一种简单的快速干燥炉房及其原理

我希望那些准备到农村去的、或者已经在农村的、或者从农村来的大学生好好看看我的这篇文章。

中国是一个大多数地区处在温带的地区，这意味着通常情况下，中国人至少有八亿人一年中在冬季和初春，至少五分之一时间的蔬菜是短缺的，尽管这几年大棚蔬菜逐渐发达，但是因为大棚蔬菜成本高，售价高，所以大棚蔬菜依然不是解决季节性蔬菜短缺的万能的方法。然而广大人民的创造能力是无穷尽的，他们创造了三种方法把热季的蔬菜保存到冬季吃，一个方法是暴晒干燥以后保存，另一个是腌酸菜。在中国北方和广大农村，这两种方法几乎同时在使用。第三个是杀菌密封保存，这个在农村比较少见，主要用于西红柿。

然而，由于死体植物也存在呼吸作用，所以维生素的活性在死体植物中保存时间很短，只有通过快速干燥才能保存。所以，传统的蔬菜、果品、粮食等的干燥在自然风、太阳热的情况下晾晒很难高效、高质量的制造出好的干蔬菜，农村的干菜变色、变味、变性情况很普遍，自身价值就很低了。在这种情况下，各种“干燥机”应用起来。另外，为了让蔬菜营养全部保存，科学家研究出“冻干蔬菜”，把蔬菜冷冻在零下15度左右，然后通过加气，使蔬菜内部的水分结冰后“升华”。这样干燥效果最好，水分排尽了，营养一点也不少，但是这种干燥的成本实在太高，对技术和设备的要求实在太高，不利于大规模普及，仅仅适合于有资本的公司来做。而酸菜这种东西里面本身含有不能多吃的有害物质，例如亚硝酸，加上口味单一，所以在许多地方也不流行。应用“干燥机”干燥的缺点也是很明显的，温度控制很难，温度太高蔬菜熟了变性了，温度太低又达不到效果，而且干燥机绝大多数要依靠风扇排气，成本很高，效果不好，一次不能干燥太多。

为了解决农村大规模干燥蔬菜果品的需要，我们首先从原理上加以分析，然后根据原理设计一种干燥设施。

干燥的本质就是增加蒸发，而增加蒸发的条件有四个：

第一，增加温度。温度增加，蒸发速度增加。在只有少量水分的情况下，温度的作用比其它的条件更重要。蔬菜中水分越少，只有温度越高才能更加干燥。温度本身就是单个分子或者原子的不规则运动速度，这种速度越大，水分子逃逸蔬菜细胞的机会越多。

第二，风速。风速越大，水分被吹走的越多，蒸发速度越大。在冬季，洗的衣服被冻成硬块了，但是挂在风口里，次日就能完全干，就是因为风的作用，而挂在温暖的室内几天也干不了。

第三，空气相对湿度（（f）就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值）。当空气接近饱和气压的时候，蒸发就会停止。所以，在阴雨天，蔬菜、衣服就不能干燥，蔬菜会发霉变味。当空气相对湿度很小，空气很干燥的时候，蒸发就很快，蔬菜衣服就很容易干燥，所以西北地区的蔬菜粮食不仅容易干燥而且容易保存。当然，可以增加温度使空气相对湿度减小。所以实际上，蒸发的速度决定于饱和差（饱和水汽压与实际空气中水汽压之差）。

第四，接触面积。和外界接触面积越大越容易蒸发，越容易干燥。所以，人们在晒粮食的时候总是把粮食刮得很薄，面积很大，人们晒衣服的时候也总是把衣服摊开晾起。

任何一个干燥设备，如果能够同时满足上面所要求的四项基本原理，那么就是一个好的、高效的干燥设备，如果不能同时满足，那么就一定不是高效的，也一定会出问题。

人们都知道，在冬季的蔬菜大棚中，温度可以达到40度，一般也在十几度。特别是中午太阳晒的时候，比外界温度要高出20多度。为什么会这样，一般认为晚上温度也高出外界十几度的原因是活体蔬菜的呼吸作用所放出的热量使然，而白天温度升高的原因却是被称为“辐射的热效应”的原因。“辐射的热效应”就是当太阳光辐射到物体上以后，物体必然因为吸收光而发热的现象，这种现象是普遍存在的。例如，人在晒太阳的时候，被晒的脸就很烧；又比如，太阳晒到沙地上，沙子的温度可以达到70多度，可以烤熟鸡蛋等等。在塑料大棚中温度高的秘密在于，太阳光在进入大棚的时候是通过透明的塑料进入的，没有产生热效应，而在蔬菜上产生热效应以后，由于塑料薄膜是密封的，不容许空气和外界对流，所以对流放热就不存在，所以就只有进入热量，没有放出热量。所以大棚内部的温度就会不断增加。

人们可以注意一下，实际上冬季在楼房密封的阳台上，当太阳晒的时候，阳台上就很暖和，其实就是热效应产生，但是又缺乏热对流的原因。我们就很好的利用这个现象，来盖起一个房子，这个房子的向阳面（南面、西面、顶部）都用玻璃封闭，而东面、西面和背面用比较厚的土墙或者砖墙砌成。这样一个封闭的、但是透明的房子必然会有热效应，有了热效应就可以用来加热干燥。这个房子我们就叫它“干燥房”。

很明显，干燥房有以下好处，第一，一次干燥的蔬菜果品数量可以大幅度提高，想一次干燥多少，就可以设计多大。第二，很干净，由于没有暴露在野外中，所以就杜绝了尘土。第三，热效应明显。第四，可以极大地增加接触面积。

但是，很明显，风速不能解决。温度也只是部分地解决，没有从根本上解决。要使得这种专用的干燥房发挥大的效用，还要解决两个问题，一个是极大地增加风速，另一个就是控制温度，即必须有加热设施。通常情况下很简单，用风扇产生风，用锅炉加热，但是这些方法不能把加热和生风有机地结合起来，所以效果不好，成本高。现在就来介绍使加热和生风同时产生的一个简单有效地设施“烟囱管”。

烟囱实际上就是个很长的管子，只不过它是垂直树立的。铁厂，发电厂和供热中心都有大烟囱，可以把污染烟尘排到很高的高空中，为什么可以使烟尘升得那么高呢？这就必须设计热力学知识。

热力学中有一个很重要的公式叫克拉伯龙方程，它的公式是pV=nRT ，克拉伯龙方程通过对常数的修正，可以应用到实际中，而不仅仅用在理想状态。

　　P表示压强，单位Pa；V表示气体体积，单位m3；n表示物质的量，单位mol；T表示热力学温度，单位K（开尔文）；R表示气体常数，单位J·mol-1·K-1或kPa·L·K-1·mol-1。R=8.314帕/摩尔·K。注：所有气体R值均相同。

由于烟囱内部的体积是固定的，所以V是定值，R是常数，所以可以把公式变为：P=nRT/V，由于n/V实际上就是空气密度ρ的函数，所以公式进一步变为P／Ｔ＝Ｋρ（Ｋ为空气密度和Ｒ值推导的常数）。从中得出结论，在暴露大气中，空气密度和温度成反比，和大气压成正比。烟囱内部的公式是P内／Ｔ内＝Ｋ１ρ内，烟囱外部的公式是P外／Ｔ外＝Ｋρ_外

根据空气浮力定律：Ｆ＝ｍａ＝ρＶａ＝ｇＶΔρ，Δρ＝ρ内－ρ外，推导出烟囱内部的加速度为ａ＝ｇΔρ／ρ空。由于烟囱的内外是相通的，所以，实际上Ｐ值的内外差别很小，所以P内^＝P外，所以可以把加速度看成为近似地和温度差成正比例。公式变更为ρＴ＝常数，这样Δρ＝（Ｔ内－Ｔ外）Ｋ２，这样就得到一个公式

ａ＝ｇ（Ｔ内－Ｔ外）Ｋ２／ρ空，

由于ｇ，Ｋ２，ρ空都是常数，所以可以把ｇＫ２／ρ空设为可Ｋ３。这样可以直接得出一个结论公式ａ＝Ｋ３（Ｔ内－Ｔ外），

这个公式说明烟在烟囱管中的上升升力来自于温度差，只要设法产生温度差，就可以使得烟囱内的烟和空气获得上升动力。

所以干燥问题中获得风速的原理就是烟囱中烟的上升原理，不难知道，我们必须给干燥房修建一个配套的空气加速管道，而且根据浮力原理，这个管道必须垂直放置，放在干燥房的下面，并且通到干燥房中。

要管道的原理主要有：第一，使管道内部的空气呈现“层流”态，这样摩擦阻力会很小，提速快。第二，保持管道内部和外部绝热保温，保持ΔＴ存在，如果温度差消失那么空气加速将不存在，甚至空气变冷反而会下沉。所以管道必须是密封的、光滑的、隔热的。

这样这个类似烟囱的管道就应该起名叫“空气隔热加速管”。而我设计的干燥设备就是干燥房下面接一个“空气隔热加速管”，在管子的下端再建造一个锅炉。所以这套设施必须在有高差的地方，或者要有土崖，或者在顶楼上，高差在１２～１５米比较好。

要保证锅炉产生的全部热量都通过管道进入干燥房就必须采取以下措施：第一烟管套在“空气隔热加速管”中，然后从别的出口排烟。第二，锅炉放在“空气隔热加速管”中或者地下。或者就用电炉子加热。或者用暖气片放到“空气隔热加速管”中。

在“空气隔热加速管”和干燥房连接部分也有讲究。为了保证干燥房中各个地方受热均匀，而且都可能有热气，那么就要在干燥房中开至少６个出气孔，并且布设相应的管道和“空气隔热加速管”的上端连接，每个气孔都可以开关，用以调节空气流的分布。而干燥房的东墙和西墙的顶部应该开四个排气孔（最好用电动排气扇），用以控制室内的温度和空气流通速度。

这样，一套简单而且高效的干燥设备构造好了。这个构造有些象农村过去的烤烟炉。用这个设施可以在空气温度不太高的情况下快速、干净、高效的干燥蔬菜、果品。这些东西干燥时的温度不能太高（防止烤熟，变质），但是空气的温度也不能太低，保持在３５～４５度之间就可以。这样可以把干燥需要的所有四个条件都具备，风速增加了，温度也不小，接触面积很大，相对湿度变小（饱和差变大），而且可以利用太阳能自己产生热量。