双通道吸热器多盘式太阳能干燥系统的热-?优化与局部温度场行为

《Journal of Stored Products Research》：Thermo-exergetic optimization and local temperature field behavior in multi-tray solar drying systems with double-pass absorbers

　　

• 计算流体力学（CFD）研究评估了赤道气候条件下多层架太阳能干燥机的设计方案。
• 设计1实现了96%的最高热效率和3.12%的?效率。
• 双吸收体结构将全球可持续性指数最大化至1.032。
• 双程集热器有效缓解了底层干燥架的关键冷点问题（300.4–303.8 K）。
• 设计3在下层干燥床上出现严重温降，温度低至293.1 K。

引言

全球人口的持续增长与气候变化模式的转变，对收获后粮食安全构成了严重威胁，尤其是在发展中国家和热带地区。据联合国粮食及农业组织（FAO）报告，由于保存技术不当（如传统露天日晒干燥），收获后损失十分严重（FAO F. 粮食及农业组织，2015）。虽然露天日晒干燥应用广泛，但农产品暴露于灰尘、恶劣天气变化、鼠害和真菌污染中，常导致有毒霉菌滋生和严重的营养损失。在此背景下，太阳能干燥技术作为一种清洁、可持续且经济可行的替代方案应运而生，既能减少收获后浪费，又能保持食品质量。

太阳能干燥机大致可分为直接式、间接式、温室式、混合式和混模式结构。其中，间接式太阳能干燥机对热敏作物尤为有利，因为它能使农产品免受直接紫外线照射。然而，传统的间接式多层架设计常受内部性能瓶颈制约，包括气流分布不均匀、局部热死区和干燥室内过度的?损失。为克服这些局限，近期研究探索了多种优化技术，如引入显热和潜热储能材料（Mehla和Kumar，2021；Abi Mathew和Thangavel，2021；Kalaiarasi等，2020）、开发太阳能-生物质混合系统（Engola等，2023）以及应用人工智能实现智能运行控制（Moheno-Barrueta等，2021；Karaa?a?等，2021；Bakhshipour等，2021）。此外，创新的太阳能干燥机将光伏热单元与热电发电机相结合，既能同时发电又提供高品质热能，从而加速作物水分去除并提高整体能源利用效率（Singh等，2024）。类似地，紧凑型光伏热集热器利用通道型吸收体进行了数值研究，以优化流体流动动力学、提高传热速率，并在发电的同时提供均匀的热分布（Podder等，2023）。同时，被动式温室干燥结构通过在整个干燥机底部集成低成本的天然岩石显热存储床得到了改进。该方法提高了内部空气热能，稳定了舱内温度波动，并降低了相对湿度，为食品保存提供了传统地面涂层之外的经济替代方案（Kashyap等，2024）。此外，最近的综合评述总结了2017年以来太阳能干燥技术的进展，评估了不同干燥机配置和加热集成方式的理论、实验和数值研究（Chanda等，2023）。他们系统分析了设计改良，如优化架板排列、增强吸热的表面涂层和热能储存系统，以克服运行瓶颈。此外，这些评估强调了传热强化技术的影响，包括翅片表面和辅助热储存，以指导高性能农业干燥机的开发。

太阳能干燥过程的优化依赖于多种技术手段，旨在最大化热力学效率、环境可持续性和干燥产品质量（Elwakeel等，2025a, 2025b, 2025c, 2025d, 2026a, 2026b, 2026c, 2026d, 2026e, 2026f；Ghanem等，2025；Khater等，2025a, 2025b, 2026；Alsakran等，2025；El-Mesery等，2025；Metwally等，2026；Elwakeel和El-Beltagi，2026；Adeleke等，2023）。与露天日晒相比，混合式太阳能干燥系统和光伏辅助技术大幅缩短了干燥时间并降低了能耗，同时提供了增强的热能和气流调节能力（Elwakeel等，2025a, 2025c, 2025d, 2026a, 2026b, 2026d, 2026e；Elwakeel和El-Beltagi，2026）。集成智能控制器、自动化系统和物联网技术，基于实时温度、湿度和工艺参数监测，实现自然对流与强制对流之间的无缝切换，从而消除产品过度干燥、变质和质量下降问题（Elwakeel等，2025b, 2026b, 2026c, 2026f；Khater等，2026；Elwakeel和El-Beltagi，2026；Adeleke等，2023）。此外，实施多温度脉冲干燥策略并结合空气循环和优化的架板摆放位置，可加速水分提取、提高干燥均匀性并优化干燥室内可用?的利用（Elwakeel等，2026a, 2026d, 2026e；Khater等，2026）。?和环境分析表明，虽然太阳能集热器存在大量?损失，但干燥室表现出较高的热力学转换性能，确保了较高的可持续性指标、有利的环境影响指标和显著的温室气体减排（Elwakeel等，2025a, 2025b, 2025c, 2026a, 2026b, 2026e；Alsakran等，2025；Elwakeel和El-Beltagi，2026）。在经济方面，这些创新的太阳能装置投资回收期短、效益成本比高，并能产生可观的运行成本节约（Elwakeel等，2025c, 2025d, 2026c, 2026d；Metwally等，2026；Elwakeel和El-Beltagi，2026）。此外，将计算流体力学与数学动力学建模相结合，提供了关于气流分布、温度场和速度剖面的更深入见解，并确定了最适合干燥农产品、芳香叶、药用植物和工业副产品的理论模型（Elwakeel等，2025b, 2025d, 2026c, 2026d, 2026f；Ghanem等，2025；Khater等，2025a, 2025b；Alsakran等，2025；El-Mesery等，2025；Metwally等，2026）。最后，结合辅助热源、太阳跟踪机构、多面反射集热器或微波加热技术，可在天气波动条件下维持稳定运行状态，增强了太阳能干燥机在农畜产品可持续保存和储存稳定性方面的潜力（Ghanem等，2025；Khater等，2025a, 2026；Alsakran等，2025；El-Mesery等，2025；Metwally等，2026；Elwakeel和El-Beltagi，2026；Elwakeel等，2026f）。

与此同时，计算流体力学（CFD）和数值建模已成为可视化内部空气动力结构、热梯度和质量传递动力学的不可或缺工具，而这些方面仅通过物理实验很难捕捉。先前的数值研究探讨了各种几何增强措施以提升集热器性能。例如，Sanghi等对太阳能辅助谷物干燥机进行了建模（Sanghi等，2018），Chavan等利用CFD优化了新型太阳能谷物干燥机中的热空气循环速率（Chavan等，2021）。Ambesange和Kusekar对干燥风道中的流量进行了评估（Ambesange和Kusekar，2017）。表1总结了强调用于优化间接式太阳能干燥机的各种CFD方法的近期文献。

尽管有这些有价值的贡献，对近期文献的比较综述揭示了三个关键的研究空白：

• 缺乏集热器-架板耦合热环境建模：近期实验和数值研究主要关注高级混合系统或孤立的吸收体增强（如波纹几何形状和挡板），且主要报告的是全局舱室平均指标。因此，集热器设计对局部、逐架层面的热环境的直接结构影响——特别是空间温度梯度和局部冷点的形成——仍知之甚少；

• 赤道条件下缺乏综合的第二定律?分析：大多数CFD研究将评估局限于第一定律热效率。在赤道气候条件下，能够同时映射不同集热器结构下能量效率、?效率、?损失率和可持续性指数的综合热力学框架极为缺乏；

• 缺乏热力学与空间架级热环境权衡的同步优化：当前文献缺乏统一的参数评估，无法在不同入口流速条件下建立宏观热力学不可逆性与局部架级热环境参数之间的直接交叉关联。

为弥补这些根本性空白，本研究对赤道气候条件下运行的多层架间接式太阳能干燥机进行了综合热力学和二维CFD架级热环境评估。本研究的主要创新性和核心科学贡献在于：

• 多结构集热器对比评估：对三种不同的集热器和玻璃配置——双吸收体双玻璃单元、单吸收体双玻璃单元和单吸收体单玻璃单元——进行了系统的CFD性能评估，将集热器几何结构与内部舱室空气动力学直接关联；

• 宏观热力学与微观空间统一框架：将宏观第二定律热力学指标与各个干燥架的详细空间温度和气流分布同时耦合，识别局部热死区和?损失热点；

• 架级热环境均匀化与冷点缓解：参数化流速优化旨在消除底层干燥架的关键冷点，从而建立定量工程指南以实现均匀的架级干燥和增强的热力学可持续性；

• 与仅关注全局集热器效率的传统研究不同，本研究将内部空气动力学改良直接与架级热环境均匀性联系起来。在所有干燥架上实现均匀温度分布对储存的农产品至关重要：它降低了局部干燥不足的风险，而局部干燥不足会促进微生物变坏和霉菌生长，同时防止过度干燥，从而保持产品质量并确保整批产品水分含量均匀。

本文余下部分结构如下：第2节（材料与方法）概述了三种太阳能干燥机配置的物理描述、代表雅温得地区的边界条件、COMSOL Multiphysics中的数值CFD设置以及热力学数学公式。第3节（结果与讨论）呈现了热效率和?效率、?损失率、可持续性指数的对比评估，以及各个干燥架的详细空间架级热环境分布。最后，第4节（结论）总结了主要发现并为优化的多层架太阳能干燥机的部署提出了实际工程建议。

物理系统描述、设计理念与结构创新

间接式太阳能干燥机的基本几何架构和尺寸确定基于文献中报道的标准热带农业干燥机的经验证物理基准。集热器面积和干燥舱体积的尺寸选择专门针对典型的中小型收获后批次加工需求，同时在赤道天气条件下保持有效的浮升和强制气流。

为应对系统性的热能和空气动力学问题……

结果与讨论

本节呈现了在喀麦隆雅温得热带气候条件下对三种间接式多层架太阳能干燥机配置（设计1、设计2和设计3）的对比热水力、热力学和架级热环境评估。通过COMSOL Multiphysics?获得的数值结果在两个互补尺度上进行系统分析：宏观热力学性能，由能量效率和?效率量化……?……

结论

本研究对赤道气候条件下运行的二维间接式强制对流多层架太阳能干燥机进行了数值热水力和?评估。三种太阳能集热器架构——设计1（双吸收体、双玻璃）、设计2（单吸收体、双玻璃）和设计3（单吸收体、单玻璃）——的流速分布、空间热均匀性和第二定律热力学指标进行了模拟和对比评估……

CRediT作者贡献声明

Pamela Donchi Aghogue：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查研究，形式分析，概念化。Pascalin Tiam Kapen：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。René Tchinda：写作——审阅与编辑，监督，项目……

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Pamela Donchi Aghogue | Pascalin Tiam Kapen | René Tchinda