太阳能干燥器设计

太阳能干燥用空气集热器设计
摘要：我国是一个农业大国，干燥作业是农副产品加工过程中一个必要的环节，而且耗能巨大。

长期以来大多数农副产品仍然采用原始的摊晒方法进行干燥。

这种自然摊晒的方法，干燥周期长，易受虫蚁、苍蝇、烟尘污染和雨水侵袭，影响产品质量或造成霉烂变质。

我国各地太阳能资源丰富，所以设计并且利用太阳能空气集热器为当务之急，它对于提高我国农业生产水平，提高农民的科技应用意识和素质，节省能源和保护环境具有十分深远的意义。

关键词：干燥;太阳能;平板型集热器;有限元分析
Solar drying with aircollector design
ABSTRACT: Our country is a large agricultural nation, dry homework is agricultural and sideline products processing process a necessary link, and energy dissipation great.
Long-term since most agricultural and sideline products still using the original amortize method for dry sun. This natural booth sun method, drying cycle is long, vulnerable to bug ant, flies, dust pollution and rainwater to invade, affect product quality or cause mildew metamorphism. Our country solar is rich in resources, so design and use solar energy air collector for preoccupations. To improve the level of agricultural production and improving farmers' technology application consciousness and quality, save energy and protect the environment is very meaningful.
KEY WORDS: Dry; Solar; Plate-type collector; Finite element analysis
目录
1 前言 (1)
1.1本次毕业设计课题的目的、意义 (1)
1.2 太阳能干燥技术简介 (1)
2太阳能空气集热器的预备知识 (2)
2.1太阳能知识 (2)
2.2太阳能干燥技术及设备的引入 (3)
2.3太阳能干燥技术利用现状 (3)
2.3.1温室型太阳能干燥器 (4)
2.3.2集热器型太阳能干燥器 (5)
2.3.3集热器-温室型太阳能干燥器 (5)
2.3.4整体式太阳能干燥器 (5)
2.3.5聚光型太阳能干燥器 (5)
2.4集热器型太阳能干燥系统 (5)
2.5太阳能空气集热器与研究 (7)
2.6太阳能空气集热器测试标准方法 (9)
2.7太阳能干燥的展望 (9)
2.7.1综合利用太阳能干燥系统 (9)
2.7.2加强混合型太阳能干燥的开发研究和推广工作 (10)
2.7.3发展小型多样化的太阳能干燥装置 (10)
2.7.4研制出高效率、低成本的空气集热器 (10)
2.8ANSYS在工程中的使用 (10)
3平板型空气集热器的结构设计 (12)
3.1集热器的结构 (12)
3.2集热器方向的配置 (13)
3.3集热器的倾角的确定[6] (13)
3.4集热器材料的选择 (14)
3.5空气集热器的结构 (16)
3.6我的设计的solidworks装配图及零件图 (18)
4空气集热器的集热性能分析 (22)
4.1热载体空气的相关参数及集热器的相关数据 (22)
4.2ANSYS有限元分析流程图 (22)
4.3用有限元的分析软件ANSYS来分析集热性能 (23)
4.3.1建模、 (23)
4.3.2网格的划分 (25)
4.3.3负载及约束 (26)
4.3.4分析 (27)
5结论 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
外文文献 (33)
1 前言
1.1本次毕业设计课题的目的、意义
毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论、专业知识和基本技能，提高分析与解决实际问题的能力，完成工程师的基本训练和初步培养从事科学研究工作的重要环节。

毕业设计也是完成教学计划达到专业培养目标的一个重要的教学环节；学生通过毕业设计，综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在毕业论文的过程中，所学知识得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。

使学生的实践动手、动笔能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。

毕业设计以下具有目的：
(1) 通过阅读有关资料对当前计算机软、硬件技术的发展有进一步的了解。

(2) 融汇、贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识。

(3) 综合运用所学专业理论知识和技能提高独立分析问题和解决实际问题的能力。

(4) 培养和提高与设计群体合作、相互配合的工作能力。

1.2 太阳能干燥技术简介
人们很早就开始利用太阳能进行干燥。

将收剂好的农作物置于太阳下曝晒脱水干燥或是采用煤、木炭等在室内烘制以便长期保存，是人类利用太阳能历史最悠久、应用最广泛的技术。

自从人类学会狩猎、耕种、养殖以来，就学会了利用太阳能把食品、农副产品干燥加工，保存起来。

这种直接的摊晒、晾晒的干燥方法一直延续了几千年。

但这种传统的农作物干燥法存在着较多的问题和不足。

这种传统的方法干燥效率低、周期长、占地面积大，易受风沙、天气的影响，也容易受灰尘、苍蝇、虫蚁的污染，影响食品和农产品的质量，造成损失。

所以为了高效的利用太阳能干燥技术，设计一种设备来收集太阳能并且用来干燥是必要的，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。

2太阳能空气集热器的预备知识
2.1太阳能知识
太阳是离我们最近的一颗恒星。

它是一个炽热的气体球体，表面温度在6000度左右，中心温度，根据理论推算可达4000万度。

太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。

太阳不断的以光线的形式向广漠的宇宙空间辐射出巨大的能量。

这种辐射能叫做太阳能。

太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3.8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。

到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×1013kW。

太阳辐射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故未被吸收或散射而能够直达地表的太阳辐射能称为「直接」辐射能；而被散射的辐射能，则称为「漫射」辐射能，地表上各点的总太阳辐射能即为直接和漫射辐射能二者的总和[1]。

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。

化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。

从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。

在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员[2]。

我国的太阳能资源丰富，全国有2/3以上地区总辐射量,年日照时数达2000h以上，年平均辐射量超过6010
4KJ/cm2,各地年辐射大致在930~2330KJh/m2z之间。

特别是青藏高原中南部地区，年平均达670~849万KJ/m2.我国西部地区的太阳能也十分丰富。

银川地区年总辐射达1422188千卡/米2。

由于太阳能是一种清洁的环保，取之不尽用之不竭的能源，如果能很好的加以利用那么对我国的传统能源将是很好的保护。

我们的祖先很早以前就会运用太阳能了。

太阳能即是一次能源又是可再生能源。

它既可免费使用又无需运输对环境无任何污染。

但太阳能有两个主要缺点[3]：
一是能量非常分散，能流密度低，因此太阳能的利用装置必须具有相当大的面积，才能采集到足够的功率。

但是，面积大，造价就会增高。

只有当能量装置的表面的单位造价相当便宜时，才能经济合算的使用。

随着科技的发展太阳能设备采用廉价的材料和标准部件以及在提高利用效率的同时，成批太阳能利用器，成本就会显著降低。

二是强度受各种因素（季节，地点，气候等）的影响，不能维持常量。

因此必需有贮能装置，这就增加了造价和技术难度。

这两大缺点大大的限制了太阳能的有效利用。

解决这类问题还需时间，因此短期内太阳能还不能大规模的加以利用，但作为一种辅助能源，在实践中已收到一定效果。

从长远来看，随着对能源的需要不断增加，矿物资源的局限，随着人们对污染问题的
日益关注，以及科学技术的不断发展，太阳能在今后的能源比例中会有越来越重要的。

2.2太阳能干燥技术及设备的引入
干燥作业涉及国民经济的广泛领域，同时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。

有的行业如木材干燥的能耗，约占企业总能耗的40％－70％。

另外,干燥过程造成的污染又常常是我国环境污染的重要来源，因此干燥技术的节能与环保问题十分重要。

太阳能是清洁、廉价的可再生能源，取之不尽用之不竭。

每年到达地球表面的太阳能辐射能约为目前全世界所消耗的各种能量的1万多倍。

我国有较丰富的太阳能资源，约有2/3的国土年辐射时间超过2200小时，年辐射总量超过5000MJ/m2。

全年照射到我国广大面积的太阳能相当于目前全年的煤、石油、天然气和各种柴草等全部常规能源所提供能量的2000多倍。

全国各地太阳年辐射总量为3340～8 400MJ／m2，中值为5 852MJ／m2。

从我国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、宁夏南部、甘肃、内蒙古南部、山西北部、陕西北部、辽宁、河北东南部、山东东南部、河南东南部、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大，尤其是青藏高原地区最大。

全国以四川和贵州两省及重庆市的太阳年辐射总量最小，尤其是四川盆地最低。

太阳能干燥比较适于农副产品的干燥，一般温度在60℃以下，不会破坏食品的营养价值，木材采用太阳能预干不仅节能，还可以防止因为干燥温度过高，而使木材开裂、变形。

太阳能是现阶段一种主要的减缓能源危机和解决环境问题的新能源。

人们很早就开始利用太阳能进行干燥。

将收剂好的农作物置于太阳下曝晒脱水干燥或是采用煤、木炭等在室内烘制以便长期保存，是我国农村长期沿用的干燥法。

但这种传统的农作物干燥法存在着较多的问题和不足。

首先，采用这种传统的干燥法进行干燥的农作物易受灰尘、蚊虫等的污染及阵雨淋湿，且容易导致其含硫、含磷量偏高，较难通过国家绿色食品认证。

其次，干燥时间过长，无法满足农作物工业化加工的需要。

再次，干燥过程完全凭借个人经验，由于外界环境波动较大，造成农作物的营养成分大量流失，严重影响干燥品质。

所以研制出太阳能干燥谷物、果品、中学药等专门的干燥设备符合当前的趋势。

但总体来说，由于我国太阳能干燥技术的研究及推广的历史不长，太阳能集热器及干燥设备等相关产品还存在着热损失系数大、稳定性差、可生产性不强、干燥物料单一等缺陷。

所以这一设计主要是通过数据分析，验证设计是否能够达到干燥目的。

2.3太阳能干燥技术利用现状
到现在人类利用太阳能历史最悠久、应用最广泛的应属太阳能干燥。

自从人类学会狩猎、耕种、养殖以来，就学会了利用太阳能把食品、农副产品干燥加工，保存起来。

这种直接的摊晒、晾晒的干燥方法一直延续了几千年。

直到现在，可算是被动式
的太阳能干燥应用。

这种传统的方法干燥效率低、周期长、占地面积大，易受风沙、天气的影响，也容易受灰尘、苍蝇、虫蚁的污染，影响食品和农产品的质量，造成损失。

太阳能的利用主要有以下三种类型[4]：
（1）光化学转换类型
（2）光电转换类型
（3）光热转换类型
这三种转换今天都在不同程度和不同规模上已经实现。

例如属于光化学转换的光合作用，目前人工培植的各种澡类可以比自然条件下生长时增产几十倍。

属于光电转换的太阳电池，是目前人造卫星的主要动力来源，也是地面上许多场合不可缺少的特殊电源——如航标电源等。

当前利用太阳能最成功的方式，要算光热转换类型了。

我国古代的阳燧取火就属此例。

还有太阳能热水器，太阳灶，用蒸馏器制取淡水，干燥农产品制冰，制冷，取暖，用太阳炉冶炼高温材料，太阳能热动力发电等等。

随着科学技术的发展，太阳能新的用途还在不断出现。

随着太阳能热利用事业的深入发展，太阳能干燥器越来越广泛地应用于工农业生产。

太阳能干燥通过太阳能集热器把空气加热由热空气排除产品中的水分，从而避免了太阳直接曝晒的缺点。

截止到目前，国外已建成集热面积超过500平方米的大型太阳能干燥器7座，其中美国4座、印度2座、阿根廷1座；我国各地发展的太阳能干燥和除湿装置150多个，总采光面积超过1.2万平方米，被干燥的物料品种很多，有工艺美术陶瓷、果脯、蔬菜、肉制品、鱼类、中药材、谷物、木材等。

若按物料接受太阳能的方式，可分为直接受热式和间接受热式两大类，或称为辐射式和对流式，我国习惯上称它们为温室型和集热器型太阳能干燥器。

它们结合在一起，即带集热器的温室型干燥器，称之为混合式干燥器。

按空气流动的动力不同，太阳能干燥器可分为主动式和被动式两大类。

另外，还有聚光型干燥器。

国内整体式太阳能干燥器约占总干燥面积的1/3，它是将太阳能空气集热器与物料干燥室二者合并在一起，成为一个整体，干燥室本身是集热器，它兼顾了温室型和集热器型的优点。

我国各地试验的各种太阳能干燥装置有多种形式，大体上可分为：温室型、集热器型、集热器与温室结合型、整体式和抛物面聚光型等。

2.3.1温室型太阳能干燥器
温室型干燥器的结构与栽培农作物的温室相似，温室即为干燥室，待干物料置于温室内，直接吸收太阳辐射，温室内的空气被加热升温，物料脱去水分，达到干燥的目的。

温室型干燥器一般都设有排风装置，排去含湿量大的空气，加快物料的干燥周期。

由于这种干燥器结构简单，造价低廉，在山西、河北、北京、广东等地的农村很快发展起来。

尤其在山西省，建成了10多座这种类型的干燥器，面积超过1000m2，用于干燥红枣、黄花菜、棉花等。

2.3.2集热器型太阳能干燥器
集热器型干燥器是太阳能空气集热器与干燥室组合而成的干燥装置，这种干燥器利用集热器把空气加热到60-70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室内实现对流热质交换过程，达到干燥的目的。

干燥器一般设计为主动式，用风机鼓风以增强对流换热效果。

这种干燥器有以下一些优点：
(1)可以根据物料的干燥特性调节热风的温度；
(2)物料在干燥室内分层放置，单位面积能容纳的物料多；
(3)强化对流换热，干燥效果更好；
(4)适合不能受阳光直接曝晒的物料干燥，如鹿茸、啤酒花、切片黄芪、木材、橡胶等。

在我国各地，利用集热器型太阳能干燥装置，分别对谷物、烟草、挂面、橡胶、中药材等进行了干燥的试验和应用。

2.3.3集热器-温室型太阳能干燥器
温室型太阳能干燥器结构简单、效率较高，缺点是温升较小，在干燥含水率高的物料时(如蔬菜、水果等)，温室型干燥器所获得的能量不足以在较短的时间内使物料干燥至安全含水率以下。

为增加能量以保证被干物料的干燥质量，在温室外增加一部分集热器，就组成了集热器-温室型太阳能干燥装置。

物料一方面直接吸收透过玻璃盖层的太阳辐射，另一方面又受到来自空气集热器的热风冲刷，以辐射和对流换热方式加热物料，适用于干燥那些含水率较高、要求干燥温度较高的物料。

2.3.4整体式太阳能干燥器
整体式太阳能干燥器将太阳能空气集热器与干燥室两者合并在一起成为一个整体。

装有物料的料盘排列在干燥室内，物料直接吸收太阳辐射能，起吸热板的作用，空气则由于温室效应而被加热。

干燥室内安装轴流风机，使空气在两列干燥室中不断循环，并上下穿透物料层，使物料表面增加与热空气接触的机会。

在整体式太阳能干燥器内，辐射换热与对流换热同时起作用，干燥过程得以强化。

吸收了水分的湿空气从排气管排出，通过控制阀门，还可以使部分热空气随进气口补充的新鲜空气回流，再次进入干燥室减少排气热损失。

2.3.5聚光型太阳能干燥器
聚光型太阳能干燥装置的集热系统，一般由柱状抛物面聚焦集热器组成，这是一种中温型太阳能干燥装置。

在印度和缅甸，聚光型太阳能干燥装置用于浓缩棕榈汁；在前苏联用于辐照稻谷和棉花籽。

我国也有聚光型太阳能粮食干燥的报道，但这种干燥装置结构复杂，造价高。

2.4集热器型太阳能干燥系统
集热器型干燥系统，将集热器与干燥宝分开。

集热器可以把空气加热到较高的温度。

干燥速度比温室型的高，而单独的干燥宝，又可以加强保温和不使物料直接阳光曝晒。

因此集热器型干燥系统可以在更大的范围内满足不同物料的干燥工艺要求。

集热器多系用平板型空气集热器，作干燥系统的集热器。

提高空气流速，强化传热，以降低吸热板的温度，是提高集热器效率的重要途径，但是在集热器的结构和联接方式上，应同时注意降低空气的流动阻力，以减少动力消消耗。

为了弥补日照的间歇性和不稳定性等缺陷，大型干燥系统常袋没蓄热设备，以提高太阳能利用的程度，并用常规能源作为辅助供热设备，以保证物料得以连续地进行干燥。

为一大型谷物干燥系统的示意图，该系统由空气集热器，干燥室，热交换器和辅助加热器五部分组成，该系统的面积为1885m2的单层玻璃盖板空气集热器，以供应干燥室的热空气。

另有面积为350m2的空气集热器，供应卵石蓄热器。

为了回收废气温的热量，设置了一个回转式再生预热器，以利用废气予热进簇系统的新鲜空气。

再生预热器位于风杭的入口侧，新鲜空气由21℃预热到43℃，再送入空气集热器中加热至66℃，然后再进入干燥室。

由于干燥室出来的废气温度为49℃，放热给再生预热器后，略高于环境的温度排出系统，与此同时，蓄热器由350m2的空气集热器加热，使畜热器内的河卵石温度最后达到66℃。

这个系统的典型工程状是：从上午9时到下午4时，由1885m2的太阳能空气集热器向干燥室供热。

下午4时到午夜12时，由蓄热器向干燥宝供热，蓄热器供热维持66℃到第二天2时半，蓄热器的温度将下降到50℃左右，则使用辅助热源（燃油炉）继续加热到上午9时，因此，干燥室每天由太阳能供热量达17.5小时即占70%。

在此系统中，再生预热器，利用废气温保证了空气所需全部加热升温的5%，大大减轻了空气集热器的加热升温负荷。

因此，在太阳能干燥系统中，研究热器回收利用是很有意义的由于废气的相对湿度不是太高，一些干燥系统采用部分废气（例如用30-50%）回流，与热空气混合使用，以回收废热。

温室热太阳能干燥系统这是由太阳能空气集热器和温室组合而成的一种干燥系统。

它的干燥室就是具有透明盖层的温室。

用空气集热器加热的空气来增强温室的干燥过程。

为渡口市的一座干燥中成药的集热器，温室型的太阳能干燥系统。

空气集热器与地面成30度倾角（即当地的地理纬度），四周用角钢作骨架，底面和侧面用两层钢板焊接，盖板为普通玻璃，集热器内放三层涂以里涂料的钢丝网，和少量的铁屑做为吸热体。

温室为一竖直的长方形容器，置于集热器后上部，与集热器联接，四周用角钢作骨架，顶层和南部用双层玻璃覆盖，其余各面的钢板之间填充玻璃棉保温（现在用聚苯板更好些），室内放置四层料盘，温室内壁涂黑涂料上部排风口，通过控制阀排出湿空气。

工作时将待干燥的物料放置在料盘上，一方面直接吸收，透过温室玻璃射入的太阳辐射，在升温的同时，水分不断汽化；另一方面，经太阳能空气集热器加热后的热空气，从温室底部进入后，穿透料层，使物料与温室的温度得到进一步提高，加快了物料内部水分向表层扩散汽化，同时加快了温室内空气流动的速度，增强排温能力，总之，强化了干燥过程。

渡口制药厂，过去用蒸汽干燥中成药，每干燥100kg，要消耗标准煤152kg，而利用太阳能干燥中药材，
3m3的干燥容积，在较好的天气，一次可干燥湿药丸31kg，节约标准煤47kg。

常规干燥时，一个周期12小时，利用太阳能干燥仅用7.5小时，太阳能干燥的中成药符合国家卫生标准，同时还减少了环境污染。

另外洛阳的“唐三彩”泥胎干燥系统，也是采用的这种系统，它由151m2太阳能空气集热器和72m2轻质保温烘干房组成，通过双回路操作系统的控制和泥胎自身的蓄热能力，可以实现开路，闭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：
1、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。

2、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。

3、必须依靠动力设备才能保证废气回收的正常进行。

4、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。

2.5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。