太阳能干燥用空气集热器设计(编辑修改稿)

太阳能干燥用空气集热器设计(编辑修改稿)内容摘要：

路或废气部分回收等方式的 昼夜连续操作，太阳能保证率达 83%。 此种系统的特点 ： 空气热量在干燥过程中利用比较充分，因此干燥效率比较高。 废气回收，使工质空气温含量增加的同时，空气循环量增加，较高的气流速度，不但可以补偿由于干燥推动力减少即造成的干燥过程速度下降，而且使干燥物料的质量得以保证。 必须依靠动力设备才能保证废气回收的正常进行。 这种干燥系统可使干燥作业在空气相对温度范围变化不大情况下进行，而且干燥过程气温变化不大，干燥速度比较均匀，因此特别适合即些只能在湿空气下进行干燥的作业，如农产品、食品、橡胶 、皮革的干燥等。 太阳能空气集热器 与研究 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，把热风送入装有物料的干燥室，就组成了集热器型干燥器。 空气集热器是太阳能干燥工艺中最常用的关键的部件，太阳能空气集热器产生的热风也可以用作采暖用途，因此，应当作全面的理论分析和实用性研究。 “太阳能空气集热器的研究”也列为“七五”科技攻关项目的课题。 清华大学、天津大学、华中理工大学、中国科技大学、中国科学院广州能源研究所、北京市太阳能研究所、上海市能源研究所单位对太阳能空气集热器进行了大量的研究工作。 主要是研 究各种新型的太阳能空气集热器，集热器的传热分析和计算模型，以及太阳能空气集热器定型设计、实现商品化和小批量生产。 清华大学完成了射流。 抽吸式和波纹 抽吸式两种新型空气集热器的研究，他们工作做得很细致，通过流型试验，发现波纹流道的波谷中仍存在旋涡死区，不利于强化传热。 因此提出了在波谷加上抽吸缝的波纷抽“吸式空气集热器。 通过测定吸热板上的温度分布和流体进出口温度，得到射流段和抽吸段的传热与流阻计算公式。 利用这些公式便可算出空气集热器的全部性能数据。 为了验证这些数据又进行了空气集热器室外试验，进一步证实上述两种空 气集热器的热工性能十分优异，并申请了专利。 天津大学提出既可以加热水，又可以加热空气，或同时能加热水和空气的两用太阳能集热器。 这种集热器的集热板由吸热管和 V 型槽吸热板组成，吸热管置于 V 型板的顶部，水在管内流动， V 型槽与底部组成的三角形通道为空气流道。 他们以这种集热器进行了传热分析和实验研究，得出了不同运行状态下的瞬时效率公式，并提出双宁夏大学机械工程学院 2020 届毕业设计 第 8 页 工质运行较单工质运行有利的结论。 此外，天津大学还对拉网床太阳能空气集热器进行了较全：面的分析和实验研究，并提出了采用单层盖板和双层盖板分别适用的范围。 华中理工大学对空气集热器 进行了比较系统的理论分析，并建立了试验台架进行实验研究。 分析研究了：四种集热板结构形式与不同的流道形式（单流道、复流道、多流道），其流动阻力和传热性能，建立了平板型太阳能空气集热器的理论计算模型。 理论计算与实验数据取得了比较好的一致性。 研究结果认为，以增大空气流量来提高集热器效率的方法是不可取的，由此会降低空气出口温度和增加风机功耗，应当采取强化传热和增加传热面积的措施，如加装肋片或采用波纹集热板的方法，他们还针对肋片式和带肋片的 V 型板集热器，建立了二维动态模型。 中国科技大学完成了效率较高的波纹形多孔吸热 体太阳能空气集热器研究。 此外，宁夏新技术应用研究所与澳大利亚沃伦港大学机械系合作，对点播式太阳能空气集热器的传热与阻力特性进行了较深入的研究，可作为点播式空气集热器性能预测及优化设计参考。 北京市太阳能研究所经过几年的努力，完成了拼装式空气集热器商品化的攻关任务，小批量生产了 175 个单元，空气集热器面积达 210m2，并设计了三种标准阵列太阳能空气集热器，先后应用于长城催化厂的泥胚干燥以及北京林业大学的木材干燥。 生产空气集热器的冲压模具全套配齐，形成了批量生产的能力。 广州能源所对 V 形波纹板空气集热器的热工性能 及其优化结构参数进行了研究，做出佯机并为天津肉联厂生产了 110m2 空气集热器。 此外还研制了交错波纹板式和单层扩展表面多孔板式空气集热器。 上海市能源所研制了梯形交错波纹板式空气集热器，并完成了 200m2 太阳能空气集热器阵列的设计。 这几个单位都致力于太阳能空气集热器定型设计、实现商品化和小批量生产。 太阳能集热器是太阳能利用中的关键部分。 是把太阳辐射转换为热能的设备。 其性能对整个系统的成败起着决定性的作用。 到目前发表设计了许多种集热器。 按是否聚光分为平板型和聚光型。 平板型是应用最广的集热器。 它吸收太阳辐射的面 积与采集太阳辐射的面积相等，能利用直射和漫射辐射。 此种集热器的结构简单，不需要太阳能跟踪装置，故障少，维护管理方便。 如果选用合适的材料，制造工艺又比较先进，那么与其他类型的集热器相比就具有造价低和性能可靠的优点。 现在广泛用于太阳能热水系统，在采暖，空调方面。 聚焦型集热器利用光学系统（反射器或折射器）改变光束的方向，是入射辐射聚焦到吸收面上，以提高能流密度。 对于给定的总能量表面能流的提高也就意味着吸收表面积的减少，相应的减少了热损失。 因此与平板集热器相比容易提高集热器的供热温度。 但是因为聚焦型集热器一般不能 收集占太阳总入射 20%~40%的漫射辐射，而且大多需要安装跟踪太阳的装置。 由于聚光系统的复杂，且需要考虑系统的长期性防尘，抗氧化，大气腐蚀等，维护不易，而且要保持光学系统的精确度。 虽然他在许多太阳宁夏大学机械工程学院 2020 届毕业设计 第 9 页 能应用项目中不可缺少，特别是他的高温特性，并不是平板集热器所能代替的。 其利用主要是太阳灶。 综上所述由于宁夏的地域宽广，而且受到经济条件的限制，我采用平板型的太阳能空气集热器的设计构思。 太阳能空气集热器测试标准方法 太阳能空气集热器是太阳能干燥和主动式太阳房用于收集太阳能的主要关键部件，世界各国都有进行太阳 能空气集热器热性能试验标准的研究。 1986 年农业部把本项试验标准方法的研究和制定列为“七五”国家重点科技攻关项目。 在全国不同地区建成了五个太阳能空气集热器试验台，装配有太阳辐射仪、流量计、测温仪表等仪器设备。 由中国科学院广州能源研究所、天津大学、上海机械学院、中国科学技术大学、上海市能源研究所和清华大学 6 个单位负责起草“太阳能空气集热器热性能试验方法”，并于 1990年完成， 1991年由中国太阳能学会热利用专业委员会发往我国有关单位试行。 本试验方法是一份制定国家标准的草案，它全面地科学地规定了太阳能空气集热 器的热性能试验方法，对试验装置、试验条件、试验程序以及数据处理作出了科学的规定，对太阳辐射、空气温度和流量、进出口压差、风速和太阳入射角的测试方法、测试仪表和测试精度等均提出了明确的要求。 这就使我国有了统一的测试标准来对空气集热器进行试验、评价和鉴定，这对于太阳能空气集热器的研究、商品化生产以及热性能的改进均具有很大的指导意义。 热效率固然是衡量太阳能空气集热器性能的一个重要的热性能指标，但它仅仅表明集热器获得的能量与集热器平面上的辐射能量之比，没有反映热能的可利用率是多少。 因此，华中理工大学还引用佣效率的 概念对集热器性能进行了研究，分析集热器进口温度和流量对拥效率的影响，并得出全天最大佣效率的计算公式。 他们还提出一个较为全面、合理的综合指标 —— 能效率去评价集热器性能。 能效率是指收集到的热能与消耗的机械功（泵耗）之差占达到集热面上辐射能的份额，即能量的净收益。 指出在流量 60 一 100kg/m2h 及流道高度 2 一 3cm 的范围内，能效率较佳。 以能效率为基准，比较了四种回流式空气集热器性能，研究了回流式空气集热器结构参数对能效率的影响，给出了流道高度的部分优化结果和各种回流式空气集热器所适用的条件。 太阳能干燥的 展望 太阳能干燥技术的发展取决于常规能源的供应情况及其价格、获得太阳能的成本和太阳能干燥技术的成熟程度。 我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，而农村的燃料缺乏，城市的能源也很紧张。 如果能开发研究出经济而有效的太阳能干燥系统，不容易被人们接受的。 但是就目前的太阳能干燥的研究和利用情况还有待完善。 综合利用太 阳 能干燥系统 目前的太阳能干燥装置多用于农产品的干燥，季节性很强。 如果只用于一种产品宁夏大学机械工程学院 2020 届毕业设计 第 10 页 的干燥，干燥装置的利用率就很低。 因此要研制一种可以多种物料的干燥要求，就可以常年使用了。 集热器型的不干燥时可以做房舍的采 暖，加热水等。 温室型的可以用来育苗，蘑菇床，畜棚，仓库等。 加强混合型太阳能干燥的开发研究和推广工作 发展太阳能利用技术是实现可持续发展战略的重要内容之一。 我国 21 世纪能源会议上代表们提议：一是通过太阳能建筑技术和必要的政策使已经具有经济效益的的太阳能热利用技术成为广大民众住宅的必要组成部分，开拓太阳能利用市场：二是制订扶持鼓励政策，加大投资力度，从技术创新，发展产业和培养市场等方面做出努力，在发展光热的同时要扶植光电技术的研究，争取太阳能技术的研究和开发取得新技术。 太阳能干燥在大规模的干燥过程 中很少用，主要是干燥的稳定性和连续性有许多问题。 若可以解决稳定性和连续性，则干燥技术在大规模的工业产品干燥中将有广阔的前景。 因此要加强加强混合型太阳能干燥的开发研究和推广工作。 发展小型多样化的太阳能干燥装置 为了适应我国农村面积大，需要干燥的产品种类多。 干燥的产品从农产品到木材，橡胶，泥坯等等很多东西。 应该开发出小型多样化的，成本低的太阳能干燥设备。 研制出高效率、低成本的空气集热器 因为是关键部件，结合我国的实际情况，就地取材，为广大的使用者考虑，研制高效的集热器对经济的发展有很大的 帮助。 在工程中的使用 优化设计一直是工程界较为关注的领域。 随着计算机迅猛的发展。 带动了优化设计的发展。 美国 ANSYS 公司研制了大型通用有限元分析（ FEA）软件。 ANSYS 是世界范围内增长最快的 CAE 软件。 在结构优化设计中，有限元方法是重要方法之一。 有限元方法是当前工程技术领域中最常用的最有效的数值计算方法。 其基本思想就是将结构离散化，用有限个单元来表示复杂的对象。 单元之间通过节点相互连接然后根据边界条件综合求解。 由于分片近似，可采用较简单的函数做近似函数，有较好的灵活性，适用性和通用性。 应 用有限元方法进行优化设计可以通过自行编制有限元程序或采用有限元分析软件来进行。 ANSYS 是融结构，流体，电场，磁场，声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用 CEA 软件，以广泛应用于机械制造，石油化工，轻工业，造船，航空航天，汽车交通，电子，土木工程，水利铁道，日用家电等一般工业及科学研究。 在产品的开发过程中，分析过程是一项重要工作，其分析必须经过不断的修改，以得到最佳化的效果，而 ANSYS 计算机辅助分析软件可以帮助解决这一问题。 当然，有限元也有它的局限性，比如对于应力集中，裂缝体的分析与无限域等的分析都 存在缺陷。 软件主题包括 3 部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块主要提供了强大的实体建摸及网格划分工具，用户可方便地构造有限元模型。 分析计算宁夏大学机械工程学院 2020 届毕业设计 第 11 页 模块包括结构分析（可进行线性分析，非线性分析和高度非线性分析），流体动力学分析，电磁场分析，声场分析，压电分析，以及多物理现象的耦合分析。 后处理模块在完成计算后可以通过后处理器查看结果。 它含有参数化设计语言 APDL。 APDL 是 ANSYS 内嵌式的命令流式程序设计语言。 是 SNSYS 设计优化和自适应网格划分的基础，同时也具备运算、循环和选择等条件的控制特性。 任何复杂的模型都可以通过 APDL 的二次开发来达到参数化建模和分析的统一。 的该语言用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成有限元分析过程的能力。 APDL 允许复杂的数据输入，但用户实际上对任何设计或发分析属性有控制权，例如尺寸，材料，载荷，约束位置和网格密度， APDL 扩展了更高级的运算，包括灵敏度研究，零件参数化建模设计修改及优化设计。 宁夏大学机械工程学院 2020 届毕业设计 第 12 页 3 平板型空气集热器的结构设计 集热器的结构 平板型集热器的基本组成部分： ：由一层或多层透明玻璃组成。 作用是让太阳辐射透过并减少吸收吸热面的对流和辐射损失，面盖性能决定温室效应的强弱。 它让太阳辐射透过，阻止吸收表面的红外辐射和减少对流损失，从而保证吸热板顶部有较好的绝热性能。 防止灰尘和雨水对吸热板的破坏。 对于太阳辐射（它的能量 90%分布在 3 微米以下的光谱区）它的吸收很少，基本上顺利通过，但对来自采热面 — 它吸收太阳辐射后变热 的热辐射（波长在 10 微米左右）。 玻璃盖不允许通过。 乍看增加玻璃盖数目似乎可减少热损耗，单玻璃盖毕竟还有一定的吸收，随着玻璃层数的增加，到达采热器表面的太阳能也减少了 [5]。 此可见在设计集热器时，必须既考虑这些透射系数又考虑玻璃盖的隔热功能，对一定所在地（有一定气候条件）和一定季节，有一最佳玻璃数目。 夏季使用的一层和二层玻璃效果都差不多。 寒冷季节采用多层是有利的。 我所要完成的任务是要烘干枸杞。 只有 7， 8， 9 三个月使用，一层即可满足要求。 选用玻璃是因为它有很好的抗大气环境的稳定性，机械性能较好，而且价格便宜，但玻璃易打破且较重。 玻璃中含有的铁分越少投射率越高。 5 毫米厚的平板玻璃强度较好。 ：由金属或非金属制成。