通过CFD仿真对温室太阳能干燥系统进行4E分析及性能评估

《Journal of Stored Products Research》：4E analysis and performance evaluation of a greenhouse solar drying system through CFD simulation

　　• 对强制对流温室太阳能干燥器的实验和计算流体动力学（CFD）验证。• 一天内将香蕉的含水量从80%降低到13.9%（湿基）。• 达到34.35%的热效率和23.25的熵效率。• 在其使用寿命内实现2.05年的能源回收期和109.9吨的二氧化碳减排。• 声明。引言自古以来，保存水果和蔬菜在人类历史中扮演了至关重要的角色。几个世纪以来，人们一直使用太阳能来保存食物和各种农产品（Kumar和Prakassh，2019年）。根据联合国粮食及农业组织（2011年）的报告，全球每年约有13亿吨食物被浪费，这几乎占人类消费总量的三分之一。这些损失中的很大一部分发生在收获后阶段，原因是保存和储存方法不当。为了减少此类损失，干燥被认为是一种有效的保存技术，因为它可以降低水分含量，从而抑制微生物生长、酶活性以及由细菌和酵母引起的腐败（联合国粮食及农业组织，2011年）。为了最小化收获后的食品降解，干燥是通过减少水分含量来保存食品、防止细菌和酵母生长的最佳解决方案（Koli等人，2022年）。干燥是一种延长食品保存期限的过程（Kushagra Chawda，2021年）。干燥过程主要有两类：传统的露天晒干和控制系统。传统上，作物在晴朗的天空下直接暴露在阳光下进行干燥，这也被称为露天晒干（OSD），与使用传统能源产生的加热效果进行脱水相比，这是一种常见的经济作物保存方法，并在许多发展中国家广泛使用（Kushwah等人，2022年）。露天晒干方法存在一些局限性；由于干燥过程不受控制，鸟类和昆虫可能会损坏食品，恶劣的天气条件也可能对其质量产生负面影响。为了克服这些问题，可控干燥技术可以替代传统方法。温室干燥系统是一种有效的作物干燥技术，也适用于家禽和土壤太阳能化。进行了一项实验，使用该干燥系统将作物的含水量从85%降低到15%（Natarajan等人，2024年）。该系统采用透明或半透明材料制成的简化温室结构，利用温室效应保持热量。实施温室干燥系统有许多优点，包括与自然阳光相比干燥时间缩短50%，以及产品在颜色、口感和质地方面的质量提升（Kumar等人，2025a）-（Alfaifi等人，2026年）。总体而言，温室干燥器有五个主要类别，如图1所示（Daliran等人，2025年）。在发达国家，食品干燥约占工业能源总使用量的7%至15%，而在发展中国家则接近50%（Martynenko和Alves Vieira，2023年）。因此，通过高效方法减少干燥过程中的能源消耗至关重要。能源和熵分析为优化设计和操作条件提供了宝贵的见解，同时也便于对太阳能干燥系统进行经济和环境评估（Kushwah等人，2021a）。这些分析分别基于热力学的第一定律和第二定律。能源分析提供了对太阳能干燥器内可用能源的定性理解，而熵表示当干燥器与周围环境达到平衡时可以从热空气中提取的最大有用功。熵分析在系统中的主要目标是促进可持续发展（SD），通过评估能源质量、提高系统效率、确定最佳操作条件以及减少环境影响（Kumar Natarajan等人，2019年）。图2阐明了能源、熵及其环境影响之间的相互关系。许多研究人员对温室太阳能干燥器进行了能源和熵分析，以评估其性能、效率和环境影响（Elwakeel等人，2025a）。Elwakeel等人评估了一种脉冲多温度混合太阳能干燥器，用于干燥3毫米、5毫米和7毫米厚的橙子片。太阳能集热器的最大能量效率为58.22%，熵效率为21.49%，而干燥室的平均熵效率为53.6%，可持续性指数为2.9。基于熵的指标显示，集热器的热力学损失更大（WER = 0.90；EEF = 19.6），相比之下干燥室的损失较小（WER = 0.50；EEF = 1.2），这证明了脉冲干燥在提高热力学可持续性方面的有效性（Elwakeel等人）。Janjai等人开发了用于保存不同食品的温室太阳能干燥器（GSD），重点关注香蕉、辣椒和咖啡的大规模干燥。他们的结果显示，GSD可以在五天内有效干燥一公吨香蕉，在三天内干燥300公斤辣椒，在两天内干燥200公斤咖啡，展示了其用于大批量干燥的应用能力（Janjai等人，2008年）。Prakash和Kumar在印度博帕尔使用改进的主动模式温室干燥器（配备太阳能驱动的直流风扇）对番茄片进行了实验和数学分析。在测试的八种模型中，立方体模型表现最佳（R2 = 0.9985），在15小时内将水分含量从96%降低到9.09%，回收期为1.9年（Prakash和Kumar，2014年）。Singh和Gaur研究了带有真空管集热器（ETC）的混合温室太阳能干燥系统，用于干燥番茄、生姜和葫芦。他们以三种方式测试了干燥器：使用ETC、不使用ETC以及露天晒干。结果表明，使用ETC使干燥过程大大加快，干燥时间减少了6到13小时（Singh和Gaur，2021a）。Kushwah等人设计了一种热交换器真空管辅助干燥系统（HE-ETADS）用于蘑菇干燥，干燥时间缩短了60%，并与Midili-Kucuk模型的结果高度吻合（R2 = 0.99847）（Kushwah等人，2022年）。在后续研究中，Kushwah等人评估了不同流速下的ETC辅助干燥系统，实现了79.56°C的最高空气温度，并提高了干燥效率和产品质量（Kushwah等人，2021a）。Elwakeel等人开发了一种集成有光伏系统和CFD建模的物联网（IoT）跟踪集热器太阳能干燥器（TCSD）用于番茄片干燥。该系统的集热器能量效率为35-61.3%，整体干燥效率为10.7-15.16%。最佳气流速率（0.016立方米/秒）产生了70.53°C的最大干燥温度，而4毫米厚的番茄片比6毫米和8毫米厚的番茄片分别减少了25%和33.3%的干燥时间。熵分析表明，集热器和干燥室的熵效率分别为3.28-22.16%和32.16-58.66%，可持续性指标WER = 0.68-0.83和SI = 1.76-2.42，证实了该系统的热力学有效性和环境可持续性（Elwakeel等人，2025b）。Das M等人证明，太阳能空气集热器（SAC）辅助的温室干燥器提高了干燥性能和产品质量。CFD优化改善了气流和温度分布。SAC系统将干燥时间减少了41%（90分钟），使水分含量达到55.38%和0.09859，并使产品温度提高了4.8°C，传热系数提高了2.27 W/m2°C。Pace回归模型的准确性很高，MAE值分别为0.18（Tp）、0.15（Tg）和0.08（MC），证实了集成方法的有效性（Das等人，2026年）。Suraparaju S等人评估了太阳能干燥器在葫芦和番茄保存中的热性能和经济性能，开发了一种自然对流双坡面太阳能干燥器，并对其进行了热性能、熵性能、经济性能和干燥性能的评估。该方法包括实验干燥试验、水分扩散率分析、使用阿伦尼乌斯方程估计活化能、熵分析和经济评估。太阳能干燥器实现了葫芦83.87%（葫芦）和番茄94.42%的水分减少，最大熵效率分别为61.78%和68.5%。该系统具有经济可行性，回收期分别为2.0年（葫芦）和1.6年（番茄）（Suraparaju等人，2024年）。A. A. Tantawy等人研究了一种自动化温度阈值开启/关闭双模式通风温室太阳能干燥系统，用于在真实室外环境条件下控制番茄的干燥和保存。该研究比较了平屋顶和山墙屋顶温室太阳能干燥器与露天晒干的效果，结果表明山墙屋顶干燥器具有更优的干燥性能。结果显示，太阳能辐射在108至880 W/m2之间变化，平屋顶和山墙屋顶干燥器的最高干燥室温度分别为51.7°C和52.2°C。在山墙屋顶干燥器中干燥的咸番茄片在10小时内最终水分含量约为0.09克干物质/克，而能量和熵效率分别提高到了51.78%和51.32%（Tantawy等人，2026年）。最近的进展强调了机器学习（ML）在温室太阳能干燥系统中的集成。Kushwah等人、Abdelkader等人和El-Mesery等人的研究表明，ML技术可以优化干燥参数，如温度、气流和湿度，从而提高效率、 uniform干燥效果和产品质量（Kushwah等人，2024）（Abdelkader等人，2024）（El-Mesery等人，2025）。Das M等人（2025年）研究了在托卡特气候条件下可再生能源在农业干燥中的应用，使用了1573组10毫米苹果片的实验数据集。关键环境参数包括温度、湿度、气流速度和太阳能辐射。该系统实现了7-33.4%的能量效率、4至7.4%的熵效率以及61.5%的干燥效率。开发了机器学习模型（MLP、SVM和M5P）来预测系统性能。其中，SVM模型显示了最高的准确性，误差值非常低（MAE 0.0013和RMSE 0.0035），显示出智能高效太阳能干燥系统控制的强大潜力（Das等人，2025）。热建模和仿真方法在提高温室太阳能干燥系统性能方面起着关键作用。脱水食品的质量很大程度上受不同参数的影响，例如干燥时间、气流速率、相对湿度和系统内的温度分布。计算流体动力学（CFD）模拟有助于确定这些因素的最佳值。通过应用数学和物理模型，CFD可以预测热量、质量和动量的热力学行为，从而帮助设计和优化高效的温室干燥系统。表1列出了之前针对不同作物进行的CFD研究（Yan等人，2021年）。尽管许多基于CFD的研究调查了温室太阳能干燥器中的热传递、气流行为和热力学性能，但大多数研究仅关注系统热特性和能源评估。然而，很少有研究将CFD预测的气流和温度分布与香蕉片干燥性能相结合，同时在实际操作条件下评估热力学、经济和环境指标。因此，关于香蕉干燥的温室气流行为、热性能、能源-熵效率以及技术-经济-环境方面的综合研究仍然不足。印度是南亚的一个热带国家，由于其高太阳辐射强度，每年约有300个晴天，大多数地区的平均太阳辐射为4-7千瓦时/平方米（Kumar等人，2024年）。本研究探讨了在印度气候条件下使用抛物面型温室干燥系统干燥香蕉片的性能。主要目标如下：1. 通过量化干燥过程中的能量和熵效率来研究温室太阳能干燥系统的热力学性能。2. 使用计算流体动力学（CFD）模拟分析温室太阳能干燥器内的气流分布、温度场和热传递特性，并将其与干燥性能联系起来。3. 通过综合技术-经济和环境分析评估温室太阳能干燥系统的经济可行性和环境效益。材料和方法本节涉及太阳能干燥系统的制造、安装和样品制备。环境和经济评估由于对环境污染、全球变暖以及燃料和供应成本上升的担忧，对干燥系统进行环境和经济评估是必要的。在本研究中，使用了三个关键因素进行环境分析：二氧化碳排放、净二氧化碳减排和获得的碳信用。对于经济评估，考虑了两个参数：回收期和能源回收时间，定义如下（Kushwah等人，2023b）：二氧化碳减排=(EembL(n))×X净二氧化碳减排=[(Ey?o在目前的研究中，温室太阳能干燥系统在主动对流条件下进行了测试，第一天无负载，第二天有作物负载。图8和图9分别展示了两天内记录的关键环境因素（如太阳辐射、环境空气温度和风速）的变化。所有这些变量的测量数据都在第一天8:00至16:00之间采集，第二天也进行了同样的记录。

**结论**
本研究通过实验和数值方法评估了强制对流温室日光干燥机在印度瓜廖尔气候条件下干燥香蕉片的性能。根据所得结果，可以得出以下结论：
- 温室日光干燥机使炉内平均温度比环境温度高出6.89°C，并将干燥室内的相对湿度降低了约11%，从而减少了香蕉在干燥过程中的损失。

**局限性**
虽然本研究重点关注了温室日光干燥机的热力学性能、计算流体动力学（CFD）性能、经济效益和环境影响，但详细的干燥动力学过程、有效水分扩散率、活化能以及产品质量分析超出了本研究的范围，这些内容将在未来的研究中进行探讨。未来的研究将包括详细的物理化学、微生物学和储存分析，以进一步评估产品质量和保质期特性。

**作者贡献声明**
- Abhinav Sharma：撰写原始稿件
- Anand Kushwah：撰写原始稿件
- Anshu Anand：方法论设计
- Anil Kumar：项目指导
- Ajeet Kumar：审阅与编辑工作

**伦理审批与参与同意**
不适用

**发表同意**
不适用

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。

**致谢**
作者感谢位于印度瓜廖尔的Madhav Institute of Technology & Science (MITS) 对本研究的支持。

作者名单：
Abhinav Sharma
Anand Kushwah
Anshu Anand
Anil Kumar
Ajeet Kumar