借助传热模拟设计太阳能食品干燥机

Brianne Christopher 2016年 1月 6日

农产品受到污染后会变为食物垃圾,这已成为全球农业正在面临的一个迫切问题。太阳能干燥机是水果及蔬菜的储藏方法之一,但这类设备首先要正常运行才能维持设备效率。我们可以借助传热仿真来分析太阳能食品干燥机的设计,找出合适的制造材料,包括用于储存太阳能的相变材料 (PCM) 。我们今天将讨论有关太阳能干燥机的仿真研究,仿真目的是优化设计并实现高效的食物存储。

一种自然的食物储存方法

农业工作者一般会通过脱水处理去除新鲜农产品中的水分,借以抑制酵母、霉菌和细菌的滋生。通过室外干燥(晒干)来晾干鱼和肉类以便延长其储存期,是人们自古以来一直在沿用的保存方法。顾名思义,采用这一方法时,我们只需把食物放在太阳下晒干就好,比如葡萄干和梅子干的加工等。

晒干过程。
晒干,图片为 ArianeCCM 自行拍摄。 已获 CC BY-SA 3.0 授权,并通过 Wikimedia Commons 分享。

晒干是一种简单低成本的自然存储方法,但在晒干期间,食物仍可能被污染并被害虫和动物破坏。此外,我们必须全程监控这些食物,以防它们受到雨水的侵蚀。

晒干中最严重的问题是太阳落山后的情况。因为太阳的发热并不持续,所以干燥过程会在夜间停止。加热和冷却的交替使我们无法妥善保存食物,食物最终可能会因此而发生腐坏或污染。食物干燥方法还包括电脱水和冷冻干燥。但这些方法也存在一些缺点,比如干燥过程中的能效很低,而且成本很高。

晒干为所有这些问题的补救方法。太阳能干燥机会为食物提供一个结构式庇护所,使其免受动物和其他环境条件的破坏,因此减少了对持续监控的需求。干燥机利用相变材料 (PCM) 工作,通过太阳热能实现设备加热。当 PCM 材料持续从固体转化为液体再到气体时,它们会储存并释放热能,同时保持一个近似恒定的温度。

PCM 可以提供短期的热能,因此可以在太阳能干燥机内高效工作。此外,各类 PCM 只需要很小的表面积,所以非常适合小型太阳能干燥机,实现了少量食物的存储。尽管我们有多种 PCM 材料,但并没有哪一种可以完美应用于所有应用领域。因此设计难点是:找出适用于具体太阳能食品干燥机设计的 PCM 类型。为了解决该问题,美国农业部健康食品加工研究中心的研究人员用到了 COMSOL Multiphysics 的传热模拟功能。

研究有效太阳能干燥机中的相变材料

研究团队为一个 40.6 x 43.1 x 50.8 cm 的柜子开发了简单模型几何,柜子由低成本的铝材料制造。箱子上方使用透明亚克力材料,支持太阳光射入。COMSOL Multiphysics 的材料库中包括这两种制造材料的参数。研究人员使用空气作为传热流体,并使用外部辐射力描述太阳。亚克力材料的光学参数(太阳光吸收率和表面发射率)将随具体分析变化,但仿真中使用的其他材料属性均保持不变。

太阳能干燥机的几何示意图。
太阳能干燥机的基本几何。

研究人员从加利福尼亚州奥尔巴尼市的历史天气预报中随机选择了一天,将其作为仿真的温度曲线。为了求解太阳能干燥机中的传导和辐射,研究人员用到了传热模块中的表面对表面辐射。如前所述,他们针对三个不同的研究更改了光学参数,分别用到了原始一半/一半亚克力材料,并记录了 9:00、12:00 和 18:00 的温度曲线。

太阳能食品干燥机的温度曲线。
各类亚克力材料的温度曲线。从上向下分别为:原始 (O)、一半/一半 (H) 和反 (R)。

结果显示使用反亚克力材料的柜子内的温度最高,为 330 K (57°C),其中太阳光吸收率为 0.8,表面发射率为 0.2。团队据此确定了最适合用于太阳能干燥机的亚力克类型。还应注意的是,博客中介绍的太阳能干燥机适用于不高于 57°C 的条件下进行隔夜干燥的食物。对其他农产品而言,它可能并非最优选择。

由于找出了太阳能干燥机的峰值温度,研究人员能够进一步评估太阳能干燥机中适用的 PCM 材料。为太阳能干燥机选择适合的 PCM 时,团队还考虑到了空间因素。潜热 PCM 的表面积更小,这会是不错的设计选择,因为与储热 PCM 相比,它可以提供更多的食品干燥空间。转变温度较低的芒硝和石蜡就是可以用于太阳能干燥机的潜热类 PCM。

传热模拟对太阳能干燥机设计的影响

借助 COMSOL Multiphysics 的传热模拟功能,美国农业部的研究人员分析并优化了太阳能食品干燥机的设计参数,希望能最充分地利用其中的 PCM。仿真结果有助于他们确定适用于特定干燥机配置的 PCM。

通过设计出更高效的太阳能干燥机,我们可以提升新鲜农产品的储存效率,从而更好地解决全球食物浪费问题。正如本篇博客所分享的,仿真可以成为加速该过程的强大工具。

扩展阅读

研究人员在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站展示了该研究,如希望了解更多相关信息,您可以


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