毕业设计（论文）-1立方米太阳能热风干燥箱设计.doc

2016 届毕业设计 题 目：1立方米太阳能热风干燥箱设计专 业： 热能与动力工程班 级： 1201姓 名： 指导老师： 起讫日期：2016 年 5 月目录1立方米太阳能热风干燥箱设计摘 要随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，干燥技术已经在很多领域占有重要地位，而干燥作业所需要消耗的能源很大。因此，干燥作业产生的能源消耗以及带来环境问题都亟待我们思考和解决。而太阳能在远古时期就是人类用于干燥食物的一种重要的资源，它有着清洁、取之不尽用之不竭、无需开采和运输等优势。将太阳能与干燥作业相结合不仅可以节约化石能源，还可以减少人类对环境的破坏。由于小型待干燥产品在老旧的露天自然干燥中暴露了一些问题，例如干燥途中需要很多时间，占地面积大、被天气、环境因素所控制影响。因此设计研制了小型太阳能热风干燥箱。本装置的组成包括太阳能集热板、风管、风机、干燥箱和回热器。回热器的加入使得系统效率增加能源有所节约。强制对流干燥、自然对流干燥等干燥模式得以实现。经过对干燥箱和太阳能集热器的总体评估、剖析及试验，使得该设备的科学性得到验证。小型待干燥产品因为其装置的成功设计，取得了积极的反响关键词: 1立方米 太阳能 热风 干燥箱全套图纸加扣 3012250582The Design of One-Centare Solar Drying OvenAbstractWith the rapid development of social economy and the continuous improvement of peoples living standard, drying technology has been occupied an important position in many fields, and the energy used for drying operation takes a great proportion. Therefore, the energy consumption of drying operation and environmental problems are urgent to be thought and to be solved. In ancient times, solar energy is applied to reserve food as a kind of important resources. The advantages of solar energy are clean, inexhaustible, without exploitation and transportation. Combining solar energy with dry work can not only save fossil energy, but also reduce the damage to the environment.Because of some problems exist during the natural desiccation process in the small products to be dried,for instance,in process of desiccation occupied a lot of time,large proportion,and affected by weather,environment and any other factors.Thus,we designed and developed a mini-type solar hot-wind drying cabinet.The appliance constituted by solar thermal collected plate,air hose, wind turbine,drying cabinet and heat regenerator.The using of regenerator makes the system a better performance and saving more energy sources.Make the forced convention desiccation and natural convention desiccation and any other types realized.Through the process of general assessment,deep analysis and test of drying cabinet and solar collector,which illustrate the scientificity of this appliance.Due to the successful design of the appliance,the mini-type products to be dried could be dried easily,and make positive responses.Keywords: One centare；Solar energy；Hot air；Drying cabinetIII南京工业大学本科毕业生设计（论文）目 录摘 要IAbstractII目 录.III第一章 引 言1第二章 太阳能热风干燥箱的工作原理及结构特点3 2.1太阳能热风干燥箱的装置3 2.2太阳能热风干燥箱的工作原理3 2.3太阳能热风干燥箱的结构特点4 2.3.1太阳能集热板的工作原理及结构特点4 2.4太阳能热风干燥箱的工作原理及结构5 2.4.1太阳能热风干燥箱的装置结构5 2.4.2太阳能热风干燥箱的工作原理5 2.5回热器的工作原理及结构特点6 2.5.1回热器的结构特点6 2.5.2回热器的工作原理7第三章 1立方米太阳能热风干燥箱的设计8 3.1最佳风量8 3.2空气循环热力设计计算10 3.3室外换热器的设计计算及结构的确定12 3.4设计结果汇总19第四章 干燥系统性能分析22 4.1性能分析22 2.5.1空气流量对干燥箱性能的影响23 2.5.2干燥温度对干燥箱性能的影响24 2.5.1干燥相对湿度对干燥性能的影响25 2.5.2性能总结25 4.2设备优势分析25第五章 结 论26参考文献27致 谢29南京工业大学本科毕业生设计（论文）第一章 引 言我国经济领域的许多方面都应用到了干燥作业，相当多行业的基础生产步骤都离不开干燥作业，比如在化工、农业、木制品的生产中。干燥作业所需能源为国民经济总能耗的百分之十二左右1。此外，干燥过程产生的污染变成我国环境污染的主要来源。目前，我国经济的可持续发展在能源和环境上已处在一个既尴尬又不好解决的位置，干燥节能和环保的重要性持续升温。在使用太阳能干燥的方法上我国已具有多年经验，不论是新能源或是可再生能源太阳能都是主要的组成环节2。太阳能所属分布性无污染的天然能源，可以直接开采使用，其优点是使用寿命长，不污染环境和不损害生态平衡等。太阳能的开发利用在未来有很好的发展空间，不但取得良好的社会效益，环境效益，并具有明显的经济价值。我国地域辽阔，是太阳能资源丰硕的国家之一，决大多数的地区年辐射总量大于5030MJ/m2，年日照数在两千二百小时以上3。它吸引了来自世界各个地方的优秀研究人员在太阳领域工作。很多发展中国家，太阳能干燥装置可以满足对健康不断增长的需求和对小成本天然食品可持续收入的需求。用于干燥农业产品的太阳能干燥装置被验证是最有效的节能装置，不仅节约能源而且还节省大量的时间、占地面积也减少，提高了产品质量和人们的生活方式。太阳能干燥箱适用于颗粒较小的固体物料，即热空气从物料间穿过。属于热风循环干燥器，广泛用于保鲜食品、农副产品、经济作物等，如干果类、果蔬类、药材菌类，花草种子，海鲜类，木器化工等4。 国内外对太阳能干燥技术的大量研究表明,它具有缩短干燥所需时间、干燥后产品质量高、成品率较高的明显优势。国外对太阳能干燥的研究有： Farkas5 等开发出一种具有节能功效的组合式太阳能干燥装置。研究了各种干燥参数对干燥系统的影响，特别是空气流量对太阳能空气集热器的影响。Yaldyz和Ertekyn6 研究了在太阳能干燥装置不同品种的蔬菜在中不同的流速下的干燥时间的变化。Madhlopa7 等设计出一种通过自然对流干燥室使新鲜芒果脱水的太阳能空气加热器，且装置中存在两个太阳能吸收系统。 Shreekumar8 等研制出一种高效的干燥苦瓜的太阳能干燥装置，在6小时11 小时内就可以降低苦瓜的水分含量的5%95%。Ayyappan和Mayilsamy9 设计出一种将自然对流的太阳能干燥装置与储热材料实现一体化的干燥装置。平均干燥效率为18%。我国太阳能干燥技术发展速度也很迅速，李志民10等使用太阳能干燥装置来干燥水泡梅，以事实说明了太阳能干燥技术的经济效益较好;马先英11等人用实验来分析了太阳能热风干燥系统来干燥胡萝卜时，对胡萝卜的复水性产生的影响。王俊12等人研究了待干燥产品厚度,干燥温度、空气流速三个因素在干燥过程中对待干燥产品的失水速率和含水速率的影响,并在实验最后确定了土豆失水模型。刘圣勇13等人对皮毛制品的太阳能干燥系统进行了研究,得出利用太阳能干燥系统来干燥皮质产品是可行的。太阳能干燥更加适于农副产品的干燥，不会破坏食品的营养价值，现在关于食品的干燥方法主要有自然干燥,热风干燥,微波干燥,远红外干燥以及真空冷冻干燥14等，但是微波干燥 、冷冻干燥等干燥方式因其投资大、成本高 、大量使用一次能源 、对环境污染严重 、操作复杂 、仅应用于大型干燥工业 ，并未得到我国广大小型干燥用户的认可。我国广大小型干燥用户仍以传统的平铺晒 、晾开晒等干燥方式来干燥枸杞、中草药、谷物等高附加值的产品15。但是，这种传统的露天自然干燥方法在很大程度上取决于阳光的有效性，需要大的开放空间面积，且容易受到外来物质的污染，如凋落物、灰尘等，鸟类、啮齿动物和昆虫都可与之直接接触。太阳直晒也会导致产品质量较低和干燥时间影响产品质量或造成霉烂变质。因而很难得到质地优良的产品。而太阳能热风干燥是目前采用较为普遍的一种方法，整个干燥过程受人为控制和调整，在缩短干制时间的同时，有效提高产品的质量16。1南京工业大学本科毕业生设计（论文）第二章 太阳能热风干燥箱的工作原理及结构特点2.1太阳能热风干燥箱的装置太阳能热风干燥箱的系统如图2-1所示。装置由该设备主要由太阳能集热板、风管、风机、干燥箱和回热器组成。干燥装置的外形尺寸为1000mm1000mm1000mm(长宽高);机重大约100kg;干燥箱净容积1m3;集热器采光面积为3m2;No6.3D 9-04离心鼓风机(2台)。该装置的热能来自太阳能,干燥室可装载待干燥产品量为2030kg;集热器温度3085 ;集热板仰角采用2232（南京市纬度）以便获得最大的太阳辐射量，方位角0180;干燥箱内工作温度6080 。图2-1太阳能热风干燥箱的系统图2.2太阳能热风干燥箱的工作原理太阳能干燥是以太阳能代替常规能源来加热干燥介质(被加热的空气)的干燥过程,该装置利用太阳能集热板将空气加热，经过加热干热气体对材料开始干燥 ，运用热空气与湿材料接触并实施对流换热,通过物料外侧与物料内侧之间的传热、传质过程，使物料中的水分逐渐汽化并分散到空气中去, 从而实现干燥的目的17。 干燥流程其实是一个传热、传质的流程，它包括以下几个方面18： a外部条件控制过程。也叫恒速干燥过程。太阳能间接或直接加热物料外侧，热量从物料外侧扩散至内侧。物料外侧的水分首先蒸发，把外侧流经的的空气带走。空气的温度、相对湿度和空气流速及物料与空气接触的表面积等是决定此过程速率首要的外部条件。 b内部条件控制过程，也称降速干燥过程。具体如下：物料内部的水分取得相对的能量后，在含水率梯度（浓度梯度）或蒸汽压力梯度的影响下，由内向外运送物料。物料性质、温度和含水率是决定此过程速率首要的内部条件。物料的干燥速率的大小取决于以上两种控制过程当中的首要矛盾方，被速率较慢的所控制。太阳能干燥指热空气与湿物料间对流换热，热量由物料外侧传到内侧，物料里面的温度是外高内低。而物料内的水分是由内向外迁徒，其含水率是内高外低。因为水分受温差和湿度差的反向推动，所以温差减弱了内侧水分分散的影响因素19。当物料内侧温差较小时，继而忽略温差的影响。此外在干燥工艺上可以采纳其他的办法，来减弱带来的影响。物料在干燥时，水分慢慢由物料向空气中扩散，空气的相对湿度受影响而增加，所以要采取一些办法快速有效的扫除局部湿空气并且从外界吸入一些新鲜空气，减少干燥室空气的湿度，才能使干燥进程不间断的运作着20。2.3太阳能热风干燥箱的结构特点2.3.1太阳能集热板的工作原理及结构特点(1)太阳能集热器的结构太阳能空气集热器如图3所示,装置由透明盖板、隔板、吸热板、隔热层和框架等组成21。本装置中吸热板和隔板的材料为金属铜板,尺寸为3000mm1000mm1mm(长宽厚)及750mm38mm1mm(长宽厚);隔板间距250mm;框架为木材所造,厚30mm;集热器透明盖板为高分子阳光板,尺寸为3020mm1020mm10mm(长宽厚)。平板型太阳能集热器各主要零部件的名称和基本结构示意见图 2-1 所示。图2-2集热板基本结构示意在集热器透明盖板与吸热板之间设置了交错排列的隔板,形成迷宫式空气通道,空气从集热器的进风口进入,经过迷宫式空气通道被吸热板加热后,在风机的作用下进入干燥箱。由于进入的空气在迷宫式空气通道内曲折前行,能够充分吸收集热板的热量,具有较高的热效率22。（2）太阳能集热器的工作原理根据吸热体的结构类型,平板型太阳能集热器可划分为管板式、管翅式、扁盒式、蛇形管式和热管翅片式等类型。本次设计所使用的是管板式间接换热的平板太阳能集热器，可利用太阳的直射和漫射辐射，并且它的结构很简单。其工作原理为：当太阳照到集热器时，太阳辐射能穿过集热器的透明盖板后，吸热板会吸收由此透过的太阳辐射，并且将它转换成为热能，然后在传递给空气，使空气的温度升高，通过空气的自由流动将热量输送到需要用热的地方，完成太阳能与热能的转换23。2.4太阳能热风干燥箱的工作原理及结构2.4.1太阳能热风干燥箱的装置结构干燥箱由进风管、出风管、干燥室、干燥架和干燥盘组成,如图2-3所示。干燥箱外箱体由高强度的钢板材料打造而成。当干燥系统开始运行时进风管将被集热器加热的空气送入干燥室;出风管将干燥后的湿空气送入回热器进行热量回收；箱体内部并排设置7列干燥架,每列放置1个干燥盘;干燥箱门可向两边打开,方便取放干燥盘。干燥箱固定在底盘上,底盘的有四个支架,使整套装置能平稳固定24。图2-3干燥箱装置结构示意2.4.2太阳能热风干燥箱的工作原理本次设计是使用集热器型太阳能干燥设备，太阳能空气集热器与干燥箱组成了该设备，把经过集热器加热到定值温度的空气通入箱体，上面释放湿空气，利用空气的密度的差异在箱体中形成压力层，流在下面的冷空气会压排出，干燥箱体内部是使用层状干燥的方法，此方式可以更均衡、更充分的干燥物料25。2.5回热器的工作原理及结构特点2.5.1回热器的结构特点 本次设计由于传热介质为空气且流量比较小，故采用套管式换热器作为回热器来节约能量。套管式换热器是以圆心在一条之间上的两个套管中的内管作为传热部件的换热器。同心套管的构成是由半径不一样的两个管子组合在一起，直径大的管子包裹直径小的管子，组成套管。任意的一部分长度的套管都叫“一程”，而这一部分长度的套管（一程）的内管会通过弯管相按顺序依次连接，后在需换热的部分安装外管包裹内管，稳定在支架上（如图2-4）26。换热器的外管两侧与内管是用法兰相衔接起来的。因方便换热器的清理和加减换热管数，故内管与弯管也经常用法兰衔接。此装置的最大传热面积为18m2，所以在小容量换热中广泛使用。本次设计中套管式换热器采用内径d0=32mm内壁厚度2mm外径D=60mm外壁厚度2mm，一程长度为1.6m ，弯管的直径120mm。干燥箱出口流出的高温湿空气由套管式换热器的左侧入口流入，右侧出口流出后直接排放到环境中；而新风有换热器下方进口流入经由内管管壁与高温湿空气热量传递后，温度升高后，使其通入太阳能集热器。图2-4套管式换热器结构示意图2.5.2回热器的工作原理套管式换热器是由圆心在一条直线上且直径不一样的管子构成，直径大的管子包裹直径小的管子，一起组成套管，又通过弯头衔接而成。在此换热器中，两种流体一种经管内一种经环隙，都能达到很高的流速，所以传热系数很大。此外，要使对数平均推动力大一些，可以采用两种流体在套管换热器中都为纯逆流。套管换热器构造单一，可接受高压，方便使用(依据所需不同增减套管数目)。尤其是因为套管换热器还具有传热系数大，传热推动力大及耐高压强的特点27。7南京工业大学本科毕业生设计（论文）第三章 1立方米太阳能热风干燥箱的设计3.1最佳风量原始设计参数：环境条件： 干球温度：60 相对湿度：70% 干燥箱容积：1立方米 太阳能集热器面积：A=3m太阳能干燥是指以太阳能为能源进行的干燥过程。干燥装置由空气集热器、干燥箱、连接集热器与干燥箱之间的风管、风机组成。当空气流量很小时，集热器效率很低，使得集热器出口温度很低，焓值很小，造成干燥室出口含湿量很小，除湿量也很少。当空气流量很大时，集热器效率趋于定值，当太阳辐射量一定，随着空气流量的变大，集热器出口温度变小，当集热器出口温度低于干燥箱温度时，除湿量为0. 随着空气流量的增加，集热器的效率是在不断增加的，但增加的幅度越来越小，即当进入集热器的空气流量增加到一定值时，集热器的效率也将稳定在一定值。故存在最佳风量，使得太阳能干燥系统除湿量达到最大。 现以江苏省南京地区六月气候条件为参考，来计算1立方米干燥箱的最佳风量。 表3-128不同时刻下单位面积的太阳辐射强度 表3-2不同时刻下集热器单位面积集热量各参数固定值见表3-3.表3-3：参数描述值T1=27 1=65%集热器进口空气状态查焓湿图得h1=68kJ/kg d1=15.2g/kgT3=60 3=70%干燥室湿空气状态查焓湿图得h3=323.64kJ/kg d3=95.49g/kgA集热器面积3m2I集热器单位面积集热量239.436w/mI0六月正午时太阳辐射强度812 w/m求得： 表3-4：T1=27 1=65% 查焓湿图得h1=68kJ/kg d1=15.2g/kgT3=60 3=70% h3=323.64kJ/kg d3=95.49g/kg集热器吸热量w六月正午时太阳辐射强度I0=812w/m太阳辐射量w集热器效率下图为不同空气流量G下的干燥箱除湿量W的变化。从图中可以看出当空气流量G=0.018kg/s时，干燥箱的除湿量达到最大W=5.2kg/h. 图3-1 不同空气流量下的除湿量 3.2空气循环热力设计计算如图3-2为热风太阳能干燥箱运行的焓湿图。图中显示干燥过程的两个典型热力工程。其中1-2为湿空气流经集热器的加热过程，此过程中含湿量d不变（d1=d2），温度升高（t2t1），焓增加（h2h1）。2-3 过程湿物料与干燥的新风产生传热传质的过程，湿空气在干燥箱中流经被干燥物料的过程，此过程中空气加热物料使其蒸发水分，蒸汽所含的热量又回到空气中，因此可与近似认为2-3过程为等焓过程（h2=h3），同时2-3过程中相对湿度增加（32），含湿量增大（d3d2）29。图3-2 热风太阳能干燥箱运行焓湿图通过上节计算已知求得：表3-5：T1=27 1=65% 查焓湿图得h1=68kJ/kg d1=15.2g/kgT3=60 3=70% h3=323.64kJ/kg d3=95.49g/kg集热器吸热量w六月正午时太阳辐射强度I0=812w/m太阳辐射量w集热器效率空气流量 G=0.018kg/s除湿量kg/h绝干空气消耗量kg集热器出口温度T2=66.7 d2=d1=15.2g/kg 查焓湿图得 h2=107.26kJ/kg 1=10%内能变化w排气热损失w3.3室外换热器的设计计算及结构的确定由于从干燥室出口排出的湿空气温度很高如直接排出浪费能源。现利用温度（T1=27 )较低的新风与干燥室出口湿空气（T3=60）进行换热，使进入集热器的新风温度升高，集热器出口温度随之升高，从而提高干燥效率，达到节约能源的目的。如图3-3为换热后系统运行的焓湿图（A-M-C）的过程为排出干燥箱的湿空气与新风换热过程，此时的的M点为A、C连线的某一点。（M- M）为混合后的空气进入太阳能空气集热器的加热过程，在这个过程中换热后的空气与太阳能进行换热，此时温度升高，相对湿度降低，而含湿量不发生改变。（M-C）为换热后被加热的新风进入干燥箱再次对湿物料进行干燥的过程，此时空气的温度降低，含湿量变大。如此往复（A-M-M-C-M）的循环，直至湿物料被达到干燥要求。ABMMCdMd2d0t0t2t1tMh2图3-3. 换热后的干燥I-d过程 图3-4. 逆流温度变化本设计中换热器选型采用套管式换热器，逆流布置。 流体1：干燥箱排出的高温湿空气流体2：环境新风 图3-5.套管式换热器原理示意图 已知参数：表3-6：新风进口温度T1=27 湿空气进口温度T3=60空气流量G=0.018kg/s换热器的最大放热量w求得：当新风出口温度为T1=45，换热器效率达到最佳且集热器出口温度满足条件。此时湿空气的出口温度为T3=421) 热力计算 确定物性数据: a.热侧物性参数： 表3-7：湿空气进口温度T3=60湿空气出口温度T3=42湿空气定性温度 空气流量G=0.018kg/s湿空气密度kg/m3湿空气导热系数W/(mK)湿空气普朗特数湿空气动力黏度湿空气运动黏度湿空气定压比热Cp1=1.005kJ/kg辅助参数R辅助参数P根据P、 R查温度校正系数图=0.860.8故取单管程单壳程湿空气放热量w b.冷侧热物性参数： 表3-8：新风进口温度T1=27新风出口温度T1=45新风定性温度空气流量G=0.018kg/s新风密度kg/m3新风定压比热Cp2=1.005kJ/kg新风导热系数W/(mK)新风普朗特数新风动力黏度新风运动黏度 2)换热器热力计算： 表3-9：平均温差 管内直径d0=32mm管径厚度mm管程流通截面积m2管内流速m/s换热管数 外管直径D=60mm外管厚度mm壳程流通面积壳内流速m/s管内雷诺数管壳雷诺数管内Nu管壳Nu管内换热系数管外换热系数管内污垢热阻管外污垢热阻管导热系数管内径mm壳内径mm当量直径mm传热系数 w/m2传热面积 mm换热管长m实际换热管长m实际传热面积m2面积富裕度满足管子的长度m管程数管子总根数弯曲半径mm进出口连接管mm换热器效率 系统总效率 3) 沿程阻力计算 太阳能供热系统的沿程阻力由以下几部分组成：a. 空气流过集热器的压力损失h1：该损失与集热器构造有关，根据集热器生产厂家提供压力损失曲线求得。当空气流量G=0.018kg/s，对应集热器的压力损失约为 ： b. 供热管路阻力损失h2： 空气流过风管管路的沿程阻力损失 c.供热管件弯头及变截面等阻力损失h3：风管的局部阻力损失与弯头和变截面的情况而异。 d.换热器阻力：由管程阻力与壳程阻力组成： 而管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进出口连接管阻力等三个部分 表3-10：空气流过集热器的压力损失风管长l=8m风管直径d=80mm空气流速m/s空气平均密度kg/m3供热管路阻力损失Pa变截面或弯头数量n=5局部阻力系数=0.2供热管件弯头及变截面等阻力损失Pa管内雷诺数 管程阻力沿程阻力 Pa管程阻力回弯阻力Pa管程阻力进出口连接管阻力Pa管程总阻力Pa换热器总阻力Pa系统总阻力 Pa风压备用系数=1.1空气密度修正系数K=1.15风机全压Pa风机效率f=0.8电动机直接风机风机传动效率e=1.0风机有效功率：kw4）风机选取 由计算结果可知，风机有效功率为30.33kw,风量G=64.8kg/h,风机全压为1473.51Pa。表3-11风机性能参数表选择9-04离心鼓风机系列中No6.3D，风机全压为,均满足使用要求。3.4设计结果汇总现将所有的设计结果汇总在下表：表3-12 设计汇总表名称符号单位结果备注太阳能集热器环境温度27环境相对湿度%65集热面积3单位面积集热量239.44单位面积辐射量812集热器集热量w718.31总太阳辐射量w2436集热器出口温度T266.7最佳风量Gkg/s0.018除湿量Wkg/h5.2集热器效率%29.5干燥箱干燥温度60干燥湿度%70干燥箱体积Vm31KA换热器湿空气进口温度60新风进口温度27湿空气出口温度42新风出口温度45换热器最大换热量w597理论放热量w328.35平均温差15空气流量kg/s0.018换热管径322管内流速m/s2.1外管管径602管外流速m/s8.2管程流通截面积m20.0075外管流通截面积m20.002传热系数24.01传热面积m20.9换热管长m7.16实际换热管长m8.0实际换热面积m21.01管子长度m1.6管程数根5弯管半径m120进出口连接管半径m32换热器效率%55风机2台No6.3D 9-04离心鼓风机由以上计算研究可知，该小型太阳能热风干燥装置效率高、热损失小、能量利用率高，可以有效利用集热器对太阳辐射量的吸收，箱式干燥系统的干燥总效率大概在13%25%之间而本次设计的小型太阳能热风干燥箱的系统总效率高达，在箱式干燥装置中处领先水平。 2