wykorzystanie kolektorów słonecznych w suszarnictwie produktów

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE 8
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS 8
Jan Pabis, Aleksander Szeptycki
WYKORZYSTANIE
KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH
W SUSZARNICTWIE PRODUKTÓW ROLNYCH
UTILIZATION OF SOLAR COLLECTORS
FOR DRYING OF AGRICULTURAL PRODUCTS
Falenty 2012
WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
DYREKTOR INSTYTUTU
prof. dr hab. Edmund Kaca
Oddział w Warszawie
ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50
Kierownik Oddziału
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki
KOLEGIUM REDAKCYJNE
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki – przewodniczący
prof. dr hab. J.Lech Jugowar
prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki
prof. dr hab. Jan Pawlak
prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki
Recenzenci
prof. dr hab. Anna Grzybek, prof. dr hab. Mieczysław Szpryngiel
Redakcja naukowa
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki
Kierownik Działu Wydawnictw: dr inż. Halina Jankowska-Huflejt
Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt
Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2012
ISBN 978-83-62416-52-3
ISSN 2083-9545
Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna „Gimpo”
02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 7,6. Nakład 200 egz.
Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń ...........................................................................................5
1. WPROWADZENIE ...........................................................................................................7
2. WYKORZYSTANIE ENERGII SŁOŃCA .........................................................................8
2.1. Charakterystyka promieniowania słonecznego ......................................................8
2.2. Przemiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną .................10
2.3. Bilans cieplny kolektora słonecznego ....................................................................17
2.4. Wykorzystanie kolektorów słonecznych w rolnictwie ...........................................19
2.4.1. Podział kolektorów słonecznych ..................................................................20
2.4.2. Kolektory powietrzne płaskie – płytowe oraz rurowe ..................................23
2.5. Bierne (pasywne) systemy ogrzewania słonecznego ...........................................35
3. SUSZARNICTWO PRODUKTÓW ROLNYCH ............................................................38
3.1. Teoretyczne podstawy suszenia produktów rolnych ...........................................38
3.1.1. Zawartość wody w ciałach stałych i ich wilgotność ....................................38
3.1.2. Oznaczanie zawartości wody lub wilgotności względnej nasion ..............39
3.1.3. Obliczanie ubytków wody podczas suszenia ..............................................39
3.1.4. Właściwości cieplne nasion .........................................................................40
3.1.5. Przebieg konwekcyjnego suszenia nasion .................................................42
3.1.6. Wilgotny czynnik suszący ............................................................................43
3.1.7. Wilgotność równoważna ..............................................................................44
3.1.8. Ruch wody wewnątrz suszonych nasion ....................................................46
3.1.9. Przebieg suszenia ciała stałego ..................................................................47
3.2. Charakterystyka suszarek podłogowych ..............................................................49
3.3. Obliczanie wymiarów suszarki podłogowo-rusztowej ...........................................53
3.4. Obliczanie wymiarów suszarki podłogowo-kanałowej ..........................................56
3.5. Zasady obliczania parametrów kolektora słonecznego ........................................58
4. TECHNOLOGIE SUSZENIA WYBRANYCH PRODUKTÓW ROLNYCH
Z ZASTOSOWANIEM KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH ..........................................61
4.1. Suszenie ziarna zbóż .............................................................................................61
4.1.1. Przykład obliczania podstawowych parametrów kolektora
słonecznego do suszarki podłogowo-kanałowej, przeznaczonej
do suszenia ziarna zbóż ............................................................................71
4.2. Suszenie nasion warzyw .......................................................................................74
4.3. Suszenie ziół na suszarkach podłogowych ..........................................................89
5. BIOMASA JAKO SUROWIEC ENERGETYCZNY .......................................................98
5.1. Zasoby i potencjał energetyczny biomasy w Polsce ............................................98
5.2. Wykorzystanie drewna do spalania .......................................................................99
5.3. Wierzba i trawy wieloletnie jako biomasa do spalania ........................................103
5.4. Słoma i siano jako paliwo .....................................................................................104
5.5. Przykład obliczania parametrów kolektora słonecznego do suszarki
podłogowo-kanałowej, przeznaczonej do suszenia biomasy.............................111
6. ZALECENIA DO BUDOWY I INSTALOWANIA KOLEKTORÓW
SŁONECZNYCH, PRZEZNACZONYCH DO SUSZAREK PODŁOGOWYCH ........113
7. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................115
8. WYBRANE DEFINICJE I OBJAŚNIENIA Z ZAKRESU TECHNIKI CIEPLNEJ
I ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ....................................................................117
Streszczenie............................................................................................................122
Contents
List of more important notations and symbols .....................................................................5
1. INTRODUCTION ..............................................................................................................7
2. UTILIZATION OF SOLAR ENERGY ..............................................................................8
2.1. Characterization of solar radiation ...........................................................................8
2.2. Transformation of solar radiation in thermal energy .............................................10
2.3. Thermal balance of a solar collector .....................................................................17
2.4. Utilization of solar collectors in agriculture ............................................................19
2.4.1. Division of solar collectors ..........................................................................20
2.4.2. Air collectors: flat, plate and tubular ............................................................23
2.5. Passive solar heating systems ..............................................................................35
3. DRYING OF AGRICULTURAL PRODUCTS ...............................................................38
3.1. Theoretical basis of drying of agricultural products ...............................................38
3.1.1. Water content of solid bodies and their humidity ........................................38
3.1.2. Determination of water content or relative humidity of seeds ....................39
3.1.3. Calculation of water loss in drying ...............................................................39
3.1.4. Thermal properties of seeds ........................................................................40
3.1.5. Course of seeds drying by convection ........................................................42
3.1.6. Humid drying agent ......................................................................................43
3.1.7. Equilibrium humidity .....................................................................................44
3.1.8. Water movement inside a dried seed ..........................................................46
3.1.9. Course of drying of a solid body ..................................................................47
3.2. Characterization of floor dryers ..............................................................................49
3.3. Calculation of floor-grate dryer’s dimensions ........................................................53
3.4. Calculation of floor-channel dryer’s dimensions....................................................56
3.5. Bases of calculation of parameters of a solar collector ........................................58
4. DRYING TECHNOLOGY OF SELECTED AGRICULTURAL PRODUCTS
WITH THE USE OF SOLAR COLLECTORS..............................................................61
4.1. Drying of cereal grain .............................................................................................61
4.1.1. Example of calculation of the basic parameters of a solar collector
cooperating with a floor-channel dryer .......................................................71
4.2. Drying of vegetable seeds .....................................................................................74
4.3. Dying of herbaceous plants on floor dryers ..........................................................89
5. BIOMASS AS AN ENERGETIC RAW MATERIAL ......................................................98
5.1. Reserves and energetical potential of biomass in Poland ....................................98
5.2. Utilization of wood for combustion .........................................................................99
5.3. Willow and perennial grasses as biomass for combustion .................................103
5.4. Straw and hay as fuels .........................................................................................104
5.5. Example of calculation of the parameters of a solar collector cooperating
with a floor dryer for biomass drying....................................................................111
6. RECOMENDATIONS FOR CONSTRUCTION AND INSTALLATION OF SOLAR
COLLECTORS COOPERATING WITH FLOOR DRYERS .......................................113
7. BIBLIOGRAPHY ..........................................................................................................115
8. SELECTED DEFINITIONS AND EXPLANATIONS FROM THE SCOPE
OF HEAT ENGINEERING AND RENEWABLE ENERGY SOURCES.....................117
Summary .................................................................................................................123
Streszczenie
Streszczenie
Na podstawie wieloletnich badań naukowych podano wytyczne do budowy i zastosowania kolektorów słonecznych do suszenia ziarna zbóż, nasion warzyw i surowców zielarskich. Zaprezentowane informacje mogą służyć jako źródło wiedzy i danych dla specjalistów – konstruktorów instalacji suszarniczych, a także dla producentów nasion warzyw i przedsiębiorców z branży produktów zielarskich.
Przedstawiono podział i charakterystyki kolektorów słonecznych według ich różnych
cech konstrukcyjnych, a także podano zalecenia zastosowania ich w produkcji rolniczej i ogrodniczej.
Podano też niektóre, podstawowe informacje z teorii suszenia produktów rolnych.
Teoria ta posłużyła do opracowania algorytmów obliczania parametrów konstrukcyjnych suszarek podłogowo-rusztowych i podłogowo-kanałowych. Przedstawiono również sposoby obliczania parametrów konstrukcji kolektorów słonecznych, stosowanych jako źródła energii do ogrzewania czynnika suszącego.
Na podstawie wieloletniego doświadczenia, omówiono technologie suszenia ziarna,
nasion warzyw w nasiennikach i po wymłóceniu, a także biomasy przeznaczonej na
cele energetyczne.
Unikatową część monografii stanowi omówienie technologii suszenia różnych surowców zielarskich w suszarkach podłogowych z zastosowaniem kolektorów słonecznych.
W końcowej części publikacji przedstawiono zasoby biomasy przeznaczonej na cele
energetyczne oraz chemiczne i fizyczne właściwości materiałów roślinnych używanych do celów grzewczych.
Słowa kluczowe: suszarka podłogowa, kolektor słoneczny, obliczanie parametrów
suszenia, ziarno zbóż, nasiona warzyw, surowce zielarskie
122
Summary
Summary
On the basis of many years of scientific research presented are guidelines to design
and use of solar collectors as heat sources for drying of cereal grain, vegetable seeds and herbal materials. Presented information may serve as knowledge- and databases for specialist designers of drying appliances as well as for vegetable seed
producers and in herbal product enterprises. Division of solar collectors, according
to their different construction is presented, and the recommendations of selected
types of collectors to some applications in agricultural and vegetable production are
reviewed.
Given is also some basic knowledge of the theory of drying of agricultural products.
Using this theory, the algorithm is suggested for calculation of design parameters of
floor-grate and floor-channel dryers and also to calculate of design parameters of
solar collectors serving as an energy source to heat up the drying agent used in
these dryers.
On the base of many years of experience discussed are also technologies of drying
of grain, vegetable seeds in inflorescences and after threshing, as well as drying of
biomass for energetic purposes.
The unique part of the book is the presentation of technologies of different herbal
materials drying in floor dryers with the use of solar collectors.
At the end, the reserve of biomass for energy in Poland is presented, and also the
chemical and physical properties of chosen plant materials used for energy are given.
Key words: floor dryers, solar collectors, calculation of parameters drying, cereal
grain, vegetable seeds, herbaceous raw material
123