好文分享丨《Renewable Energy》高效模拟主动太阳能干燥器中的苦瓜干燥：一种最先进的模型

RESEARCH丨文献赏析

tutor to reading丨导读

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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120434

题目：高效模拟主动太阳能干燥器中的苦瓜干燥：一种最先进的模型。

关键词：温室干燥机；苦瓜片；有限元模型；二氧化碳排放；㶲；能量。

Chinese Abstract丨中文摘要

温室干燥系统不仅能用于干燥农产品，还可在低温条件下借助温室结构实现热干燥。本文采用实验与模拟相结合的方式，对一种主动太阳能温室干燥器的干燥性能进行评估，其中模拟过程运用了COMSOL Multiphysics 软件。

实验所使用的是一款基于热存储的紧凑型温室干燥器，其尺寸为1.5米×1.0米×0.5米，配备有黑色砾石覆盖的铝制外壳，底部放置35公斤石蜡以起到保温作用。该实验在印度兰契（地理坐标23.34°N, 85.30°E）进行，时间为五月的晴朗天气。实验期间，全球太阳辐射在630W/m²到1052W/m²之间波动，平均值为936W/m²；环境空气温度处于30.2°C至38.2°C之间；空气相对湿度在31.6%到34.6%区间；风速则在0.9m/s至1.0m/s之间。研究人员每小时对干燥器内部的温度、湿度、风速和地板温度进行测量，这些参数的平均值分别为59.1°C、30.2%、0.91m/s和69.1°C。

有限元建模结果显示，在13:00时，干燥产品、地板和干燥器出口的最高温度分别为55.3°C、72.4°C和67.4°C。该干燥器的成本为19633.50 印度卢比，隐含能量为1358.01kW・h，盈亏平衡期为1.87年，寿命为35年。在其使用寿命内，净CO₂排放量为21.45吨，可获得的碳信用额度在1505.01到30030.00印度卢比之间。此外，该干燥器的干燥效率达42.52%，能在连续五小时内将农产品初始水分含量从88.64%降至2.28%，能量效率和㶲效率分别为61.84%和56%。

Thesis Illustrated丨论文图鉴

Main findings丨主要结论

本研究构建了一个专门用于探究主动温室干燥器对苦瓜片干燥性能影响的有限元模型。该模型运用有限元方法，对干燥过程中描述能量与质量传递的偏微分方程进行求解。而三维模型能够将苦瓜样品内部的温度和湿度分布以可视化形式呈现，这为深入了解干燥过程提供了很大的便利。

结论中的关键信息如下：在模型构建方面，采用小尺寸的拉格朗日三角形有限元和四阶几何形状，有效保障了模拟结果的准确性。同时，对干燥过程中湿度含量的动态变化进行了监测。研究结果显示，该系统可实现有效的加热和干燥条件，预测干燥产品的最高温度达到55.3°C，干燥器底部的温度为72.4°C。在能耗与成本上，操作该系统所需的总能量为1358.01千瓦时，制造成本为19,633.50 印度卢比（折合236.45美元）。从经济分析来讲，盈亏平衡分析表明，当最低生产水平达到192.30公斤时，可实现37%的净利润率，盈亏平衡期为1.87年。在性能参数方面，计算得出干燥效率为42.52%，干燥室内的相对湿度最低降至 31.6%，能量效率和㶲效率分别为61.84%和56%。另外，通过与实验数据对比，验证了该模型的准确性，也进一步确认了其可靠性。

Summary of expectations丨总结展望

在创新层面，本文展现出多维度的突破。其一，在系统设计上颇具新意，将温室干燥系统与主动太阳能干燥技术相融合，同时引入石蜡等热存储材料及热交换器，构建出高效的苦瓜干燥系统。这一设计有效改善了传统太阳能干燥在效率及环境依赖性上的不足。其二，采用有限元方法对干燥过程开展细致的数值模拟，并结合实验数据加以验证，这种数值模拟与实验验证相结合的方式，能让人深入了解温度和湿度的分布情况，为干燥系统设计与运行的优化提供有力支撑。其三，实现了多参数优化，除干燥温度和湿度外，还全面分析干燥效率、能量和焓效率、CO₂排放等参数，从多个维度对系统的性能与可持续性进行评估。

但是该研究存在一些局限。一方面，环境条件对系统仍有影响，尽管主动温室干燥系统在设计上降低了部分环境依赖性，但太阳辐射强度、环境温湿度等因素仍会制约其性能，尤其在低辐射、高湿度环境下，系统表现可能不佳。另一方面，成本问题较为突出，虽然系统初始成本和投资回报期较短，但制造、维护成本偏高，且热存储材料及复杂系统集成进一步增加了成本，这可能限制其在小规模农户中的普及。此外，长期性能与耐久性有待验证，尽管研究称系统寿命为 35年，但在不同气候条件下的实际长期表现还需进一步考察。

对于未来研究，可从多个方向推进。在材料方面，需研发热效率更高、耐久性更强的热存储材料，探索纳米材料或复合材料在热存储中的应用，以降低成本并提升干燥效率。系统集成与自动化领域，可引入物联网技术，借助传感器网络和数据分析实现干燥过程的实时监控与自动化控制，提高系统智能化水平。应用范围上，可尝试将该干燥系统用于水果、蔬菜、草药及工业废料等其他农产品或工业材料的干燥处理，拓展其应用场景，增强经济性与社会效益。能源管理方面，研究太阳能干燥系统与风能、地热能等其他可再生能源的综合利用，实现能源高效管理，减少碳足迹和环境影响。同时，还要增强系统的环境适应性，设计出能在低温、高湿度、高海拔等不同环境条件下稳定高效运行的系统，提升其适用性和市场竞争力。

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