太陽能食品乾燥機的設計
農產品受到污染後會變為食物垃圾,這已成為全球農業正在面臨的一個迫切問題。太陽能幹燥機是水果及蔬菜的儲藏方法之一,但這類設備首先要正常運行才能維持設備效率。我們可以藉助傳熱模擬來分析太陽能食品乾燥機的設計,找出合適的製造材料,包括用於儲存太陽能的相變材料 (PCM) 。我們今天將討論有關太陽能幹燥機的模擬研究,模擬目的是優化設計並實現高效的食物存儲。
一種自然的食物儲存方法
農業工作者一般會通過脫水處理去除新鮮農產品中的水分,藉以抑制酵母、黴菌和細菌的滋生。通過室外乾燥(晒乾)來晾乾魚和肉類以便延長其儲存期,是人們自古以來一直在沿用的保存方法。顧名思義,採用這一方法時,我們只需把食物放在太陽下晒乾就好,比如葡萄乾和梅子乾的加工等。
晒乾,圖片為 ArianeCCM 自行拍攝。 已獲 CC BY-SA 3.0 授權,並通過 Wikimedia Commons 分享。
晒乾是一種簡單低成本的自然存儲方法,但在晒乾期間,食物仍可能被污染並被害蟲和動物破壞。此外,我們必須全程監控這些食物,以防它們受到雨水的侵蝕。
晒乾中最嚴重的問題是太陽落山後的情況。因為太陽的發熱並不持續,所以乾燥過程會在夜間停止。加熱和冷卻的交替使我們無法妥善保存食物,食物最終可能會因此而發生腐壞或污染。食物乾燥方法還包括電脫水和冷凍乾燥。但這些方法也存在一些缺點,比如乾燥過程中的能效很低,而且成本很高。
晒乾為所有這些問題的補救方法。太陽能幹燥機會為食物提供一個結構式庇護所,使其免受動物和其他環境條件的破壞,因此減少了對持續監控的需求。乾燥機利用相變材料 (PCM) 工作,通過太陽熱能實現設備加熱。當 PCM 材料持續從固體轉化為液體再到氣體時,它們會儲存並釋放熱能,同時保持一個近似恆定的溫度。
PCM 可以提供短期的熱能,因此可以在太陽能幹燥機內高效工作。此外,各類 PCM 只需要很小的表面積,所以非常適合小型太陽能幹燥機,實現了少量食物的存儲。儘管我們有多種 PCM 材料,但並沒有哪一種可以完美應用於所有應用領域。因此設計難點是:找出適用於具體太陽能食品乾燥機設計的 PCM 類型。為了解決該問題,美國農業部健康食品加工研究中心的研究人員用到了 COMSOL Multiphysics 的傳熱模擬功能。
研究有效太陽能幹燥機中的相變材料
研究團隊為一個 40.6 x 43.1 x 50.8 cm 的柜子開發了簡單模型幾何,柜子由低成本的鋁材料製造。箱子上方使用透明亞克力材料,支持太陽光射入。COMSOL Multiphysics 的材料庫中包括這兩種製造材料的參數。研究人員使用空氣作為傳熱流體,並使用外部輻射力描述太陽。亞克力材料的光學參數(太陽光吸收率和表面發射率)將隨具體分析變化,但模擬中使用的其他材料屬性均保持不變。
太陽能幹燥機的基本幾何。
研究人員從加利福尼亞州奧爾巴尼市的歷史天氣預報中隨機選擇了一天,將其作為模擬的溫度曲線。為了求解太陽能幹燥機中的傳導和輻射,研究人員用到了傳熱模塊中的表面對錶面輻射。如前所述,他們針對三個不同的研究更改了光學參數,分別用到了原始、一半/一半、反亞克力材料,並記錄了 9:00、12:00 和 18:00 的溫度曲線。
各類亞克力材料的溫度曲線。從上向下分別為:原始 (O)、一半/一半 (H) 和反 (R)。
結果顯示使用反亞克力材料的柜子內的溫度最高,為 330 K (57°C),其中太陽光吸收率為 0.8,表面發射率為 0.2。團隊據此確定了最適合用於太陽能幹燥機的亞力克類型。還應注意的是,博客中介紹的太陽能幹燥機適用於不高於 57°C 的條件下進行隔夜乾燥的食物。對其他農產品而言,它可能並非最優選擇。
由於找出了太陽能幹燥機的峰值溫度,研究人員能夠進一步評估太陽能幹燥機中適用的 PCM 材料。為太陽能幹燥機選擇適合的 PCM 時,團隊還考慮到了空間因素。潛熱 PCM 的表面積更小,這會是不錯的設計選擇,因為與儲熱 PCM 相比,它可以提供更多的食品乾燥空間。轉變溫度較低的芒硝和石蠟就是可以用於太陽能幹燥機的潛熱類 PCM。
傳熱模擬對太陽能幹燥機設計的影響
藉助 COMSOL Multiphysics 的傳熱模擬功能,美國農業部的研究人員分析並優化了太陽能食品乾燥機的設計參數,希望能最充分地利用其中的 PCM。模擬結果有助於他們確定適用於特定乾燥機配置的 PCM。
通過設計出更高效的太陽能幹燥機,我們可以提升新鮮農產品的儲存效率,從而更好地解決全球食物浪費問題。正如本篇博客所分享的,模擬可以成為加速該過程的強大工具。
擴展閱讀
研究人員在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站展示了該研究,如希望了解更多相關信息,您可以
- 閱讀完整論文: 「設計可 24 小時使用的太陽熱能食物乾燥機「
- 瀏覽海報作品:」設計可 24 小時使用的太陽熱能食物乾燥機「
- 經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/,原作者 Brianne Costa。
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