干燥在工业、农业等国民经济重要领域均有大量的应用,我国的干燥能耗占整个工业能耗的比例达到12%左右。干燥作为农副产品长期保存的一种重要方式,根据相关农副产品干燥领域的研究表明,目前我国的农副产品干燥技术存在能耗大、技术落后、干燥品质差、智能控制水平低等问题。因此研发高效节能的干燥系统以及确定合理的物料干燥工艺对提高干燥行业效益、缓解环境污染具有重要的意义。本文立足于以太阳能热利用为主,减少传统能源的使用。通过对传统太阳能干燥工艺控制进行研究,进一步提出了基于太阳能热利用的双工质干燥系统设计方法。设计和搭建了双效太阳能集热器干燥系统和直膨式热泵辅助太阳能干燥系统,对干燥系统进行理论分析、实验测试和预测优化评价等研究。本论文主要开展的工作如下:(1)针对传统太阳能干燥过程中存在干燥周期不确定、干燥工艺不易控制、干燥品质差等问题,提出了开放式太阳能干燥物料终点判断和直接式太阳能干燥温度控制的工艺方法。理论分析了开放式太阳能干燥物料的热湿迁移机理,构建了开放式太阳能干燥的热湿迁移模型,分析预测物料干燥过程中表面温度和质量变化,并以红薯为研究对象对预测模型进行实验验证。研究表明预测模型能够较准确地反映物料在开放式干燥过程中的表面温度及其质量变化,获得了最佳的红薯干燥动力学模型。基于建立的热湿迁移模型提出了一种开放式太阳能干燥物料终点判断的方法,实时预测对比干燥过程中物料的水分比与干燥动力学模型计算出的水分比,判断干燥过程是否达到干燥要求。设计和搭建了一种直接式太阳能干燥系统,以红薯为研究对象进行系统干燥性能实验测试,构建了系统干燥过程的热性能动态模型,分析预测干燥物料的表面温度。研究表明建立的预测物料表面温度模型具有较高的准确性,揭示了系统太阳能利用率和获得热量的变化规律。基于建立的热性能动态模型提出了一种直接式太阳能干燥温度的控制方法,可以实时监测物料表面温度,进而可以采取相应的措施保证干燥空气温度处于适宜的范围内。(2)在传统太阳能干燥工艺控制研究的基础上,根据不同物料的适宜干燥温度,利用相关设备实现不同工质的循环切换,提出了一种基于太阳能热利用的双工质干燥系统设计方法,来满足适宜的干燥温度和节能性的需求。以干燥空气温度适宜、运行能耗最低为目标制定了双工质干燥系统的运行控制策略,设计和搭建了双效太阳能集热器干燥系统和直膨式热泵辅助太阳能干燥系统,并分析和阐明了两种太阳能干燥系统的构建组成和工作原理。(3)对双效太阳能集热器干燥系统和直膨式热泵辅助太阳能干燥系统进行理论与实验的研究,获得了两种干燥系统的运行调控规律。建立双效集热器的传热模型,对单独集热空气时的出口空气温度进行数值求解。以济南市典型的环境气候参数为例,对集热器的出口空气温度进行预测,给出该系统在不同运行环境下的太阳能保证率和能量利用分配率。通过制定系统运行控制策略,实验分析了柠檬片在该系统中的干燥特性和系统运行控制性能。研究发现建立的模型可以准确的预测单独集热时的出口空气温度,揭示了双效太阳能集热器的热效率和总热损效率的变化规律。干燥箱的最高空气温度可以控制在60℃以下,验证了运行控制策略的可靠性,同时发现在相同实验条件下双效太阳能集热器干燥系统的干燥能力高于开放式太阳能干燥,阐明了柠檬片在双效太阳能集热器干燥系统中的干燥特性,并获得了柠檬片最佳的干燥动力学数学模型。理论分析了直膨式热泵干燥的热力学性能。将带有玻璃盖板的集热/蒸发器考虑成类似太阳能空气集热器,构建了带有玻璃盖板的集热/蒸发器的传热模型,预测其出口空气温度,确定了模型的单值性条件,利用MATLAB编制求解程序并利用实验测试进行验证,通过制定系统的运行控制策略,设计了系统运行的PLC控制系统。研究发现建立的带有玻璃盖板的集热/蒸发器传热模型具有较高的准确性;实验揭示了干燥箱内的空气温度与太阳能辐射强度之间的关系,给出了系统运行时的COP和单位能耗除湿量等性能指标参数,明确了太阳能辐射强度对直膨式热泵干燥的影响程度,得到了影响干燥箱内最高空气温度和平均制热性能系统的关键因素;获得了柠檬片在直膨式热泵辅助太阳能干燥系统中的干燥特性和干燥动力学模型。(4)对基于太阳能热利用的双工质干燥系统进行预测评价研究,构建了物料干燥的预测-运行-评价体系。以双效太阳能集热器干燥系统的实验测试数据为机器学习训练的样本,选取5种机器学习方法,建立了系统集热单元的预测模型,将环境温度、环境相对湿度、太阳辐射强度、风速和风向作为机器学习的输入变量,集热器的出口空气温度作为输出变量。分析了特征值的权重和确定了机器学习方法的超参数,揭示了影响集热单元出口空气温度的重要因素,获得了最佳的机器学习预测方法。将双效太阳能集热器作为研究对象,选取了环境温度、太阳能辐射强度、集热单元送风量为运行环境参数,以出风温度和集热效率作为目标,分析了运行环境参数对集热单元出口温度的影响,给出了适合集热单元的运行环境参数。完善了物料干燥过程的能量-(?)-环境-经济评价体系,分析了物料干燥过程中的能量利用率、经济性和环境性,揭示了物料干燥过程中(?)流和提升潜力的变化规律,给出了提高干燥能量利用率的途径。明确了物料干燥过程中的经济效益和环境效益。利用收缩性和色差性为评价指标分析干燥物料的品质,指出了收缩面积和含水率之间的关系,分析了不同干燥方式下干燥产品的色差。综上所述,本文提出的传统太阳能干燥的工艺控制方法可以有效的控制干燥物料的干燥过程,为实际工程的应用提供理论基础。同时研究表明基于太阳能热利用的双工质干燥系统在降低干燥能耗、提高干燥行业的经济效益、保证干燥物料品质等方面具有较大的应用潜力。