太阳能蓄热型及配置辅助热源的干燥系统研究

汪琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑

（上海热油炉设计开发中心  上海  200042）

摘  要：讨论了太阳能空气集热器的平板式结构形状及其安装制作方法，分析了强迫对流型温室棚式太阳能木材干燥室的结构组成及其干燥系统，研究了使用石块作为蓄热体的太阳能蓄热型木材干燥室的结构形状及其干燥系统，设计开发了配置辅助热源燃废木料间接式热风炉的太阳能蓄热型木材干燥窑的结构型式及其干燥系统。

关键词：太阳能；空气集热器；太阳能蓄热器；太阳能干燥室；生物质热风炉；干燥系统

前  言

绿色地球是人类赖以生存和发展的共同家园，气候变化是全球工业化以来地球生态系统面临的严峻挑战，能源问题是人类社会的根本问题。采用清洁、无碳、智能、高效为核心的新能源技术是能源转型的发展趋势，而将能源消费结构从化石能源为主体转变为以非化石、清洁新能源为主体，推动各行业能源生产与供给体系的绿色、清洁、高效、安全发展，达到能源利用与地球碳循环系统的“碳中和”目标。采用太阳能加热干燥可以实现碳循环系统的动态平衡，控制温室气体引起的气温上升趋势，实现大气圈中碳“净零”富集和能源利用的“碳中和”目标，且有效地应对全球气候变化。

太阳能干燥是利用太阳辐射能加热空气，再将热空气送入湿物料中，从而将湿物料中的水分蒸发除去。太阳能干燥属于低温干燥，运行温度通常在40～70℃范围内，同时还可避免干燥物料被污染的问题，因此太阳能干燥广泛应用于农副产品加工，例如：粮食干燥、果品干燥、烟叶干燥、中药材干燥、木材干噪、棉花烘干等行业。所以，太阳能干燥具有如下优点：太阳能属于清洁能源，取之不尽、用之不竭；太阳能干燥洁净卫生，对物料和环境没有任何污染^[1]。

采用太阳能蓄热型干燥系统配合使用燃生物质间接式热风炉输出干净热风，对湿物料进行干燥的方法，既可以充分利用太阳辐射能及其蓄热装置^[2]，从而有效地提高干燥介质温度；又可以配合使用辅助热源燃生物质间接式热风炉，实现连续干燥过程，从而使干燥时间大为缩短。当白天太阳辐射能充足时，由太阳能空气集热器与太阳能蓄热器提供湿物料干燥所需要的热能；而在晚上或者阴雨天时，则由辅助热源燃生物质间接式热风炉提供湿物料干燥所需的干净热风，从而可保证整个干燥过程是处于连续运行的状态。

1．太阳能空气集热器

太阳能空气集热器是一种利用太阳能把空气加热升温的装置，把热风送入装有湿物料的干燥室，就组成了太阳能集热器型的干燥器。太阳能空气集热器是太阳能干燥工艺中最常用的关键部件，一般是由吸热体、盖板、保温层和外壳等部件构成。太阳能辐射转换为热能主要是在吸热体上进行，吸热体是由对太阳辐射高吸收率的材料制成，或者是在吸热体表面覆盖了高吸收性能的材料。因此，吸热体是首先吸收了太阳辐射能，然后再将辐射能转换成自身的热能，从而使得自身的温度升高^[3]。而当流动的空气流经过吸热体周围时，通过对流换热的方式加热升温流动经过的冷空气；另外，通常仅有很少部分的吸热体中的能量，是通过辐射换热的方式进入到流动的冷空气中。比较典型的太阳能空气集热器就是平板型空气集热器。

太阳能平板型空气集热器是由吸热面板、箱体、框架、透明盖板、绝热保温材料、外壳、空气进、出口等部件组成。箱体是对透明盖板和吸热面板起到支撑固定作用，为了减少平板型空气集热器的热量损失，可在吸热面板的背部以及侧面安装绝热保温材料。吸热面板一般是由各种金属或非金属材料制造而成，其表面涂刷成黑色，这样就可以充分吸收到入射来的太阳辐射能，并且还能够将热量传递给流动经过吸热面板的冷空气。为了使吸热面板的表面涂层达到既有很高的太阳能吸收比、又有很低的发射率的目的，使其尽可能多地吸收太阳辐射能，并减少吸热面板本身的热辐射损失，就应该在黑色漆中加入一定比例的碳粉，并涂刷在吸热面板的表面上。

平板型空气集热器的透明盖板作用是让太阳辐射能透过、并减少吸收太阳能后的吸热面板的对流损失和辐射损失，透明面盖板的材料性能决定了温室效应的强弱效果。透明盖板可以采用玻璃板或聚碳酸脂（PC）制成的中空阳光板，因为聚碳酸脂（PC）中空阳光板的重量轻，约为同等厚度玻璃板的1/12，故搬运和安装非常方便，同时也可以有效地节约框架和安装成本；另外，聚碳酸脂（PC）中空阳光板具有良好的隔热性能，能够有效地阻止平板型空气集热器的内外热量传导，从而保持太阳能空气集热器的内部温度均衡性，所以，PC中空阳光板又称为不碎玻璃，它是太阳能平板型空气集热器的理想采光覆盖材料。聚碳酸脂（PC）中空阳光板的主要性能参数如下：冲击强度为850J/m，透光率是88%，比重是1.2g/cm，热膨胀系数为0.065mm/m·℃，可耐温度为-40℃～+120℃，传热系数是2.3～3.9W/m·℃，抗拉强度＞60N/mm，弯曲强度是100N/mm，弹性模量是2400MPa，断裂拉伸应力＞65MPa，断裂拉伸率为100%，比热是1.17KJ/Kg·K，热变形温度为140℃。

平板型空气集热器是采用平板式结构形状，为了便于运输和安装，可以采用单元制作与现场拼装的方法，单元采用空腹钢窗料和角钢焊接成矩形框架的结构，单元与单元之间采用插件连接，单元制作时先不要安装透明盖板，等到现场拼装完成之后再安装透明盖板；并且在安装透明盖板的时候一定要注意密封性，因为密封性将会直接影响到平板型空气集热器的热效率。所以，一般是采用铝合金压条定位，玻璃胶进行密封。

2．太阳能干燥器

太阳能干燥器的结构随着被干燥物料的特性和干燥批量的变化而发生变化，根据干燥室内气流的流动方式，可将太阳能干燥器结构分为自然对流型和强迫对流型两种型式；而根据太阳能集热器与太阳能干燥室的配置方式，可将太阳能干燥装置分为箱式、温室型、蓄热型三种结构。

箱式太阳能干燥器的结构最简单，太阳辐射通过透明盖板可以进入箱式干燥器内部，其余各个侧面的壁板是不透明的，而且还是绝热的，同时还在壁板的内壁涂刷黑色漆以便能够吸收太阳能。在太阳能干燥过程中，湿物料被均匀的铺放在物料盘中，气流通过底部小孔进入，与物料对流换热后从上部排气孔排出。

温室棚式太阳能干燥器是属于自然对流型干燥器，温室棚顶采用钢化玻璃或者聚碳酸脂（PC）制成的中空阳光板，在晚间采用保温盖帘覆盖温室棚顶，设计安装时将进气口配置在温室棚的下部，而在温室棚的上部则安装了排气筒，这样依靠温差以及气流出口与进口的高度差作为气体流动的动力，从而就可以增加太阳能干燥室内的气流速度。但如果是由电机驱动风扇来保证太阳能干燥器内气流的流动，就应属于强迫对流型温室棚式太阳能干燥器，气流在风扇的作用下会沿着一定的轨道进行流动，从而气流的方向就会得到有效的控制，这样就使得太阳能利用率会更高。

强迫对流型温室棚式太阳能木材干燥室的结构是朝北的墙为绝热保温，朝南的墙和屋顶是采用聚碳酸脂（PC）制成的中空阳光透明板覆盖，太阳光线透过PC中空阳光透明板，加热涂刷了黑色漆的吸热板，经过吸热板加热的空气一部分直接进入木材堆；另外一部分通过地基上面的底部支撑空间进入木材堆，这两部分空气分配的比例是由吸热板的倾斜角度来调节。新鲜空气和循环空气的比例可以由进气阀门来控制，换气机的流量为2.5m3/min，压力为180Pa，然后根据太阳能木材干燥室宽度的不同，可以安装一台至数台换气机。

3．太阳能蓄热型干燥室

采用太阳能蓄热型干燥器是为了延长干燥时间，当太阳辐射很强时，应贮存部分能量，并控制热空气的温度，从而避免物料的过度干燥。而当太阳辐射很弱或者没有太阳辐射时，应该立刻提取蓄热贮存的热量进行干燥作业。目前作为太阳能干燥蓄热体的物质可以是天然物质，也可以是人造合成材料，在太阳能蓄热型干燥器的设计制造过程中，通常采用水或者石块作为蓄热体。因为水的传热及流动特性非常好，并且水的容积比热容大、热膨胀系数小、粘滞性小；另外，水的价格低廉。所以，水是非常适合作为太阳能干燥器中的蓄热介质^[4]。

在太阳能蓄热型干燥器中使用石块作为蓄热体的优点是价格便宜、性质稳定、干净卫生，石块床在太阳能干燥中既是蓄热器，又是换热器。石块间有空气流动时，空气与石块床体内固体间的换热系数较高，从而使得在蓄热和换热时，空气和石块间的温差小；而当石块间没有空气流动时，石块床体径向的导热系数很低，故热损失很小。

另外，石块床体形状及石块大小对蓄热器的运行特性有着非常重要影响，理想的石块堆积床的进出口距离要尽量短，气流方向要尽量垂直于横截面。当石块尺寸较小时，则传热面积较大，传热速率较高，这样既有利于蓄热，又有利于石块床体内部形成温度分层；但是，如果石块尺寸非常小时，压力降会很大，从而使得空气流速大大降低。因此，在石块堆积床中采用石块直径一般为20～50mm的河卵石，且大小要求均匀，石块间空隙率一般为30%左右。

使用石块作为蓄热体的太阳能蓄热型木材干燥室的结构是在地面上安装太阳能空气集热器，冷空气经过太阳能空气集热器的加热后成为热空气，热空气风由鼓风机送入太阳能木材干燥室内对木材堆进行干燥，并在太阳能木材干燥室的顶部安装了两台风扇，用于木材干燥室内热空气的内部循环流动。换气进风门与换气排风门位于太阳能木材干燥室侧墙的上部，用于输进新鲜空气量和排出湿空气量的换气调节控制。

蓄热体石块床是由直径为20mm的河卵石构成，且位于太阳能木材干燥室的下部位置，热空气风门和蓄热循环风门是用来调节空气流的流动方向。当白天有太阳光时，空气在太阳能空气集热器中被加热，热空气风门开启，蓄热循环风门则可以控制调节热空气流是否需要通过蓄热体石块床进行蓄热储能；而当夜晚无太阳光时，热空气风门关闭，蓄热循环风门半开，木材干燥室中的空气经过蓄热体石块床加热后，又循环回流至木材干燥室中，继续对木材堆进行干燥，从而完成夜间对木材堆继续干燥的过程，故延长了木材的干燥时间。

4．配置辅助热源燃生物质间接式热风炉的太阳能蓄热型干燥窑

由于在夜晚或阴雨天没有太阳光可用时，太阳能干燥就成为间歇干燥过程，虽然可在干燥系统中增加太阳能蓄热装置，但所进行的蓄热贮存热量也是相当有限的。同时，因为太阳能的分散性，经过太阳能空气集热器加热后的热空气温度也还是比较低的。所以，对于一些需要采用连续干燥过程或者需要在较高温度下干燥的湿物料，就需要在干燥系统中配置辅助热源燃生物质间接式热风炉，这样在白天有阳光时利用太阳能辐射加热空气，而在夜晚或阴雨天则使用燃生物质间接式热风炉输出干净的热风进行湿物料干燥，从而可实现全天连续干燥过程。

间接式热风炉是将被加热的金属板材与金属管道做成各种结构形状，直接放入烟道气内，依靠金属壁传热来加热空气变成干净热风^[5]。燃生物质间接式热风炉采用木材加工废弃物、秸秆、稻草等为燃料，在热风炉的炉膛内燃烧生成热烟气为热源，间接地加热空气变成为干净热风，再进入干燥窑内进行湿物料干燥，从而可达到燃料供应自给、传热效率较高、投资费用较少、干燥成本较低的效果^[6]。

燃废木料间接式热风炉包括废木料燃烧系统、炉体、除尘器、引风机、烟囱等部件，在生产运行过程中首先将刨花、锯屑及打碎的树皮等木材废料装入料斗内，然后由螺旋进料机输送、并从炉排下部向上挤入炉膛内，在此过程中木材废料被预热和预干，从而有利于木材废料在炉膛内燃烧，而由热风炉顶部排出的热烟气经过旋风除尘后，进入木材干燥窑内的烟道气加热管道中向四周散热，然后被吸入引风机，再经过烟囱排出。烟道气加热管道通常安装在木材干燥窑内的轴流风机的上部或下部及木材堆的两侧墙边进行布置。

配置辅助热源燃废木料间接式热风炉的太阳能蓄热型木材干燥窑的结构是在地面上安装太阳能空气集热器，并采用活性炭作为吸热体，吸热体下部铺盖了一层石块作为太阳能蓄热储能器，两台鼓风机对空气加压，使其穿过太阳能空气集热器，木材干燥窑中有四台风扇促使其内部的空气循环流动。太阳能空气集热器输出的热空气由总管道进入木材干燥窑内，四台排风机把木材干燥窑内的通过木材堆的湿空气排出，其中有一部分通过木材堆后的湿空气通过风门进入太阳能空气集热器。

另外，由涂黑的干燥窑外表面预热后的新鲜空气通过管道进入太阳能空气集热器，加热后成为热空气进入木材干燥窑内；而配置辅助热源燃废木料间接式热风炉产生的热空气是通过总管道进入木材干燥窑内。当干燥窑内的湿度低于最低水平时，在燃废木料间接式热风炉的热风出口处安装了加湿器，可对进入木材干燥窑的热空气进行加湿处理；而安装加湿器的目的是用来减少木材内部的干燥应力，加湿的方式是将水喷入热空气中，然后再将加湿后的热空气引入总管道后，再输进木材干燥窑内对木材进行干燥。

在采用太阳能蓄热型木材干燥窑配合辅助热源燃废木料间接式热风炉进行干燥时，由于木材本身的特性，会有一个上限温度，如果超过了这一温度将会影响干燥后的木材质量，所以要有监测及控制温度上限的装置。一般采用温度数字显示控制仪来控制干燥温度上限，当温度过高时，可以自动控制鼓风机停止送入热风；而当温度下降到某一温度时，则启动鼓风机运转来输送热风。

排湿风机的开启由安装在木材干燥窑内部循环风扇后的相对湿度传感器测得的湿度数据来控制运行。干燥设备的自动控制及监测系统可以控制鼓风机、循环风扇、排湿风机、加湿器、阀门、太阳能蓄热器、燃废木料间接式热风炉的开启与关停运行操作。当空气温度上升过快或天气不好导致太阳光不足时，可开启太阳能蓄热储能器、调节风机的变频调速器进行干燥；而当夜晚和阴雨天时，可开启辅助热源燃废木料间接式热风炉进行干燥。

5．结束语

太阳能干燥是利用太阳辐射能，故节约了化石能源，减少了环境污染^[7]，并且被干燥的湿物料也不会受到外界条件的影响，因此是非常干净清洁安全的。采用太阳能木材干燥与大气天然蒸发的木材干燥相比，不仅是干燥周期短，并且干燥的缺陷少；而与常规的木材干燥窑相比，其干燥生产成本较低。但太阳能是一种低密度、间歇性的能源，且受到自然条件的制约，从而使得木材很难在全年进行有效地干燥。

同时考虑到太阳能空气集热器的占地面积大，设备投资成本比较高，为了保证在冬季、夜晚和阴雨天时能够有效地进行木材干燥，就需要采用太阳能蓄热型干燥系统为主要热源，并配合辅助热源燃生物质间接式热风炉的加热烘干系统，这样既能减少投资费用，又能够节约能源，同时还可提高干燥后的木材质量，且缩短木材干燥周期，从而具有非常好的经济效益和节能环保效果，值得大力提倡和推广应用。

采用绿色、清洁、无碳的太阳能是人类能源结构转型的发展趋势，是从化石能源为主体的能源消费结构转变为以非化石、低碳新能源为主体的能源生产和供给体系，从而达到人类能源利用与地球碳循环系统的“碳中和”目标，有效地应对全球气候变化。新能源技术和低碳的研发、制造与消费服务价值链将会成为主导世界能源格局的新力量，并推动人类社会与自然环境的和谐发展，促进人们共同维护地球家园。

参考文献：

[1]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发[J].化工装备技术,2014,35(1):11-14.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑.热载体蓄热储能技术在光热电站中的应用研究[J].上海节能,2020,No.8(第8期):866- 871.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑.熔盐塔式太阳能发电站与熔盐吸热器的研究[J].化工装备技术,2018,39(3):55-58.

[4]汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑.太阳能光热供水节能减排系统的研究[J].上海节能,2019,No.12(第12期):980-984.

[5]汪琦.新型间接式热风炉的设计开发[J].化工装备技术, 2001,22(2):15-17.

[6]汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑.燃生物质固硫型煤热管式热风炉的设计开发[J].上海化工,2019,44(8):24-28.

[7]汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑.太阳能光热发电中导热油循环系统的设计开发[J].上海节能,2020,No.3(第3期):224- 230.

作者简介：

汪琦，硕士，高级工程师，长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

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