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摘 要
當(dāng)今社會，我們大量使用煤、石油、天然氣等不可再生能源，這些能源再給我們帶來便利的同時，也對我們的環(huán)境造成了極大的污染，這些不可再生能源的日益減少，也造成了嚴(yán)重的能源，所以節(jié)能減排勢在必行，太陽能作為一種可再生能源，它的如何利用顯得尤為重要。
本文主要介紹了太陽能熱風(fēng)干燥箱的工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。首先是介紹干燥箱的應(yīng)用及發(fā)展，從中了解到干燥箱具體的功能，以及太陽能干燥箱的應(yīng)用前景。然后繼續(xù)介紹太陽能干燥箱的工作過程以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程以及10立方米太陽能熱風(fēng)干燥箱的特點(diǎn)和優(yōu)勢。在突出太陽能干燥箱優(yōu)點(diǎn)的同時，也明確的指出了它存在的限制和問題，以及如何去避免這些問題的出現(xiàn)。還對不同季節(jié)時的太陽能干燥箱工作性能進(jìn)行了分析，方便更深入的了解。最后便是計(jì)算對各部件進(jìn)行了選取和設(shè)計(jì)，包括風(fēng)機(jī)，換熱器，集熱板等部件。重點(diǎn)突出了10立方米太陽能熱風(fēng)干燥箱的熱力計(jì)算的過程，同時還聯(lián)系實(shí)際情況進(jìn)行分析，最后完成了太陽能熱風(fēng)干燥箱的實(shí)例的介紹，結(jié)合圖紙對系統(tǒng)進(jìn)行了剖析和說明。
關(guān)鍵詞： 太陽能 干燥箱 換熱器
I
Abstract
In today's society, we are used a lot of coal, oil, natural gas and other non renewable energy, these energy to give us bring convenience, on our environment caused great pollution, these non renewable energy increasingly reduced, resulting in the serious energy, so energy saving and emission reduction is imperative, solar energy as a renewable energy source, it how to use appears is particularly important.
The paper mainly introduced the working principle, characteristics and application of solar hot air drying box. The first is the introduction of the application and development of the drying box, from which to understand the specific functions of the drying box, as well as the application prospects of solar energy drying box. And then continue to introduce the working process of the solar drying box, as well as the process of system design and the characteristics and advantages of 10 cubic meters of solar hot air drying oven. While highlighting the advantages of the solar oven, it also clearly points out the limitations and problems, and how to avoid these problems. It also analyzes the working performance of the solar drying box in different seasons. Finally, the selection and design of the components are calculated, including the fan, heat exchanger, heat collection plate and so on. Highlights the 10 cubic meters solar hot air drying chamber thermodynamic calculation of the process, also contact the actual situation to carry on the analysis, finally completed the example of solar hot air drying chamber is introduced, combined with the drawing of the system for the analysis and explanation.
Key words: Solar energy，Drying oven，Heat exchanger
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1太陽能干燥技術(shù)及其利用 1
1.1.1太陽能干燥的利用 2
1.1.1.1太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品 2
1.1.1.2太陽能干燥藥材 2
1.1.1.3太陽能干燥木材 3
1.1.1.4太陽能干燥在其他方面的應(yīng)用 3
1.2太陽能熱風(fēng)干燥系統(tǒng) 3
1.2.1太陽能集熱器 3
1.2.2干燥箱 4
1.2.3擱架與擱板 4
1.2.4風(fēng)機(jī) 5
1.3工作過程 5
1.4適用范圍 6
1.5結(jié)束語 6
第二章 設(shè)計(jì)擬解決的問題及注意事項(xiàng) 7
2.1 本課題要研究或解決的問題 7
2.2 擬采用的研究手段 7
2.3設(shè)計(jì)時應(yīng)該注意的問題： 8
第三章 熱力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1原始參數(shù) 9
3.2除濕量與風(fēng)量的確定 10
3.2.1夏季平均溫度下除濕量與風(fēng)量 10
3.2.2 夏季不同時刻下的除濕量與風(fēng)量 12
3.2.3 冬季平均溫度下除濕量與風(fēng)量 13
3.2.4 過渡季節(jié)平均溫度下除濕量與風(fēng)量 14
3.3管殼式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.3.1確定設(shè)計(jì)方案 15
3.3.2 確定物性參數(shù) 15
3.3.2.1熱空氣的物性參數(shù) 15
3.3.2.2冷空氣的物性參數(shù) 16
3.3.2.3 平均傳熱溫差 16
3.3.3管子的選型和冷空氣進(jìn)出口面積的確定 16
3.3.4給熱系數(shù) 17
3.3.4.1管程給熱系數(shù)計(jì)算 17
3.3.4.2殼程給熱系數(shù)計(jì)算 18
3.3.5 總傳熱系數(shù)的計(jì)算 19
3.3.6傳熱面積 19
3.4 系統(tǒng)壓降估算及風(fēng)機(jī)的選擇 20
3.4.1系統(tǒng)壓降的組成 20
3.4.1.1管程中的壓降 20
3.4.1.2殼程中的壓降 20
3.4.2風(fēng)機(jī)的選型 21
第四章 太陽能干燥箱性能分析 22
4.1不同時刻性能變化 22
4.1.1不同時刻時除濕量的變化 22
4.1.2不同時刻時所需風(fēng)量的變化 23
4.2 不同季節(jié)性能變化 23
4.2.1 不同季節(jié)時風(fēng)量的變化 24
4.2.2 不同季節(jié)時除濕量的變化 24
4.3 性能分析 25
第五章 總結(jié) 26
參考文獻(xiàn) 27
1
第一章 緒論
能源在全球各個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活、社會進(jìn)步等領(lǐng)域都是必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。它既是國民發(fā)展的動力，同時也是權(quán)衡一個國家國力、人民生活水平以及國家文明發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)之一。保持穩(wěn)定的能源供應(yīng)，自古至今一直是每個國家發(fā)展的重中之重[1]。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，能源消耗量也在不斷增大，能源利用的方式也在不斷地細(xì)化深化，但與此同時，能源的生產(chǎn)和消費(fèi)的方式與環(huán)境保護(hù)之間的沖突也越來越明顯。
由于環(huán)境保護(hù)的日益重要，各國都在積極尋找解決溫室氣體排放問題的方法，可再生能源特別是太陽能利用成為關(guān)注的重點(diǎn) [2]。
太陽能是一種清潔能源，又屬于可再生能源，而且，我們又是在免費(fèi)使用它，又不需要進(jìn)行運(yùn)輸，最重要的是它對環(huán)境不會造成污染和破壞[3]。但太陽能也有兩個主要缺點(diǎn)：一是能量密度低；二是太陽能的強(qiáng)弱會受各種各樣因素的左右，從而不可能保持在一定的量，這兩個缺點(diǎn)極大地制約了太陽能在各方面的推廣。
我國由于地域遼闊，所以太陽能資源相當(dāng)豐富,全國大概有60%左右的地方年總輻射量都在500萬kJ/ m2以上 ,而且年日照時數(shù)更是達(dá)到2000h以上[4]。其中尤其要數(shù)以青藏高原為代表的中南部地區(qū)的太陽能資源最為豐富,年平均達(dá)670一840萬kJ/㎡,這個值與撒哈拉沙漠地區(qū)[5]相近。在我國除了這些地方之外,由于終年比較潮濕，每年太陽輻射量肯定與西北地區(qū)無法相比,但由于氣溫高,太陽能干燥設(shè)備的熱損失就會相對小,太陽能的可利用系數(shù)屬我國最大。自1975年以來,我國對太陽 能干燥技術(shù)的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用,進(jìn)行了大量工作,取得了可喜的成果。
1.1太陽能干燥技術(shù)及其利用
干燥，是農(nóng)產(chǎn)品制造與儲存過程中的極其重要程序。就目前而言，中國絕大多數(shù)食品加工企業(yè)多數(shù)采用的都是常壓的熱風(fēng)干燥法[6]。太陽能干燥，就是使用太陽能輻射所產(chǎn)生的熱量，使產(chǎn)品中的水分減少，達(dá)到干燥的目的。目前，世界上使用太陽能進(jìn)行干燥的裝置主要有以下這幾種類型：集熱器式干燥、溫室式干燥、太陽能集熱器與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱干燥、集熱器和溫室結(jié)合式干燥等[7]。
33
1.1.1太陽能干燥的利用
1.1.1.1太陽能干燥農(nóng)副產(chǎn)品
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和農(nóng)副產(chǎn)品加工生產(chǎn)的過程中，為了方便對農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)輸和存儲，干燥便成了其中一個十分重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)然這個環(huán)節(jié)也是耗能量非常大的環(huán)節(jié)。經(jīng)過許多試驗(yàn)證實(shí)，使用太陽能干燥相關(guān)產(chǎn)品的所用時間較短，具有衛(wèi)生質(zhì)量高、效率高、品質(zhì)好等許多優(yōu)點(diǎn)，飽受贊譽(yù)[8]，使產(chǎn)品擁有較高的經(jīng)濟(jì)效益[9]。如今有專家對太陽能干燥這些產(chǎn)品的各種項(xiàng)目進(jìn)行了解析，涉及到方方面面，如：龍眼[10]、香蕉片[11]、無核白葡萄、谷物[12]、魚和枸杞 [13] 等，這些研究的成果都表明干燥后產(chǎn)物的質(zhì)量都有了一定的提高[14]。上述這些成果都能表明用太陽能進(jìn)行干燥的產(chǎn)品它的質(zhì)量依然是能夠獲得肯定的。用太陽能干燥設(shè)備對谷類進(jìn)行干燥時，投入相對較少，但是干燥量相對的也少，一般適應(yīng)于個人農(nóng)戶，但是溫室型能夠去除不良天氣的涼曬等一些問題； 蔬菜與果品，對蔬菜進(jìn)行干燥的目的主要是為了更好地保存，這樣有利于降低果蔬包裝和運(yùn)輸?shù)某杀尽?
1.1.1.2太陽能干燥藥材
眼下，太陽能干燥在干燥藥材方面也有著十分廣泛的應(yīng)用，對國內(nèi)的中草藥材的干燥處理，主要是依靠露天攤曬和烘房烘烤兩種方式，這是這兩種方式受氣候影響十分嚴(yán)重，而且也造成原料得發(fā)霉和不清潔等不利影響；另一方面也是由于對烘房內(nèi)的各種因素條件不能及時的進(jìn)行監(jiān)測與控制，例如相對濕度、溫度、物料脫水量等等，這樣便會造成藥材藥性的大量損失。中草藥如果能使用太陽能來干燥，就能獲得比較不錯的經(jīng)濟(jì)收入，其中是因?yàn)橹胁菟幒枯^高，干燥時所消耗的能量較大；另外大部分中草藥的性味比較的厲害，不能對其進(jìn)行高溫的加快干燥。以我國珍貴的三七[15]為例，因?yàn)楫?dāng)前科學(xué)技術(shù)一系列問題，到目前為止絕大部分農(nóng)戶依然繼續(xù)用簡陋的露天天然曬干等方式對其干燥。這種干燥方法有很多缺點(diǎn)，例如進(jìn)行干燥的占地的面積過大，占用大量城市道路交通等，給城市交通安全等問題造成了相當(dāng)大的壓力；也是因?yàn)槔鲜笙x害、大氣污染等問題的產(chǎn)生，對干燥之后的產(chǎn)品產(chǎn)生了相當(dāng)大的不良影響。還有很多藥材也是這樣，例如陳皮[16]。所以，利用合理、高效的利用太陽能來干燥中草藥顯得相當(dāng)重要，這樣才能獲得更好的經(jīng)濟(jì)利潤 ，這也是最近這些年年來世界上各個國家大多數(shù)太陽能熱利用研究的熱點(diǎn)之一[17-22]。
1.1.1.3太陽能干燥木材
到現(xiàn)在為止，全世界各個國家使用太陽能來干燥木料的使用的范圍非常小，其中絕大多數(shù)都是簡單的溫室型的干燥器，而且其中大部分的體積通常比10m3小 ，根據(jù)相關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在全球僅僅擁有三百多個使用太陽能輻射來干燥木料的干燥室，其中中國有近 20 個。這是因?yàn)槟静脑谧匀桓稍锏倪^程中都是很容易變形的，而且經(jīng)常會出現(xiàn)龜裂等情況，這樣大大影響木材的品質(zhì)，如果采用太陽能干燥，這樣就可以很大程度上減少木材的龜裂情況的出現(xiàn)[23]。木料的除濕過程是木料加工時耗能最多的程序之一, 大概會占到加工總耗能的 42%～73%[24]。干燥過時會造成的大量污染，這也是我國環(huán)境破壞的源頭之一, 因此干燥過程中的節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境問題是重中之重。
1.1.1.4太陽能干燥在其他方面的應(yīng)用
太陽能干燥也還在其他很多方面有著大量的使用，例如，該技術(shù)在鹽業(yè)方面的利用也有了持續(xù)的增強(qiáng)，在現(xiàn)在食用鹽生產(chǎn)過程中，食鹽是鹵水中提出的大粒鹽須經(jīng)過粉碎、洗鹽、離心脫水、加碘、干燥等工藝，產(chǎn)品含水在0. 5%以下才能包裝儲存[25]。干燥設(shè)備通常采用振動式流化床或固定式流化床，并配備鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、熱源、除塵器等。
1.2太陽能熱風(fēng)干燥系統(tǒng)
1.2.1太陽能集熱器
集熱器是一種十分重要的裝置，可以把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱量，它也是太陽能利用過程中的重要裝置[3]。按照集熱器的傳熱工質(zhì)的物態(tài)可分為液體和空氣集熱器兩大類；按照集熱器是能聚光把它分為非聚光和聚光兩大類；根據(jù)集熱器能否抽真空可分為平板型集熱器和真空管型集熱器兩類；按照集熱器的工作溫度范圍的不同可以把集熱器分為低溫集熱器、中溫和高溫集熱器這三類集熱器。
空氣集熱器是太陽能干燥器中的相當(dāng)重要的部件[26]。因?yàn)檎婵展芴柲芗療崞鲹碛猩釗p失小，保溫效果較好，抗凍能力相對較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)（在南極等極寒地區(qū)都有優(yōu)良的表現(xiàn)）；真空管面對臺風(fēng)時的阻力小，抵抗臺風(fēng)的能力強(qiáng)，熱效率更是高達(dá)93%，系統(tǒng)熱效率也能達(dá)到46%。它的使用時間也是相對較長的，因?yàn)樗挠昧鲜歉吲鸸璨Ａ?，它的里外涂層在環(huán)境里不會被氧化，在不會受外力作用的條件下使用時間可以超20年以上。
1. 內(nèi)玻璃管 2.太陽選擇性吸收圖層 3.真空夾層 4.罩玻璃管
5.支撐件 6.吸氣膜 7.吸氣劑
圖1-1 真空管集熱器的結(jié)構(gòu)示意
1.2.2干燥箱
干燥箱一般情況下為一的箱體，它的向陽的一面和上面通常蓋有平板玻璃，剩下的面都是用來隔熱的夾層，干燥箱材料選用和集熱器大致是相同[27]。
1.2.3擱架與擱板
它們的材料的選取比較簡單，一般就選用普通常見的金屬材料就可以。擱架一般固定在干燥室的內(nèi)側(cè)，擱板是一種活動的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擱板的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔眼大小選擇應(yīng)該足以保證被干燥的物料不會從中漏下。
1.2.4風(fēng)機(jī)
如果擱板上已經(jīng)擺放好了準(zhǔn)備要干燥的產(chǎn)品后，將會對干燥箱內(nèi)空氣的流動產(chǎn)生一定程度的阻力，為了在干燥室內(nèi)產(chǎn)生一個相對良好的風(fēng)速，所以應(yīng)該在干燥室的頂部放置一臺風(fēng)機(jī)；調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)力的大小便可以方便地調(diào)節(jié)干燥箱中的空氣流速和通風(fēng)量，并且能及時將濕空氣排出干燥箱[26]。
1.3工作過程
1.太陽 2.風(fēng)機(jī) 3.太陽能空氣集熱器 4.管道 5.干燥箱
圖1-2 太陽能熱風(fēng)干燥機(jī)結(jié)構(gòu)
如何確定太陽能熱風(fēng)干燥機(jī)集熱器的安裝傾角，這個角度應(yīng)該和當(dāng)?shù)氐木暥然颈３窒嗤?，如圖1-2，這樣做是為了保證充足的日照。以玉米的干燥為例，被干燥的玉米攤放在各個擱板上，并且層層分開一一擺放在干燥箱的擱架上，最后再開始對玉米進(jìn)行干燥。
太陽輻射在穿過太陽能空氣集熱器上的玻璃蓋板后，然后照射到集熱器的吸熱板上，太陽能被吸熱板吸收并與此同時轉(zhuǎn)換成熱能，該熱能用對熱集熱器內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，使空氣的溫度漸漸的上升。在風(fēng)機(jī)的推動下，導(dǎo)致干燥室內(nèi)的空氣壓力逐漸下降，同時，熱空氣由于密度較低，具有向上流動的趨向，正是這樣才使空氣持續(xù)地向干燥室內(nèi)進(jìn)行流動。
加熱后的氣流將熱量傳導(dǎo)給擱板上等待被干燥的物料，這樣就會使物料中的水分持續(xù)氣化并且減少。上升的熱氣流會把水汽從中帶走，這樣就達(dá)到干燥物料的目的。在風(fēng)機(jī)的作用下將潮濕的熱氣排出到干燥室外，與此同時便實(shí)現(xiàn)了干燥介質(zhì)之間的強(qiáng)制循環(huán)和強(qiáng)化對流換熱[28]，完成這些后便可以減短干燥的周期。
1.4適用范圍
該干燥箱主要能應(yīng)用于那些想要比較高的溫度又同時獲得一個清潔干燥的產(chǎn)品，如玉米[29]等一些常見的谷類；鹿茸和黃芪等中藥材；煙葉[30]、瓜子、茶葉、啤酒花、桂圓和紅棗等常用于生活的農(nóng)副產(chǎn)品。
1.5結(jié)束語
干燥這個行業(yè)，耗能相對較高，所以節(jié)能減排的任務(wù)也相對較重[31]。在我國許許多多的農(nóng)產(chǎn)品、林業(yè)產(chǎn)品與食品，其中大多數(shù)都適于利用太陽能的低溫或中溫進(jìn)行干燥，也能對部分溫度較高時的干燥進(jìn)行提前干燥，相對而言，還是比較有未來的。眾所周知，太陽能是一種環(huán)保能源，所以太陽能干燥對于我國提倡的一些環(huán)境保護(hù)的政策有積極響應(yīng)的作用，近年來，我國相關(guān)部門對太陽能干燥這方面的產(chǎn)業(yè)也給予很多政策性支持，同時也加大對其的宣傳力度。
本課題將以太陽能為能源進(jìn)行設(shè)計(jì)利用干燥箱，同樣起到了節(jié)約能源和保護(hù) 環(huán)境的效果，也具有現(xiàn)實(shí)意義。
第二章 設(shè)計(jì)擬解決的問題及注意事項(xiàng)
2.1 本課題要研究或解決的問題
本課題是對以太陽能為能量來源的熱風(fēng)干燥器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過空氣集熱器來收集熱量，來加熱通入的空氣，將加熱后的空氣（干球溫度：60℃、相對濕度：70%）通過風(fēng)機(jī)通入干燥箱（10立方米），使其內(nèi)的氣壓降低，同時，由于熱空氣的密度相對較小，所以便會具有一種向上流動的趨勢，于是熱空氣便會不斷地向干燥箱內(nèi)進(jìn)行流動，對干燥箱內(nèi)的物料不斷進(jìn)行干燥，這樣便能使物料中的水分不斷氣化并且減少。同時上升的熱氣流也能及時把水汽帶走，這樣便會達(dá)到干燥物料的目的。
1.太陽 2.風(fēng)機(jī) 3.太陽能空氣集熱器 4.管道 5.干燥箱
2.2 擬采用的研究手段
（1）設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，干燥能力的設(shè)計(jì)，干燥器使用地點(diǎn)的確定，確定該地區(qū)的經(jīng)緯度，海拔高度，日均太陽能輻射,年日照時數(shù),年均太能高度角等參數(shù)；
（2）計(jì)算該系統(tǒng)確定的最大的排濕量的大小，由被干燥物體的含水率，排出的濕空氣溫度,相對濕度等數(shù)據(jù)計(jì)算得出；
（3）干燥過程耗熱量的計(jì)算,計(jì)算出在整個過程中的參數(shù)T1 d1，T2 d2，T3 d3。最后便能得出太陽能集熱器所能提供的有效熱量 Q1；
（4）集熱器的計(jì)算和選型，因?yàn)樵摷療崞鞯臒嵝矢摺⑹褂脮r間長、價格較為適當(dāng)?shù)?,因此便選用真空管太陽能空氣集熱器。根據(jù)太陽能集熱器供給的有效熱量，日均太陽能輻射，真空管太陽能空氣集熱器效率計(jì)算出采光面積；
2. 內(nèi)玻璃管 2.太陽選擇性吸收圖層 3.真空夾層 4.罩玻璃管
5.支撐件 6.吸氣膜 7.吸氣劑
（5）風(fēng)機(jī)的選用，計(jì)算整個過程提供的風(fēng)量及風(fēng)阻大小，以此來決定風(fēng)機(jī)的型號。
2.3設(shè)計(jì)時應(yīng)該注意的問題：
（1） 由于太陽能屬那種間歇性的能源，一個光照相對可以的地方，地面上1㎡大小的地方能夠接收到的能量只有1kW，所以要想滿足大部分的使用要求，通常需要一個相當(dāng)大的采光面積，這樣就會使裝置面積變大、裝置所用的材料也會增多多、同時便會使成本逐漸增加；
（2） 由于太陽能比較容易受天氣的影響，便給太陽能的使用帶來不少麻煩，而這對于太陽能的干燥來說，這樣勢必會造成設(shè)備初期的投資會較高、系統(tǒng)也不會那么穩(wěn)定、同時便造成干燥周期變長等一系列問題；
（3） 為了保證干燥效率，使結(jié)構(gòu)緊湊，安裝時應(yīng)注意；
（4）在設(shè)計(jì)制造時應(yīng)當(dāng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時符合鍋爐設(shè)計(jì)制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
第三章 熱力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1原始參數(shù)
干燥箱內(nèi)環(huán)境溫度 t3=60℃
干燥箱內(nèi)相對濕度 3=70%
干燥箱體積為 10m3
集熱板面積取30㎡
表3-1 集熱器單位面積集熱量W/m2
時刻
冬季
過渡季節(jié)
夏季
7
4.6
13.82
32.94
8
17.5
49.67
71.18
9
56.85
114.2
133.32
10
105.06
164.39
176.34
11
147.27
214.58
228.92
12
174.15
226.53
239.436
13
147
216.97
233.7
14
112.09
169.17
181.12
15
61.69
116.59
138.1
16
18.252
49.67
75.96
17
10.15
16.21
37.72
表3-2 南京不同季節(jié)時的平均溫度及相對濕度
冬季
過渡季節(jié)
夏季
平均溫度t1（℃）
5
17
30
相對濕度1（％）
80
70
65
3.2除濕量與風(fēng)量的確定
3.2.1夏季平均溫度下除濕量與風(fēng)量
以夏季為例，假設(shè)被集熱器加熱后的溫度t2=65℃，則各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)查圖得
表3-3
狀態(tài)點(diǎn)
溫度t（℃）
相對濕度（％）
含濕量d（G/KG）
濕空氣比焓h（KJ/KG）
1
30
65
17.62
75.33
2
65
17.62
111.55
3
60
70
100.86
1kg干空氣吸收的水分為
d1=d3-d2=100.86-17.62=83.24g/kg
每吸收1kg水分所需要的干空氣量為
ma===12.01kg/kg
1kg水分所吸收的熱量
Q=ma（h2-h1）=12.01×(111.55-75.33)=435kJ
夏季白天集熱板單位面積集熱的平均量為
=140.8w/㎡
集熱板面積A取 A=30㎡
夏季每天全天集熱器吸收的總熱量為
Q1=30×140.8×3600×11=167270.4kJ/d
則，夏季每天的排濕量為
W1===384.53kg/d
由于W1=
則，風(fēng)量為
G1===4619.53kg/d
假設(shè)t2=70℃時，則各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)查圖得 表3-4
狀態(tài)點(diǎn)
溫度t（℃）
相對濕度（％）
含濕量d（G/KG）
濕空氣比焓h（KJ/KG）
1
30
65
17.62
75.33
2
70
17.62
117.02
3
60
70
100.86
1kg干空氣吸收的水分為
d2=d3-d2=100.86-17.62=83.24g/kg
每吸收1kg水分所需要的干空氣量為
ma===12.01kg/kg
1kg水分所吸收的熱量
Q=ma（h2-h1）=12.01×(117.02-75.33)=500.7kJ
則，夏季每天的排濕量為
W2===334.07kg/d
由于W2=
則，風(fēng)量為
G2===4013.33kg/d
計(jì)算多組數(shù)據(jù)描繪出風(fēng)量與除濕量之間的關(guān)系曲線
圖3-1 中，縱坐標(biāo)為除濕量（kg/d），橫坐標(biāo)為風(fēng)量（kg/d）
由圖得出最佳風(fēng)量為 G=4650kg/d
此時對應(yīng)的排濕量為 W=393.27kg/d
此時對應(yīng)的 t2=65.3℃
3.2.2 夏季不同時刻下的除濕量與風(fēng)量
表3-5 南京夏季白天各時間點(diǎn)空氣溫度及各項(xiàng)參數(shù)
時刻
溫度（℃）
相對濕度（％）
含濕量（G/KG）
濕空氣比焓（KJ/KG）
8
28
82
19.87
78.98
10
33
56
18.02
79.46
12
35
49
17.61
80.51
14
32
40
12.05
63.15
16
27
50
11.28
56.02
取t2=65.3℃，計(jì)算得各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下：表3-6
時刻
d（g/kg）
Ma（kg/kg）
Q（kJ）
8
80.99
12.35
478.20
10
82.84
12.07
403.14
12
83.25
12.01
375.55
14
88.81
11.26
383.63
16
89.58
11.16
437.25
計(jì)算得各時刻對應(yīng)的除濕量與風(fēng)量如下：表3-7
時刻
除濕量（kg/d）
風(fēng)量（kg/d）
8
331.21
4089.52
10
519.65
6272.94
12
757.42
9098.14
14
560.88
6315.50
16
437.25
4881.11
3.2.3 冬季平均溫度下除濕量與風(fēng)量
冬季各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)：
表3-8
狀態(tài)點(diǎn)
溫度t（℃）
相對濕度（％）
含濕量d（G/KG）
濕空氣比焓h（KJ/KG）
1
5
80
4.36
15.99
2
65
4.36
77.07
3
60
70
100.86
1kg干空氣吸收的水分為
dd=d3-d2=100.86-4.36=96.5g/kg
每吸收1kg水分所需要的干空氣量為
mad==1（96.51000）=10.36kg/kg
1kg水分所吸收的熱量
Qd=mad×（h2-h1）=10.36×(77.07-15.99)=632.79kJ
冬季白天集熱板單位面積集熱的平均量為
=77.7w/㎡，集熱板面積取30㎡
冬季每天全天集熱器吸收的總熱量為
Q1d=30×77.7×3600×11=92307.6kJ/d
則，冬季每天的排濕量為 Wd=92307.6632.79=145.87kg/d
由于Wd=Gd×dd/1000 則，風(fēng)量為
Gd=1000Wd/dd=1000×145.8796.5=1511.6kg/d
3.2.4 過渡季節(jié)平均溫度下除濕量與風(fēng)量
過渡季節(jié)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)：表3-9
狀態(tài)點(diǎn)
溫度t（℃）
相對濕度（％）
含濕量d（G/KG）
濕空氣比焓h（KJ/KG）
1
17
70
8.53
38.77
2
65
8.53
88.00
3
60
70
100.86
1kg干空氣吸收的水分為
dg=d3-d2=100.86-8.53=92.33g/kg
每吸收1kg水分所需要的干空氣量為
mag==1（92.331000）=10.83kg/kg
1kg水分所吸收的熱量
Qg=mag（h2-h1）=10.83×(88.00-38.77)=533.16kJ
過渡季節(jié)白天集熱板單位面積集熱的平均量為
=122.89w/㎡，集熱板面積取30㎡
過渡季節(jié)每天全天集熱器吸收的總熱量為
Q1g=30×122.89×3600×11=14599.32kJ/d
則，過渡季節(jié)每天的排濕量為
Wg=Q1g/Qg=14599.32533.16=273.83kg/d
由于Wg=Ggdg/1000 則，風(fēng)量為
Gg=1000Wg/dg=1000×273.8392.33=2965.77kg/d
3.3管殼式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1確定設(shè)計(jì)方案
從干燥箱內(nèi)流出的熱空氣帶有大量的熱量，為了節(jié)能，現(xiàn)利用固定板管式換熱器對熱量進(jìn)行回收。熱空氣走管程，冷空氣走殼程，熱空氣的進(jìn)口溫度為Tn1=60℃，出口溫度為Tn2=40℃，冷空氣的進(jìn)口溫度為Tw1=30℃，換熱器的效率為80％。
3.3.2 確定物性參數(shù)
定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值熱空氣的定性溫度為T1==50℃
根據(jù)定性溫度，查取內(nèi)管氣體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)
3.3.2.1熱空氣的物性參數(shù)
熱空氣在50℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：??
密度???????ρ1=1.0554kg/m3?
定壓比熱容?? cp1=1.0514kJ/(kg·℃)?
導(dǎo)熱系數(shù)??? λ1=0.0280?W/(m·K)?
黏度???????μ1=19.42×10-6?Pa·s?
熱空氣的質(zhì)量流量?W1=G=4650kg/d=0.1174kg/s
熱空氣的體積流量 V1==0.1174÷1.0554=0.1113m3/s
3.3.2.2冷空氣的物性參數(shù)
冷空氣的體積流量 V2=V1=0.1113m3/s
熱空氣的熱流量? Q1=W1cp1ΔT=0.1174×1.0514×（60-40）=2.469kJ/s
冷空氣的質(zhì)量流量 W2==V2經(jīng)過試算得 Tw2=45℃
冷空氣的定性溫度為T2==37.5℃
冷空氣在37.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：
密度???????ρ2=1.1170 kg/m3?
定壓比熱容?? cp2=1.027 kJ/(kg·℃)?
導(dǎo)熱系數(shù)??? λ2=0.0270?W/(m·K)?
黏度???????μ2=18.895×10-6?Pa·s
3.3.2.3 平均傳熱溫差
較大溫差 Tmax=Tn1-Tw2=60-45=15℃ 較小溫差 Tmin=Tn2 -Tw1=40-30=10℃由于 =1.52, 則平均溫差采用算數(shù)平均溫差來計(jì)算，
=（15+10）=12.5℃
3.3.3管子的選型和冷空氣進(jìn)出口面積的確定
初選管道型號為d0=0.0335m，di=0.025m的低碳鋼管
管心距為 0.042m，取殼體截面的兩邊邊長為 0.63m，0.34m
取管內(nèi)流速為 =2.1m/s
則，管子根數(shù)為 n==107.9 根，取n=108 根
取殼內(nèi)流速為 =2.5m/s
則，冷空氣進(jìn)口直徑為 d2===0.238 m
3.3.4給熱系數(shù)
3.3.4.1管程給熱系數(shù)計(jì)算
計(jì)算雷諾數(shù) Re1 ===2853.17
查得 Pr1=0.73
則， Nu1===12.16
取 a1==0.985
管程傳熱因子取科恩傳熱因子，公式由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》 得
==13.53
管內(nèi)比流量 ==2.21 kg/(㎡s)
管內(nèi)流體粘度 ×10-6?Pa·s
管程給熱系數(shù)
=3907.32 W/(㎡℃)
3.3.4.2殼程給熱系數(shù)計(jì)算
殼體截面面積為
殼體濕周為
m
殼體當(dāng)量直徑為
計(jì)算雷諾數(shù)的
查得， Pr2 =0.72
則，
取a2= 殼程傳熱因子取科恩傳熱因子，公式由《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》 得
殼體的流體粘度為 Pa·s
殼內(nèi)比流量 ==63.55 kg/(㎡s)
殼程給熱系數(shù)為
=164.38 W/(㎡℃)
3.3.5 總傳熱系數(shù)的計(jì)算
管程與殼程內(nèi)均為空氣，則根據(jù)《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》附錄D 查得
管程與殼程內(nèi)流體的污垢熱阻為 (㎡℃)/w
管體材料為低碳鋼，則根據(jù)《傳熱學(xué)》附錄2查得
管壁導(dǎo)熱系數(shù)為 w/(㎡℃)
管壁厚度為
管壁熱阻為 (㎡℃)/W
管子的平均直徑為
則，總傳熱系數(shù)為
=
=148.62 W/(㎡℃)
3.3.6傳熱面積
由傳熱方程 得出 ==1.33 ㎡
3.4 系統(tǒng)壓降估算及風(fēng)機(jī)的選擇
3.4.1系統(tǒng)壓降的組成
整個系統(tǒng)的壓降由這幾部分組成，管殼式換熱器管程中的壓降，殼程中的壓降，太陽能集熱器中的壓降以及連接各部分的管道中的壓降估算為。
3.4.1.1管程中的壓降
由于該管殼式換熱器無回彎阻力，進(jìn)、出口連接管的阻力可以忽略不計(jì)，則管路中的沿程阻力即為管程阻力，則，=
管長選取 L=3m
根據(jù)《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.36查得管內(nèi)摩擦因子為
已知Re1=2853.17>2100,則，管內(nèi)流體粘度校正因子為
則，管程中的壓降為
===
3.4.1.2殼程中的壓降
該管殼式換熱器沒有折流板，而且為錯排管束，換熱器設(shè)計(jì)為8排管束，則，流體橫掠過的管排數(shù)為 N=8
則，殼程中的壓降為
系統(tǒng)中其他壓降估算為 =200Pa
則，系統(tǒng)中總壓降為
3.4.2風(fēng)機(jī)的選型
根據(jù)最佳風(fēng)量與總壓降，經(jīng)過比較，選取型號為GDF2.5-4的離心式風(fēng)機(jī)
第四章 太陽能干燥箱性能分析
眾所周知，太陽能在一天中不同時刻都是不盡相同的，四季中太陽能更是相差更多。所以，有必要對該干燥箱進(jìn)行簡單的性能分析。
4.1不同時刻性能變化
4.1.1不同時刻時除濕量的變化
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制出下圖
夏季白天不同時刻除濕量隨時間的變化
圖3-2 中縱坐標(biāo)為除濕量（kg/d）
早晨太陽剛出來，由于輻射強(qiáng)度不夠，所以溫度較低，此時的除濕量也是最低的。伴隨時間的推移，空氣溫度升高，太陽輻射增強(qiáng)，集熱板收集到的熱量也越來越多，使單位時間內(nèi)的除濕量也逐漸上升，在12點(diǎn)左右達(dá)到最大值。其他季節(jié)也是相似的情況。
4.1.2不同時刻時所需風(fēng)量的變化
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制出下圖
圖3-3 中縱坐標(biāo)為風(fēng)量（kg/d）
不同時刻風(fēng)量的變化與除濕量類似，早上空氣溫度低，為了使空氣達(dá)到能夠進(jìn)行干燥的溫度，需要集熱器對空氣進(jìn)行較長時間的加熱，所以此時的風(fēng)量較小。
同理，隨時間的推移，溫度升高，風(fēng)量也隨之升高，在12點(diǎn)左右時，風(fēng)量達(dá)到最大值。
4.2 不同季節(jié)性能變化
不同季節(jié)時，為了達(dá)到干燥效果，所需的風(fēng)量和所得的除濕量數(shù)據(jù)如下表：
表3-10
過渡季節(jié)
夏季
冬季
風(fēng)量kg/d
2965.77
4650
1511.6
除濕量kg/d
273.83
393.27
145.6
4.2.1 不同季節(jié)時風(fēng)量的變化
圖3-4
不同季節(jié)的變化與一天中不同時刻的變化類似，夏季溫度最高，春秋季次之，冬天溫度最低。風(fēng)量伴隨不同季節(jié)的不同溫度，也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
4.2.2 不同季節(jié)時除濕量的變化
圖3-5
夏季空氣平均溫度最高，太陽輻射也是一年中最多的，相對應(yīng)得除濕量也是最大的，過渡季節(jié)的除濕量雖然不及夏天，但也還可以，冬季的除濕量則有點(diǎn)偏低。
4.3 性能分析
綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)，空氣溫度越高，太陽輻射越強(qiáng)，其除濕量就越大，除濕效果最好，效率最高，性能也最好。所以該干燥箱的使用不宜過早或過晚，由于冬氣溫較低，干燥性能不高，考慮到低溫對設(shè)備的影響，不建議在冬季使用該干燥箱。
第五章 總結(jié)
本課題通過太陽能集熱器來收集太陽輻射能，對空氣進(jìn)行加熱，利用加熱過的熱空氣來進(jìn)行干燥，以拓展太陽能的利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。根據(jù)課題要求，對該干燥系統(tǒng)進(jìn)行了熱力計(jì)算和簡單的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，與此同時，對干燥箱的一些具體結(jié)構(gòu)，各部分之間的排布以及其工作原理都有了一些了解。通過對整個干燥系統(tǒng)各部分的繪制，是我們對CAD的操作越來越純熟，逐漸掌握了這一本領(lǐng)。通過事實(shí)證明，利用太陽能熱風(fēng)干燥是可行的，并且效果不錯。
在進(jìn)行計(jì)算的過程中，在金蘇敏老師的指導(dǎo)下，還是發(fā)現(xiàn)并解決了不少問題，例如，在干燥箱出口設(shè)計(jì)安裝一個合適的回?zé)崞?，這樣可以有效利用這部分熱量，這樣便減少了整個系統(tǒng)熱損失，使干燥效率得到提升。又如，在壓降的計(jì)算過程中，換熱器的中的壓降，需要分別將換熱器管程和殼程中的壓降計(jì)算出來，兩部分壓降之和為整個換熱器的壓降。
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繪制圖紙的過程中，需要考慮到方方面面，每個零件尺寸的選擇，每個部件之間裝配，一絲一毫都不能馬虎。你的設(shè)計(jì)還不能任由想象在那架空，必須緊密聯(lián)系實(shí)際的生產(chǎn)情況，還得考慮設(shè)備的安裝，清理，維護(hù)等等一系列問題。這一切的努力只為了設(shè)計(jì)出屬于你的那個最合理的設(shè)備。
這是我們大學(xué)四年最后的“作業(yè)”，投入了大量的時間精力，運(yùn)用了大量這四年來學(xué)習(xí)的知識，也是一次綜合運(yùn)用知識機(jī)會，也是最后對我們綜合能力提升，通過這次設(shè)計(jì)，也使我受益良多?；蛟S在短時間內(nèi)倉促完成設(shè)計(jì)，雖然進(jìn)行了不斷地完善和修改，但是還是有許多不盡如人意的地方，存在許多漏洞和不足，希望大家指正。
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致謝
首先，我要感謝我的導(dǎo)師金蘇敏老師，金老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勤勉的敬業(yè)精神以及寬人律己的處事風(fēng)格給我留下了深刻印象，同時也讓我受益匪淺。金老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，讓我很快就感受到了設(shè)計(jì)的快樂并融入其中。其次我要感謝宿舍同學(xué)和同組同學(xué)對我的幫助和指點(diǎn)，沒有他們的鼓勵和加油，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也不會如此的順利進(jìn)行。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時三個月，是我大學(xué)學(xué)習(xí)中遇到過的時段最長、涉及內(nèi)容最廣、工作量最大的一次設(shè)計(jì)。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是10m3太陽能熱風(fēng)干燥箱。雖說老師說的話讓此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)看起來不是那么的可怕，但是當(dāng)我真的開始著手時，還的確是困難重重。當(dāng)每次遇到不懂得問題時，我都會在群里或者在見面會的時候詢問老師，老師對于我提出來的問題都一一解答，并且一再的告訴我做設(shè)計(jì)該注意的地方，從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，金老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，讓人油然而生的敬佩。在此謹(jǐn)向金蘇敏老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請一并接受我誠摯的謝意！最后我還要感謝能源學(xué)院和我的母校南京工業(yè)大學(xué)四年來對我的栽培。