太阳能苜蓿干燥装置设计方案.docx
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太阳能苜蓿干燥装置设计方案
目录
1.引言1
1.1本研究的目的及意义1
1.2国内外牧草干燥技术发展概况2
1.2.1牧草干燥方法简介2
1.2.2国外研究现状4
1.2.3国内研究现状5
1.3主要研究内容6
2.太阳能牧草干燥概述7
2.1牧草资源及市场概述7
2.2我国的能源环境概述7
2.3太阳能干燥及其特点8
2.4太阳能干燥国内外技术现状8
2.5太阳能干燥的优势9
2.5.1太阳能干燥与自然干燥相比具有以下优势:
9
2.5.2太阳能干燥与采用常规能源的干燥装置相比具有以下优势:
10
3.干燥基本理论11
3.1太阳能干燥装置的物料衡算11
3.2太阳能干燥装置的热能衡算12
4.干燥装置的设计13
4.1太阳能干燥器的基本类型13
4.2太阳能干燥装置方案选择14
4.3太阳能空气集热器的设计14
4.3.1三种空气集热器的比较研究15
4.3.2集热器所用材料17
4.3.3太阳能集热器的安装方式17
4.4太阳能空气集热器与热风炉串联集成设计18
4.5控制系统的设计19
4.6换热系统的设计19
4.6.1换热装置的构造组成19
4.6.2载料车的构造组成20
4.7烘干工艺流程21
5.结论22
参考文献23
致谢25
太阳能苜蓿干燥装置设计方案
1.引言
太阳能苜蓿干燥装置的设计方案主要考虑大农户的使用,它的设计思想基于连续烘干作业,不受天气和夜间的影响。
采用此方法的最大好处是白天利用太阳能产生热风,晚上用热风炉加热,二者相互配合,取长补短,可大大缩短烘干周期。
烘干室地面铺设轨道,料盘架用小车推入,内墙壁采用保温隔热层,安装太阳能空气集热器时选择最佳的位置接受阳光的辐射。
集热装置的集气管与热风炉进气孔接通,使太阳能采气系统和热风炉加热系统结合起来。
太阳能空气集热器直接吸收太阳辐射能,空气则由于温室效应而被加热。
干燥室内安装轴流风机,使空气在干燥室中不断循环,并使其上下穿透物料层,使物料表面增加与热空气接触的机会。
在混合型太阳能干燥装置内,装有干湿球温度传感器控制进风和排风。
白天可根据天气情况随时启动热风炉补充加热,夜晚主要用热风炉提供热风。
1.1本研究的目的及意义
苜蓿是世界上栽培最早、面积最广、最重要的饲草原料之一，不仅产草量高，草质优良，而且富含蛋白质、多种维生素和矿物质，其干物质中粗蛋白质含量为15%-25%，相当于豆饼的一半，比玉米高1一1.5倍，有“牧草之王”的美称。
同时种植牧草，还可改土肥田、提高粮食单产。
全世界苜蓿种植面积达5亿亩，但由于苜蓿为豆科牧草，含有较多的胶体物质和较少的碳水化合物而不易青贮，收割的苜蓿必须及时干燥，否则就会发霉变质甚至腐烂，致使动物无法食用。
青干草是草产品流通的主要形式，同时也是发展绿色畜牧业的重要的蛋白质资源。
目前，己开发的牧草产品有草粉、草颗粒、草块、草饼、草捆、叶块、叶粒和浓缩叶蛋白等。
牧草产品在国际、国内均具有非常广阔的市场，亚洲已成为世界上最大的苜蓿产品进口市场，年总需求量240一255万吨，其中，紫花苜蓿是生产量和销售量最大的牧草产品，在美国已成为仅次于小麦、玉米和水稻的第四大农作物，成为美国农业的支柱产业。
苜蓿草产品国际市场售价为200－230美元/吨，优质草粉高达300美元/吨;国内苜蓿产品售价多在1100一1400元/吨，优质产品达1600一1800元/吨;我国出口的粗蛋白含量为15%的草粉，价值1200元/吨，蛋白质含量增加1%，售价增加100元（黄浩平，2001）。
我国是蛋白质饲料资源短缺的国家，同时对牧草产品需求量较大，据有关专家分析和国外的生产实践，在各类畜禽的饲喂标准中，牧草产品在牛羊饲料中可占到60%，猪饲料中可占到10%一15%，鸡饲料中可占到3%一5%，可用于配合饲料的牧草产品市场前景广阔，另一方面，我国适宜冷季放牧的草地仅占全年放牧草地的24.3%，还有75%以上地区的牧畜冬季缺草，同时，适于收割调制干草储备过冬的草地只占全国草地面积的25%，而且70%以上分布在东部和南部湿润地区，这种地区间和季节性的不平衡将会推动我国牧草产品的发展和流通。
《中国畜牧业九五计划和2010年远景规划》指出，突出发展草食型、节粮型畜牧业，已成为当前和今后一段时间内农业结构调整的当务之急，随着我国农业实施粮一经一饲（3:
1:
l）三元结构调整，苜蓿将成为发展可持续农业的首选饲料作物，发展优质豆科草粉将成为开发蛋白质饲料资源的一项新技术产业。
近几年我国苜蓿草的种植发展很快，目前已有10多个省大面积种植，但由于受气候条件的限制，除西北等少雨地区，苜蓿靠自然晾晒外，其它地区苜蓿主要收获季节均在雨季，现蓄期和初花期收割的青绿牧草含水量在70%一85%之间，而安全贮存标准需将其水分降到14%以下.因为没有烘干设备，收获后的苜蓿大多变质、腐烂，失去其饲用价值和商业价值，造成农牧民丰产不丰收，极大地挫伤了农牧民种草的积极性（卢英林2002）。
1.2国内外牧草干燥技术发展概况
1.2.1牧草干燥方法简介
牧草的干燥方法主要有自然干燥法、人工干燥法、化学干燥法等。
自然干燥法是先将苜蓿收割后就地摊晒，待植株体内的水分下降到45%左右时堆晒。
在自然干燥过程中，由于豆科牧草苜蓿含有较多胶体物质和较少碳水化合物，分散失水速度较慢，且茎杆较叶片的干燥时间长，当苜蓿叶干燥到含水率15%一20%时，苜蓿茎的水分含量是35%－40%，在晒制过程中，因叶片先于茎秆干燥而造成脱落，使苜蓿干草的蛋白质、胡萝卜素、叶绿素、
含量急剧减少，从而失去应有的饲喂价值和商业价值（韩建国，1998;李鸿翔，1999）。
另外，在光照时间短、光照强度低、潮湿多雨的地方，很难只利用阳光来晒制干草而必须结合利用草堆的发酵产热降低水分来共同完成牧草干燥过程.发酵干燥法就是将收获后的牧草先进行摊晾，使其水分降低到50%左右草堆集成3米一5米高的草垛逐层压实，垛的表层可以用土或薄膜覆盖，使草垛发热在二三天内，使垛温达到60℃一70℃，随后在晴天时开垛晾晒，将草干燥，当遇到连阴雨天时，可以保持温度不过分升高的前提下，而发酵更长的时间，此法晒制的干草养物质损失较大（韩建国，1998）。
人工干操法干燥牧草，主要有三种形式:
（1）常温通风干燥，是先建干燥库房，设置大功率鼓风机，地面安置通风管道，需干燥的牧草，经收割压扁后，堆在通风管道上，开动鼓风机完成干燥。
此法占地面积大、效率低。
（2）低温烘干法，是先建造牧燥室、空气预热锅炉、设置鼓风机和牧草传送设备，用煤或电作能量将空气加热到90－150℃，鼓入干操室，利用热气流经数小时完成干操。
（3）高温快速干操法，主要用来生产粉，利用高温气流（温度500一1000℃以上），将切碎的青草（长约25mm）在数分钟甚数秒钟内使水分降至14%－15%，再由粉碎机粉碎成粉状或直接压制成干草块。
整个过程由恒温器和电子仪器控制。
采用高温快速干操法调制的干草粉可保存幼嫩青草和绿饲料养分的90%－95%，在一公斤干草粉内含有120g一200g粗蛋白，200g一400g胡萝卜素和低于240g的粗纤维。
干草粉的特点是营养完善而品质高，含有生物价值完善的蛋白质、丰富的胡萝卜素、叶黄素、维生素E和维生素K，可作为维生素、蛋白质的补充料使也是猪、禽、幼牛等配合饲料必不可少的组成部分。
另一特点是压制成颗粒状或饼状容易保存，便于运输，商品性强。
但此干燥法的干燥成本较高一般不易被接收。
化学干操是指将苜蓿收割后喷洒化学药剂加速干燥。
干澡剂改变了牧草角质层结构或溶解了角质层，促进水分的散失，缩短了田间自然干燥的时间，降低营养物质的损失。
自然干操法不需要特殊的设备、成本低，但易受自然气候条件的制约，而且劳度大、效率低，干燥过程持续时间长、营养物质损失较大，收获后压扁苜蓿茎秆是常用的机械加速干澡的方法，苜蓿茎经过压裂后干操所需干燥时间与未压裂的同类相比，前者仅为后者的l/2一l/3（韩建国，1998）。
化学干燥剂的使用可以显著地提高速度，有效的减少营养物质的损失。
但其干操原理及干燥剂的组配还有待进一究。
目前，国外普遍采用人工高温快速干燥法千操牧草，这种方法可以克服自然对天气状况的依赖，并减少微生物、生理生化过程、雨淋和枝条折断等因素对干草质量的影响，但人工干燥法的成本高。
我国牧草人工干燥研究起步较晚，有关牧草干参数及工艺研究甚少。
1.2.2国外研究现状
国外关于牧草人工干燥和化学干燥的研究较早，美国1910年在路易斯安那州建立了第一个用脱水苜蓿生产草粉的企业。
当时所用的干燥机为垂直安装有七个传送带的传送型，由鼓风炉送进90℃一120℃的热风。
1926年在路易斯安那州农业试验站设计出了介质温度为800℃的第一台滚筒式干燥机，热效率为59%。
1929年在这种型号的基础上又设计出了滚筒直径1.85m，长12.5m，功率15.5kw，生产能力为12O0kg/h千苜蓿的干燥机。
前苏联于1928一1930年开始牧草烘干实验，1933研制成功并在生产上应用的CTII一0.1型风动式（筒式）干燥机，生产能力1OOkg/h干草（包括将草粉压制成块状饲料）。
目前，俄罗斯应用ABM机组，每小时生产草粉1.6一1.8吨。
荷兰用AS一25型草粉加工机组，该设备生产能力为1250kg/h，工艺流程与俄罗斯ABM型机组相仿。
B.J.Hong，（1987）研究表明，电镜下压扁茎秆最明显的效果就是将木质化和非木质化的细胞分开，压扁使茎秆分成许多部分，从而增加茎秆表面积，减弱了保持水分的能力，从而提高了干操速度。
Harris等人研究了化学干燥的机理及化学药剂的使用。
Harris等认为苜蓿收割后水分散失的主要障碍为茎叶表面的角质层及蜡质，以有机溶剂溶解茎叶表面的蜡质后，破坏了蜡质层的结构，改变蜡粒的排列方式，从而加速了水分的散失。
长链脂肪酸甲醋结合于蜡质表面，促进了水分在蜡质表面的运输，从而促进了水分的散失，加快了苜蓿的干燥速度。
Meredith等研究了碱金属碳酸盐溶液及钾盐对加快苜蓿干燥速度的研究中发现:
碱金属的碳酸盐如Li
CO
、Na
CO
、K
CO
均可加快苜蓿干燥速度，而钾盐溶液:
KCl、K
CO
、KHS0
、KOH、K
S0
中较为有效地是KOH和K
CO
，并且确定K
CO
的浓度为0.16M。
eghart等在化学药剂对加快苜蓿干燥的研究中选用十六碳和十八碳脂肪酸甲酯与X一77表面活化剂作为处理，发现长链脂肪酸甲酯与X一77表面活化剂的混合液的效果较好，但以2%的长链脂肪酸甲酯+1%一77+0.2MK
CO
的干燥效果最好。
1.2.3国内研究现状
国内由于受到牧草种植面积、经济效益等多方面的影响，对自然干燥法加快牧草脱水途径研究较多，化学干燥也有报道。
张秀芬等研究了压扁苜蓿茎秆对加快干燥速度的影响，发现压扁苜蓿茎秆可以加快其干燥速度，并且压扁苜蓿茎秆后，苜蓿茎、叶干燥速度趋于一致，减少了叶及幼嫩部分的损失（张秀芬，1997;高彩靛，1997）。
王钦指出，自然干燥法中压扁干燥的紫花苜蓿比普通干燥的牧草干物质损失减少2一3倍，碳水化合物损失减少2一3倍，粗蛋白质损失减少3一5倍;但在阴雨天，茎秆压扁的牧草营养物质易被淋失，从而产生不良效果（王钦1995）。
孙京魁研究了薄层摊晒法、小捆晒制法、搭架晒制法不同晒制方法处理的苜蓿青干草中粗蛋白和粗纤维含量，结果表明，搭架晒制苜蓿青干草，可有效地防止叶片和花蕾脱落，从而保存了叶片中所含粗蛋白、钙、磷及多种微量元素和维生素。
搭架晒干的粗蛋白显著（P<0.05）高于小捆晒制和薄层摊晒，粗蛋白分别提高了0.82%和1.91%;粗纤维显著降低（p<0.05），降低率分别为0.91%和1.61%（孙京魁，2000）。
将田间收割后晒至含水率45%左右的苜蓿移入棚内鼓风晾干或控温干燥，干草的品质与适口性则更为理想。
干草晒至一定程度，就需打捆。
高彩霞研究结果表明在不同含水量（从30%降到8%）的条件下打捆，随着含水量的降低，茎叶比显著增加（p<0.01），叶片损失率增大，茎叶比与打捆前干物质含量呈一元非线性相关（高彩俊，1997）。
张秀芬等研究了1.5%碳酸钾，0.5%磷酸二氢钾、1.0%碳酸氢钠、碳酸钙及0.5%吲哚乙酸对苜蓿干燥速度的影响，结果表明K
CO
和NaHCO
的干燥效果较好，K
CO
处理可以减少苜蓿营养的损失。
但以干燥速度、粗蛋白含量、叶量损失、胡萝卜素含量综合评定各药剂的效果以NaHCO
的效果最好，吲哚乙酸次之，第三为CaCO
和我K
CO
，五种药剂中
效果最差（张秀芬，1987）。
王钦对紫花苜蓿和禾本科牧草用O.2MK
CO
进行干操处理，结果显示2%浓度的K
CO
为最适浓度，干燥时间紫花苜蓿需72小时，禾本科牧草为48小时。
我国人工干燥进行草粉生产起步较晚。
多数地区采用自然干燥法干燥牧草，然后用锤片式粉碎机加工草粉，由于饲草的形状和物理机械性能不同，再加上牧草干燥不充分，水分含量较高，所以用其加工饲草时，生产率低，耗能高，劳动条件差，很不经济。
且在干燥过程中，叶片及嫩枝脱落，其营养损失远远大于重量损失，结果是所生产的草粉粗蛋白的含量低，而粗纤维的含量较高，严重影响草粉的质量。
1974一1987年，东北、北京、广东等省都先后从荷兰、日本、法国等国引进人工快速高温干燥设备，开始了人工干燥豆科牧草草粉的生产。
这些设备产量较高，时产1250一1750kg/h，草粉质量好，但设备昂贵（每台50一120万美元），能耗大，不适应国内草粉生产需要.1989年，中国船舶公司713所研制的93QH一300型牧草快速、高温烘干加工机组，贵州农业大学研制的弧一100型牧草烘干机组，北京市奥贝尔实业有限公司绿色植物研究所、北京农业大学农牧结合课题组联合研制的格林王一2101型分体式绿色饲料小型加工机组以及沈阳远大科技实业有限公司生产的苜蓿草干操成套设备等填补了我国没有牧草高温干燥机的空白，但设备成本仍然较商，可以说，我国采用人工高温干操法加工草粉的研究和生产正在进行之中，而有关牧草的千操工艺研究目前未见详细报道.本研究从低温干操入手，探讨苜蓿薄层干操特性，进而为高温干燥机设计及工艺参数选择提供参考。
1.3主要研究内容
基于传统露天自然干燥方法的诸多弊端：
效率低，周期长，占地面积大，易受阵雨和梅雨等气候条件的影响，也易受风沙、灰尘、苍蝇和虫蚁等的污染，难以保证被干燥农副产品品质的现状，太阳能干燥的重要性在世界范围内日益明显，特别是在某些日照充分的地域，利用丰富的、可更新的和干净的太阳能堪称一本万利。
此太阳能苜蓿干燥装置采用混合型方案，由最新研制的太阳能空气集热器、隧道式烘干窑和热风炉组成。
这种干燥装置利用太阳能空气集热器把太阳的光辐射能转换成热能把空气加热到60°～70℃，然后通过串联在系统上的热风炉把热风通入干燥窑，再由通风机吹入干燥装置内，通过热空气与牧草接触，在冷热空气对流方式下进行热交换，已达到干燥的目的。
设计过程主要测算太阳能集热器的热效率，干燥装置干燥过程中的耗热量、排湿量。
通过计算进而从空气太阳能集热器的选型、集热器材料的选择、集热器集热板面积数量的选择；进而确定干燥装置的容积。
2.太阳能牧草干燥概述
2.1牧草资源及市场概述
我国有草地近60亿亩,为耕地面积的4倍,占国土面积的40%左右其中,人工改良草场已超过8000万亩,饲草资源十分丰富但是由于种草的绝大部分地区是交通不便、经济不很发达、技术也较落后的农村山区和牧区,饲草资源的开发与利用受到制约为提高饲草的利用价值和经价值,归结起来主要的有两条途径一是发展草地畜牧业,就地转化二是将牧草进行加工、变成商品,做为饲料资源和原料来开发二者相辅相成,互为依托,互为补充草粉生产是实现牧草商品化的一种方式这已为国外的经验所肯定和证明在对国外草粉生产设备进行分析后,结合我国种草地区的经济、能源、交通、科技、生产和使用条件,我国自制的牧草烘干机应满足以下条件以太阳能为热源。
我国不可能象国外那样,以石油产品为燃料,以高达900℃以上的燃气为干操介质为适应我国农村的经济体制和使用条件,机组不宜太大,生产能力也不宜要求过高机组结构应尽可能地简单,使用操作和维护保养应尽量简便,无调整或少调整机组工作可靠安全运行成本低,机组生产应有一定效益。
2.2我国的能源环境概述
随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求日益增大，年增长率约为5%。
我国自然资源总量排世界第七，能源资源总量居世界第三位，但由于人口众多，人均占有量仅为世界平均水平的50%。
据测算，目前我国已探明的煤炭可采储量为1145亿吨，剩余己探明石油储量为24亿吨。
据估算，到2010年，中国主要矿产资源中有40%多不能满足经济发展要求;到2020年，只有不足15%的品种尚可满足社会发展需求。
（燃烧一吨煤平均排放CO:
490kg、灰尘：
13.6kg、SO
:
14.8kg）而SO
是形成酸雨的主要成分。
1997年以来，我国酸性废气排放居世界第二位，全国酸雨污染面积达国土面积的30%以上，在全球空气污染最严重的10个城市中，中国占7个。
自1992年联合国召开全球环境与发展大会后，我国政府在“提高能源利用效率，改善能源结构”的条款中明确提出:
因地制宜地开发、利用和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等清洁能源技术。
2.3太阳能干燥及其特点
（1）太阳能干燥是以太阳能代替常规能源来加热干燥介质（最常用的是空气）的干燥过程，通过热空气与湿物料接触并把热量传递给湿物料，使其水分汽化并被带走，从而实现物料的干燥。
我国太阳能干燥总采光面积己达1.5万平方米左右，主要用来干燥牧草、谷物、水果、肉制品、木材、中药、皮革、化肥、染料等，均取得了较好的社会及经济效益。
一般牧草、农副产品的干燥，要求干燥温度较低，大约在40一70℃之间，这正好与太阳能热利用领域中的低温利用相匹配。
（2）太阳能干燥的特点：
太阳能干燥与常规能源干燥方式相比既有优势也有不足。
优势体现在:
①节煤省电。
据估算，干燥一吨农副产品，要消耗一吨以上原煤，若是烟叶则需耗煤2.5吨。
太阳能与常规能源联合供热的干燥装置，一般可节能20%--30%以上。
②投资少、运行费用低、回收期短。
一个设计合理的太阳能干燥系统具有显著的经济效益。
③清洁安全。
太阳能干燥系统利用的是太阳能，节约了常规能源，减少了环境污染;干燥所得物料不受外界条件影响，也很清洁。
不足之处是太阳能干燥对气象条件依赖性大、可控性差、不稳定，问题通常是采用辅助能源或是增加储热设备。
致谢
本课题太阳能苜蓿干燥装置设计方案是在导师郭玉明教授和李红波老师悉心指导下完成的，导师在课题的选题，结构的设计以及论文的编写都给于了精心指导和帮助。
导师严谨求实的治学态度，谦和质朴的风范，以及对科学执著追求的敬业精神，将对我以后的工作产生积极的影响。
在此，谨向我的导师表示衷心的感谢。
再有要感谢一起学习生活的同学们，与他们的一次次交流使我得以不断进步和提高。
我能够专心学习，顺利完成学业，与我的父母的培养、鼓励和支持是分不开的，在此向他们表示最诚挚的感谢！
感谢文中所引用文献的所有作者们！
再次感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们！
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