Thermal Performance and Drying Characteristics of a Solar Assisted Refractance Window Dryer Based on CFD Simulation and Experimental Validation
本研究通过结合计算流体力学（CFD）模拟与实验测试，验证了一种太阳能辅助反射窗干燥系统，证明了混合配置在保持热敏感农产品品质的同时，能显著缩短干燥时间并提高能量效率。
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通过去除水分来保存食物是人类防止收成变质的最古老手段之一。几个世纪以来，人们一直依靠阳光和风来干燥水果、蔬菜和谷物，这种方法不需要燃料，但会让食物容易受到灰尘、昆虫和不稳定天气的影响。虽然现代机器可以快速且安全地干燥食物，但它们往往需要消耗大量的电力或化石燃料，从而推高成本并增加碳排放。科学家面临的挑战是寻找一种既能快速安全干燥，又足够温和以保持营养完整，且成本低到足以运行可再生能源的方法。这就是一种被称为“折射窗干燥法”（refractance window drying）的技术进入视野的地方。这种方法不是用热空气猛烈吹袭食物，而是让一层薄薄的食物漂浮在覆盖在热水通道上的透明薄膜上。热量通过薄膜传递给食物，从而实现快速干燥，而食物既不会接触到水，也不会被直接的火焰灼伤。
在最近的一项研究中，研究人员试图通过将这种温和的干燥方法与太阳能结合起来，并借助强大的计算机模拟进行测试，来改进这种干燥技术。他们想看看是否可以设计一种利用太阳能加热水的系统，以及是否可以通过调整设计来使干燥过程更快、更均匀。为此，他们制作了一个太阳能辅助干燥机的物理原型，并创建了一个详细的三维计算机模型，用于模拟其内部热量和空气的流动。团队测试了三种不同版本的机器：一个仅依赖热水的标准版本；第二个版本在食物上方增加了补充红外加热器；第三个版本则将红外加热器与热交换器结合，以更有效地带走水分。他们使用土豆片（一种常见的测试食品）进行了实验，并在不同的水温和传送带速度下观察水分离开土豆片的速度以及不同机器的表现。
计算机模型追踪了干燥室内的空气流动和热量分布，结果显示该系统在食物表面创造了非常均匀的温度。薄膜下方的热水使干燥区域的表面温度稳定在约60摄氏度，这个温度既足以快速干燥食物，又足够低，可以保护脆弱的维生素和风味。模拟显示，室内的空气呈自然的上升气流运动，将潮湿的空气从食物周围带走，并用新鲜空气进行替换，这有助于干燥过程平稳持续。当研究人员将计算机预测值与现实世界的测量值进行对比时，发现数据吻合紧密，模型的误差最大不超过5摄氏度。这证实了计算机模型是一个可靠的工具，可以在无需通过手工构建和测试每一种可能的变体的情况下，理解机器的工作原理。
现实世界的测试表明，标准的太阳能干燥机表现良好，但改进后的版本明显更好。仅添加额外红外加热器的版本比标准模型干燥速度快了18%。而最先进的版本——即结合了红外加热器和热交换器的版本——将干燥时间缩短了37%。在最快的场景下，使用最先进的机器配合极热的水，系统的水分去除速率为每分钟22克，而标准设置在相同条件下仅为每分钟13.2克。研究人员发现，热水温度对速度的影响最大；将水温从82摄氏度提高到98摄氏度，使干燥时间缩短了一半。虽然加快食物通过机器的速度可以减少干燥时间，但也意味着食物失去水分的时间变少了，因此传送带的总速度是容量与效率之间的一种平衡。
除了速度之外，这项研究还强调了这种方法是可持续食品加工的有力竞争者。该系统的热效率达到了35%至40%，这远高于传统的露天日晒干燥，甚至高于许多常规的太阳能柜式干燥机。由于热量传递非常均匀，且食物从未过热，预计干燥后的产品比其他干燥方法更能保留其天然颜色、风味和健康成分。研究人员得出结论，通过利用太阳能加热水，并优化气流和加热元件，他们创造了一种不仅能量效率高，而且对食物性质温和的干燥系统。这项技术为农民和小规模食品加工商提供了一条减少浪费、利用阳光保存收成的可行路径，将一个简单的物理原理转化为了实现更可持续未来的实用工具。
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