受污染的农产品导致食物浪费 - 这是全球农业产业日益严重的问题。太阳能干燥机是保存水果和蔬菜的一种方法，但这些设备必须能够正常运行才能发挥作用。传热模拟可用于分析太阳能食品干燥机设计并识别正确的建筑材料，包括保存太阳能热量的相变材料（PCM）。今天，我们将探索模拟研究，重点是优化太阳能干燥机设计，以实现有效的食品保鲜。

保护食物的自然方法

通过使用脱水去除新鲜农产品中的水，农业工人可以抑制酵母，霉菌和细菌的生长。露天干燥或晒干是一种自古以来就被使用的技术，当鱼和肉被干燥和储存时。顾名思义，该方法涉及简单地将食物放在阳光下晒干。想想葡萄干（干葡萄）或李子（李子干），举几个例子。

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晒干过程。图片来自ArianeCCM - 自己的工作。根据CC BY-SA 3.0通过Wikimedia Commons获得许可。

虽然采用天然，廉价且简单的保鲜方法，但日晒工艺仍会使食品受到害虫和动物的潜在污染和干扰。此外，必须始终监控食物，以确保不会因雨水而造成伤害。

晒干最严重的问题涉及太阳落山时食物会发生什么。由于来自太阳的热量不连续，干燥过程在夜间停止。持续的加热和冷却不能很好地保存食物，最终会导致腐败或污染。其他方法可用于干燥食物，包括电脱水和冷冻干燥。当他们完成工作时，这些方法在缺乏能源效率且成本高的意义上是不利的。

太阳能干燥是一种选择，可以解决所有这些问题。太阳能干燥器为食物创造了一个结构化的遮蔽物，使其远离动物和其他环境条件，减少了持续监测的需要。干燥器通过使用相变材料（PCM）来操作，相变材料存储来自太阳的能量以加热装置。PCM可以在从固体到液体到气体的连续变化时储存和释放热能，同时保持接近恒定的温度。

PCM在太阳能干燥器中运行良好，因为它们提供短期热能。此外，各种PCM不占据大量的表面积，这对于有限尺寸的太阳能干燥器来说非常方便，因为它允许它们仍然存储有效量的食物。在许多不同类型的PCM中，没有一种材料在所有应用领域中都能很好地工作。因此，挑战在于确定哪种类型的PCM最适合特定的太阳能食品干燥机设计。为了解决这个问题，美国农业部健康加工食品研究部门的研究人员转向了COMSOL Multiphysics的传热建模功能。

研究有效太阳能干燥器的相变材料

该研究小组为一个40.6 x 43.1 x 50.8厘米的机柜设置了一个简单的模型几何形状，该机柜由铝制成，这是一种廉价的建筑材料。盒子的顶部使用透明的丙烯酸树脂，让阳光透过。COMSOL Multiphysics中包含的材料库为两种建筑材料提供参数。研究人员将传热流体设定为空气，将外部辐射力设定为太阳。该模拟的所有材料特性保持不变，但每次分析都改变了丙烯酸材料的光学参数（太阳能吸收率和表面发射率）。

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太阳能干燥机的基本几何形状。

模拟的温度曲线基于2014年加利福尼亚州奥尔巴尼市随机日的历史天气报告。为了解决太阳能干燥器内部的传导和辐射，研究人员使用了具有表面到表面的传热模块。辐射。如前所述，它们改变了三种不同研究中丙烯酸的光学参数。丙烯酸类型被记录为原始，半部分和反向，并且温度分布在9：00,12：00和18:00时记录。

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不同类型丙烯酸材料的温度曲线。从上到下：原始（O），半（H）和反（R）。

结果表明，最高温度330 K（57°C），采用反向丙烯酸材料类型。在该盒子中，太阳能吸收率为0.8，表面发射率为0.2。该团队使用该信息确定了太阳能干燥器的最佳丙烯酸类型。同样重要的是要注意，这里提供的太阳能干燥器非常适合在57°C或更低温度下保持隔夜干燥时表现良好的食品。对于某些其他形式的农产品而言，这可能不是最好的方法。

由于研究人员确定了太阳能干燥器的峰值温度，因此可以进一步评估太阳能干燥器的适当PCM。为太阳能干燥机选择合适的PCM，该团队还考虑了空间因素。潜热PCM占据较少的表面积，因此是设计的良好选择，为干燥食物提供更多空间而不是容纳PCM。具有低转变温度的芒硝和石蜡是潜热PCM的一些例子，其可以结合到太阳能干燥器中。

传热模型对太阳能干燥机设计的影响

利用COMSOL Multiphysics提供的传热建模功能，美国农业部的研究人员能够研究太阳能食品干燥机的设计并优化其参数以最好地利用PCM。仿真结果还帮助他们确定了在其特定干燥器配置中使用的适当类型的PCM。

设计更有效的太阳能干燥器可以更有效地保存新鲜农产品，更好地解决全球食品浪费问题。正如我们在今天的博客文章中所分享的，模拟可以成为协助此过程的强大工具。

来源：https://www.comsol.com/blogs/analyze-solar-food-dryer-designs-with-heat-transfer-modeling/