SZÁRÍTÁS NAPENERGIÁVAL Dr. IMRE L. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Energetika Tanszék, MNT 1111. Budapest, Műegyetem rkp. 3. Tel.: (06-1) 4633274, Fax: (06-1) 4633272 E-mail:
[email protected] Összefoglaló A mezőgazdasági termények (zöldség, vetőmag, gyümölcs) tartósításának egy hatékony módszere a napenergia alkalmazása, amely egyre növekvő jelentőséggel bír, hiszen bőségesen rendelkezésre álló, megújuló és környezetkímélő energiaforrás. A szoláris szárítás nem csak egyik módja a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítésének, hanem egy olyan technológiai folyamat, amely különböző anyagok minőségi szárítását teszi lehetővé. Az energiaellátás módja és a berendezés típusa szerint a szoláris szárítók három fő csoportba sorolhatók: a szoláris természetes szárítók, az aktív elemekkel is felszerelt szoláris szárítók, ill. a napenergiával segített üzemű szárítók. a) A szoláris természetes szárítók csak a környezeti energiát hasznosítják, aktív elemek nélkül. b) Az aktív elemekkel is felszerelt szoláris szárítók általában kollektorral vannak ellátva, valamint ventillátorral, ami biztosítja a levegő áramlását a szárítótéren keresztül. c) A napenergiával segített üzemű szárítók napkollektorral felszerelt mesterséges szárítók. Általában hőtárolóval és külső energiaforrással rendelkeznek. Napenergia szárítási célú alkalmazása Az élelmiszerek és termények napsugárzással való szabadtéri tartósító szárítása feltehetőleg az ember első céltudatos, "technológiai jellegű" tevékenysége volt. A "napon" történő szabadtéri szárítás hagyományos módszerei igen hosszú idő alatt fejlődtek ki, és a földkerekség minden területén használták őket hús, hal, növények, gyümölcsfélék, vetőmagvak és más mezőgazdasági termények tartósítására. A XX. század második felében a szabadtéri "természetes" szárítás háttérbe szorult, mivel a tervszerű, a gazdaságos és a fokozott minőségi követelményeket igénylő mezőgazdasági-üzemi termelés elvárásának már nem tudott megfelelni. Egyszerűségéből következő előnyei mellett (nincs energiaköltség, kis eszközigény, a beruházási költségek elhanyagolhatók) ugyanis hátrányait (időjárási-minőségi kockázat, szennyeződés veszélye az atmoszférából, a madarak és a rovarok által okozott károk, a nagy terület- és élőmunka igény) nem lehet ellensúlyozni. A szabadtéri, napenergiával történő szárítást ezért fokozatosan felváltották a "mesterséges", irányított szárítási technológiák, és – különösen nagyüzemi méretekben –
elterjedtek a fosszilis tüzelőanyagokat felhasználó, többségükben olajtüzelésű szárítók. Az olaj árnövekedése és a szárítók környezetszennyezése a mesterséges szárítás fosszilis energiahordozókra alapozott kizárólagosságát kezdte megrendíteni. A figyelem fokozatosan a megújuló energiaforrások, elsősorban a napenergia szárításra való tervszerű és technikailag fejlesztett alkalmazása, a "szoláris szárítás" felé fordult. A szoláris szárítás jelentősége világviszonylatban növekszik, és az elmaradott országokban is fokozatosan kiszorítja a hagyományos, szabadtéri módszereket. A napenergia mindenki számára ingyen hozzáférhető, megújuló, környezetbarát energiaforrás, amely éppen akkor (májustól októberig) áll legnagyobb mennyiségben rendelkezésre, amikor a mezőgazdasági termelés megkívánja. A szoláris szárítás alkalmazásának elsődleges előfeltétele a gazdaságosság – azaz a szoláris szárítóberendezések elfogadhatóan rövid idő alatti megtérülése. A megtérülés kritériuma a megtakarítást állítja szembe a ráfordítással, azaz a beruházási és az üzemben tartási költségekkel, és akkor teljesíthető elfogadható értéken, ha a felhasználási cél összhangba hozható a napenergia alapvető sajátosságaival. A napsugárzás energiaáramsűrűsége viszonylag kicsi, időben változó és időjárástól is függő érték. E sajátosságok mellett a szoláris szárítás elsősorban a kis hőmérsékletű, a kíméletes és lassú szárítást igénylő termények esetén eredményes. Az említett feltételeknek – mezőgazdaság területén – legjobban a fűfélék, a szálas takarmányok, a vetőmagvak, a gyógynövények, a zöldségés gyümölcsfélék, az erdőgazdaság területén pedig a fa szárítása felel meg. A szárítási feladatok tervszerű megoldásához a szárítandó anyag kezdeti és – eltarthatóság biztosító – végső nedvességtartalma, valamint a megengedett legnagyobb szárítási hőmérséklet a legfontosabb adatok. A szoláris szárítók felépítése A napenergiát hasznosító szárítók felépítése a napsugárzás jellegzetességeihez, valamint a szárítás megvalósításának – a szárítandó anyag jellegétől, mennyiségétől függő – módszereihez igazodik. A száradás a szárítótérben megy végbe. Az itt elhelyezett szárítandó anyag hőszükséglete fedezhető közvetlen besugárzás és/vagy konvektív hőközlés útján. A közvetlen besugárzású szárítókban a szárítótér fényáteresztő (üveg vagy fólia) lefedéssel van ellátva. A konvektív hőközlésű szoláris szárítókhoz napkollektor tartozik. A közvetlen (direkt) rendszerű konvektív szárítók napkollektorának munkaközege a szárító levegő. A közvetett (indirekt) rendszerű szárítók napkollektorainak munkaközege folyadék (általában víz), amely egy víz-levegő hőcserélőben melegíti fel a szárító levegőt. A száradás szünetszakaszaiban a napkollektor használati (technológiai) melegvíz-termelésre használható fel. A szoláris szárítókban a levegő áramlását vagy természetes konvekciós (termoszifon) hatások, vagy szellőzőventillátorok tartják fenn. A termoszifon elven működő szárítók
többnyire közvetlen besugárzásúak – esetleg kéményhatással fokozva a termoszifonnyomáskülönbséget. A ventillátorok meghajtására – hálózattól távol eső területeken – autonóm fotovillamos (Farkas et al., 1996-1997) vagy szélenergia-rendszerrel termelt villamos energia közvetlenül vagy akkumulátoros tárolóról üzemeltetve használható fel. A napsugárzás időszakos, időben változó és időjárástól függő jellegének ellensúlyozására hőtároló egység (víztartály, kőágy, fázisváltó töltet) és/vagy segédenergiaforrás alkalmazható. Ez utóbbi lehet földgáz vagy biogáz-üzemeltetésű termogenerátor, vagy a tároló víztartályba helyezett villamos fűtés. A nagyobb teljesítményű szárítók üzemének irányítására megfelelő (például mikroprocesszoros) szabályozó rendszer alkalmazható. A szoláris szárítók fő típusai A szoláris szárítók – energiaellátásuk, valamint felépítésük jellege szerint – három fő csoportba sorolhatók: - természetes szárítók, - aktív elemekkel is felszerelt szoláris szárítók, - napenergiával segített üzemű szárítók. a) Szoláris természetes szárítók A szoláris természetes szárítókban a szárítandó anyag perforált tálcákra helyezve olyan szárítószekrényben van elhelyezve, amelynek átlátszó határoló felületein keresztül, a szárítandó anyag közvetlen besugárzást kaphat. A szárító levegő előlapon, vagy előtét kollektorban felmelegedve, termoszifon hatás következményeként áramlik át a szárítandó anyagrétegeken (1. ábra).
Levegő ki Levegő be
1.ábra. Kisteljesítményű kabinet szárító. A levegőáram nagysága – nagyobb teljesítményigény esetén – a szárítószekrény felső részéhez kapcsolt kémény segítségével fokozható. Az éjszakai órákban a szárító levegő áramlása – nappal besugárzott – fázisváltó töltetes hőtároló tárolt hőjével fenntartható (2. ábra). Elsősorban kisebb mennyiségek (100 kg nagyságrend) szárítására alkalmazható.
2.ábra. Tálcás-kéményes töltetes szárító. b) Aktív elemekkel is felszerelt szoláris szárítók Az aktív elemekkel segített üzemű szoláris alagút-szárítók átlátszó lefedéssel készülnek. Az alagút első szakasza kollektorként van kiképezve. A levegő áramlását ventillátor tartja fenn úgy, hogy a kollektor-szakaszban előmelegített levegő, a közvetlenül besugárzott, végig terített anyagréteg felett áramolva fejti ki szárító hatását (3. ábra). Elsősorban gyümölcs- és zöldségfélék, gyógynövények szárítására használatosak, kb. 1.000 kg mennyiségi határig. Levegõ ki Szárító Ventillátor Kollektor
Levegõ be
3.ábra. Nagyteljesítményű alagút-szárító.
Áramlás terelõ elemek
c) Napenergiával segített üzemű szárítók A napenergiával segített üzemű szárítók igen nagy mennyiségek szárítására alkalmasak (vetőmagvak, gabonafélék, szálas takarmányok, 1.000 t-ig). Direkt és indirekt megoldási változataik ismertek. Direkt üzemű szárítók A direkt rendszerű megoldás elnevezése arra utal, hogy a szárító napkollektorában felmelegedő levegő egyben a szárító közeg. A 4. ábrán egy 40 t kapacitású szoláris vetőmag szárító metszete látható. Az épületben kiképzett szárító-terek számára a levegő felmelegítése a tetőfelületbe integrált, lefedetlen napkollektorba történik. A kollektor abszorber felülete alatt kiképzett légcsatornán a levegőt ventillátor szívja át, majd a szárító tér rácsos padozata alá táplálja be. A szárítandó anyagot a padozatra egyenletes rétegben teríti. A szárító önálló (hagyományos) energiaforrással is rendelkezik arra az esetre, ha a kollektorban előmelegített levegő utófűtése szükséges. Célszerű, ha az épületben több szárítócellát képeznek ki, mert ebben az esetben a szárítás folyamán a rendszer hőigényét a cellák egymástól eltolt időpontú betáplálásával egyenletesebbé lehet tenni. A nagyteljesítményű, direkt rendszerű szárítók kőágyas hőtárolóval is készülnek.
4.ábra. Direkt rendszerű szárító tetőbe integrált kollektorral. Indirekt üzemű szárítók Az indirekt rendszerű szoláris szárítók igen nagy mennyiségek (több száz tonna) tartósító szárítására szolgálnak. Az indirekt rendszerben a napenergia begyűjtése folyadék munkaközegű kollektormezővel történik, a szárító levegő felmelegítésére pedig folyadéklevegő hőcserélők szolgálnak. Az indirekt megoldást azért célszerű alkalmazni, hogy a szárító igen nagy teljesítményű napkollektor-mezejét állandóan ki lehessen használni. Ugyanis a szárítás csökkenő energiaigényű szakaszában, vagy a szárítás szünetszakaszaiban (pl. lucerna szárítás esetén: a következő kaszálás időpontjáig) a napenergiával termelt – de a szárító üzemeltetéséhez nem igényelt – melegvíz technológiai célra felhasználható. A kollektormező megfelelő méretű víztároló tartályhoz csatlakoztatható, ahonnan a szárító és a telep (pl. tehenészet) melegvíz ellátása megoldható. A rendszer felépítése a kollektorról való közvetlen melegvíz ellátást is lehetővé teszi. Az 5. ábrán egy 1.000 t/év szárítási kapacitású, indirekt szoláris lucerna szárító egyszerűsített blokkvázlata látható.
Kollektor mező
Más fogyasztókhoz
Tank
Szárító
H
Levegő
Levegő Szivattyú 2
A
Ventillátor
Hidegvíz be Szivattyú 1
5.ábra. Komplex, indirekt rendszerű szárító rendszer blokkvázlata. A szárítandó anyag rétegenkénti betárolása gépi úton történik. A rendszer üzeme mikroprocesszoros irányítású. A napkollektor (900 m2) a tetőfelületbe integrált kivitelű. A szárítópajtában négy cella van kiképezve. A cellák a megszárított lucerna-széna tárolására is szolgálnak (maximális rétegvastagság: 7 m). Irodalom Farkas, I. /szerk./ (megjelenés alatt) Napenergia a mezőgazdaságban, Mezőgazda Kiadó, Budapest Farkas, I., Mészáros, Cs., Seres, I. (1997) Szoláris szárító áramlástani vizsgálata, Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 44. évf., 1997. 6. sz., 214-216. o. Farkas, I., Seres, I., Balló, B. (1996) Construction of a solar modular dryer, Drying'96, Proceedings of the 10th International Drying Symposium (IDS'96), Kraków, Poland, July 30 - August 2, 1996, Vol. A, /ed. by C. Strumillo, Z. Pakowski and A.S. Mujumdar/, p. 585-590. Farkas, I., Seres, I., Fekete, M. (1996) Technical and economical evaluation of solar drying, FAO SREN Meeting on Solar Drying, Gödöllő, Hungary, September 5-8, 1996, p. 6. Farkas, I., Smith, C.C. (1987) Computer simulation and control of a solar crop dryer, Third Technical Meeting of the CNRE-FAO on Solar Drying, Stuttgart, Germany, September 9-11, 1987. (Also in FAO CNRE Bulletin No. 19, 1988, p. 11-14). Imre, L. (1997) Solar Drying, in Handbook of Industrial Drying (ed. by A.S. Mujumdar), Marcel Decker Publ. Co, New York Imre, L. (1997) Solar Dryers, in Industrial Drying of Foods, (ed. by C.G.J. Baker), Blackie Academic and Professional, London. Imre, L. (1999) Szárítás napenergiával, Oktatási segédlet, Magyar Napenergia Társaság. Imre, L., Bitai, A., Hecker, G. (2001) Megújuló energiaforrások, Egyetemi oktatási segédlet, BMGE, Energetika Tanszék.
DRYING WITH SOLAR ENERGY L. IMRE Budapest University of Technology and Economics Department of Energy 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. Tel.: +36 1 4633274, Fax: +36 1 4633272 E-mail:
[email protected] Summary Preservation of agricultural products (plants, seeds, fruits) by the use of solar energy is a very effective method of increasing importance especially as because the use of the abundant, renewable and clean solar energy is advantageous. Solar drying is not simply a method for substituting fossil fuels by solar energy but, it is a technological process for producing dried materials of required quality. According to the energy used for drying and to the equipment used for the process, solar dryers can be classified in three main groups as a) solar natural dryers, b) semiartificial solar dryers, c) solar assisted dryers. a) Solar natural dryers use ambient energy only and have no active elements. b) Semi-artificial solar dryers usually have a collector and a fan for keeping a determined air-flow through the drying space. c) Solar assisted dryers are artificial dryers having a solar collector. They generally have a heat storage and an auxiliary energy source.
