呂洪善，楊清志

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州，236800)

0 引 言

為了保證藥效，藥品的加工與存儲(chǔ)對(duì)環(huán)境溫度濕度等要求較高，而中藥材品種多樣性狀各異，對(duì)加工環(huán)境要求更高[1].藥農(nóng)收采鮮活中藥材后的前期烘干主要采用晾曬輔以火烘，而晾曬和火烘溫度不易控制容易影響藥材品質(zhì)且容易受到污染.藥廠對(duì)中藥材的后期烘干一般采用電烘和暖烘，雖然能在一定程度上解決這兩個(gè)問題，但需要消耗較多能源效率不高.為了節(jié)約能源和綠色環(huán)保，目前已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究太陽能與熱泵聯(lián)合溫度控制技術(shù)[2]，但對(duì)技術(shù)要求較高，應(yīng)用范圍有限.

比較各種中藥材烘干技術(shù)并查閱相關(guān)資料，本文提出一種利用單片機(jī)控制的基于中藥材烘干技術(shù)的太陽能—熱泵聯(lián)合恒溫控制系統(tǒng)，與普通烘干技術(shù)相比節(jié)能高效且溫度容易調(diào)節(jié)與控制，使用方便能滿足不同種類中藥材的烘干要求.

1 方案設(shè)計(jì)與工作原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用設(shè)備主要包括太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和烘熱室等，如圖1所示.通過溫度傳感器判斷太陽能集熱器所供熱量是否夠用，如果夠用就只用太陽能集熱器供熱而關(guān)閉熱泵機(jī)組以達(dá)到節(jié)能的目的，如果太陽能集熱器供熱不足則立即啟動(dòng)熱泵機(jī)組聯(lián)合給烘干室連續(xù)供熱，當(dāng)太陽能集熱器供熱嚴(yán)重不足時(shí)則關(guān)閉太陽能集熱器.針對(duì)不同中藥材所需要的不同烘干溫度和烘干速度，可通過給單片機(jī)的程序設(shè)定，來驅(qū)動(dòng)熱泵和壓縮機(jī)等工作頻率來實(shí)現(xiàn).

圖1 方案設(shè)計(jì)與工作原理圖

2 主要硬件選擇

2.1 烘干室

為了便于應(yīng)用與推廣，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的烘干室沒有特殊要求，采用5000 mm×3300 mm×2000 mm的尺寸(相當(dāng)于一間普通房屋大小但不宜太高，以減少非工作空間)，四周做好保溫防護(hù)盡量減少供熱損失.烘干室內(nèi)放置兩臺(tái)物料車(可用加寬貨柜代替)用于擺放中藥材，采用網(wǎng)狀隔板以方便氣流通過，提高烘干速度，高效節(jié)能.隔板間高度可以根據(jù)不同中藥材尺寸要求加以調(diào)節(jié)，物料車(或貨柜)間留有必要的通道便于工作人員走動(dòng)和搬運(yùn)藥材.

對(duì)于烘干室的供熱量和烘干時(shí)間因不同中藥材和季節(jié)變化而不同，一般葉草類中藥烘干較快而果實(shí)類較慢，設(shè)計(jì)按排濕量2 kg/h來計(jì)算，氣候取春秋季節(jié)均值，典型氣候參數(shù)如下：

溫度T/(℃)相對(duì)濕度Φ/(%)含濕量d/(kg/kg)焓值H/(kJ/kg)冷空氣(烘干室進(jìn)氣)15450.0047027.02熱空氣(進(jìn)氣加熱后)6530.0046077.70尾氣(干燥后排氣)45450.02644113.73

根據(jù)供熱量公式[3]：

(1)

式(1)中：QJ—烘干室需要的供熱量(kJ/h)；m—烘干室排濕量，按上文設(shè)計(jì)值取m=2 kg/h；H2—熱空氣焓值；H1—冷空氣焓值；d3—尾氣含濕量；d2—熱空氣含濕量，各物理量取值見上表.將各數(shù)值代入(1)式計(jì)算得：QJ=4641 kJ/h.

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)

目前太陽能集熱器主要有平板式、真空管式、熱管式、U型管式等四種[4].其中平板式太陽能集熱器具有安裝、維護(hù)方便，安全可靠使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但成本略高，不保溫.本系統(tǒng)采用水質(zhì)儲(chǔ)熱保溫要求不高，且因?yàn)檠芯啃枰獙?duì)系統(tǒng)不斷優(yōu)化調(diào)試，因此采用了平板式太陽能集熱器.真空管式太陽能集熱器熱效高成本低保溫效果好，但不承壓安裝繁瑣，且易碎不安全，如果沒有試驗(yàn)調(diào)試要求且烘干系統(tǒng)建成后一定時(shí)間內(nèi)不再變動(dòng)，也可以考慮采用真空管式太陽能集熱器.

根據(jù)太陽能集熱器采光面積公式[5]：

(2)

式(2)中：r—熱損失系數(shù)，取r=1.6；QJ—集熱器每小時(shí)供熱量，按式(1)計(jì)算QJ=4641 kJ/h；I—太陽輻射量，亳州地區(qū)的太陽輻射量約為2174 kJ/(m2·h)；η—集熱器效率，取η=0.45.將各數(shù)值代入(2)式計(jì)算得太陽能集熱器采光面積：S=7.59 m2，取S=8 m2，即4塊集熱板(每塊標(biāo)準(zhǔn)太陽能集熱板為2 m2).

2.3 熱泵機(jī)組

本系統(tǒng)采用太陽能與熱泵聯(lián)合供熱，通過溫度傳感器讀取太陽能集熱器進(jìn)出口溫度和溫差來自動(dòng)判斷、切換供熱模式.為了便于自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量，熱泵采用變頻熱泵.根據(jù)熱泵制熱公式[6]：

(3)

式(3)中：k1—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k1=1.07；T為熱泵工作時(shí)間，一般取12～20 h，此處取T=15 h；Qd為熱泵單位時(shí)間耗熱量(W)，本設(shè)計(jì)中，Qd=4641×103/3600=1289(W).將各數(shù)據(jù)代入(3)式計(jì)算得：Qg=2207 W，考慮到熱泵要留一定的裕量取功率為3 kW的變頻空氣熱泵.

2.4 供熱水箱

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用純凈水作為工作物質(zhì).水具有較大的熱容量，儲(chǔ)熱效果好熱損小，熱水流經(jīng)烘干室的散熱片通過供熱風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)供熱.根據(jù)太陽能集熱器儲(chǔ)熱水箱容積計(jì)算公式[7]：

V=qr jdAj

(4)

式(4)中：qrjd—太陽能集熱器單位面積日產(chǎn)熱水量(L)，與集熱器性能和供熱方式等因素有關(guān)，對(duì)于間接供熱系統(tǒng)qrjd范圍一般在30～70；S—集熱器面積，按(1)式計(jì)算取S=8 m2，將數(shù)值代入(4)式計(jì)算得V范圍為(240～560)L.

對(duì)于熱泵系統(tǒng)，儲(chǔ)熱水箱容積應(yīng)滿足下式：

(5)

式(5)中：k2—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k2=1.08；C—水的比熱容，C=4.18 kJ/(kg·℃)；ρ—水的密度，ρ=1000 kg/m3；tmax—水箱出口溫度；tmin—水箱入口溫度.中藥材烘干溫度一般為60℃，最高80℃.考慮到散熱，熱水應(yīng)比烘干室高5℃，則tmax=(80+5)℃=85℃，tmin=45℃；QJ—系統(tǒng)總供熱量，按(1)式說明，QJ=4641 kJ/h=1289 W；T按(3)式說明取15 h，各數(shù)值代入(5)式計(jì)算得V=0.450 m3=450 L，綜合(4)、(5)兩式計(jì)算結(jié)果，并考慮到夏天太陽能的集熱效果及安全因素等，設(shè)計(jì)水箱容積為V=580 L，儲(chǔ)水量隨氣候條件在450～560 L之間可調(diào).

3 自動(dòng)監(jiān)控主程序設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，本方案采用技術(shù)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器、水位傳感器及流量傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過顯示器顯示，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)定要求與所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較，來驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)控制電路，自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備工作，一旦工作情況異常并立即啟動(dòng)聲光報(bào)警以保證系統(tǒng)的可靠性.

圖2 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)主要工作流程

為實(shí)現(xiàn)圖2設(shè)計(jì)目的，系統(tǒng)主要工作流程如下：

(1)系統(tǒng)初始化，按設(shè)計(jì)要求讀取程序設(shè)定參數(shù)開始工作.程序默認(rèn)烘干溫度60 ℃，烘干速度2 kg/h(即排濕量，可通過風(fēng)機(jī)調(diào)整)；

(2)通過水位傳感器進(jìn)行水位檢測(cè)，如果水位低于下限則驅(qū)動(dòng)電磁閥開啟閥門加水，直到水位達(dá)到設(shè)定值關(guān)閉電磁閥(水箱儲(chǔ)水量可調(diào)，系統(tǒng)默認(rèn)為450 L，最低限為設(shè)定容積95%，即427.5 L；

(3)通過溫度傳感器檢測(cè)太陽能集熱器出口端與水箱溫差以判斷是否開啟/關(guān)閉太陽能溫差循環(huán)泵，采用太陽能集熱器供熱.系統(tǒng)默認(rèn)溫差高于8 ℃啟動(dòng)太陽能溫差循環(huán)泵，低于3 ℃則關(guān)閉；

(4)通過溫度傳感器和流量傳感器等監(jiān)測(cè)熱水溫度、流量以及烘干房溫度，根據(jù)溫差來調(diào)整變頻壓縮機(jī)工作狀態(tài)以確保烘干室的恒溫；

(5)如果工作正常，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)返回繼續(xù)循環(huán)工作，此時(shí)輸入鍵盤、顯示器、報(bào)警器均處于休眠狀態(tài)以達(dá)節(jié)能目的.如果數(shù)據(jù)異常則立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，直到故障排除；如果需要修改參數(shù)或結(jié)束系統(tǒng)工作，可喚醒鍵盤輸入相應(yīng)指令或參數(shù).

3.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)以上流程設(shè)計(jì)的主程序如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)主程序

4 小 結(jié)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，技術(shù)簡(jiǎn)單方便應(yīng)用，通過實(shí)際使用和測(cè)試，也驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性.采用太陽能聯(lián)合熱泵供熱相比于傳統(tǒng)的電烘、暖烘等更節(jié)能環(huán)保，前景廣闊.另外，MSP430是一款低功耗的高速單片機(jī)，功能強(qiáng)大且預(yù)留了多個(gè)接口以便功能拓展等后續(xù)研究，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的節(jié)能研究與自動(dòng)化設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值.