УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ Российский патент 1998 года по МПК A24B3/04 F26B3/28 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к устройствам для сушки, и может быть использовано в установках для сушки различных продуктов, веществ, предметов и т.п. с использованием в качестве дополнительного источника энергии солнечного излучения.

Известны устройства для сушки, содержащие сушильную камеру, теплогенератор и систему вентиляции [1] авт. св. N 1447339, кл. A 24 B 3/04, 1988 и др.

Недостатком таких устройств является повышенные энергозатраты на проведение процесса сушки.

Известна экспериментальная камера для сушки табака с использованием солнечной энергии, включающая камеру, систему обогрева в виде электронагревателя, систему вентиляции, состоящую из вентилятора и соединительных воздуховодов, и солнечных воздушных нагревателей [2]
Недостатком приведенного устройства является низкая доля использования солнечной энергии относительно общего количества энергии, затрачиваемой для сушки.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

Поставленная цель увеличение доли солнечной энергии в общем количестве используемой для сушки энергии и снижение энергозатрат на процесс сушки достигается тем, что солнечные панели установлены на наружной поверхности сушильной камеры, обеспечивая передачу тепла непосредственно через конструкцию сушильной камеры, при этом теплоприемник каждой солнечной панели установлен от светопрозрачной перегородки на расстоянии δ₁ которое определено из соотношения
где F площадь поверхности солнечной панели, м²;
П периметр солнечной панели, м;
а относительно наружной поверхности сушильной камеры теплоприемник установлен на расстоянии δ₂ не более 8 мм.

Установка солнечных панелей на наружную поверхность сушильной камеры одновременно увеличивает термическое сопротивление камеры, т.к. воздушные зазоры между элементами солнечной панели являются отличными теплоизоляторами и значительно снижают потери тепла в окружающую среду при отсутствии солнечного излучения. Поэтому в отличие от ближайшего аналога солнечные панели в предложенном техническом решении эффективно работают не только при освещении Солнцем, но и в темное время суток, т.е. круглосуточно.

Оптимальные размеры установки элементов солнечной панели относительно друг друга и наружной поверхности сушильной камеры обеспечивают максимальный тепловой поток к наружной поверхности сушильной камеры и минимальные потери тепла в окружающую среду.

Так, расстояние между светопрозрачной перегородкой (стеклом) и теплоприемником δ₁ определяется исходя из условия обеспечения минимальных потерь тепла в окружающую среду.

Основные потери поглощенного теплоприемником теплового потока солнечной излучения в окружающую среду определяются теплопроводимостью и конвекцией воздуха между теплоприемником и светопрозрачной перегородкой с одной стороны и теплоприемником и боковыми стенками солнечной панели с другой стороны. Следует отметить, что наличие у солнечной панели боковых стенок и наличие зазоров между боковыми стенками соседних панелей вызвано технологическими причинами для возможности и удобства монтажа и эксплуатации солнечных панелей.

Коэффициент теплопередачи в зазоре между теплоприемником и светопрозрачной перегородкой пропорционален 1/δ0,11

где δ₁ величина зазора, а между теплоприемником и боковой стенкой пропорционален 1/(δ₁/2)^0,1
С ростом зазора потери тепла между теплоприемником и светопрозрачной перегородкой уменьшаются, а между теплоприемником и боковой стенкой растут за счет увеличения площади поверхности боковой стенки.

Принимая температуру светопрозрачной перегородки и боковой стенки одинаковыми, потери тепла теплопроводимостью и конвекцией в зазоре δ₁ можно записать в виде

где Q потери тепла от теплоприемника в окружающую среду теплопроводимостью и конвекцией, ВТ;
A коэффициент пропорциональности, Вт/м^1,9;
F площадь поверхности панели теплоприемника, м²;
П периметр панели теплоприемника, м.

После дифференцирования выражения (1) по δ₁ и приравнивания его нулю получаем формулу для нахождения оптимального значения зазора δ₁ (в данном случае оптимум минимум функции):

Изобретение поясняется фиг.1,2 и 3.

График изменения функции Q от δ₁ приведен на фиг.1.

Другой зазор δ₂ между теплоприемником и наружной поверхностью сушильной камеры определен с учетом возможного состояния наружной поверхности камеры и превалирующего направления теплового потока через этот зазор к сушильной камере.

При значении зазора δ₂ от 0 до 8 мм между наружной поверхностью сушильной камеры и теплоприемником теплообмен в зазоре осуществляется только теплопроводимостью, а конвекция отсутствует. Это следует из известной критериальной формулы
Gr•Pr ≤ 1000, (3)
где Pr критерий Прандтля;
Gr критерий Грасгофа,

где b температурный коэффициент объемного расширения, 1/^oC;
g ускорение свободного падения, м/с²;
Dt перепад температур между теплоприемником и наружной поверхностью сушильной камеры, ^oC;
ν кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Для минимальной температуры сушки с обогревом (≈30^oC) и максимальной среднесуточной адиабатической температуры теплоприемника (≈60^oC) зазор d₂ по формуле (3) равен 8 мм.

При 0<δ₂ <8 мм величина зазора не влияет на значение тепловых потерь, т. к. с увеличением зазора в указанном диапазоне пропорционально увеличивается площадь поверхности боковой стенки и одновременно также увеличивается расстояние теплопередачи от теплоприемника к боковой стенке

где Q потери тепла через боковую стенку солнечной панели, Вт;
B коэффициент поверхности боковой стенки, Вт/м;
F площадь поверхности боковой стенки, м²;
П периметр панели теплоприеника, м.

При значении зазора δ₂ свыше 8 мм между наружной поверхностью сушильной камеры и теплоприемником теплообмен осуществляется не только теплопроводимостью, но и конвекцией. При этом тепловые потери через боковые стенки солнечной панели с увеличением зазора δ₂ начинают расти и их можно определить по формуле

где Q потери тепла через боковую стенку солнечной панели, Вт;
C коэффициент пропорциональности, Вт/м^1,9;
П периметр панели теплоприемника, м.

При δ₂0 потери тепла через боковую стенку отсутствуют.

График изменения функции Q от δ₂ приведен на фиг.2.

Таким образом, из представленных материалов следует, что при установке солнечных панелей (безрасходных воздушных солнечных нагревателей) на наружной поверхности сушильной камеры с оптимальными зазорами между теплоприемником и светопрозрачной перегородкой и δ₂ ≤8 мм между теплоприемником и наружной поверхностью сушильной камеры обеспечено максимальное использование солнечной энергии при минимальных потерях тепла в окружающую среду.

При заполнении высушиваемым материалом сушильной камеры не только в ограниченном стенами объеме, но и под крышей (для полного использования объема сушильной камеры), на которой установлены предложенные солнечные панели, возникает значительный тепловой поток сверху. Поэтому в верхней части сушильной камеры (под крышей) может произойти ограничение конвекции, следствием чего будет перегрев расположенного в этом месте высушиваемого материала.

Результаты проведенных расчетов и экспериментов показывают, что при применении солнечных панелей с указанными признаками для условий прямого солнечного облучения температура теплоприемника достигает 200^oC.

В связи с тем, что крыша располагается под некоторым углом к горизонту и поэтому лучше освещается солнцем, а конструкция крыши обладает большей теплопроводностью и значительно меньшей теплоинерционностью по сравнению со стенами камерамы, установка солнечных панелей на крышах сушильных камер приводит к существенному росту температур теплоприемника и соответственно конструкции крыши.

Поэтому для сушильной камеры, в которой сырье необходимо сушить с температурой ниже получаемой температуры крыши, во избежание перегрева верхних слоев сырья солнечные панели на крыше установлены выше верхнего уровня высушиваемого сырья.

Необорудованная солнечными панелями часть поверхности крыши теплоизолирована с целью уменьшения потерь тепла в окружающую среду и избежания конденсации влаги, образующейся при сушке сырья. В качестве теплоизоляции, установленной на крыше, как правило, применяется теплоизоляция, соответствующая данным условиям эксплуатации.

Сущность предложенного технического решения поясняется фиг.3, на которой показана схема устройства для сушки.

Предложенное устройство для сушки содержит сушильную камеру, состоящую из стен 1 и крышки 2, систему трубоогневого обогрева 3, включающую печь и трубопроводы топочных газов, систему естественной вентиляции 4, состоящую из вентиляционных отверстий, расположенных в нижней части стен и на крыше. Типовая солнечная панель, установленная на наружной поверхности стен и крыши, состоит из светопрозрачной перегородки 5, установленной с зазором δ₁ относительно теплоприемника 6, который в свою очередь установлен с зазором δ₂ относительно наружной поверхности стен и крыши и боковых стенок 7. На части поверхности крыши ниже верхнего уровня высушиваемого сырья 8 установлена теплоизоляция 9.

Работает предложенное устройство следующим образом.

Под воздействием солнечного излучения теплоприемники солнечных панелей нагреваются и тепло от них передается излучением и теплопроводностью стенам и крыше сушильной камеры, внутри которой при работе системы трубоогневого обогрева и системы вентиляции сырье подвергается процессу сушки. При снижении и отсутствии (ночью) теплового потока от Солнца солнечные панели работают как теплоизоляторы и благодаря предложенным воздушным зазорам δ₁ и δ₂ обеспечивают минимальные потери тепла в окружающую среду.

Авторами выпущена конструкторская документация на модернизацию в части использования солнечной энергии типовой сушильной камеры для южных районов, включающая все существенные признаки предложенного технического решения.

Солнечные панели в количестве 120 шт установлены на наружной поверхности сушильной камеры и имеют каждая размеры в плане 1000 х 1000 мм. Зазор между светопрозрачной перегородкой и теплоприемником, определенный по формуле (2), равен 25 мм, а зазор между теплоприемником и наружной поверхностью стен и крыши равен 7 мм.

Солнечные панели на крыше сушильной камеры расположены выше верхнего уровня, размещенного для сушки листового табака, а на остальной части поверхности крыши установлена теплоизоляция.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в большей доле использования солнечной энергии для сушки по сравнению с ближайшим аналогом и экономией энергозатрат на процесс сушки, полученной путем сокращения потерь тепла через конструкцию сушильной камеры.

Дополнительные преимущества предложенного технического решения по сравнению с ближайшим аналогом заключаются в том, что
не требуется дополнительная энергия на прокачку воздуха через солнечные нагреватели, т.к. солнечные панели выполнены безрасходными;
сокращаются потери тепла в окружающую среду через светопрозрачную перегородку в связи с резким уменьшением конвекции к светопрозрачной перегородке;
отсутствуют потери тепла через тыльную сторону солнечных нагревателей, т. к. тепло от теплоприемников непосредственно передается наружной поверхности сушильной камеры;
отсутствуют потери тепла в воздуховодах (т.к. их нет).

Результаты проведенных расчетов показывают, что
для ближайшего аналога доля солнечной энергии относительно общего количества энергии, использованного для сушки, составляет около 5% при сушке 1200 кг зеленого табака с использованием солнечных воздушных нагревателей полезной площадью 30 м²;
для предложенного технического решения доля солнечной энергии составляет 37% при сушке 3800 кг зеленого табака с использованием солнечных панелей общей полезной площадью 120 м².

Если ввести комплексный показатель эффективности K, характеризующий прототип и изобретение, в виде:

где m_т масса загружаемого зеленого табака, кг;
η доля солнечной энергии относительно общего количества энергии на сушку;
F площадь солнечных нагревателей (панелей), м², то получим для ближайшего аналога K_ан=2, а для предложения K_пр=11,7.

Таким образом, положительный эффект предложенного технического решения по сравнению с ближайшим аналогом существенно выше.

Использование: в сельском хозяйстве, а именно в установках для сушки различных продуктов, веществ, предметов и т.п. с использованием солнечного излучения как дополнительного источника энергии. Сущность изобретения: устройство для сушки содержит камеру для сушки, систему вентиляции, систему обогрева и солнечные воздушные нагреватели, выполненные в виде безрасходных солнечных панелей, установленных на наружной поверхности сушильной камеры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для сушки, содержащее сушильную камеру, систему обогрева, систему вентиляции и солнечные воздушные нагреватели, выполненные в виде солнечных панелей, состоящих из светопрозрачной перегородки и теплоприемника, отличающееся тем, что солнечные панели установлены на наружной поверхности сушильной камеры, при этом теплоприемник каждой солнечной панели установлен от светопрозрачной перегородки на расстоянии δ₁, которое определено из соотношения

где F площадь поверхности солнечной панели, м²;
П периметр солнечной панели, м,
а относительно наружной поверхности сушильной камеры теплоприемник установлен на расстоянии δ₂ не более 8 мм. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на крыше сушильной камеры солнечные панели установлены выше верхнего уровня высушиваемого материала, а необорудованная солнечными панелями часть поверхности крыши теплоизолирована.