一種雙能互補干燥機的設計與研究獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師的指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已標明引用的內容外，本論文不包含任何其他人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名：日期：2025年5月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢東湖學院可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本論文屬于學位論文作者簽名：日期：2025年5月日

保密口，在 學位論文作者簽名：日期：2025年5月日不保密R。（請在以上方框內打“√”）指導教師簽名：指導教師簽名：日期：2025年5月日[7]。表2-1不同干燥機的優(yōu)缺點干燥機類型優(yōu)點缺點電熱干燥機操作簡單，穩(wěn)定供熱，適合大規(guī)模生產高能耗、運行成本高，碳排放大太陽能干燥機節(jié)能環(huán)保，運行成本低，適合陽光充足地區(qū)受天氣限制，效率低，不能全天候運行風能干燥機環(huán)保節(jié)能，適合風力較強的地區(qū)，成本較低風速不穩(wěn)定，效率低，無法大規(guī)模使用雙能互補干燥機結合多種能源，能效高，降低成本和碳排放，適應不同天氣條件設計復雜，初期投資高，系統集成困難通過對比可以發(fā)現，相較于傳統的電熱干燥機，能源型干燥機更加節(jié)能環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，但其限制較多，可能會導致效率變低。在這樣的情況下，多能源或雙能互補型干燥機的優(yōu)勢就顯現出了，它結合了單能源的節(jié)能環(huán)保，又保證了效率，是現代農用干燥機的首選，本課題的一種雙能互補干燥機的設計，順應了時代的變化，具有很高的研究價值。3雙能互補干燥機系統設計3.1整體裝置的原理干燥機分為三個大部分，1：分光式熱光伏系統；2：水載熱循環(huán)系統；3：風循環(huán)干燥系統。在分光式熱光伏系統中，這個系統是最為重要的，因為它為整個裝置提供了熱能和電能。首先，太陽能通過陽光的照射到太陽能聚光器上，太陽光里進行能量的傳送，一部分直接轉換成熱能，另一部分轉化為電能，電能是通過能量轉換器轉換成電能的，然后這些能源在傳送到其它需要能源的系統（如圖3-1所示）。在水載熱系統中，是進行熱量的運輸的，其中的一部分熱量來源于太陽能聚光器上，是通過太陽能的熱量直接加熱的，而另一部分是來源于空氣源熱泵系統，空氣源熱泵通過分光式熱光伏系統產生的電能進行逆卡諾循環(huán)的運作，從而產生大量的熱量，通過水載熱系統進行熱量的運送。最后是風循環(huán)干燥系統，風循環(huán)干燥系統是將水載熱系統中運送的熱量輸送到干燥房中，農產品則置于干燥房中的物料網格上（如圖3-2所示），干燥房內通過控制室內的溫度，濕度和空氣流速進而達到快速干燥效果。圖3-1太陽能熱電聯產多能源干燥裝置流程圖其中：1：分光式熱光伏系統；2：載熱工質輸入管；3：熱水箱；4：蓄熱罐；5：蓄電池；6：電路控制器；7：干燥房；8：熱風機盤管；9：風機；10：空氣源熱泵；11：排風口：12：空氣余熱回收裝置；13：回風管道；14：回風裝置；15：回水管路。圖3-2物料網格3.2太陽能分光式熱光伏系統3.2.1分光式熱光伏系統結構設計圖3-3分光式熱光伏熱電聯產系統流程圖其中：16：碟式PV板；17：集熱器；18支架盤管；19：碟式分光管；20太陽跟蹤控制器。圖3-3為分光式熱光伏系統的流程簡圖，在圖中可以看到，太陽能分光器中和能量轉換器相互連接，在太陽光的照射下，把光能轉化為熱能和把光投射到能量轉化器中，進行光電轉換。為了能與太陽直射角基本對齊，在分光器支撐部要安裝一個太陽跟蹤控制裝置，使得聚光器能一直正對太陽。在波長在0.32～1.1nm范圍內的光會被聚光器投射到能量轉換器中進行光電轉換，轉化為電能會儲存在蓄電池中，為空氣能熱泵提供電能。而其它不同的波段光會通過聚光器進行光熱轉換，熱量會通過水循環(huán)儲存在蓄水箱中，充分利用了太陽光中的能量。3.2.2分光式熱光伏系統工作原理圖3-4太陽能分光式熱光伏系統太陽能熱光伏系統器工作原理流程如圖3-4所示。依靠太陽能自動跟蹤器始終保持太陽輻射通過聚光板反射到能量轉換器上進行能量的轉換，而在能量轉換器上一部分波長的太陽能通過轉換器轉換成電能，供給需要用到電能的其他系統，剩下的一部分太陽光波長在能量轉換器中產生熱量，通過水管盤管里的工質水將能量轉換器中的熱量帶走，依靠循環(huán)水泵不斷帶動水的循環(huán)，最后將熱量盡可能多的儲存在蓄熱水箱中，為水循環(huán)系統和風循環(huán)系統提供熱量。3.2.3能量轉換器結構設計對于太陽能和其它化學能而言，能量轉換器屬于這樣一種零部件，其功能在于先把這些能量轉換成熱輻射能，隨后將轉換所得的熱輻射能提供給光伏電池，以實現光電轉換。能量轉換器在整個太陽能熱光伏發(fā)電熱電聯產系統中屬于重要的核心零部件。在太陽能熱光伏熱電聯產的系統中，能量轉換器是用來接收聚光器會聚的太陽光，再將太陽能轉換為熱輻射的部件，所以能量轉換器接收太陽輻射光的能力直接影響了能量轉換器的性能，進而影響了整個系統運行的性能。在上文中我們所使用的太陽能聚光器是旋轉拋物面聚光器，所以在能量轉換器的設計上我們盡可能的匹配到我們所使用的聚光器，同時也要在結構和成本上進行考慮，最后綜合考慮進行設計。由于旋轉拋物面聚光器將太陽光會聚反射到一個位置，設計圖如下：(a)(b)圖3-5能量吸收器結構示意圖上圖能量吸收器中，側面是一個圓柱體，其中一邊開口，是旋轉拋物面聚光器反射光的進口，另外一邊為封口，平底，其主要作用是將旋轉拋物面聚光器的反射光在能量轉換器內部進行多次再反射，使能量盡可能多的被吸收，進而被轉換成電能。3.3水載熱循環(huán)系統3.3.1水載熱循環(huán)系統工作流程水循環(huán)系統主要是將從太陽能中吸收熱量所被加熱的水在緩存水箱中儲存，再經過空氣能熱泵主機中的管殼式換熱器換熱提高熱量，溫度升高，然后載熱工質水經過風機盤管，吹出熱風，進入干燥房。所以水循環(huán)系統主要作用是熱量的運輸和儲藏。圖3-6水循環(huán)示意圖圖3-7水載熱循環(huán)系統工作流程圖其中：21：水泵；22：電路控制器；23：閥門。如圖3-7所示，熱水箱內水的溫度達到設定的數值，溫度高的水會從蓄熱水箱中流出，在循環(huán)泵和截止閥的共同作用下流經烘干房內的入風進水風機盤管，同國風機盤管產生的風壓將熱水工質中的熱量輸送到烘干房內，熱量會加熱烘干房內的空氣溫度，同時通過風機盤管產生的空氣強迫對流，降溫后的水會重新流回余熱回收裝置，同時出風口處的熱風會流過余熱回收裝置，對冷水進行初加熱，達到簡單的預熱效果，最后流回熱水箱，形成一個循環(huán)。3.3.2水載熱循環(huán)系統循環(huán)基本組成結構在整個水載熱循環(huán)系統中，主機是最重要的部分，其里面包括了制冷制熱五大部件：壓縮機，冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器和風機，每一個部件都是制冷制熱必不可少的主要部件。除了主機之外，熱泵循環(huán)還需要一些必不可少的部件：緩存水箱，循環(huán)水泵，增壓泵，水管管路和電氣控制系統。3.3.3空氣源熱泵工作流程和結構設計（1）工作流程圖3-8空氣源熱泵工作結構示意圖圖3-9空氣源熱泵工作流程簡圖（2）主要結構部件和工作原理主要結構部件：1：壓縮機；2：冷凝器（高效罐或管式換熱器）；3：節(jié)流閥（電子膨脹閥）4：蒸發(fā)器（翅片盤管）；5：熱水箱（緩存水箱）；6：風機。工作原理：風機先啟動，第一過程屬于預熱，大概半分鐘后壓縮機啟動，風機轉動帶動空氣中的氣流，流經蒸發(fā)器的翅片盤管，壓縮機不斷工質（R22或者R410a），產生熱量，流經冷凝器（高效罐或管式換熱器），在冷凝器中進行換熱，然后工質流經節(jié)流閥（電子膨脹閥），再經過蒸發(fā)器，最后流回壓縮機。其中整個循環(huán)過程，屬于逆卡諾循環(huán)，逆卡諾循環(huán)與卡諾循環(huán)相反，能源轉換率極高，理論狀況中，在標準工況下，Q2=3.6Q1，，即消耗一份電能可以得到4.6熱量（如圖3-10所示）。圖3-10理想狀況下逆卡諾循環(huán)的T-S圖3.3風循環(huán)干燥系統3.3.1風循環(huán)干燥系統結構設計如圖3-11所示，在風循環(huán)干燥系統中，干燥房外部的空氣會經過進風口進入到干燥房系統中，空氣會經過加熱，去濕干燥處理，然后空氣會流經熱水盤管進行加熱，被加熱的空氣會經過風機盤管進風口的風機輸送到干燥房內部。經過物料的熱空氣會帶走物料內部的水分子，變成濕熱空氣，然后由排風口處的回風裝置流出，在流經余熱回收裝置，回風中的熱量會傳送給余熱回收裝置內的冷水，會有一部分冷空氣流出到外部環(huán)境，剩下的那部分會形成回風循環(huán)。圖3-11風循環(huán)干燥系統工作流程圖其中：24：物料裝夾網。3.3.1風循環(huán)干燥系統工作原理風循環(huán)干燥系統其主要原理是空氣中的氣體通過能量轉換器和空氣能熱泵所產生的熱量進行換熱，空氣經過了換熱器換熱之后，再進行風循環(huán)的流動，經過暖氣空調和空氣調節(jié)，進行溫度，濕度和空氣流速的調節(jié)，在干燥房循環(huán)，達到干燥物料的效果。圖3-12風循環(huán)示意圖

4關鍵零部件的的選型和參數計算4.1太陽能分光式熱光伏系統的參數4.1.1聚光器的選型和相關數據計算圖4-1聚光器外形結構圖在整個太陽能熱光伏熱電聯產當中，聚光器屬于重要零部件之一。它發(fā)揮的作用在于，能夠把太陽光聚焦起來，使之成為高能量密度的光斑，并且將其反射到能量轉換器內的輻射器里，以此實現對輻射器的加熱，達成光電轉換這一目的。正因為如此，整個太陽能分光式熱光伏系統的性能會受到影響，其影響的關鍵在于聚光器的性能，具體表現為聚光器的性能決定了輻射器所能升高溫度的程度以及溫度分布的范圍。目前市面上應用于太陽能集熱的聚光器種類有很多，主要分成平面（二維）聚光器和立體（三維）聚光器。平面（二維）聚光器主要類型有：復合拋物面聚光器；菲涅耳透鏡聚光器；菲涅耳反射鏡聚光器；條形面聚光器；拋物柱面聚光器。立體（三維）聚光器主要類型有：球形面聚光器；旋轉拋物面聚光器；塔式聚光器。下面對各種聚光器進行一下相關的性能對比，如表4-1所示：表4-1各種聚光器的性能對比聚光器種類最高運行溫度(oC)聚光比大約范圍復合拋物面聚光器100-1503-10菲涅耳透鏡聚光器100-2006-30菲涅耳反射鏡聚光器200-30015-50條形面聚光器250-30020-50拋物柱面聚光器250-40020-80球形面聚光器300-50050-150旋轉拋物面聚光器500-2000500-3000塔式聚光器500-20001000-3000由表4-1可以看出，平面（二維）聚光器要比立體（三維）聚光器的聚光比和最高運行溫度都要低，所以在選擇聚光器種類時優(yōu)先選擇性能更好的立體（三維）聚光器。而在立體（三維）聚光器：球形面聚光器，旋轉拋物面聚光器，塔式聚光器中，球形面聚光器的性能要遠低于旋轉拋物面聚光器和塔式聚光器，所以在聚光器的選擇中就在旋轉拋物面聚光器和塔式聚光器兩者之間。在性能基本相同的情況下，再比較兩個聚光器的成本，從成本來看，塔式聚光器因為其聚光占地面積大，結構復雜，成本遠高于旋轉拋物面聚光器，所以在聚光器的選型中回優(yōu)先選擇旋轉拋物面聚光器。聚光器的最高運行溫度指的是聚光器會聚的太陽能使接收器運行的最高工作溫度，式聚光器的重要參數之一；聚光比指的是聚光器光孔的面積與接收器上接收輻射的表面面積之比，也稱為幾何聚光比，通常用C表示。聚光比C反映出聚光器使能量集中的可能程度，也是聚光器的重要特征參數之一。聚光比C的計算方式：C=(1-1)上式中，Aco表示聚光器的采光面積（單位：m2），Aco=πRCO2(其中Rco表示聚光器光孔的開口半徑，m)；Aer表示輻射器入口處的接收面積，m2，Aer=πRe2(其中Re表示輻射器入口的內半徑，m)。綜合上述公式：聚光器的采光面積：A開口比n是聚光器的另外一個重要參數，也稱為相對光孔，計算公式為：n=a(1-2)式中：a表示聚光器光孔的開口口徑，m；f表示拋物線的焦距，m。4.1.2太陽能追蹤器概述上文提到，太陽能追蹤器的作用是保證實時的保持聚光器的主光軸和太陽直射點重合，始終保持聚光器聚焦的光斑位于能量轉換器的入口位置。目前，太陽能追蹤器的控制方法有幾種：1：根據天體運動的規(guī)律來計算出實時的太陽直射角，進而調整聚光器的角度來會聚太陽光；2：通過光電傳感器實時的感應太陽直射角的位置信號來進行太陽光的跟蹤；3：綜合上述兩種辦法來對太陽直射角的跟蹤，這樣能更大程度的提高聚光器聚光的精確程度。4.1.3供熱零部件的概述因為本系統為熱電聯產的裝置，所以在產生電能的同時，系統還產生了大量的熱量，對整個系統的熱量回收是必不可失的一個步驟。其中供熱組件有加熱器（散熱器：主要帶走能量轉換器轉換過程產生大量的熱能）；水管管路；緩存水箱；循環(huán)水泵等。加熱器（散熱器）：因為要與能量轉換器進行熱量傳遞，所以其導熱系數一定要好。熱傳遞的基本公式為：φ=KA?T式中：φ：熱流量；K：導熱系數，W/(M2(OC);A:傳熱面積，m2；?T：熱流體與冷流體之間的溫差水管管路：由于水管管路會與周圍空氣接觸，產生對流傳熱和輻射傳熱，所以為了減少熱水和環(huán)境之間的熱量損失，需要要求水管的導熱系數小且抗腐蝕性要好。硅膠導管這種材料就是很好的材料，其導熱系數小，且抗腐蝕性高，經久耐用，很適合作為供熱系統的水管材料。循環(huán)水泵：可以根據循環(huán)系統的水量和揚程進行選型，一般根據不同狀況來定，水管的沿程阻力損失和水箱出口的壓力損失【14】也要進行考慮。緩存水箱：緩存水箱分為承壓和非承壓，而在這種水循環(huán)中，為了減少熱量的損失，同時為了在水循環(huán)中水箱不會有溢水的情況，一般選擇承壓水箱，承壓水箱同時具有較好的保溫性，大小一般選擇150L的承壓水箱。4.2水載熱循環(huán)系統五大部件的選型從上文我們提到水載熱循環(huán)系統的四大部件是壓縮機，冷凝器，節(jié)流閥和蒸發(fā)器，四大部件是熱泵系統中缺一不可的，但是還有一個重要部件也是不可或缺的，那就是熱泵系統中的風機，風機是蒸發(fā)器換熱最重要的一個零部件，影響到整個熱泵系統循環(huán)的效率高低。4.2.1壓縮機的選型（1）壓縮機實際輸氣量（qvsq(1-3)式中：qvs為壓縮機的實際輸入量，單位m3/hqm為制冷劑的循環(huán)量，單位kg/s2:壓縮機理論功率（Pt?P(1-4)式中：Pt?為壓縮機的理論功率，單位kW w0為制冷劑的單位理論功，單位kJ/kgqm為制冷劑的循環(huán)量，單位3：壓縮機的軸功率（PeP(1-5)式中：Pe為壓縮機的軸功率，單位kW ηm在壓縮機當中，存在多種壓縮的方式。就活塞式壓縮機而言，其有著悠久的歷史，生產技術也已然成熟。而往復活塞式這一類型的，是借助活塞于氣缸內進行往復運動，以此來改變氣體的工作容積?；剞D式壓縮機當中存在著旋轉式壓縮機以及螺桿式壓縮機這兩種類型。就當下的情況來看，國內所生產的空調器在多數時候采用的是旋轉式壓縮機。而螺桿式壓縮機呢，其主要是被應用于大型制冷設備方面。4.2.2冷凝器的選型由于本設計系統為熱泵系統，所以冷凝器的換熱方式主要是與壓縮機壓縮后的R22工質進行換熱，在不直接接觸的情況下，有管殼式換熱方式和套管式換熱方式，在小型的換熱情況下，一般用高效罐進行整個冷凝器的換熱組裝，但是在大型的設備中，一般使用套管式換熱器。圖4-2套管換熱器4.2.3蒸發(fā)器的選型蒸發(fā)器的選擇要根據使用工況確定其翅片間距和面積，蒸發(fā)器的功能主要是降溫除濕，在除濕的過程中，從干燥室出來的高濕中溫空氣經蒸發(fā)器冷凝除濕，凝結的冷凝水在通過蒸發(fā)器下接水盤排出。發(fā)器的對數平均傳熱溫差（?tmet(1-6)4.2.4膨脹閥的選型節(jié)流閥的作用把來自貯液干燥器的高壓液態(tài)制冷劑節(jié)流減壓，調節(jié)和控制進入蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑量，使之適應制冷負荷的變化，同時可防止壓縮機發(fā)生液擊現象(即未蒸發(fā)的液態(tài)制冷劑進入壓縮機后被壓縮，極易引起壓縮機閥片的損壞)和蒸發(fā)器出口蒸氣異常過熱。本系統中選用R22作為熱泵工質，根據R22工質系統特性，當壓力降超過相應蒸發(fā)溫度1℃時，均宜采用外平衡式熱力膨脹閥。故本系統選擇丹佛斯TEX5-10型外平衡熱力膨脹閥。4.2.5風機的選型風機的作用是當熱泵系統制冷時，風機帶走蒸發(fā)器周圍環(huán)境的熱量，熱泵系統制熱時，帶走周圍的冷空氣，進行強制對流。因為風機作用是對蒸發(fā)器周圍熱量進行強制對流，所以風機的選型可以根據實際情況而定。4.3水載熱循環(huán)系統的參數4.3.1空氣能熱泵能量轉換原理根據熱力學第二定律，熱力學過程是不可逆的，孤立系統自發(fā)地朝著熱力學平衡方向最大熵狀態(tài)演化。圖4-3空氣能熱泵能量轉換原理圖如圖4-3，空氣能熱泵通過外加能量補償能量的補償，從外界環(huán)境中吸取熱量TL，經過熱泵逆卡諾循環(huán)，將一份補償能量轉換成3到4份熱量QH，最后通過風機盤管將熱量輸送到被加熱的對象中，因為所得到的能量比運行所需的能量高出很多，況且大氣環(huán)境或余熱廢熱等低品位能源可以大量提供給該系統。4.3.2熱泵內主要部件工質循環(huán)圖熱泵主機主要有四大部件：壓縮機，蒸發(fā)器，節(jié)流閥和冷凝器。這四大部件是工質循環(huán)不可或缺的，其中壓縮機是整個工質循環(huán)的主要能量來源，工質再壓縮機中經過壓縮，溫度升高，為整個循環(huán)提供熱量來源，在工質循環(huán)中，工質流經不同部件所發(fā)生的溫度（T）和熵（S）變化如下圖：圖4-4工質循環(huán)狀態(tài)變化圖 圖4-5對應的熱泵各部件循環(huán)圖從圖4-4工質循環(huán)狀態(tài)變化圖和圖4-5對應的熱泵各部件循環(huán)圖兩圖相互聯系對應來看，在整個干燥系統循環(huán)中，壓縮機是的性能會直接影響著干燥裝置的效果，在壓縮機中，主要有噴氣增焓和噴液增焓兩種增壓方式，在這兩種方式中，一般所使用的工質也會有所不同，在噴液增焓中，所使用的工質一般是R22，而在噴氣增焓中，所使用的工質一般是R410a，從效果來看，噴氣增焓效果要好于噴液增焓，因為從壓縮機運行來看，噴氣增焓可以做到雙級增壓，增壓的效果更好，壓縮的效果更加充分，同時，從循環(huán)工質來看，R410a要比R22更加環(huán)保，循環(huán)效果更好，唯一的缺點是R410a要比R22成本更高，所以在成本預計合理范圍下，選擇噴氣增焓的壓縮機可以整體提高整個干燥裝置的干燥效果。另一個影響熱泵性能的部件就是換熱裝置：那就是冷凝器和蒸發(fā)器，從工質循環(huán)狀態(tài)圖來看，換熱器效果會影響到熱量轉換的效率，所以要改善蒸發(fā)器的翅片形狀，大小面積等，而在冷凝器中，主要在換熱方式上，如管殼式換熱器或者是套管式等，在這些影響到熱量轉換的部件選擇是必須要堪慮的，也是不可或缺的。4.3.3水載熱循環(huán)系統系數計算式圖4-6熱泵系統壓焓圖設定本系統為單級噴液壓縮循環(huán)系統，圖4-6為熱泵循環(huán)理論壓焓圖。所選擇的循環(huán)工質為R22，根據R22的主要性質簡要繪制出其簡要的壓焓圖，為下面的表達式有一個參考點。（1）單位質量制冷量（q0q(1-6)（2）單位容積制冷量（qv0q(1-7)（3）單位質量制熱量（qkq(1-8)（4）單位容積制熱量（qvkq(1-9)（5）單位理論功（w0w(2-1)（6）壓縮機壓力比（R）：表達式為R=(2-2)（7）制冷劑循環(huán)量（qmq(2-3)（8）制冷系統的制熱量（Qk?thQ(2-4)4.3.4評價水載熱循環(huán)系統性能系數和指標評價水載熱循環(huán)系統的性能指標主要有熱泵系統的性能系數COP、單位時間除濕量MER和除濕能耗比SMER，即考慮熱泵系統性能、干燥系統效率及能耗三個主要方面。（1）性能系數COP性能系數=輸出制熱量÷制熱輸入功率，性能系數值越高，說明熱泵能效比越高，耗電量越小。在生活中，COP也叫做能效比，而在國家標準中，這是評價能效等級的重要參數，表達式如下：COP=(2-5)其中：Qc為熱泵制熱量；Pe為系統壓縮機軸功率；COP為系統能效比。（2）單位時間除濕量MERMER是在排除整個熱泵型烘干機的全部能力體現，顯示其干燥速率的物理量，表達式如下：MER=(2-6)其中：m為水分質量；t為干燥時間。（3）除濕能耗比SPC熱泵的除濕能耗比是指分離被干燥物1公斤水消耗的能量，除濕能耗比是表示除濕量和能耗的數值關系，是體現熱泵烘干機除濕能力的關鍵參數。表達式如下：SPC=(2-7)其中:w為熱泵系統在整個干燥過程中所消耗的能量，單位kW;m為物料中水分蒸發(fā)的質量，單位kg。（4）單位能耗除濕量SMER單位能耗除濕量是用來表示消耗單位能量使被干燥物內部水汽去除的質量多少，用符號SMER表示，單位：kg/kW，其表達式如下：SMER=(2-8)4.4風循環(huán)干燥系統的參數4.4.1風循環(huán)影響干燥的因數（1）空氣中的溫度當空氣中的其它因數（濕度，空氣流速，環(huán)境壓力）不變時，溫度越高，水蒸氣蒸發(fā)速度越快，流速因為溫度變化產生壓力差，流速也會加快，最后使得整個干燥過程加快；反之當溫度越低，水蒸氣蒸發(fā)速度減緩，空氣流速也會降低，進而導致整個干燥過程減緩。（2）物料所含的水分（濕度參數）當空氣中的其它因數（空氣的溫度，流速和環(huán)境壓力）不變時，物料中所含濕度的大小直接影響著干燥速率的快慢。濕度越大，所需要蒸發(fā)的過程更長；反之，濕度越小，所需要蒸發(fā)的過程更短。（3）空氣流速當空氣中的其它因數（空氣濕度，溫度和環(huán)境壓力）不變時，通過物料的空氣流速越快，則帶走物料的濕氣越多，使得干燥越快；反之，通過物料的空氣流速越慢，則帶走物料的濕氣越少，使得干燥越慢。（4）環(huán)境壓力當空氣中的其它因數（溫度，濕度和空氣流速）不變時，適當的降低介質的總壓力，有利于提高濕度擴散系數，從而提高濕度的擴散速率。（5）物料與空氣接觸面積通過改變物料的形狀大小來增大物料與空氣的接觸面積，更好的通過空氣的流動帶走多余的濕氣，加快干燥速度。圖4-7干燥曲線圖4.4.2物料經過干燥后的變化情況需要烘干的物料（農產品）中，其中自身所含的水分一般在40%-95%，經過熱風干燥后回發(fā)生生一系列的變化，有些變化是好的，比如可以更加長久的保存，而有些變化卻是不好的，比如會影響物料本身所具有的特性和營養(yǎng)價值，但是物料的變化程度主要取決于物料本身的性質和干燥工藝，設備選擇，同時還有干燥過程中一系列因素的控制。物料自身水分的蒸發(fā)發(fā)生以下變化：（1）導致蛋白質，脂肪，碳水化合物和礦物質等含量相應的提高。（2）物料大小和重量（大小約為烘干前的30%-50%，重量約為烘干前的15%-30%）（3）物料表面形狀會發(fā)生劇烈變化，在干燥過程中，其表面會發(fā)生劇烈收縮，失去干燥前所具有的彈性，進而造成表皮干裂，是物料被高溫低濕干燥介質快速干燥時，表層會出現裂紋或空隙。除了干裂，物料表面還會因失水過多，硬化程度強烈，表現被干燥物表面收縮與封閉的，是一種外干內濕的現象，有兩點原因，溶質運移和表面干燥性太強【17】。（4）物料本身具有的一些微量元素會因為干燥過程而造成損失或減少，水溶性維生素在原料預處理中的清洗、熱燙、預煮各工序中，一部分溶解于水而流失，維生素C更難保存，遇水溶解，遇熱破壞，又非常容易被氧化。（5）經過干燥后會失去物料原有的風味，干燥后的食品失去大部分揮發(fā)性風味物質，或產生煮熟味。食品的組織狀態(tài)有顯著變化，細胞干癟、體積縮小，當超過極限時，加水也不能復原。

5實驗與仿真分析本實驗采用COMSOL軟件進行基于計算流體動力學的物理場分析，COMSOLMultiphysics是一款高級數值仿真軟件，以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）進行仿真分析，其主要板塊涵蓋流體流動、熱傳導等多種物理場，主要優(yōu)勢在于多物理場耦合方面。COMSOL操作簡便、用途廣泛，用戶可根據需要自行定義物理場的相互關系，使用附加的功能模塊拓展軟件功能。使用COMSOL軟件進行物理場仿真，可相對準確地描繪出干燥機內部的物理場分布，不僅可以準確預測研究對象的整體性能，還可以從物理場的分析中發(fā)現工程設計或產品存在的問題。5.1實驗分析實驗分為空載和負載兩部分。空載試驗在干燥機內無物料條件下進行，測量不同溫度（40℃、50℃、60℃）下的風速和溫度分布；負載試驗則以農產品為干燥對象，測量其在干燥過程中的質量變化及干燥速率。對空載試驗結果分析發(fā)現，部分靠近進風口處風速較高，遠離進風口處風速逐漸降低，風速分布呈現明顯的梯度差異。不同溫度下各監(jiān)測層的風速不均勻系數均大于40%，表明風速分布不均勻。而部分部分靠近出風口處風速較高，其余位置風速較低，風速不均勻系數最高達134.9%，進一步驗證了風速分布的不均勻性。溫度變化對風速分布的影響較小，各監(jiān)測點風速差異主要由干燥房結構決定。干燥房內溫度分布較為均勻，溫度不均勻系數在5%以內。風速較高的區(qū)域溫度略低，但整體溫差較小，說明溫度場受風速場影響有限。對負載試驗結果分析發(fā)現，負載試驗以首箱為干燥對象，測量其在干燥過程中的質量變化。結果顯示：靠近進風口處的首箱干燥速率顯著高于遠離進風口處。例如，A室第一層靠近進風口的首箱干燥速率為0.012g/(g·min)，而遠離進風口的僅為0.002g/(g·min)。風速高的區(qū)域首箱干燥速率較快，表明風速分布不均勻是導致干燥效果差異的主要原因。干燥初期（前60分鐘）干燥速率變化較大，后期趨于平緩，但各位置干燥速率差異仍然存在。試驗結果為后續(xù)COMSOL數值模擬提供了驗證數據，并為干燥房結構優(yōu)化和動態(tài)干燥裝置設計提供了依據。使用COMSOL進行物料干燥仿真模擬，首先需要設定熱風流動的基本參數以及使用多孔介質模型表示農產品的基本物理特性，參數設定準確才能確保所得模擬值接近實際的試驗結果。此外，建立合理的物理模型和數學模型，并保證軟件中所建物理模型與試驗所用設備的材料及尺寸一致，減小模擬試驗誤差。5.1.1物料基本參數的確定對于農產品進行干燥模擬需通過試驗測試分析與計算，獲取其物理特性參數。主要的參數有農產品的堆積密度。表示農產品干燥時自然堆積條件下，單位體積的質量。式中：ρ0為物料的堆積密度，kg/m3；m為干燥物料的質量，kg；V0為干燥物料的堆積體積，m3。5.1.2模型構建為減少軟件計算量，在保證計算結果足夠精確的前提下對模型進行簡化。干燥機所用材料有比熱小、質量輕等特點，可忽略自身所吸收的熱量，視為絕緣體。試驗時外界環(huán)境相對穩(wěn)定，處于無風或微風條件，因此可忽略外界風速、溫度對干燥系統進出口、邊界熱通量的影響。（1）物理模型建立的假設條件模擬氣流忽略重力的影響，忽略氣體密度變化，并把氣體近似看成不可壓縮的連續(xù)介質；物料層通過連續(xù)多孔介質模型模擬，其性質通過孔隙率和平均直徑描述。（2）數學模型的選定式中：x，y，z分別為直角坐標系下坐標分量；u，v，w分別為x，y，z方向上的時均速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；t為時間，s。5.1.3COMSOL仿真條件設置（1）基本參數設置COMSOLMultiphysics中基本參數設置如下：空間維度設置為三維；物理場分別選擇層流、空氣中的水分輸送、濕空氣傳熱；研究設定為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)。（2）建立幾何模型根據干燥機實際尺寸建立空間三維模型，簡化后保留進出風口、載物層、隔板等直接影響流場分布的基礎結構，其中干燥機內壁有保溫層，故將壁面視為絕緣體且壁面無滑移；除進出風口外，將干燥機模型視為密閉環(huán)境。模型簡化后能夠減少仿真計算量，提高仿真計算結果的準確性，干燥機簡化模型如圖5.1所示。（3）定義材料屬性干燥房結構簡化后需對其材料屬性進行定義；熱空氣作為干燥介質，也需對其動力黏度、導熱系數、恒壓熱容等參數進行設定，如表5.1所示。圖5.1干燥房簡化模型表5.1干燥物料材料屬性屬性值孔隙率39.22%滲透率m21×10-14含水量kg/m30.985導熱系數W/(m·K)0.571密度kg/m380恒壓熱容J/(kg·K)840（4）邊界條件設置根據空載和負載的試驗條件，仿真模型需要設置的主要邊界條件包括：進出口邊界條件、壁面邊界條件、溫度邊界條件等。具體設定如下：1.進出口邊界條件根據空載試驗時測量的進風口風速，將進口邊界設定為速度，法向流入速度6m/s；出口邊界設定為壓力，出口壓力為0Pa。2.壁邊界條件模型邊界設置為無滑移邊界條件，即壁面處的流體速度為0。模型中間隔板兩面均有流場分布，因此需將中間隔板設置為內壁邊界且無滑移。3.溫度邊界條件太陽能熱泵干燥系統的控制系統可調控熱風流進干燥房時的溫度，空載時設定40℃、50℃、60℃，研究其對于干燥房內流場的影響，負載時分析物料的干燥效果。因此，仿真前依據上述溫度完成溫度邊界條件設置。（5）網格劃分網格劃分把模型分成許多小單元，是有限元分析前處理的重要環(huán)節(jié)，劃分方式影響后期有限元計算的質量。網格序列類型采用物理場控制網格，單元大小選擇常規(guī)，貢獻項包括層流、空氣中的水分輸送、濕空氣傳熱、水分流動、熱濕、非等溫流動等。5.2仿真結果分析5.2.1空載結果分析（1）風速場分析基于云圖分析，圖5.2為A、B室過進出風口中心縱向截面風速云圖，A室中熱風剛進入干燥機時風量集中，故靠近進風口處風量集中風速高，此后熱風開始擴散風速逐漸減小；進風口處中心風速高達5m/s，靠近兩進風口間隔斷處區(qū)域的風速降低至1m/s以下；A室中風量主要集中在兩個進風口正對方向，風速沿著X軸方向逐漸減小。B室中由于干燥機內風速流量體積堆積較大，從兩個小的出風口流出，通流面積迅速減小，在保持同一時刻流量相同的情況下，流速會變大，故靠近出風口處風速最高；B室中靠近兩進風口間隔斷處區(qū)域處風速略高，其余大部分位置風速低于1m/s。（a）A室Y=430mm處橫截面風速分布（b）B室Y=-430mm處橫截面風速分布圖5.2Y方向不同橫截面處風速分布云圖圖5.3為干燥機內三個不同橫截面高度的風速分布云圖，左側A室中Z=510mm和Z=1800mm處風量集中在進風口中心正對方向靠近進風口處，B室中風速高的位置主要集中在靠近出風口中心處；風速場從進風口進入干燥機后至出風口流出，其風速高的位置呈現“U”形分布。Z=1150mm處橫截面為兩進風口間隔斷區(qū)域的中心截面，該高度下截面風速擴散明顯，風速高的位置主要集中在B室靠近右側墻壁處和從A室進入至B室的拐角處。圖5.4為垂直于進出風方向的縱向截面，可以看出A室中X=450mm、X=1450mm、X=2450mm截面上進風口位置的風速均高于其余位置，驗證了圖5.2所得結論。此外，B室中三個截面下均是靠近右端墻壁處風速高，靠近中間隔板處風速低，而A室靠近中間隔板處是進風口正對方向，其風速較高。因此B室干燥速率較低，干燥效果較差。通過COMSOL對干燥機內風速場的模擬，可直觀看出干燥機內各位置風速大小存在差異，風速大小分布規(guī)律與試驗所測規(guī)律基本一致。由于干燥機內進出風口的放置位置以及干燥機空間整體呈狹長狀，導致干燥機內流場分布不均勻，因此想要在不改變進出風口位置的條件下改善現有干燥機的干燥效果，可通過在相應位置設計放置物料的動態(tài)干燥架，使物料在干燥機內的放置位置正對進風口方向。（a）Z=510mm處橫截面風速分布（b）Z=1150mm處橫截面風速分布（c）Z=1800mm處橫截面風速分布圖5.3Z方向不同橫截面處風速分布云圖（a）X=450mm處橫截面風速分布（b）X=1450mm處橫截面風速分布（c）X=2450mm處橫截面風速分布圖5.4X方向不同橫截面處風速分布云圖（2）溫度場分析空載溫度設定為313.15K（40℃），干燥機內溫度場分布如圖5.5所示，由溫度截面可看出，進風口正對方向上溫度較低，干燥機內風速較大的位置即干燥機內熱風流速較快位置溫度相對較低。此外熱風由進風口進入干燥機后，由于周邊環(huán)境的吸熱，導致溫度逐漸降低。（a）Y=410mm處橫截面溫度分布（b）Z=1450mm處橫截面溫度分布圖5.5Y、Z方向不同橫截面處溫度分布云圖5.2.2負載結果分析負載仿真利用相對濕度變化模擬農產品的干燥過程，仿真結果如圖5.6所示，干燥開始時，物料層初始相對濕度分布均勻；干燥至1800s時，靠近進風口處相對濕度下降較快，此時位于干燥架末端的相對濕度依然較大；干燥至3600s時，第二、三、四層除干燥架末端相對濕度較高外，靠近進風口處相對濕度已降至10%左右，說明這三層受風速不同影響，物料呈現干燥不均勻的狀態(tài)。此外，從1800s干燥至3600s第一層相對濕度始終較高，說明第一層干燥速率明顯低于其余三層。通過干燥機內各監(jiān)測點位置仿真所得相對濕度變化可知，各層干燥速率存在差異，同一層之間干燥速率也存在差異，最終導致干燥機內整體干燥速率不均勻，因此可考慮采用動態(tài)干燥的方式來改善干燥效果。5.2.3仿真與試驗結果的對比分析為分析上述數值模擬分析方法及參數設置的準確性，將仿真所得結果與對應條件下的試驗結果進行對比驗證，計算相對誤差。取50℃時A室各監(jiān)測點風速值仿真模擬值對比分析結果如表5.2，計算所得實測值與模擬值最大相對誤差為9.8%，誤差超過5%的監(jiān)測點均是各層風速最高點，這是由于實際試驗時風機受輸入電信號頻率影響導致產生熱風風速存在波動，故風速為30min內測取的風速平均值，最終導致了風速較大的監(jiān)測點實測值有偏差。除去各層風速較高的監(jiān)測點，其余監(jiān)測點實測值與模擬值相對誤差均小于5%，且模擬結果與試驗所測干燥機內風速場分布趨勢相同，因此COMSOL所建立的仿真模型可以準確模擬干燥機內物理場的分布情況。（a）干燥時間為0s時相對濕度分布（b）干燥時間為1800s時相對濕度分布（c）干燥時間為3600s時相對濕度分布圖5.6不同干燥時間干燥機內相對濕度分布云圖表5.250℃空載時A室各監(jiān)測點風速實測值與模擬值對比監(jiān)測點實測值m/s模擬值m/s相對誤差監(jiān)測點實測值m/s模擬值m/s相對誤差A115.605.217.0%A311.381.390.7%A122.022.072.5%A323.983.599.8%A131.401.353.6%A331.551.521.9%A141.031.021.0%A340.770.781.3%A216.295.837.3%A415.114.629.6%A221.681.623.6%A424.084.233.7%A230.500.512.0%A432.352.244.9%A240.770.803.8%A441.441.412.1%

6總結與展望6.1研究工作總結本文針對雙能互補干燥機的設計與研究進行了詳細探討，主要圍繞干燥機的工作原理、系統構成、能源選擇及優(yōu)化設計展開。通過分析現有干燥機的優(yōu)缺點，提出了結合電能與太陽能的雙能互補系統，旨在提升干燥效率、降低能源消耗及減少碳排放。論文首先對干燥過程中的傳熱與傳質理論進行了系統分析，揭示了農產品水分遷移和熱量傳遞的機制，并通過對電能和太陽能優(yōu)勢的綜合考慮，選擇了兩者作為能源互補的形式。然后，詳細討論了雙能干燥機的結構設計、關鍵零部件的選型和參數優(yōu)化，并分析了干燥過程中的溫濕度變化及能源效率，為設備的優(yōu)化提供了理論依據。最終，通過對雙能互補干燥機設計的總結，本研究不僅為干燥設備提供了一種創(chuàng)新的能源解決方案，也為農產品干燥行業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提供了重要參考。6.2研究工作展望盡管本研究提出的雙能互補干燥機在節(jié)能與環(huán)保方面具備明顯優(yōu)勢，但仍存在一些挑戰(zhàn)和改進空間。首先，太陽能的穩(wěn)定性和能量密度仍然是影響其應用效果的重要因素，未來需要進一步優(yōu)化太陽能吸收與轉換效率，尤其是在陰天或夜間的補充能源方案。其次，雙能互補系統的控制策略需要更加智能化，結合先進的人工智能與大數據技術，可以實現更加精確的能源調度與干燥過程控制，從而進一步提升系統的經濟性和運行效率。此外，系統的集成與優(yōu)化設計仍然需要進一步研究，以確保設備的長期穩(wěn)定運行和低維護成本。未來的研究可以著重于以下幾個方向：一是進一步探索不同能源互補的模式，如風能、地熱能與電能的組合，拓寬能源利用的范圍；二是開發(fā)更加高效的熱交換和循環(huán)系統，提高能源轉