宋 杰 ，許忠祥 ，王建斌 ，李玉秀 ，吳 晶

（1.南京出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京 211100；2.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215000；3.上海市林業(yè)總站，上海 200072）

太陽能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯的理論設(shè)計

宋 杰1，許忠祥1，王建斌2，李玉秀3，吳 晶1

（1.南京出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京 211100；2.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215000；3.上海市林業(yè)總站，上海 200072）

針對太陽能應(yīng)用于國際木質(zhì)包裝檢驗檢疫熱處理領(lǐng)域進行了理論計算與方案的設(shè)計，提出了兩種適合實際生產(chǎn)并且太陽能利用率超過50%的解決方案。研究得出理論上標(biāo)準(zhǔn)熱處理窯當(dāng)集熱面積達到216㎡時，整個處理過程中太陽能利用率超過93%，實現(xiàn)了太陽能利用占主導(dǎo)地位的目的。從理論計算中得出設(shè)計方案能夠滿足國際木質(zhì)包裝熱處理的基本要求，實際熱處理效果有待于進一步研究過程中的具體試驗數(shù)據(jù)。該設(shè)計不僅從理論上論證了太陽能應(yīng)用于熱處理領(lǐng)域的可行性，同時在國際上首次提出木質(zhì)包裝熱處理使用太陽能的思路，為今后的研究提供試驗指導(dǎo)。

太陽能；節(jié)能；熱處理；理論設(shè)計

目前國際上木質(zhì)包裝的處理方式主要為熱處理，熱處理過程中需要消耗大量的熱能，熱能的主要供給方式在國內(nèi)仍然采用燃料鍋爐，由于熱處理企業(yè)規(guī)模限制，絕大多數(shù)處理企業(yè)仍然沿用的高能耗，高污染鍋爐，如何解決熱處理過程中能耗的節(jié)約與降低污染排放，已經(jīng)成為束縛整個熱處理行業(yè)進一步發(fā)展的關(guān)鍵。通過研究如何將環(huán)保綠色的太陽能應(yīng)用于木質(zhì)包裝熱處理當(dāng)中是熱處理行業(yè)高能耗與高污染問題的有效方法。國內(nèi)外目前尚無太陽能應(yīng)用于木質(zhì)包裝檢驗檢疫熱處理的相關(guān)研究報道，相關(guān)研究主要集中在木材太陽能干燥的理論及裝置設(shè)計方面。檢驗檢疫熱處理與木材干燥的主要區(qū)別在于熱處理升溫階段溫度的要求較木材干燥高，熱處理在升溫階段要求木心溫度最低達到56℃。由于太陽能屬于間歇性能源，能流密度低[1]，在實際利用中影響因素較多，連續(xù)供熱能力以及穩(wěn)定性差，若將太陽能應(yīng)用于檢驗檢疫熱處理領(lǐng)域需要通過方案設(shè)計解決短時高熱量供給和能量連續(xù)供給的問題。因此，太陽能在這些需要連續(xù)供熱的場合，太陽能的應(yīng)用受到了一定限制[2]。本設(shè)計通過理論公式模擬計算并結(jié)合熱處理企業(yè)實際，針對上述問題設(shè)計了集熱、數(shù)字控制、能量存儲、輔助供熱4個單元為主體的太陽能熱處理窯，在理論上實現(xiàn)了木質(zhì)包裝熱處理的節(jié)能、環(huán)保。

1 總體方案

1.1 熱處理材積量確定

按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)熱處理窯體積規(guī)格，選取2011年度江蘇地區(qū)熱處理企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)窯進行木托盤熱處理的數(shù)量統(tǒng)計為基礎(chǔ)，托盤規(guī)格取標(biāo)準(zhǔn)尺寸計算。

標(biāo)準(zhǔn)窯整窯處理托盤數(shù)量約為500個，實際生產(chǎn)過程中平均每窯處理托盤數(shù)量約為350個，單個常用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)托盤材積為0.034 2 m3。設(shè)計方案材積量=平均每窯處理托盤數(shù)量*常用規(guī)格單個標(biāo)準(zhǔn)托盤體積=350*0.034 2 m3=12.0 m3

1.2 熱處理條件確定

1.2.1 中心溫度

考慮到不同企業(yè)實際熱處理條件設(shè)定的差異，設(shè)計方案采用國際標(biāo)準(zhǔn)“56℃，30 min”設(shè)計[3]。即按常用標(biāo)準(zhǔn)托盤的腳墩（托盤最厚處）的木芯達到56℃計算。

1.2.2 處理溫度及時間

窯內(nèi)處理溫度結(jié)合文獻對太陽能干燥處理過程中出風(fēng)口溫度進行綜合考慮，熱處理溫度按70℃計算。處理時間在設(shè)計中劃分為3個階段：第一，升溫階段處理時間利用木材中心溫度測算軟件進行計算；第二，恒溫階段時間設(shè)定為國際標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定時間30 min[3]；第三，干燥階段時間結(jié)合實際熱處理干燥過程的時間進行綜合考慮按30 h計算。

1.3 熱量供給方式確定

熱量供給方式根據(jù)加熱階段不同采取不同方式進行。升溫階段采用太陽能+電輔助供熱+儲熱能三方供熱；恒溫階段主要采用太陽能供熱；干燥階段主要為太陽能供熱+儲熱能雙方供熱+電輔助供熱。結(jié)合熱處理企業(yè)實際情況，太陽能集熱面積計算按窯體頂部、運輸通道頂棚以及朝向南的墻立面三部分計算，根據(jù)大多數(shù)企業(yè)熱處理窯占地情況，設(shè)計太陽能集熱面積不宜超過200 m2。輔助加熱設(shè)施按環(huán)保要求采用一定功率電加熱代替燃煤鍋爐，電加熱按實際干燥期和加熱期配備大小不同的輔助電加熱設(shè)備。

1.4 熱處理窯總體設(shè)計方案

太陽能輔助加熱節(jié)能型熱處理窯示意圖及系統(tǒng)構(gòu)成如圖1和圖2所示。節(jié)能型熱處理窯主要由4個系統(tǒng)單元構(gòu)成：節(jié)能集熱單元、輔助供熱單元、能量數(shù)字化控制單元、能量儲存單元?？傮w設(shè)計宗旨為：在不改變窯體主體結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有空間及軟硬件控制實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。節(jié)能型熱處理窯并不是需要重新建立新窯，而是對現(xiàn)有窯體增加了太陽能等功能單元實現(xiàn)節(jié)能。首先，在可以利用的空間上，如處理窯的頂端、運輸通道頂棚以及朝向南的墻里面等處增加太陽能集熱管，收集太陽能產(chǎn)生熱量并通過管道傳到。其次，使用能量數(shù)字化系統(tǒng)進行窯內(nèi)熱量供給，并設(shè)定能量供給儲存的優(yōu)先權(quán)，即太陽能——儲熱能——其他輔助能量的供給順序。在處理過程中，通過能量數(shù)字控制單元對各個溫度控制點的溫度采集來控制能量流向電磁閥門的開關(guān)實現(xiàn)節(jié)能目的。

圖1 節(jié)能熱處理窯示意Fig. 1 Sketch map of energy-saving heat treatment kiln

圖2 節(jié)能型熱處理窯系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 2 Constitution of system of energy-saving heat treatment kiln

1.5 設(shè)計方案系統(tǒng)構(gòu)成

1.5.1 節(jié)能集熱系統(tǒng)

節(jié)能集熱系統(tǒng)主要收集太陽能的集熱管[圖1中A]及由數(shù)字能量控制單元控制的熱量傳導(dǎo)保溫管道組成。節(jié)能集熱系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)太陽能熱量的收集轉(zhuǎn)換與傳導(dǎo)。設(shè)計方案采用熱管真空集熱管，一方面保證在嚴(yán)寒、陰天等條件下可正常供熱，另一方面可以在同等天氣條件下獲得更高的出口溫度。

1.5.2 輔助供熱系統(tǒng)

輔助供熱系統(tǒng)結(jié)合熱處理窯加熱的3個階段與太陽能受天氣等因素影響的特點，設(shè)計方案中增加電輔助加熱部分，主要用來彌補太陽能集熱功率不能滿足熱處理條件時熱量的供給，以保證生產(chǎn)正常進行。

1.5.3 能量數(shù)字控制系統(tǒng)

能量數(shù)字化控制系統(tǒng)通過圖1中4個溫度采集點來控制能量供給方向。能量會按照事先設(shè)定好的程序來進行供給，通過對感溫點數(shù)據(jù)的采集和電磁閥門開關(guān)的控制，讓整個熱處理過程中能量的供給方式更加科學(xué)，實現(xiàn)通過軟件節(jié)能的目的。詳細控制方案如表1所示。

表1 能量控制系統(tǒng)設(shè)計方案Table 1 Design scheme of energy control system

1.5.4 能量儲存系統(tǒng)

根據(jù)目前國內(nèi)企業(yè)實際生產(chǎn)情況，熱處理平均生產(chǎn)周期擬按5天計算。因為但絕大多數(shù)企業(yè)在兩次處理過程中均會有1～2天的作業(yè)間歇時間，而每次處理的時間一般在3天左右。根據(jù)生產(chǎn)周期和兩次處理過程中的間歇時間，設(shè)計間歇時間熱能存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高、低溫兩個儲熱罐以及與數(shù)字化能量控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的熱水流向控制閥門組成。在生產(chǎn)作業(yè)的間歇期將太陽能轉(zhuǎn)換為熱水存儲起來，低溫存儲罐熱水供生活使用，高溫儲熱罐為下個生產(chǎn)周期提供熱能。高溫儲熱罐容積設(shè)計按實際集熱面積兩天全日照產(chǎn)生90℃熱水計算，低溫儲熱罐容積設(shè)計按企業(yè)使用生活熱水人數(shù)日均用水量的5倍（平均生產(chǎn)周期）計算。

2 理論計算

2.1 熱處理過程熱量需求

熱處理過程按國際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即木心溫度達到56℃并持續(xù)30min[3]，理論計算按以下模擬條件計算：木材初始溫度20℃，干燥時間30 h，升溫過程窯內(nèi)溫度70℃，木材整窯處理量12 m3，材種松木，木材厚度12 cm初始含水率30%，升溫階段時間取整按4 h計算，處理后實現(xiàn)含水率14%。參照相關(guān)文獻[4-8]的計算方法進行理論計算如式（1）～（3）。

式（2）中：Q為熱量；m為質(zhì)量；△T為溫度變化值。

式（3）中：W為木材絕對含水率；Gs為濕木材重量；Ggo為絕干材重量。

式（4）中：M為蒸發(fā)量；E為木材體積；ρ為木材比重；△W為木材變化含水率。

2.1.1 升溫階段(S)

通過木材中心溫度測算軟件計算，得出木材加熱時間為4 h，為簡化計算，升溫階段默認含水率變化為0。溫度變化：△T=56-20=36℃。計算所需基本參數(shù)為：木材比熱C木=1.72 kJ/kg?℃；水比熱C水=4.2 kJ/kg?℃；木材體積E=12.0 m3；木材比重ρ=490 kg/m3；干材含水率W= 30%；單位質(zhì)量蒸發(fā)量耗能：Q蒸=2,871.5 kJ/kg?H2O。

升溫階段木材需要熱量：

2.1.2 恒溫階段(H)

恒溫階段時間為30 min，所需熱量主要為窯體熱損失，木材溫度變化取0計算，為簡化計算，此階段默認含水率變化為0，窯體熱損失基數(shù)取升溫階段Qs木為準(zhǔn)。

2.1.3 干燥階段(G)

干燥階段初期含水率W初30%，干燥后含水率取W末=14%，干燥時間按30 h設(shè)計。

2.1.4 熱處理過程總熱量需求

2.2 熱處理過程熱量供給方案

整個熱處理過程的能量供給理論計算按照3套方案計算，根據(jù)企業(yè)實際情況擇優(yōu)選擇。表2所示。

計算所需主要參數(shù)依據(jù)文獻現(xiàn)有試驗以及研究基礎(chǔ)計算：

式（5）中：Q管為單根集熱管功率，Q管=40 W；S管為單跟集熱管面積，S管=0.12 m2；η為集熱器的熱效率，η=40%；N為集熱管根數(shù)。

表2 熱處理過程中各階段能量需求Table 2 Energy demand of each phase during heat treatment

2.2.1 太陽能全供給

如果整個處理過程完全由太陽能供給熱處理所需要的能量，集熱面積必須不小于升溫階段的集熱面積345 m2，但熱處理企業(yè)所建標(biāo)準(zhǔn)窯體的可用采光面積在200 m2左右，所以設(shè)計方案中增加電加熱輔助系統(tǒng)。如表3所示。

2.2.2 電加熱輔助供給

采用兩種方案進行輔助加熱，方案一為太陽能提供所需最小功率階段能量，其余階段能量供應(yīng)采取電輔供熱，電輔供熱分為兩檔，一檔滿足干燥階段所需功率，兩檔全開滿足升溫階段所需功率。如表4所示。方案二為太陽能提供干燥階段所需能量，此方案僅需要在升溫階段采用電輔加熱，干燥階段和保溫階段均完全使用太陽能加熱。如表5所示。

表3 熱處理太陽能全供給理論參數(shù)Table 3 Theoretical parameters of solar energy’s full supply theory for heat treatment

方案一：太陽能管1 100根，采光面積132 m2，太陽能供熱功率44.0 kW，兩根電加熱管，一根27.0 kW，一根44.0 kW。

表4 電輔助加熱設(shè)計方案功率分配(方案一)Table 4 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 1)

方案二：太陽能管1 800根，采光面積216 m2，太陽能供熱功率72.0 kW，一根43.0 kW電加熱管。

表5 電輔助加熱設(shè)計方案功率分配(方案二)Table 5 Power assignment for auxiliary electric heating design scheme (Scheme 2)

2.2.3 各階段能量使用情況匯總

兩種方案各階段能量使用分配情況如表6。

3 結(jié) 論

通過理論計算證明太陽能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯是完全可行的，將太陽能應(yīng)用于檢驗檢疫熱處理的理論節(jié)能效果非常明顯，太陽能在處理過程中總利用率可達90%以上。在食品干燥處理行業(yè)已經(jīng)有相關(guān)太陽能應(yīng)用， 2 t左右的蒸汽鍋爐，目前的改造費用在20萬人民幣以內(nèi)，經(jīng)過測算設(shè)備投入回收成本不到2年，符合企業(yè)實際需求。通過能量數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計和各階段的能量需求供給情況的理論計算，不僅能為今后新型節(jié)能熱處理窯的研制提供理論依據(jù)，更重要的是通過后續(xù)試驗與控制系統(tǒng)模型的改進可為國際上將太陽能應(yīng)與于檢驗檢疫熱處理提供實驗指導(dǎo)。

表6 兩種方案各階段能量使用分配情況Table 6 Use and assignment of energy in each phase in the two schemes

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Theoretical design of combination of solar energy and auxiliary heating energy-saving heat treatment kiln

SONG Jie1, XU Zhong-xiang1, WANG Jian-bin2, LI Yu-xiu3, WU Jing1
(1. Nanjing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Nanjing 211100, Jiangsu, China; 2.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Suzhou 215000, Jiangsu, China; 3. Shanghai Forest Station, Shanghai 200072, China)

A theoretical calculation and schematic design has been carried out in view of the application of solar energy in the heat treatment fi eld of international wood package inspection and quarantine, and two solutions which are applicable in actual production and can provide over 50% utilization ratio of solar energy have been presented. The study shows that, in theory, when the heat collection area reaches 216 m2，the utilization ratio of solar energy is more than 93% during the entire treating process of standard heat treatment kiln, from which the utilization of solar energy as the leading role is realized. From the theoretical calculation, the basic requirements of international wood package heat treatment can be met by the schematic design, while the effects of the heat treatment by the theoretical calculation need to be verif i ed with the specif i c test data produced in the further study. In the design, the feasibility of solar energy applying in heat treatment is theoretically proved; moreover, for the fi rst time, a thought of using solar energy in wood package heat treatment is presented as well, thus providing a testing guidance for future study.

solar energy; energy-saving; heat treatment; theoretical design

S718.4；S412

A

1673-923X(2013)01-0099-05

2012-10-10

國家質(zhì)檢總局項目（2012IK277）；江蘇出入境檢驗檢疫局項目（2009KJ47）

宋 杰(1978-)，男，山東掖縣人，工程師，碩士，主要研究森林保護、植物檢疫、木包裝處理等；

吳 晶(1981-)，女，河南新鄉(xiāng)人，農(nóng)藝師，碩士，主要研究植物檢疫、木包裝熱處理、太陽能應(yīng)用等；E-mail：wuj2@jsciq.gov.cn

[本文編校：歐陽欽]