■ 伊松林 冯小江 谭辉 张璧光

(1.北京林业大学材料学院；2.北新集团建材股份有限公司；3.西双版纳州综合技术检测中心)

一 引言

干燥作业涉及国民经济的广泛领域，是大批工、农业产品不可或缺的基本生产环节。干燥作业能耗高，据不完全统计，全球20%～25%的能源用于工业化的热力干燥。干燥也是我国的耗能大户之一，所用能源占国民经济总能耗的12%左右。另外，干燥过程造成的污染也常常是我国环境污染的重要来源。因此实现干燥技术的节能与环保十分重要。

与采用常规能源的干燥装置相比，太阳能干燥具有节能、减少对环境的污染、运行费用低和操作简单等优点。今后我国在太阳能干燥技术的应用方面也会有一定的发展，特别是一些小型、简易的太阳能干燥室，在太阳日照条件好，而经济又欠发达的偏远地区，有较好的应用前景。针对这种情况，笔者近年来研制了一套小型可移动式太阳能干燥装置。

二 太阳能干燥装置的设计

1 干燥参数选取与装置工作说明

本设计以木材为干燥对象，也可干燥其他物料。综合考虑箱式太阳能干燥装置的外型尺寸以及它的移动性，将干燥装置干燥的实材体积设计为0.03m3。通过理论计算得到干燥箱每小时所需要的热量为199.4kJ，储热装置需要的储热量为3402kJ，干燥箱每小时需要的循环空气为259.2 m2，风机全压为390 Pa (详见参考文献5)。

如图1所示为干燥装置的总成照片，其干燥箱本体两侧以及储热装置的两侧分别开有循环风口，通过有保温的管道与集热器的两端连接，在集热器及储热箱的出口端各安装有一个离心风机。由于箱式干燥装置的体积相对温室型干燥设施小，排湿问题容易解决，干燥箱的顶部有旋扣式排湿口。

集热器出风口处、干燥箱本体和储热箱的进风口处各安装有一个风阀，可以控制进入干燥箱和储热箱通道的开关，从而保证干燥箱中各阶段的温度均匀，且易于控制。白天，当干燥箱中的温度低于设定的干燥温度时，可以打开集热器到干燥箱的风阀，并关闭集热器到储热箱的风阀，集热器给干燥箱供热；当干燥箱中的温度高于设定的干燥温度时，可以关闭集热器到干燥箱的风阀，同时打开集热器到储热箱的风阀，将多余的热量储存在储热箱中。晚上，由于没有阳光，集热器停止工作，关闭集热器出风口处的风阀，以防止由于管路原因造成热量散失，并保持干燥箱和储热箱之间的循环通道打开，此时由储热箱给干燥箱供热。当遇到连续阴雨天气，集热器和储热箱都不能给干燥箱供给热量的时候，就可以启动干燥箱内的辅助电加热器，以保障干燥过程的正常连续进行。

2 太阳能干燥装置组成设备与参数

太阳能干燥装置由具有辅助电加热器的干燥箱本体、移动机构以及集热、储热、控制等系统组成。干燥装置的各部分为：

(1)干燥箱本体：包括放置待干物料的干燥箱和促使干燥箱内空气流动的内部循环风机。此外，为了保证干燥装置能够在持续阴雨天气和冬天都能连续正常工作，在干燥箱底部加装了两组功率分别为900W的电加热器，既可单独工作，也可同时工作。

(2)集热系统：包括收集太阳能的热管式真空太阳能空气集热管、将收集的太阳能转化成可利用热能的集热箱、促使空气流动的离心风机以及控制集热系统工作的风阀。为了增强换热，在集热管的冷端加装了螺旋翅片。装置中采用YDKR-58-1500型热管真空集热管13根，呈“V”字形排列，此种排列方式，不仅结构紧凑、接收太阳能充分，而且可使集热箱内换热效果更好。在集热管的下面还加装了折光板，用于反射太阳光，使集热管最大限度吸收太阳能。

(3)储热系统：包括促使空气流动的离心风机、控制储热系统工作的风阀、储存集热系统输送的热量的储热箱。储热箱内部放置有外壳为铝管的储热管束，储热管束通过支架呈叉排方式排列在储热箱内，储热管内装有石蜡相变储热材料，用于将热能转变成相变潜热存储。

(4)控制系统：兼有手动、自动及数据采集功能，通过分别安装在集热箱、干燥箱和储热箱中的温度传感器测定的温度，调控安装在集热系统、干燥系统和储热系统管道上的阀门和离心风机开启或关闭。可自动实施无动作、储热、集热器供热、储热系统供热、辅助加热器供热五种工作模式。

此外，在干燥装置底座的前部，装有移动整个装置的杠杆机构，通过拉动或转动干燥装置，可实现整个干燥装置的移动，以便最大限度接收和转化太阳能。此种可移动式太阳能干燥装置各部分的参数见表1。

表1 小型可移动式太阳能干燥装置主要设备参数

三 太阳能干燥装置的性能

1 太阳能集热器

整个干燥装置集热器的平均功率为0.572kW，单根热管真空集热管的平均功率达到45W左右，完全能够满足当初的设计需求；集热器的平均供风温度为60.1℃，最高可达65℃；集热器的瞬时热效率为56%左右，高于普通的平板式集热器；由于该装置体积小、保温效果好、热损失小，故太阳能系统向干燥箱的供热效率较高，可达到70%以上。

2 石蜡相变储热系统

石蜡相变材料的相变区间为48℃～54℃，储热系统的储能效率为58.8%～74.4%，平均储能效率大于66%，储热密度为54.5MJ/m3。

试验证明，随着石蜡管排数的增加，石蜡系统的换热增强，但大于15排以后就可以忽略管排数的影响。

3 干燥木材的测试

使用此干燥装置干燥35mm厚的杉木板材，从含水率72.7%降至13.5%耗时99小时，相比于大气干燥，太阳能干燥时间缩短了111小时，干燥速率提高了1.12倍。针对木材干燥质量的检测表明：93.3%达到了终含水率标准，并且干燥均匀度很好，各测点最终含水率与平均最终含水率的偏差范围为−0.94%～1.98%。

此装置在晴朗天气的白天采用太阳能辐射供热，晚上则使用储热系统白天储存的热量供热，辅助电加热只在恶劣天气下启用，平时几乎不启用，因此整个干燥装置的能耗较低。在不使用辅助电加热的情况下，与蒸汽干燥相比，其节能率为71.2%，节能效果明显。

四 结语

总体来看，这种小型可移动式太阳能干燥装置热效率高，由于采用了石蜡储热系统，减少了气候变化对太阳能干燥过程的影响，比大气中干燥速度快1倍以上，比常规干燥明显节能，节能率在70%以上。而且木材干燥均匀性好，无明显干燥缺陷。

由于这种装置体积小、可移动，适于在农村各家轮流使用，初步的试材虽然是木材，其实它更适于干燥人参、木耳、珍贵山野菜与山果等，笔者计划将进一步的试验转向这些农林副产品。今后还准备探索干燥物料量与集热器面积的优化配比、相变储热材料用量与物料干燥量配比关系，以及优化选择不同的相变材料方面做进一步的研究。

总之， 太阳能是清洁、价廉的可再生能源，太阳能干燥是太阳能热利用中的重要部分，太阳能干燥的物料品质好、节能效果明显，对环境没有污染，今后应该有相应的政策鼓励开发各种太阳能干燥装置。

[1]刘登瀛,曹崇文.探索我国干燥技术的新型发展道路[J].通用机械, 2006, 7: 16－18.

[2]张璧光, 刘志军, 谢拥群.太阳能干燥技术[M].化学工业出版社, 2007, 3－13.

[3]冯小江, 变储热太阳能木材干燥装置设计及性能研究[D].2010, 6.

[4]冯小江, 伊松林等.太阳能相变储热系统对木材干燥速率的影响[J].华北电力大学学报, 2010, 37 (3): 131－135.

[5]冯小江, 伊松林等.移动式相变储热木材太阳能干燥装置的理论设计[J].干燥技术与设备, 2010, 8 (1): 9－15.