CN102353242B - 一种基于热传导的平板式太阳能烘干机 - Google Patents

Abstract

一种基于热传导的平板式太阳能烘干机，包括透光盖板(1)、吸热板(2)、边框(4)、保温层(5)、底板(6)、物品烘干室(7)；透光盖板(1)在最上层，其下面依次为吸热板(2)、保温层(5)、底板(6)；透光盖板(1)、吸热板(2)、保温层(5)和底板(6)四周边有边框(4)，边框(4)固定上述部。吸热板(2)和保温层(5)之间的空间为物品烘干室(7)。当太阳辐射照射到达吸热板(2)时，吸热板(2)通过温差驱动将热量传导给与之紧密接触的被干燥物品，物品内部的水分被加热后蒸发，并逸出烘干机，实现物品的脱水和烘干。

Description

一种基于热传导的平板式太阳能烘干机

技术领域

本发明涉及一种太阳能烘干装置。

背景技术

结合太阳能集热器的主动式太阳能烘干技术在工农业领域有着悠久的应用历史和广泛的应用前景，是加速农产品烘干和扩大工业产能的一条有效、节能、环保的技术方式。特别是近年来，脱水蔬菜、干果、茶叶、海鲜等农副产品，已从简单的粗放式农业生产向机械化、工业化迈进，为了节能降耗、提高烘干产品的产量和质量，主动式太阳能烘干技术得到了广泛的研究和发展。专利CN101435654给出了一个基于液体太阳能集热器和太阳能温室相结合的烘干系统，其结构复杂，成本较高，该专利的太阳能温室本身热效率较低，自身保温性能较差，与外联的大面积集热器耦合运行且采用风机强制循环，增加了烘干系统的热损失的同时，也产生了较高的电耗，不仅降低了烘干效率，温室内气流均匀性也很难保障，烘干产品质量容易出现差异。专利CN201166505Y给出了一个平板太阳能空气集热器与箱式烘干器相结合的太阳能农产品烘干装置，系统依靠平板空气集热器的热升力和烘干箱的排风扇压头驱动空气流动，仍然是基于对流换热原理进行烘干，平板空气集热器自身热效率不高，热空气与被干燥物品之间的对流换热和传质过程效率也很低，综合因素导致烘干过程能量使用效率较低。专利CN201028941、ZL200920090974.8、CN201166505Y及KR200384999(Y1)，在空气集热器和箱式烘干器结合方面有一定差别，但是存在同样的问题。ZL200820101549.X也是基于空气集热器和对流烘干箱的烘干模式，其烘干箱内的烘干台架采用了旋转机构，以保障烘干产品的均匀性。但是太阳能烘干技术中如何降低烘干系统运行能耗、提升烘干效率、改善烘干产品质量等亟需解决的问题在以上专利中都未得到有效解决。

综上所述，目前太阳能烘干设备一般依据对流或辐射原理来干燥物品，存在以下问题：

1、平板型空气集热器温升低。由于平板集热器热损系数高，为保证合理的集热效率，一般控制集热器出口空气温度比进口高20℃左右，出口空气温度在50℃～60℃之间。由于空气传热效果差，致使烘干效果均不理想。

2、真空管空气集热器阻力大，风机功耗较大。大面积大风量空气集热系统的风量也不易分配均匀，集热器系统的效果将会变差。空气热媒与被干燥物品之间的热质传递效果较差，也限制了烘干效果。

3、液体介质的太阳能集热器先将液体加热，然后液体再通过辐射或空气对流方式加热被烘干物，在介质和被加热物品间存在传热温差。这个温差使得液体介质烘干过程的传热效果变差。

发明内容

本发明的目的是克服现有太阳能烘干技术的缺点，提出了一种基于热传导方式的太阳能烘干机。本发明由于省略了现有太阳能烘干系统中一系列对流和辐射传热过程，因此传热效率高。并且由于整个烘干过程依据被动式的原理，且无换热工质流动，因此烘干过程可做到无电耗，使太阳能烘干装置系统成本大大降低。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所涉及的基于热传导的平板式太阳能烘干机包括透光盖板、吸热板、物品烘干室、保温层、边框、底板。

平板烘干机各个部件之间的位置关系如下：透光盖板在最上层，透光盖板下面为吸热板，吸热板下面为保温层，保温层下面为底板，边框位于透光盖板、吸热板、保温层和底板四周，对部件透光盖板、吸热板、保温层和底板进行固定，吸热板和保温层之间的空间为物品烘干室。

本发明几个主要部件的结构和功能如下：

透光盖板：一般由透明玻璃或透明高分子等透光材料制成，能够使太阳光透过透光盖板投射到吸热板上，并能够阻挡由吸热板发射的长波辐射透过盖板，以减小热损失。

吸热板：吸热板由金属板喷涂选择性吸收涂层构成，该吸热板可以为整张金属板，也可由几条金属板拼合形成一块符合烘干机长宽要求的吸热板，或者是条带拼合的吸热板。当烘干颗粒状或者粉状物品时，需要保证拼合条带间的密封性，保障所要烘干的物品不从条带间隙向吸热侧泄漏，保障吸热板的高吸热特性。

物品烘干室：物品烘干室主要是用来放置被干燥物品，为保证被干燥物品能够与吸热板背面紧密贴合，针对不同结构和尺寸特性的被干燥物品，可以设计不同烘干室结构，也可在烘干室内设置物料托盘。譬如在烘干毛毯、纺织品等片状物品时，托盘可采用结构简单、具有一定刚度的金属、或者木质的稀疏网状篮框构成；当烘干玉米、药材等粒径较大的物品时，可采用具有加强筋的金属筛网作为物料托盘；当烘干粉末状物品时，可采用开孔较小的细目金属筛网，并在筛网托盘内设置衬垫纱布等防漏措施。所有结构形式的物料托盘，在加载被干燥物品后，要采取夹紧措施，保障物料托盘内的被干燥物品和吸热板背面紧密接触，减小接触热阻。

本发明实现太阳能烘干的热质传递过程主要包括：太阳能通过吸热板实现太阳的光热转化，热量从吸热板向被干燥物品传递，使被干燥物温度升高，水分从被干燥物品中蒸发排出。

具体过程如下：

1、太阳光通过吸热板实现光热转换过程：当太阳光透过透光盖板，照射到吸热板上时，太阳辐照转换为热能，吸热板受热后温度升高。

2、热量从吸热板向被干燥物品的传递过程：当吸热板吸收太阳辐射能并转为热能后，吸热板温度升高，通过热传导的方式，加热与之贴合的被干燥物品。

3、水分从被干燥物品排出过程：当被干燥物品吸收来自吸热板的热量并被加热后，由于温度的升高，被干燥物品表面水蒸气分压升高，在被干燥物品表面和外界空气中水蒸气压差的推动下，被干燥物品内的水分向外迁移。在被干燥物品内，随着物品表层水分的排出，沿着被干燥物品厚度方向的水分在湿度差的推动下，向被干燥物品表层移动，最终达到烘干的目的。

4、水蒸气排出过程：利用水蒸汽的分压可以形成物品烘干室内外的水蒸气压力差和浓度差，水蒸气将通过物品内部的空隙逸出物品烘干室。也可在烘干机的物料托盘和保温层之间设置排湿通道，在排湿通道两头预留开口，作为排湿空气的进出口。在一定的烘干机安装状态下，当被干燥物品中的水分被加热生成水蒸汽进入排湿通道后，由于热湿空气在热升力的作用下向上运动，在排湿口排出，冷空气从下侧进气口补入，这样在排湿通道内形成了靠热升力推动的空气运动和排湿过程，适时排出排湿通道内的是空气，并保持了排湿通道内空气和被干燥物品表面的水分分压力差，保证烘干过程的高效运行。

根据被干燥物品特性及其对烘干温度的需求，在此烘干原理的基础上可以衍生出以下两种烘干机结构模式：

1、带有聚光器的平板烘干机：其结构为在上述平板式烘干机边框的周围加装反光板，反光板可将投射到反光板上的太阳能光反射到平板烘干机的吸热板上，通过提升吸热板表面辐射能流密度，提高吸热板表面温度，从而满足被干燥物品的温度需要，提高烘干速率；

2、双面平板烘干机：其结构为采用第一透光盖板-第一吸热板-烘干室-第二吸热板-第二透光盖板的对称结构，吸热结构正反对称，被烘干物品置于第一吸热板和第二吸热板之间的物品烘干室内。被烘干物品置于物品烘干室内，在一面被吸热体烘干一定时间后，可以翻转烘干机烘干其另一面。这样的翻转设计可加快物品烘干速率，也利于快速烘干厚重、棉实物品。翻转支架可以是电动的或手动的，还可以形成联动功能。

本发明优点在于：

1、本发明涉及的平板太阳能烘干机结构简单、成本低廉。

2、本发明涉及的平板太阳能烘干机基于导热原理，将太阳能转化为热能后高效传递给被干燥物品，烘干效率高。其干燥过程有以下5步，太阳能辐射到达吸热板——吸热板光热转换吸热——导热加热被烘干物——烘干物被加热温度升高——水分蒸发。

而基于太阳能空气加热器或液体集热器的流体对流烘干模式的传热传质过程复杂，有以下9步，太阳能辐射到达吸热板——吸热板光热转换吸热-加热流体——热流体输送——到达烘干室——到达被烘干物表面——对流或辐射加热被烘干物——烘干物被加热温度升高——水分蒸发。由此可见，本发明大大减少了烘干过程的传热环节。

3、本发明涉及的平板太阳能烘干机，其吸热板结构直接采用金属平板式吸热板进行光热转化，并通过导热模式直接将能量传递给被加热物品。吸热板的结构简单，避免了流体集热器中流体流道的设置，简化了制作工艺、节省了材料，使太阳能集热部件成本进一步降低，结构更趋简单，运行更为可靠。

附图说明

图1是本发明基于热传导的平板式太阳能烘干机原理图；

图2是本发明带有水蒸气排汽流道的平板式太阳能烘干机原理图；

图3是本发明合页式掀开型平板式太阳能烘干机掀开状态的结构简图；

图4是本发明带聚光器的烘干机原理图；

图5是本发明带聚光器的烘干机原理图俯视图；

图中：1透光盖板，2吸热板，3物料进口，4边框，5保温层，6底板，7物品烘干室，8物料出口，9排湿孔，10排湿通道空气出口，11排湿通道，12物料托盘，13排湿通道空气进口，14合紧搭扣，15合页，16反光板。

图6是本发明双面吸热板烘干机原理图，图中：1-1第一透光盖板、2-1第一吸热板、2-2第二吸热板、1-2第二透光盖板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明基于热传导的平板式太阳能烘干机主要包括透光盖板1、吸热板2、物料进口3、边框4、保温层5、底板6、烘干室7、物料出口8。各个部件之间的位置关系如下：透光盖板1在最上层，透光盖板1下面为吸热板2，吸热板2下面为保温层5，保温层5下面为底板6，边框4位于透光盖板1、吸热板2、保温层5和底板6四周，对部件透光盖板1、吸热板2、保温层5和底板6进行固定，吸热板2和保温层5之间的空间为物品烘干室7。

如图2所示，对于设置了排湿通道的烘干机，主要包括透光盖板1、吸热板2、物料进口3、边框4、保温层5、底板6、物料出口8、排湿孔9、排湿通道空气出口10、排湿通道11、物料托盘12、排湿通道空气进口13。对于设置了排湿通道的烘干机，各个部件之间的位置关系如下：透光盖板1在最上层，透光盖板1下面为吸热板2，吸热板2下面为物料托盘12，物料托盘12下面为保温层5，保温层5下面为底板6，边框4位于透光盖板1、吸热板2、物料托盘12、保温层5和底板6的四周，对透光盖板1、吸热板2、物料托盘12、保温层5和底板6进行固定，形成带排湿通道的平板式太阳能烘干机。物料托盘12上有排湿孔9，以便于排出物料加热后产生的水分。物料托盘12和保温层5之间的空间为排湿通道11。

本发明平板式太阳能烘干机烘干过程的热质传递热工过程如下：太阳光经过透光盖板1后到达吸热板2表面，吸热板2吸收太阳辐照后，将光能转化为热能，吸热板2温度升高，吸热板2通过温差将热量传递给烘干室7内的被烘干物品，被干燥物品与吸热板2背面紧密贴合，以减小接触热阻，烘干室7内的物品被加热后温度升高，被干燥物品表面的水蒸气分压升高，向外排出，达到烘干的目的。

当烘干物料自身结构比较密实、仅通过自身结构中的空隙排湿困难时，可以在烘干室7内加装物料托盘12，物料托盘12为带孔的盘状结构，并在物料托盘12和保温层5之间形成排湿通道11，用以减小干燥物料内的排湿路径长度，促进排湿过程。在干燥过程中，干燥物料在接近排湿通道11的被干燥物品表面和排湿通道11内空气中水蒸气压差的推动下，被干燥物品内的水分向外排出。在带有排湿通道的烘干机中，该水蒸汽沿排湿通道11排出，在被干燥物品内，随着物品表层水分的排出，沿着被干燥物品厚度方向的水分在湿度差的推动下，向被干燥物品表层移动，最终达到整体烘干的目的。当干燥物品被加热，蒸发出的水蒸汽进入排湿通道11后，排湿通道11内的空气被加热，热湿空气在热升力的作用下向上运动，从排湿通道空气出口10排出，冷空气从下面排湿通道空气进口13补入，这样在排湿通道内形成了靠热升力推动的空气运动和排湿过程，适时排出排湿通道11内的湿空气，并保持了排湿通道11内空气和被干燥物品表面的水分分压力差，保证烘干过程的高效运行，实现了烘干机内的从光到热转换、被干燥物品加热烘干和排湿的整个热工过程。

对于温度有限制的被烘干物品，可在排湿通道空气进口13开口安装调节装置，调节该开孔的程度可调节烘干室的下端进气量，调节烘干室的温度。

透光盖板1一般由透明的玻璃或高分子材料制成，具有透光和减小平板烘干机上部热损失的双重功能，一般要求具有较高的太阳光透过率，并且能够阻挡由吸热板发射的长波红外辐射透过盖板，以减小热损失。吸热板2一般由带有选择性吸收涂层的金属板构成，目前多用的金属板为铜板、铝板或钢板。对带有腐蚀性被烘干物品，还必须考虑金属的防腐问题。吸热板2可以是一整块符合烘干机长宽要求的金属板，也可以是由几条窄长条形的条带式金属板拼合成一块符合烘干机长宽要求的吸热板，当烘干颗粒状或者粉状物品时，需要保证拼合条带间的密封性，保障物品不泄漏，确保吸热板的高吸热特性。烘干室7用来放置被干燥物品，并保证被干燥物品与吸热板2背面紧密贴合。针对不同结构和尺寸特性的被干燥物品，可以采用不同的烘干室结构。譬如在烘干毛毯、纺织品等片状物品时，物料托盘12可采用结构简单、具有一定刚度的金属或者木质的稀疏网状篮框构成；当烘干玉米、药材等粒径较大的物品时，可采用具有加强筋的金属筛网作为物料托盘；当烘干粉末状物品时，可采用开孔较小的细目金属筛网，并在筛网托盘内设置衬垫纱布等防漏措施。所有结构形式的物料托盘12，在加载被干燥物品后，要采取夹紧措施，保障物料托盘12内的被干燥物品和吸热板2背面紧密接触，减小接触热阻。

如图1和图2所示，物料的放入和取出过程如下：当需要放入物料时，首先关闭物料出口8，防止物料装入时从物料出口8漏出，将物料从物料进口3放入，在进行必要的夹紧处理后，开始进入干燥状态，当干燥完成时，打开物料出口8，将物料从物料出口8取出。

图3是合页式掀开型烘干机结构简图。当烘干物料不容易通过顶端开口进入烘干机时，可以将烘干机设计为可掀起结构，将透光盖板1和吸热板2加工为一体，并在边框4上设置合页15，将烘干机透光盖板1和吸热板2和设置下面的烘干室7、保温层5、底板6连接，共同构成一个箱式结构。当需要放置烘干物料时，打开合紧搭扣14，掀起上端的透光盖板1和吸热板2，将烘干物料放入烘干室7后，盖上透光盖板1和吸热板2，并扣上合紧搭扣14，在进行必要的夹紧处理后开始干燥。当干燥完成后，打开合紧搭扣14，掀起上端的透光盖板1和吸热板2，取出烘干物料。该结构方便烘干物料的放入和取出。

图4和图5是本发明带聚光器的烘干机原理图，图中16为反光板，反光板16一般有镜面玻璃、反光铝板或者其它高反材料制作而成，作为反射式聚光器。当被干燥物品的烘干过程需要较高的烘干温度，或者当被干燥物品可以承受较高的烘干温度，为了提高烘干效率时，可以在图1、或图2所示的平板式太阳能烘干机的基础上，在平板烘干机边框4的周围加装反光板16，形成带低倍聚光器的烘干机。反光板16置于边框4的周围，可以为在平板烘干机边框4的两侧或四周进行设计安装，反光板16和边框4之间一般具有一定的夹角，保障投射到反光板16上的光线能够反射到吸热板2上。反光板可以由几块反光板拼合而成。反光板16可以将太阳光反射到平板烘干机的吸热板上2，提升吸热板2上的太阳能能流密度，以提高吸热板2烘干温度，满足被干燥物品的温度需要，提升烘干速率。

图6为本发明双面吸热板烘干机原理图。为便于烘干厚重、棉实物品，本发明特设了双面吸热结构的双面烘干机，如图6所示，有别于图1所述的平板太阳能烘干机结构，双面吸热板烘干机采用第一透光盖板1-1、第一吸热板2-1、第二吸热板2-2、第二透光盖板1-2的对称结构。双面吸热板烘干机各个部件之间的位置关系如下：第一透光盖板1-1在最上层，第一透光盖板1-1下面为第一吸热板2-1，第一吸热板2-1下面为第二吸热板2-2，第二吸热板2-2下面为第二透光盖板1-2，形成对称双面结构，边框4位于第一透光盖板1-1、第一吸热板2-1、第二吸热板2-2、第二透光盖板1-2四周，对这些部件进行固定，形成双面吸热平板式太阳能烘干机，第一吸热板2-1和第二吸热板2-2之间的空间为烘干室7。被干燥物品加载于两个吸热板之间的烘干室7内，当烘干室内7内的干燥物料受热后，水分蒸发并排出烘干机，达到干燥的目的。对于双面吸热的烘干机，在一面被吸热体烘干一定时间后，可以翻转烘干机用于烘干其另一面。这样的翻转设计可加快厚物品的烘干速度。

Claims (7)

1.一种基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的太阳能烘干机包括透光盖板（1）、吸热板（2）、边框（4）、保温层（5）、底板（6）、物品烘干室（7）；透光盖板（1）在最上层，透光盖板（1）下面为吸热板（2），吸热板（2）下面为保温层（5），保温层（5）下面为底板（6）；透光盖板（1）、吸热板（2）、保温层（5）和底板（6）四周边有边框（4），边框（4）固定透光盖板（1）、吸热板（2）、保温层（5）和底板（6）；吸热板（2）和保温层（5）之间的空间为物品烘干室（7），物品烘干室（7）内的被烘干物品与吸热板（2）背面贴合。

2.如权利要求1所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，当被烘干物料结构致密，无法在物料之间形成排湿通道时，在所述的物品烘干室（7）内加装带孔的物料托盘（12），使被烘干物品与吸热板（2）背面紧密贴合，并在物料托盘（12）底部和保温层（5）之间形成排湿通道（11）。

3.如权利要求2所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的物料托盘（12）为稀疏网状篮框。

4.如权利要求2所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的物料托盘（12）为具有加强筋的金属筛网。

5.如权利要求2所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的物料托盘（12）为细目金属筛网。

6.如权利要求1或2所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的透光盖板（1）和吸热板（2）为一体，在边框（4）上设置合页（15），将所述的烘干机的透光盖板（1）、吸热板（2）、烘干室（7）、保温层（5）和底板（6）连接构成箱式结构。

7.如权利要求1所述的基于热传导的平板式太阳能烘干机，其特征在于，所述的太阳能烘干机为双面对称结构：第一透光盖板（1-1）在最上层，第一透光盖板（1-1）下面为第一吸热板(2-1)，第一吸热板（2-1）下面为第二吸热板（2-2），第二吸热板（2-2）下面为第二透光盖板（1-2）；边框（4）位于第一透光盖板（1-1）、第一吸热板（2-1）、第二吸热板（2-2）、第二透光盖板（1-2）四周，边框（4）固定第一透光盖板（1-1）、第一吸热板（2-1）、第二吸热板（2-2）、第二透光盖板（1-2）；第一吸热板（2-1）和第二吸热板（2-2）之间的空间为物品烘干室（7）。

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