太阳能干燥器：高效、干净、可控的产品干燥解决方案

食物产品30%的损失是由于其保存不当而产生腐败所造成的。干燥是在湿产品和热空气流之间进行热质传递的过程。理想情况下，太阳能干燥器的设计和运行应保证产品的干燥过程能均匀、有效地进行，使产品中的水分含量降至能够使产品安全储存的水平（见图9.1）。

图9.1 尼日利亚自然循环太阳能干燥器的干燥和环境空气的焓湿图

传统的曝晒干燥（见图9.2）既低效，也不卫生。太阳能干燥则具有更加高效、干净、可控和省时的优点，能够维持稳定的最终水分含量并且减少产品的腐烂。

各种类型的太阳能干燥器如图9.3所示。热带地区常用的太阳能食品干燥器包括：

1）自然对流式太阳能干燥器，主要为质量容量有限的箱式干燥器；

2）强制对流式太阳能干燥器，更高效且可用于亚热带地区。

Esper和Mühlbauer（1993）推荐使用隧道式干燥器。在农村地区，传统的水果和蔬菜干燥方法是将产品铺放在地面上，直接在阳光下曝晒。尽管这种自然晾晒法有效且廉价，但也具有许多缺点，例如尘土污染、昆虫和细菌滋生以及雨水浸湿会造成食品的损失。通常认为这种干燥方法会不可避免地出现这些问题。为了避免上述缺点，加快产品干燥，控制最终含湿量并减少细菌滋生造成的浪费，可以使用太阳能干燥器来干燥这些产品。通过从食物中去除足量的水分来防止其腐烂和变质。干燥不同类型的食物，其最佳水分含量会从5%～25%不等。太阳能干燥可以看作是对太阳晒干自然晾晒技术的一种优化，也是一种太阳能高效利用技术。热带和亚热带地区有丰富的太阳辐射资源。成功的干燥取决于：

图9.2 谷物曝晒干燥

图9.3 太阳能干燥器的分类

1）足够的热量能使水分蒸发，而不会煮熟食物；

2）干空气能吸收食物释放出的水分；

3）空气循环充分以带走水分。

自然对流太阳能干燥器不需要利用电力或化石燃料驱动，因此它是干燥的首选方法。已经有许多关于农产品自然对流太阳能干燥技术的研究报道，其中包含以下几种设计：

1）适用于果蔬干燥的自然循环箱式太阳能干燥器（Sharma等，1995），如图9.4所示；

图9.4 自然循环箱式太阳能干燥器

2）适用于稻谷烘干的自然循环混合式太阳能干燥器（Exell和Kornsakoo，1978；Oosthuizen，1995），如图9.5所示；

3）自然循环圆顶型太阳能干燥器，如图9.6所示；

4）自然循环烟囱式太阳能干燥器，如图9.7所示；

5）具有玻璃屋顶的自然循环太阳能干燥器，如图9.8所示；

6）自然循环一体式聚乙烯帐篷太阳能干燥器，如图9.9所示。

这些干燥器在热带和亚热带国家经过了广泛的试验、模拟和优化研究。对于间接式自然对流太阳能干燥器，为了达到令人满意的干燥速率，必须进行仔细的设计和操作。典型的箱式太阳能干燥器适用于干燥10～15kg的水果和蔬菜（Sharma等，1995）。强制对流太阳能干燥器包括：

1）分布式主动太阳能干燥器（Oosthuizen，1996），如图9.10所示；

图9.5 自然循环混合式太阳能干燥器（Exell等）

图9.6 自然循环圆顶型太阳能干燥器

图9.7 自然循环烟囱式太阳能干燥器

图9.8 具有玻璃屋顶的自然循环太阳能干燥器示意图

图9.9 自然循环一体式聚乙烯帐篷太阳能干燥器

图9.10 分布式主动太阳能干燥器

2）温室型太阳能干燥器（Esper和Mühlbauer，1993；Janjai，2004），例如图9.11所示的具有内部筒型吸热体的主动式温室型太阳能干燥器；

图9.11 具有内部筒型吸热体的主动式温室型太阳能干燥器

3）屋顶集成式太阳能干燥器（Janjai等，2006），例如图9.12所示的集热器-屋顶储能式太阳能干燥器；

4）透明屋顶型太阳能干燥器，如图9.13所示。

图9.12 集热器-屋顶储能式太阳能干燥器(www.xing528.com)

图9.13 透明屋顶型太阳能干燥器

在热带和亚热带不同地区进行的大量测试表明，隧道式太阳能干燥器可以有效干燥水果、蔬菜、谷物、豆类、油料、香料、鱼类及肉类。尽管太阳能干燥器的成本效益高（因为建造、运行和维护所需的成本相对较低，可以使用当地易得的低成本材料建造），干燥器的设计以及材料的选择仍然需要谨慎、经验和有效的建议。

在强制对流和自然对流太阳能谷物干燥系统中（Simate，2003；Bala和Janjai，2009），底部的谷物会被迅速干燥，而顶部的谷物由于水分凝结依然处于潮湿状态。可以通过降低颗粒床厚度并加大系统长度来实现对自然对流式太阳能干燥系统的优化。

在制作干燥器之前，必须分析干燥器运行的气候、技术和经济环境。不是所有的干燥器都适用于全部产品。当干燥后的水果用于出口贸易时，为了实现商业的持续运营，干燥器每天的处理能力要高达100kg或更多。当干燥后的蔬菜主要用于当地市场时，则干燥器每天的处理能力只需达到10kg就足够。在炎热气候下，新鲜水果和蔬菜在切片后会迅速变坏。干燥过程应防止水分回到干燥物，以达到安全储存的水平，避免干燥物夜间发生腐烂。

成功的太阳能干燥需要：

1）物料与干燥器相匹配且经过适当处理；

2）收获期的日照和环境温度有利于干燥（日照时间6～8h）；

3）干燥器容量和产品来源满足市场需求；

4）符合国际主要质量标准；

5）包装和储存设施适用于干燥后产品的储存。

干燥器应在最佳工艺条件下工作，并被放置在阳光充足的环境下，空气的进口与出口应无任何障碍物。进气口应远离灰尘和烟雾，放置待干燥产品的托盘和整个干燥器的内部应保持清洁且没有任何残留物。为了保证最佳的卫生条件，必须采取措施防止昆虫和啮齿类动物进入干燥器。需要特别注意的是，透明盖子应保持洁净并紧贴在烘干机的框架上，即使在干燥器不运行时也应如此。用于干燥的空气，其相对湿度对干燥器的除水能力具有显著影响，因此当环境相对湿度非常高时不宜使用干燥器。干燥室中空气的流动速度是破坏被干燥物周围饱和停滞边界层的一个重要因素。没有足够、有效的空气流动，干燥过程会变慢，可能会导致被干燥物发生腐坏。对于绝大多数的水果和蔬菜，干燥空气的最佳温度范围为50～55℃。对于草本植物，45℃是合理的最高温度。过高的温度（60℃以上）可能会导致物体表层硬化，降低干燥的有效性，导致被干燥物料出现问题。干燥托盘及其与食品相接触的表面应采用适当的材料制成，如木材或不锈钢。托盘上放置新鲜物料的厚度不宜超过0.5～0.6cm。这是因为合适的物料厚度能使干燥器很好地去除水分并将水分扩散到表面。当物料具有蜡质表皮时（例如浆果），对其进行切片或破坏外表面处理有益于干燥过程。干燥过程中应经常监测物料，并定时翻转。可能需要旋转机架并改变它们的位置，以提高干燥的均匀性。气流应该横掠过待干燥物料的表面，而不是从底部向上穿过干燥器。如果不能避免这种情况，那么干燥器内太阳能驱动的风机会产生水平流场（这也能解决滞留边界层的问题）。当物料不能在白天内完成干燥而要在夜间储藏部分干燥产品时，应该：①保持干燥器的进、出口关闭，以防止夜晚气温较低时潮湿空气进入干燥器；②夜间把干燥物放在专用设备中储存。在干燥高水分含量的产品（如含水率约95%的西红柿）时，需要较长的干燥时间，因而后者便显得尤为重要。

与中等水分含量的产品相比，高水分含量的产品具有较低的干燥产量（kg干产品/100kg新鲜产品）。例如，含水率84%的100kg新鲜苹果能制成超过17kg含水率为10%的干燥产品，但含水率95%的100kg西红柿经干燥只能制成约6kg的产品。适合用太阳能干燥的水果和蔬菜如表9.1所示。

表9.1 适合用太阳能干燥的农产品

建立太阳能干燥器的模型，可进行如下假设：

1）干燥器内的空气混合均匀；

2）物料干燥过程可由薄层干燥的关联式表示；

3）空气、盖板、土壤和产品的比热恒定；

4）通过北壁面损失的太阳辐射分数和空气对太阳辐射的吸收率忽略不计；

5）方程组的数值解中采用一个时间间隔，以保证有恒定的空气条件。

单位时间内盖板储存的能量等于干燥器内空气与盖板的对流换热、天空与盖板的辐射换热、盖板与环境的空气辐射换热、物料与盖板的辐射换热以及盖板吸收的太阳辐射能的热量之和。温室型太阳能干燥器盖板的能量平衡如图9.14和图9.15所示。

图9.14 温室型太阳能干燥器的能量平衡

其中，C_pc是盖板的比热[J/（kg·K）]，M_c是盖板质量，T_a、T_am、T_c、T_p、T_s分别是内部空气、环境、盖板、物料和天空的温度，A_c和A_p分别是盖板和物料的面积（m²），h是相关的换热系数（Wm^-2K^-1）（辐射换热系数h_r通过适用温度范围内的迭代计算得到）。I_t是辐射能量密度（Wm^-2），α_c是盖板吸收率。保温层内空气的能量平衡等于农作物和空气及地板和空气之间的对流换热、从农作物到空气的显热传热、层内空气向环境的热损失、空气流进流出干燥器相关的传热量以及收集到的太阳能热量之和。M_a和C_pa分别是空气的质量（kg）和比热（Jkg^-1K^-1），Mρ、ρ、Aρ、Dρ和Tρ分别是物料的质量（kg）、密度（kgm^-3）、面积（m²）、厚度（m）、温度和比热（Jkg^-1K^-1）。α_f、A_f和T_f为地板的吸收率、面积和温度，V_in和V_out分别是入口和出口的体积流量（m³s^-1），T_in和T_out分别为入口和出口的温度（K），F_p是入射到物料的太阳辐射分数。

图9.15 温室型太阳能干燥器地板储存的热量以及空气积累的水分

农作物产品的热能储存率等于农作物对流换热、农作物从盖板接收的辐射换热、农作物的显热和潜热散热以及农作物吸热的热流之和。在图9.14中，L为产品中水分蒸发的潜热（Jkg^-1）。地板的导热热流等于地板吸收太阳辐射的热流与空气和地板之间的对流换热热流之和。k_f是地板的导热系数（Wm^-1K^-1）。

在计算传入地板的导热热流时，假定某一深度的温度T∞不随季节变化。干燥器内空气中的水分累积变化率等于干燥器中水分的流入速率减去水分在出口的流出速率，再加上干燥器内农作物水分散失的速率。H表示湿度比，下标“in”和“out”分别表示干燥器入口和出口。从盖板到天空的辐射传热系数h_r，c-s由下式给出：

h_r，c-s=ε_cσ（T_c²+T_s²） （T_c+T_s）

式中，ε_c为盖板的发射率；σ是斯特潘-玻尔兹曼常数（Wm^-2K^-4）。农作物和盖板之间的有效辐射传热系数h_r，p-c由下式给出：

h_r，p-c=ε_pσ（T_p²+T_c²） （T_p+T_c）

式中，ε_p是农作物的发射率。h_r，c-s、h_r，p-c是温度的函数，这些参数可通过仿真过程每一时间步的迭代计算得出。天空温度T_s为

T_s=0.552T^1.5_am

由风引起的盖板与环境之间的有效对流换热系数h_w为

h_w=5.7+3.8V_w

温室型太阳能干燥器内盖板或农产品与地板表面的有效对流传热系数为

式中，，其中W和D分别是干燥器的宽度和高度（m）。努赛尔数为Nu=0.0158Re^0.8，Re为雷诺数，，其中V_a是干燥器内的空气流速，v_a是空气的运动黏度。温室型干燥器的总热损失系数为

式中，k_c和δ_c分别是盖板的导热系数（Wm^-1K^-1）和厚度（m）。

根据特定农作物的实验结果，可得到薄层干燥的最佳拟合关联式为

式中，M（t）、M_o和M_e分别是t时刻、初始时刻和平衡时刻的水分含量（以干球温度下的百分比表示）；X、Y和Z是常数。X、Y、Z的值随农作物以及干燥前农作物处理方法的不同而变化。