料水分含量的减少随时间的变化率为常数,所以BC段从本保持一水平直线。
在这个阶段,干操速率的快慢主要取决于物料表面的汽化速率和热空气的性质,而与湿物料的性质关系很小。
(3)降速干燥阶段如图4-1中CD段,在此阶段,物料的干燥速率从C点降到D点。
其特
点是干燥速率逐渐下降,物料表面温度逐渐上升。
图中C点称为临界点,对应的物料含水量称为临界含水量。
临界点是物料中非结合水分与结合水分的界限。
干燥过程进行到C点时,物料中的非结合水分已基本排除,在降速干燥阶段要排除的主要是物料中的结合水分。
此时,物料内部水分向表面的扩散速度随着物料含水量的下降而下降,因不能及时地向表面补给水分,使物料表面的湿润面积逐渐减小,干燥速率不断地下降,物料表面温度脱离热空气的湿球温度状态,趋向于热空气温度。
因此,在降速干燥阶段,物料的干燥速率主要取决于物料本身的性质、形状和大小等,而与热空气的性质关系较小。
因此,物料不同,曲线由C点到D点变化的形状是不同的。
干燥速率曲线与横坐标的交点D所表示的物料含水量是平衡含水量,此点的干燥速率为零。
表4-1、表4-2和图4-2(25°C条件下)给出了一些物
料在各种空气参数下的平衡含水量值。
在同样的空气状态参数下,各种物料的平衡含水量不同,差异较大。
同一种物料在不同的空气状态参数下,平衡含水量也不同。
温度上升和相对湿度下降,平衡含水量下降。
、物料干燥特性
很多农副产品并不一定要干燥到平衡含水量,而只需干操到某个要求的值(在临界含水
量和平衡含水量之间)。
如收获季节的稻谷含水量约为24%(湿基),安全储存含水量为14%(湿基)。
如果在气温为40°C、相对湿度40%的空气中干燥,稻谷的平衡含水量为8%(湿基),
而干燥速率随物料含水量的下降迅速下降。
从节约能源、充分利用干燥装置.提高经济效益
考虑,确定合适的干燥最终含水量是很有必要的。
此外,阴雨天气.空气相对湿度达到90%。
由表4-2可见.稻谷的平衡含水量>14%,达到17%~19%(湿度)。
因此,储存期间应保持干燥状态,必要时应再次进行干燥,以保证储存质量。
此外,干燥速率曲线中的临界点往往不是固定的,它随热空气温度、物料形态的不同而不同,如蚕茧的临界含水量随温度的升高而降低。
干燥周期是评价干燥器性能的又一个重要指标,它表示物料从最初含水量干燥到要求的最终含水量需要的时间(),用小时表示。
对于间歇式干燥器,考虑到装卸需要的时间('),干燥周期将变为1'。
以热空气作介质的干燥器,影响干燥速率和干燥周期的主要有物料的干燥特性、形状、大小和物料层的厚度;干燥介质的性质;干燥器设计、制造和运行质量的优劣个方面。
较为重要的影响因素有:
(1)干燥对象(物料)凡影响水分从物料内部向表面扩散速度的因素,都将影响物料的干燥速率和干燥周期。
上面已经提到,物料的构成、形状、大小和物料层厚度影响临界含水量,所以在降速干燥阶段,物料的性质和形状等对干燥速率起决定性作用。
物料的最初和最终含水量,决定了每千克物料必须除去的水分量,影响着于燥各阶段所击时间,从而影响干燥周期。
因此,对于初始游离含水量很高的物料,如从染缸内取出的皮革,先用机械方法降低物料干燥的初始含水量。
并合理选定最终含水量,对缩短干燥周期是有意义的。
(2)干燥介质的温度和湿度温度高,湿度低,干燥速率将大幅度提高。
这是因为,温度每提高,水的饱和蒸汽压和空气的饱和湿度增加1倍。
在等速干燥阶段,温度的提高,使物料表面饱和水蒸气压力相应提高;干燥介质湿度低,空气中水蒸气分压力低。
因此,驱动物料中水分蒸发的压差变大。
在降速干燥阶段,较高的温度提高了物料内水分向表面的扩散速度,从而使物料的干燥速率提高,干燥周期减小。
但温度的提高应以不损害物料为原则,尤其对某些热敏性物料,如种子和含有挥发性物质的中药材等,更应选择合理的干燥温度。
(3)干燥介质的流向和流速在等速干燥阶段,气流速度高,有利于除去物料中的水分,并能及时载走,从而提高干燥速率。
气流垂直于物料流动比平行于物料流动的干燥速率高。
而在降速干燥阶段,气流的速度和流向对干燥速率的影响较小。
(4)干燥器的设计、制造和操作规程合理的气流组织(均匀的气流分配,不允许有死角),物料的适当布置,物料层厚的适当选择,便于装卸料,适当的保温、密封,合理的操作规程等,都是影响物料干燥速率和干燥周期的重要因素。
由于影响干燥速率的因素很多、很复杂,目前只对部分物料的干燥特性有所研究,因此,还不能从干燥机理出发,得出普遍适用于各种物料的干燥速率和干燥周期的计算公式。
所以,在深人研究干燥对象的干燥特性的基础上设计干燥器,并在小型装置上测试性能,然后,再修正、放大设计是比较适宜的。
第四节太阳能干燥器的分类和特点
一、太阳能干燥器的分类
以阳光是否直接照射在物料上,我们可以把太阳能干燥器分为两类,即温室型太阳能干燥器和空气集热器型太阳能干燥器。
前者阳光直接照射在物料上;后者阳光不直接照射在物料上,而是照射在空气集热器上,吸热板采集太阳能流经集热器的空气经过加热被输送到干燥室干燥物料。
此外,用温室代替空气集热器型太阳能干燥器中的干燥室,还可以构成空气集热器和温室组合型太阳能干燥器。
以空气流动的驱动力分类,可以把太阳能于燥器分为自然抽风式和用风机强迫循环式。
二、太阳能干燥器的特点
太阳能十燥器是以太阳辐射能作为主要能源,以空气作为干燥介质来干燥物料的装置。
因此,太阳能干燥器有如下特点:
1太阳能是间断的多变能源。
夜晚和阴雨天气无法利翎太阳能,即使晴天,太阳辐射强度也随时间和季节变化,相应的空气温度和湿度也在变化,因而,同一种物料的一干燥速率、于燥周期和!
几燥器的热效率也随之变化。
2以空气作为干燥介质,不存在太阳能热水器中水的冻结问题,因此,太阳能干燥器的年度运行时间长。
一个保温良好的太阳能于燥器,在冬季也能运行,只需有效地防止夜晚和阴雨天气冻坏物料即可。
3太阳能干燥器适用于低温干燥(40C-65C)。
各地可结合当地太阳能资源和气候条件、干燥对象的特点,选择合适的干燥器形式,因地制宜,就地取材设计施工,以达到较好的干燥效果和较佳的经济效益。
4季节性使用的太阳能干燥器应尽量降低成本
5全天候使用的太阳能干燥器,须与常规能源配合使用。
第五节典型的太阳能干燥器
、温室型太阳能干燥器
温室型太阳能干燥器以驱动空气流动的动力来分,有自然抽风式和强迫循环式两种。
(1)自然抽风式图4-3是自然抽风温室型太阳能干燥器示意图。
它由温室、烟囱等组成。
温室由顶部透明盖板(玻璃或透明塑料薄膜)、四周围护构件、物料架等构成,物料放在物料架上,并设有装卸物料的出人门。
阳光经透明盖板照射在物料上使物料加热,温室效应使温室内空气升温。
由
于温室和烟囱内的空气温度高于环境空气,因此,密度低于环境空气,形成抽力。
新鲜空气从下部进人温室,穿过物料,带走物料中排出的水蒸气,这些湿空气经烟囱不断地被排出。
烟囱是为增大抽力而设置的。
堆积性物料可装在多孔筛屉内,皮革、挂面等薄片、长条状物料可悬挂在温室中。
为了使更多的人射光照射到物料上,可以在温室内北墙上设置反光材料。
自然抽风量可通过调节活阀开度调整,以适应干燥过程的不同阶段需要。
由于自然抽风温室型太阳能干燥装置不需要风机,非常适合在无电或缺电地区使用。
但自然抽风的抽力小,物料堆积层不宜太厚。
在干燥过程中应适时一翻动物料,使之均匀于燥。
在无阳光期间,自然抽风温室型干燥器不能正常仁作,此时应打开活动门等,避免物料在闷湿状态下变质。
(2)强迫循环式图4-4:
是强迫循环太阳能寸二燥器示意图。
该温室分为四区,风机驱动空气进人第1区下部,向上穿过1区物料后转向2区上部,再向下穿过2区物料后进入2区下部,然后依次穿过3区、4区物料层,湿空气直接排人大气,或部分排出,部分回流,与新风混合后重新鼓入温室使用(在降速干燥阶段,尤其是干燥后期经常采用)。
强迫循环式与自然抽风式比较,提高了风速。
分成几个区域,风速还可以进一步提高,从而使物料干燥速率加快。
可以实现部分换气,提高干燥温度,减少排气热损。
即使在阴天或夜晚,仍可利用风机鼓风干燥,此时,蒸发水分消耗的能量取自于流过空气的熔降,使排人大气的空气温度低于环境空气温度。
此外,有些温室型太阳能干燥器,在温室内设置一些风扇,以强化温室内空气扰动。
这对提高穿过物料层或物料间隙的风速,避免温室内气流死区,提高干燥速率是有利的,尤其是在等速干燥阶段更为有效。
但是,当物料干燥速率受内部水分迁移速率控制时,作用就很小。
此时,可以关闭风扇。
二、空气集热器型太阳能干燥器
根据空气集热器与干燥室的组合方式,空气集热器型太阳能干燥器可分成集热器与干燥室分开式和一体化两类。
(1)太阳能空气集热器空气集热器的形式以平板型空气集热器(包纹板、翅片板)最为常见。
美国Solaron公司生产的就是平板型集热器,图4-5给出了他的一个单体示意图。
北京市太
阳能研究所研制的、国内唯一能仁业产的拼装式空气集热器也是平板型。
其外观照片如图
4-6所示。
图4-7给出了平板翅片式、波纹板式和平板凸圆式吸热板的结构简图。
1
空气集热器由吸热板、透明盖板、保温材料、外壳和气流通道等组成,如图4-5所示。
确定空气集热器的结构,应注意减少集热器的顶部热损失。
为减少吸热板与玻璃盖板间的辐射换热损失和对流换热损失,在吸热板上通常涂以选择性涂料〔对阳光的吸收率高而低温发射率低),并注意吸热板与玻璃盖板的间距选取。
在集热器进口空气温度与环境空气温度之差与太阳辐射强度之比较大的条件下工作,或需要全年运行,为抑制对流热损失,集热器应采用双层玻璃盖板。
拼装式空气集热器具有工厂化生产、质量比较稳定、便于现场安装等优点,但因其结构
参数已定,应注意综合考虑集热器效率、流动阻力、流量和集热温度等因素,选取较佳的集热器组合方式和工作点。
整体式空气集热器虽需现场施工,但便于就地取材,结构参数可按干燥器的要求和场地情况选取,自由度相应大一些。
2图4-8是典型的平板吸热型太阳能空气集热器的热性能曲线。
图中I为投射在采光面上的太阳辐照强度(W/cm2),tf,i,和ta分别为集热器入口空气温度(℃)和环境空气温度(℃),效率((η)是指加热空气得到的有效热量占投射在集热器采光面上的太阳辐射能的份额(%)。
图中给出了两种空气流率[(0.01m3/(m2.s)]条件下的热性能曲线。
空气流率为单位时间(s)单
位采光面积(m2)流过集热器的空气量(m3)由图可见,提高空气流率,
tt降低f.ia,集热器热效率提高。
I低集热器出风温度,但前者增加风机功耗,两者都将降低集热器出风温度,使干燥空气的品质下降。
洛夫在美国“太阳能技术手册”中建议,较为合适的空气流率为0.012m3/(m2.s),流过集热器的空气流速为3.0m/s。
这两个参数确定后,集热器的气流通道高度尺寸也就确定了。
设计集热器时,除考虑集热器本身的成本、效率外,还应考虑制造安装的方便性、减少集热器流动阻力和集热器集气管道的布置等。
近10年来,不少空气集热器的集气管道与吸热板底下的通道合一,既减少了系统热损失,降低了系统造价,又起到稳定压力、均匀气流的作用,有利于提高效率。
3吸热板是空气集热器的关键部件,它起着把太阳辐射能转变为空气热能的作用。
吸热板一般很薄,吸热板与空气间的换热系数又比较低,因此,吸热板自身的导热热阻无足轻重,故可选用非金属材料制造。
但从耐温、耐老化、刚性和强度等因素考虑,一般多用薄钢板或薄铝板制造。
4
拼装式空气集热器的阵列组合如图4-9所示,其中图4-9a给出了6种拼装式空气集热器单体通道形式,图4-9b,c,d,e分别给出了串、并联阵列组合方式及气流阻力。
单体的规
格为1.956mX0.889mX0.223m。
单体和阵列阻力是在空气流率为0.01m3/(m.s)条件下测定的。
由图中所给阵列阻力值可见,阵列组合方式不同,气流阻力相差较大,应综合各种因素妥善选择。
阵列组合中另一个值得关注的问题是流经各集热器单体的气流分配均匀,流通合理,从而提高阵列的集热效率。
阵列内流量分布不均匀,将导致阵列集热效率的下降,局部流动阻力过高,甚至会使部分集热器无法使用。
在整体式空气集热器的设计中亦应注意此问题。
图4-11所示装置适用于全天候稳定的较高温度的于燥要求。
由图可见,集热器路,使它高效率地运行。
经集热器加热的空气,与干燥室回流的空气混合后,又经空气加热器(如蒸汽一空气热交换器)加热到要求的干燥温度,输人到干燥室干燥物料,湿空气部分排入大气,部分回流使用,经集热器加热的空气仅是干燥器排出的湿空气的补充。
图中所示干燥室,物料置于托架上,也可以将物料置于链条驱动的多孔床上,进行连续干燥作业。
干燥室回风风机的设置加强了干燥室内热空气的流动速度。
空气加热器也可以置于干燥室内。
需要注意的是,采用太阳能干燥物料,集热器、干燥室以及风管系统的良好保温是十分必要的。
北京市太阳能研究所和北京林业大学研制的太阳能一热泵联合干燥木材装置,是分开式干燥器应用的一个成功的实例。
它由20m3木材干燥间,2个拼装式空气集热器阵列(共84m2)以及通风系统和热泵除湿系统组成。
与常规蒸汽干燥比较,每立方米木材的干燥成本下降约50%,经济效益可观。
目前,这种干燥装置已在我国多处建立。
(3)空气集热器与干燥室一体化太阳能干燥器图4-12是整体回热式太阳能干燥器示意图。
其特征是空气集热器与干燥室组合成一个整体,设置了热交换板。
能回收利用部分排出湿空气的
余热。
由图可见,集热器的下部不设保温层和壳体,兼作干燥室的顶部。
干燥室分成南北两个空腔,其间设置回热
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- 太阳能 干燥