当前位置:首页 > 太阳能干燥箱的自然对流数值模拟与实验研究-上海精宏实验设备有限公司

太阳能干燥箱的自然对流数值模拟与实验研究-上海精宏实验设备有限公司

[导读]为了得到自然对流传热状态下太阳能干燥箱流热场具体分布情况,针对一种小型太阳能干燥箱的自然对流传热过程建立了数学模型,并通过COMSOL Multiphysics多物理场软件对数学模型进行求解。

为了得到自然对流传热状态下太阳能干燥箱流热场具体分布情况,针对一种小型太阳能干燥箱的自然对流传热过程建立了数学模型,并通过COMSOL Multiphysics多物理场软件对数学模型进行求解.详细分析了集热板与空气之间的自然对流换热过程,并由干燥室内温度模拟值与实验值构建均匀度曲线与温度变化曲线,得到干燥室内温度分布随时间的变化情况.计算出不同的天气下(多云、晴朗、少云)温度模拟值与实验值的相关系数R2分别为0.967,0.978,0.956,均方根误差RMSE分别为2.289,1.821,1.940,说明所构建的数学模型在不同天气情况下的求解结果是有效的,根据流热场的模拟结果可以指导干燥工艺的优化和改进太阳能烘干系统的结构.

太阳能具有清洁、 可再生的特点, 在干燥领域有良好的应用前景. 直接晾晒法是一种极具代表性的太阳能干燥方法[1], 从古至今一直被广泛应用于农作物干燥, 但是直接晾晒法有劳动强度大、 无法控制干燥条件、 对天气因素依赖大、 效率低、 干燥品质差等缺陷[2]. 大量学者对太阳能干燥进行了一系列的研究, 开发出了各种各样的太阳能干燥设备, 弥补了直接晾晒法的各种不足, 其中较具代表性的设备有储能热泵式与混合能源式两类[3,4], 这两类设备多数呈现出大型化、 专业化与高成本的特征, 并不适宜于小型农户使用. 在我国小型农户占据着农业经济的较大比重, 因此有必要对小型化、 简单化、 低成本的太阳能干燥设备进行研究. 在对太阳能干燥设备的研究与优化中, 研究者通常希望获取干燥室内流场、 热场的分布情况, 实验手段获取物理场数据难度大、 成本高、 可重复性差[5], 因此众多学者将数值模拟技术应用于太阳能干燥的研究, 并以此来弥补实验手段的不足. 在对干燥设备的流热数值模拟研究中, 部分研究[6,7]基于干燥箱内部流热场稳定均匀的假设, 忽略了干燥箱内空间上的流热场差异. 而在考虑了箱内的流热场具体分布情况的研究[8,9,10]中, 多数是对干燥箱强制对流换热过程的具体数值模拟. 由于自然对流过程难以达到稳态, 且计算量大, 目前对于干燥箱自然对流传热的数值模拟研究较少.
综上所述, 本文结合传热学与计算流体力学, 在自制小型太阳能干燥箱的基础上, 建立了干燥箱自然对流状态的流热数学模型, 利用COMSOL Multiphysics 5.4软件求解干燥箱数学模型, 尝试在不同的天气条件下, 通过数学模型得到较为准确的干燥箱内自然对流的具体情况, 为干燥工艺方案和改进干燥箱的结构优化方案提供理论基础.
1 干燥箱结构及实验设计
1.1 干燥箱结构
该干燥箱主要由有机玻璃板、 铝合金框架、 主集热板、 侧集热板和物料托盘(可加装多层)组成. 在干燥要求低温干燥的物料时, 可加装图1所示的排湿风扇强制通风. 本文只针对自然对流的情况展开讨论. 由图1可以看出装置在z方向上结构对称. 根据公式(1)得到太阳高度角[11]:
sinα=cosφcosδ+sinφsinδ         (1)sinα=cosφcosδ+sinφsinδ         (1)
式中α为太阳高度角; φ为地理纬度; δ为太阳赤纬. 实验地点在重庆北碚, 地理纬度取29.8°N, 太阳赤纬取23°, 经计算太阳高度角为83.2°. 为方便制造与计算, 主集热板最佳倾角取6.8°(与太阳高度角互为余角), 侧集热板竖直安装在铝合金框架上.

相关文章