太陽能利用技術(shù)-學習情境一

1、學習情境一學習情境一太陽能干燥器的組裝、調(diào)試與維護太陽能干燥器的組裝、調(diào)試與維護 要求學生掌握干燥器的分類和特點，掌握典型干燥器的原理、組裝和調(diào)試的方法，了解干燥器故障的一般維修方法。 學習目標學習目標一、概述一、概述 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)副產(chǎn)品加工過程中，干燥作業(yè)是必不可少的重要環(huán)節(jié)。由于我國農(nóng)村能源的長期短缺，農(nóng)副產(chǎn)品的干燥加工仍然以自然談曬為主，這種落后的生產(chǎn)加工方式，不但干燥時間長，受氣候變化影響和制約，而且干燥物料易受灰塵、蠅蟲以及各種微生物的污染，使得干燥品質(zhì)不高質(zhì)量無法保證。 傳統(tǒng)的陳舊的自然攤曬方式阻礙了農(nóng)村生產(chǎn)力的發(fā)展，已成為制約農(nóng)副產(chǎn)品加工的“瓶頸”。 為了更有效地利用太陽輻射能

2、來干燥物料，人們結(jié)合各地的太陽能資源和氣候條件，根據(jù)物料的干燥特性，設(shè)計和建造了各種形式的太陽能干燥器。太陽能干燥器高溫聚焦型：造價高、設(shè)備復雜，很少使用。低溫熱利用型：造價低，可因地制宜、就地取材施工低溫熱利用型：可使太陽輻射能直接照射在物料上，利用溫室效應(yīng)，人為 地創(chuàng)造一種適合與干燥作業(yè)的環(huán)境，并通過合理的送風使物料干燥；也可利用太陽能空氣集熱器采集太陽輻射能加熱空氣，用流動的熱空氣來干燥物料；或?qū)烧呓M合起來應(yīng)用。太陽能干燥器優(yōu)點：干燥周期短，干燥周期短，干燥效率高，產(chǎn)品干燥品質(zhì)好，可避免自然攤曬的物料污染和腐爛變質(zhì)損失。二、物料含有水分的性質(zhì)及含水量表示法二、物料含有水分的性質(zhì)及含水量

3、表示法（一）物料中所含水分性質(zhì)1.分類根據(jù)水分在物料中位置的不同吸附水分毛細管水分溶脹水分1）吸附水分：物料外表面上附著的水分，與純態(tài)水一樣，在任何溫度下，它的蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓2）毛細管水分：存在于多孔性物料的孔隙中，這種水分在干燥過程中可借助毛細管的吸引作用轉(zhuǎn)移到物料表面。物料孔隙較大時，所含水分與吸附水分一樣，蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓?？紫遁^小時，所含水分的蒸汽壓小于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。毛細管水分的蒸汽壓還隨著干燥過程的進行而下降，這是因為存留的水分大多是在更小的毛細管中。3）溶脹水分：物料組成的一部分，滲透入物料的細胞壁內(nèi)，它的存在使物料體積增大。根據(jù)干

4、燥過程的限度平衡水分自由水分1）平衡水分：濕物料中水分的蒸汽壓與物料的性質(zhì)、含水量和溫度有關(guān)，將濕物料與一定溫度、相對濕度的空氣相接觸，物料中水分汽化，直到物料表面水蒸汽壓與空氣中水蒸氣分壓相等為止。這時，物料中水分與空氣中水分達到平衡，繼續(xù)延長干燥時間，物料中的水分也不再增減。此時，物料中含有的水分稱為平衡水分，或稱平衡含水量。2）自由水分：物料的含水量大于平衡含水量是，實際含水量與平衡含水量之差，稱為自由水分或自由含水量。根據(jù)物料中水分被除去的難易程度非結(jié)合水分結(jié)合水分1）結(jié)合水分：存在于細胞壁和孔隙較小的毛細管內(nèi)，它與物料的結(jié)合力強，較難蒸發(fā)，其蒸汽壓低于同溫度下純水的飽和蒸汽壓。2）非

5、結(jié)合水分：指存在于物料表面的吸附水分，以及較大孔隙中的水分等。其蒸汽壓等于同溫度下純水的飽和蒸汽壓，它與物料的結(jié)合力弱，容易出去。物料中的水分自由水分平衡水分不能除去的結(jié)合水分非結(jié)合水分首先出去的水分能除去的結(jié)合水分（二）物料中含水量的表示方法1.濕基含水量：指濕物料中水分占有的百分率，用符號 表示，單位為kg/千克濕物料，計算公式： 100%水分的質(zhì)量量濕物料中相對干料的質(zhì)濕物料中水分的質(zhì)量100%濕物料總質(zhì)量濕物料中水分的質(zhì)量 濕基含水量（） 用這種方法表示物料的最初和最終含水量時，不能用簡單的相減來計算水分蒸發(fā)量。2.干基含水量：干基含水量是以絕對干料為基準表示的濕物料中水分的含量，用符

6、號 表示，單位為kg/千克絕對干料，計算公式：x-濕物料中水分的質(zhì)量濕物料總質(zhì)量濕物料中水分的質(zhì)量濕物料中絕對干料量濕物料中水分的質(zhì)量干基含水量（x）在用干基含水量計算水分蒸發(fā)量是，可用物料最初和最終含水量相減計算。兩種含水量之間的換算關(guān)系如下： 1x xx1 三、干燥原理及物料干燥特性三、干燥原理及物料干燥特性（一）干燥原理 物料的干燥過程就是不斷從濕物料中除去水分，直至達到要求含水量的過程。 干燥過程的驅(qū)動力是物料表面蒸汽壓 與空氣中水蒸氣分壓力 之差。 干燥速率：在單位時間、單位干燥面積上汽化的水分量。用符號U表示，單位1pvpsmkg2/ 設(shè)物料的干燥在恒定的空氣條件下進行，即干燥介質(zhì)

7、（熱空氣）的溫度、相對濕度、流速以及與物料接觸方式在整個干燥過程中保持恒定。用大量空氣干燥少量物料可以認為是接近恒定的干燥情況。右圖表示恒定干燥條件下典型的物料干燥速率曲線。 由圖可見，干燥過程分為3個階段，即預(yù)熱階段AB、等速干燥階段BC、降速干燥階段CD。 1）預(yù)熱階段AB：隨著物料溫度的逐漸升高，干燥速率迅速增加到最大值。 特點：物料被熱空氣加熱，從初始溫度迅速上升到該熱空氣的濕球溫度。 此階段的熱量消耗主要用于增加物料內(nèi)能，同時用于物料中水分的蒸發(fā)3）降速干燥階段CD 特點：干燥速率逐漸下降，物料表面溫度逐漸上升 C點稱為臨界點，對應(yīng)的物料含水量稱為臨界含水量。臨界點是物料中非結(jié)合水分

8、與結(jié)合水分的界限。干燥過程進行到C點時，物料中的非結(jié)合水分已基本排除，在降速干燥階段要排除的主要是物料中的結(jié)合水分。此時，物料內(nèi)部水分向表面的擴散速度隨著物料含水量的下降而下降，因不能及時地向表面補給水分，使物料表面的濕潤面積逐漸減小，干燥速率不斷地下降，物料表面溫度脫離熱空氣的濕球溫度狀態(tài)，趨向于熱空氣溫度。因此，在降速干燥階段，物料的干燥速率主要取決于物料本身的性質(zhì)、形狀和大小等，而與熱空氣的性質(zhì)關(guān)系較小。因此，物料不同，曲線由C點到D點變化的形狀是不同的。2）等速干燥階段BC：物料的干燥速率和物料表面溫度保持不變，且干燥速率不隨物料含水量的不斷下降而變化。由于物料表面水分的汽化速率與物料

9、內(nèi)部水分向表面的擴散速率相等，物料水分含量的減少隨時間的變化率為一常數(shù)，所以BC段基本保持一水平直線。 特點：干操速率的快慢主要取決于物料表面的汽化速率和熱空氣的性質(zhì)，而與濕物料的性質(zhì)關(guān)系很小。 干燥速率曲線與橫坐標的交點D所表示的物料含水量是平衡含水量，此點的干燥速率為零。表1-1、表1-2給出了一些物料在各種空氣參數(shù)下的平衡含水量值。在同樣的空氣狀態(tài)參數(shù)下，各種物料的平衡含水量不同，差異較大。同一種物料在不同的空氣狀態(tài)參數(shù)下，平衡含水量也不同。溫度上升和相對濕度下降，平衡含水量下降。 表表1-1：各種谷物的平衡含水量（濕基）：各種谷物的平衡含水量（濕基） 谷物種谷物種類類溫度溫度/相對濕度

10、（）相對濕度（）50506060707080809090100100大賣大賣252510.810.812.112.113.513.515.815.819.519.526.826.8蕎麥蕎麥252511.411.412.712.714.214.216.116.119.119.124.524.5燕麥燕麥25256.86.87.97.99.39.311.411.415.715.7高粱高粱252511.011.012.012.013.813.815.815.818.818.821.921.9大豆大豆25258.08.09.39.311.511.514.814.818.818.8小麥小麥252511.6

11、11.613.013.014.514.516.816.820.020.0玉米粒玉米粒252511.211.212.912.913.913.915.515.518.918.924.624.6花生莢花生莢10107.17.18.68.69.89.811.011.0花生仁花生仁10106.06.06.66.67.37.39.09.0表表1-2：稻谷的平衡含水量（濕基）：稻谷的平衡含水量（濕基）溫度（溫度（）空氣的相對濕度（）空氣的相對濕度（）2020303040405050606070708080909010108 89 911111212131314141616191920207 79 91010

12、1111131314141515181830307 78 89 91111121213131515171740406 67 78 810101111121214141717（二）物料干燥特性 很多農(nóng)副產(chǎn)品并不一定要干燥到平衡含水量，而只需干燥到某個要求的值。如收獲季節(jié)的稻谷含水量約為24%（濕基），安全儲存含水量為14%（濕基）。 干燥速率曲線中的臨界點往往是不固定的，它隨熱空氣溫度、物料形態(tài)的不同而不同。 干燥周期是評價干燥器性能的一個重要指標，它表示物料從最初含水量干燥到要求的最終含水量需要的時間（ ），用小時表示。 對于間歇式干燥器，考慮到裝卸料需要的時間（ ），干燥周期變?yōu)? 以熱空氣

13、作介質(zhì)的干燥器，影響干燥速率和干燥周期的因素主要有物料的干燥特性、形狀、大小和物料層的厚度；干燥介質(zhì)的性質(zhì)；干燥器設(shè)計、制造和運行質(zhì)量的優(yōu)劣3個方面。 較為重要的影響因素有：1）干燥對象（物料） 凡影響水分從物料內(nèi)部向表面擴散速度的因素，都將影響物料的干燥速率和干燥周期。 由于物料的構(gòu)成、形狀、大小和物理層厚度影響臨界含水量，所以在降速干燥階段，物料的性質(zhì)和形狀等對干燥速率起決定性作用。2）干燥介質(zhì)的溫度和濕度 溫度高、濕度低，干燥速率將大幅度提高。 在等速干燥階段，溫度的提高，使物料表面飽和水蒸氣壓力相應(yīng)提高；干燥介質(zhì)濕度低，空氣中水蒸氣分壓力低。因此，驅(qū)動物料中水分蒸發(fā)的壓差變大。 在降速

14、干燥階段，較高的溫度提高了物料內(nèi)水分向表面的擴散速度，從而使物料的干燥速率提高，干燥周期減小。3）干燥介質(zhì)的流向和流速 在等速干燥階段，氣流速度高，有利于出去物料中的水分，并能及時載走，從而提高干燥速率。 在降速干燥階段氣流的速度和流向?qū)Ω稍锼俾实挠绊戄^小。4）干燥器的設(shè)計、制造和操作規(guī)程 合理的氣流組織，物料的適當布置，物料層厚的適當選擇，便于裝卸料，適當?shù)谋?、密封，合理的操作?guī)程等，都是影響物料干燥速率和干燥周期的重要因素。四、太陽能干燥器的分類和特點四、太陽能干燥器的分類和特點（一）太陽能干燥器的分類根據(jù)陽光是否直接照射在物料上溫室型太陽能干燥器：陽光直接照射在物料上空氣集熱器型太陽能

15、干燥器：陽光不直接照射在物料上，而是照射在空氣集熱器上，吸熱板采集太陽能，流經(jīng)集熱器的空氣經(jīng)過加熱被輸送到干燥室干燥物料。根據(jù)空氣流動的驅(qū)動力自然抽風式用風機強迫循環(huán)式（二）太陽能干燥器的特點1）太陽能是間斷的多變能源2）太陽能干燥器的年度運行時間長3）太陽能干燥器適用于低溫干燥（4065）4）季節(jié)性使用的太陽能干燥器應(yīng)盡量降低成本5）全天候使用的太陽能干燥器，須與常規(guī)能源配合使用五、典型太陽能干燥器五、典型太陽能干燥器（一）溫室型太陽能干燥器1.自然抽風式 右圖為自然抽風溫室型太陽能干燥器示意圖。它由溫室、煙囪等組成。溫室由頂部透明蓋板(玻璃或透明塑料薄膜)、四周圍護構(gòu)件、物料架等構(gòu)成，物料

16、放在物料架上，并設(shè)有裝卸物料的出入門。陽光經(jīng)透明蓋板照射在物料上使物料加熱，溫室效應(yīng)使溫室內(nèi)空氣升溫。由于溫室和煙囪內(nèi)的空氣溫度高于環(huán)境空氣，因此密度低于環(huán)境空氣，形成抽力。新鮮空氣從下部進入溫室，穿過物料，帶走物料中排出的水蒸氣，這些濕空氣經(jīng)煙囪不斷地被排出。煙囪是為增大抽力而設(shè)置的。 2.強迫循環(huán)式 右圖是強迫循環(huán)太陽能干燥器示意圖。該溫室分為四區(qū)，風機驅(qū)動空氣進人第1區(qū)下部，向上穿過1區(qū)物料后轉(zhuǎn)向2區(qū)上部，再向下穿過2區(qū)物料后進入2區(qū)下部，然后依次穿過3區(qū)、4區(qū)物料層，濕空氣直接排人大氣，或部分排出，部分回流，與新風混合后重新鼓入溫室使用(在降速干燥階段，尤其是干燥后期經(jīng)常采用)。 強迫

17、循環(huán)式與自然抽風式比較，提高了風速。分成幾個區(qū)域，風速還可以進一步提高，從而使物料干燥速率加快?？梢詫崿F(xiàn)部分換氣，提高干燥溫度，減少排氣熱損。即使在陰天或夜晚，仍可利用風機鼓風干燥，此時，蒸發(fā)水分消耗的能量取自于流過空氣的熔降，使排人大氣的空氣溫度低于環(huán)境空氣溫度。 （二）空氣集熱器型太陽能干燥器1.太陽能空氣集熱器 空氣集熱器的形式以平板型空氣集熱器最為常見。1）結(jié)構(gòu)組成 吸熱板、透明蓋板、保溫材料、外殼和氣流通道等組成。2）熱性能曲線圖中給出了0.01 和0.015 條件下的熱性能曲線。 空氣流率為單位時間、單位采光面積流過集熱器的空氣量。由圖可見，提高空氣流率，降低 集熱器熱效率提高。但

18、提高空氣流率會增加風機功耗，兩者都將降低集熱器出風溫度，使干燥空氣的品質(zhì)下降。較為合適的空氣流率為0.0122/cmWift,atI：投射在采光面上的太陽輻照強度和分別為集熱器入口空氣溫度（）和環(huán)境空氣溫度（）；：指加熱空氣得到的有效熱量占投射在集熱器采光面上的太陽輻射能的份額（%）)/(23smm)/(23smmIttaif.)/(23smm3）吸熱板：是空氣集熱器的關(guān)鍵部件，它起著把太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鉄崮艿淖饔谩Ｒ话愣嘤帽′摪寤虮′X板制造。4）陣列組合 陣列組合方式不同，氣流阻力相差較大。 流經(jīng)各集熱器單體的氣流分配均勻，流通合理，從而提高陣列的集熱效率。陣列內(nèi)流量分布不均勻，將導致陣列

19、集熱效率的下降，局部流動阻力過高，甚至會使部分集熱器無法使用。2.空氣集熱器和干燥室分開式太陽能干燥器 右圖所示裝置是以太陽能作為主要能源，集熱器采集太陽輻射能加熱空氣，風機將熱空氣輸送到干燥室，從立式風管不同高度上的開孔中流出，均勻地吹向物料進行干燥，吸空氣從風管排出。 右圖所示裝置適用于全天候穩(wěn)定的、較高溫度的干燥要求。經(jīng)集熱器加熱的空氣，與干燥室回流的空氣混合后，又經(jīng)空氣加熱器加熱到要求的干燥溫度，輸入到干燥室干燥物料，濕空氣部分排入大氣，部分回流使用，經(jīng)集熱器加熱的空氣僅是干燥器排出的濕空氣的補充。3.空氣集熱器與干燥室一體化太陽能干燥器右圖為整體回熱式太陽能干燥器示意圖。其特征是空氣集熱器與干燥室組合成一個整體，設(shè)置了熱交換板。能回收利用部分排出濕空氣的余熱。經(jīng)集熱器加熱的熱空氣，進入北上空腔，均勻地穿過物料后進入北下空腔a，其溫度高于進入南空腔b的空氣溫度。再經(jīng)熱交換板的對流換熱可將排向大氣的濕空氣的部分熱量回收利用。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、熱效率較高（三）組合式太陽能干燥器1.簡易自然抽風組合式太陽能干燥器特點：成本較低，可就地取材2.強迫循環(huán)組合式太陽能干燥器 右圖是以太陽能為主體的強迫循環(huán)組合式太陽能干燥器示意圖。 該裝置用風機強迫空氣循環(huán)，空氣集熱器加熱的熱空氣輸