張宇紅

摘 要：文章針對籽棉烘干工藝存在的問題，應(yīng)用自制的溫控微波烘干試驗設(shè)備，采用單片機作為核心控制元件，測定了溫控烘干后籽棉含水率變化，棉纖維強度變化及棉籽發(fā)芽率的影響等。實驗得出采用溫控微波烘干技術(shù)對籽棉的烘干工藝具有速度快、效率高、穿透力強等優(yōu)點。但對于棉纖維強度有一定影響，對于籽棉中棉籽的發(fā)芽率有不可逆的損壞。

關(guān)鍵詞：微波；溫控；籽棉烘干

中圖分類號：S562 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0010-02

棉花含水率是影響整個棉花加工工藝及加工速度的重要因素，所以設(shè)計制造高效率、高品質(zhì)的烘干設(shè)備勢在必行。本文研究一種高效溫控微波干燥烘干機，通過溫控微波干燥后的籽棉無任何焦糊現(xiàn)象，干燥效果比較理想，為籽棉干燥技術(shù)的推廣提供技術(shù)支持。

1 微波烘干特點

1.1 整體加熱

微波烘干過程中，由于烘干物質(zhì)水分含量分布均勻，物料表面和內(nèi)部同時受熱，而且微波烘干特點是由內(nèi)向外，使得烘干物質(zhì)內(nèi)部先干燥，逐步向外干燥，避免了外焦內(nèi)濕等加熱不均勻現(xiàn)象。并且微波烘干速度快，作用于物質(zhì)的時間短，最大限度地減少對物質(zhì)的品質(zhì)影響。

1.2 加熱效率高

微波烘干是作用在烘干物內(nèi)部，周圍的金屬設(shè)備不吸收微波，能量封閉在微波腔體內(nèi)，只作用于被烘干體。并且不需要傳熱介質(zhì)，幾乎沒有熱損耗，熱效率得到充分利用。在加熱設(shè)備開機運行后可以通過調(diào)整微波輸出功率進行實時調(diào)控。一旦關(guān)機，加熱立即停止，沒有余熱，便于連續(xù)生產(chǎn)和自動化控制。

2 實驗設(shè)備與材料及原理

2.1 實驗材料

①材料選用：一級籽棉，產(chǎn)于新疆農(nóng)八師149團。②材料處理：根據(jù)GB 3543-1995國家標準測定籽棉含水率，分別取含水率為9%、11%、12%、13%、14%、15%、17%、19%的籽棉樣品放置于雙層密封袋封裝，在4 ℃下冷藏待用。

2.2 烘干設(shè)備與儀器

烘干設(shè)備：自設(shè)計QW-8HM2微波棉花烘干機。設(shè)備主要由電源箱、微波加熱裝置、傳送帶、控制臺、傳送帶電機、排濕風機、排熱風機、抑止器、機架、濕度傳感器、溫度傳感器、單片機、變頻器等組成。

3 微波烘干機自動控制原理

3.1 烘干機控制原理

根據(jù)控制要求利用單片機為核心控制元件，通過設(shè)置濕度和溫度控制點，采用濕度傳感器（出料傳感器）、溫度傳感器采集現(xiàn)場濕度、溫度信號，實時傳送至A/D信號轉(zhuǎn)換器，直接輸出濕度、溫度的數(shù)字信號，與單片機接口連接并采用動態(tài)掃描顯示方式；整個濕度、溫控系統(tǒng)通過單片機與出料傳感器以及變頻器和電動機交互作用實現(xiàn)濕度和溫度的智能控制。

3.2 變頻器控制原理

變頻器作為控制電機的核心器件，通過入料傳感器和出料傳感器的PID調(diào)節(jié)信號傳送至單片機程序控制，調(diào)節(jié)變頻器頻率控制電動機轉(zhuǎn)速，從而達到烘干時間和溫度的調(diào)控目的，使籽棉達到控制要求。

3.3 溫控微波控制原理

濕度傳感器和溫度傳感器采集信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將信號傳送至單片機，單片機通過程序?qū)穸群蜏囟鹊脑O(shè)置，直接控制變頻器和顯示機構(gòu)，達到實時監(jiān)控和控制的目的。

4 實驗方法及工作原理

4.1 微波烘干機參數(shù)設(shè)置

設(shè)定QW-8HM2微波烘干機微波輸出功率為8 kW，變頻器分別設(shè)置為25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz，籽棉入口厚度分別為5 cm、10 cm。

4.2 實驗測定

①籽棉烘干前后水分測定：采用籽棉水分測定儀測定烘干前含水率和烘干后含水率；②籽棉纖維強度測定：采用感官評價方法，通過手扯拉棉花纖維，感官拉力強弱判斷纖維籽棉烘干前后纖維強度；③籽棉發(fā)芽率測定：根據(jù)GB 3543-1995測定，取100粒籽棉4次重復(fù)在種子育苗箱里進行育苗對比分析烘干前后的籽棉棉籽發(fā)芽率。

4.3 實驗方法

將被烘干籽棉平鋪厚約5～7 cm放置在傳送帶上，濕度傳感器檢測被烘干籽棉初始含水率，并將此值實時傳送至單片機，通過單片機程序進行PID運算，單片機輸出信號傳送至變頻器，變頻根據(jù)實時監(jiān)測值調(diào)節(jié)頻率，從而智能控制電機轉(zhuǎn)速。

籽棉在傳送帶上通過抑止器進入微波加熱箱內(nèi)，通過光電傳感器檢測到有籽棉進入信號，排熱電機與排濕電機同時開啟，10 s后微波加熱裝置開啟，籽棉進入烘干工序，如果微波加熱箱入口處的光電傳感器監(jiān)測到已經(jīng)沒有籽棉進入，傳送電機、排熱電機、排濕電機、微波發(fā)生器60 s后延時斷開，停止工作。

在微波加熱過程中，當微波加熱箱的溫度傳感器測得籽棉的表面溫度高于50 ℃時，則將其電信號傳送給單片機，單片機通過控制微波發(fā)生器的接觸器，立即停止微波發(fā)生器，同時傳送電機、排熱電機、排濕電機延時60 s后斷開繼續(xù)。當微波加熱箱的溫度傳感器測得籽棉的表面溫度低于50 ℃，且微波加熱箱入口處光電傳感器檢測到有籽棉通過，微波發(fā)生器再次被開啟。

烘干后籽棉到達出料口時，出料口的濕度傳感器，實時檢測籽棉的含水率，如果含水率達到7%～8.5%時，符合預(yù)期工藝要求，則傳送電機轉(zhuǎn)速不變。如果籽棉含水率大于8.5%，檢測信號反饋至單片機，單片機通過PID調(diào)節(jié)，將信號輸送給變頻器降低頻率使傳送電機速度下降，延長籽棉烘干時間。如果籽棉含水率小于7%時，則電機速度上升，縮短籽棉烘干時間。

4.4 實驗結(jié)果與分析

4.4.1 溫控微波烘干籽棉含水率變化

含水率分別為9%～19%的籽棉通過功率為8 kW微波烘干后含水率的變化曲線。從總體趨勢分析看，不同含水率的籽棉在微波烘干機的作用下，其含水率隨烘干時間的遞增而降低。在烘干0～20 s時，初始含水率為9%、11%、15%的籽棉含水率達到7.0%～8.5%，在烘干20～30 s內(nèi)，12%、13%、14%的籽棉含水率達到7.0%～8.5%，在烘干30～40 s內(nèi)，17%、19%的籽棉含水率達到7.0%～8.5%，在烘干50 s時，初始含水率為9%～15%的籽棉已經(jīng)糊化，根據(jù)上述分析可得到如下結(jié)論：①微波烘干籽棉時間短、效率高；②如需達到含水率為7.0%～8.5%工業(yè)扎花要求，只需測定籽棉初始含水率確定微波烘干時間即可達到烘干目的。

4.4.2 溫控微波烘干籽棉纖維強度的影響

溫控微波烘干籽棉纖維強度的影響如圖1所示。

從圖1中可以分析得到，在微波功率為8 kW大功率烘干條件下，籽棉纖維強度總體趨勢下降，纖維彈性發(fā)生變化，通過微波處理后的籽棉棉纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會受到一定影響，通過分析對比，在應(yīng)用此類大功率烘干設(shè)備處理籽棉時，在能達到含水率達標的情況下，盡量縮短微波輻射時間。

4.4.3 溫控微波烘干籽棉對發(fā)芽率的影響

溫控微波烘干籽棉對發(fā)芽率的影響如圖2所示，可以分析得到，采用大功率微波烘干設(shè)備，籽棉在烘干時間20 s后，所測的各種含水率籽棉發(fā)芽率從烘干前的92%下降至0%。通過分析得到一些結(jié)論：①大功率微波烘干機不適用于中棉烘干；②種棉烘干可用小功率（400 W以下）間歇式烘干方式。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)籽棉裝置的烘干要求，設(shè)計了利用單片機作為PID現(xiàn)場控制裝置對濕度和溫度進行智能控制。通過現(xiàn)場檢測被烘干籽棉的烘干前后含水率，進行現(xiàn)場自動控制執(zhí)行機構(gòu)的通斷，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備操作方便，干燥速度快，加熱均勻，但是對籽棉的發(fā)芽率具有不可逆的損壞。因此，籽棉溫控微波烘干技術(shù)在棉花加工生產(chǎn)過程中具有很好的實際應(yīng)用價值和推廣空間。

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