白育福 ， 楊明金 ， 李守太

（1.周至縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，陜西 西安 710400；2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

0 引言

為了便于農(nóng)產(chǎn)品物料儲存，需要將物料含水率通過干燥降低到安全儲藏水分線以下。以花椒產(chǎn)業(yè)為例，我國是世界花椒第一生產(chǎn)大國，全國花椒面積約2500萬畝[1]。除東北、內(nèi)蒙古等少數(shù)地區(qū)外，花椒在黃河和長江中上游的20多個省區(qū)均有栽培，而以四川、重慶、陜西、河北、山東、山西、河南、甘肅等省市居多[2]。我國的花椒種植種類繁多，如大紅袍、九葉青、大紅椒、小紅椒等。其中，青花椒以其麻味純正濃烈、氣味清香，且能溫中止痛、殺蟲止癢，具有食用和藥用價值[3]。鮮青花椒不易保存，收后處理不當(dāng)極易使表面油胞破損，導(dǎo)致花椒褐變、腐爛、品質(zhì)下降[4,5]。烘干是鮮花椒最主要的加工方式，約80%的鮮花椒需進行烘干處理。

常用的農(nóng)產(chǎn)品物料干燥類型有真空干燥、冷藏干燥和熱風(fēng)干燥等，而熱風(fēng)干燥由于結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉占比最高[6]。如為了推進綠色發(fā)展，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，近年來大力推進的熱泵干燥也屬于熱風(fēng)干燥的范疇[7,8]。物料干燥過程中，含水率變化的同時會伴隨著干燥品質(zhì)、色澤等變化[9]。為掌握物料干燥特性，制定最優(yōu)的干燥工藝，研究一定條件下風(fēng)溫、風(fēng)速、干燥時間等參數(shù)對物料含水率和干燥品質(zhì)的影響，需要保證物料干燥過程中給定參數(shù)的一致性[10]。為了得到適宜大規(guī)模物料干燥的可靠工藝，減少損失，則通常需要先進行薄層物料干燥實驗。

現(xiàn)有熱風(fēng)薄層物料干燥實驗設(shè)備對于物料干燥過程中水分的變化，即物料干燥過程中質(zhì)量變化的實時測量難以做到。主要原因是為了保證薄層物料的均勻鋪放，通常將其平鋪，而平鋪的物料受到與其質(zhì)量方向一致熱風(fēng)的作用，導(dǎo)致物料干燥過程中質(zhì)量實時測量結(jié)果精度低?，F(xiàn)有的做法是干燥過程中不定時將物料連同托盤取出測量的方法，物料與空氣中水分發(fā)生液化現(xiàn)象導(dǎo)致質(zhì)量測量誤差較大，進而影響干燥特性的研究和最優(yōu)干燥工藝的制定。

本研究基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置干燥過程參數(shù)可控，能夠?qū)崿F(xiàn)物料干燥過程中質(zhì)量和含水率的實時測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低和成本低的特點。

1 基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置

熱風(fēng)薄層物料干燥實驗裝置主要包括物料堆放倉、熱源和控制組件，如圖1所示。熱源采用電熱絲，物料堆放倉由載物板、勻風(fēng)板和擋板組成；控制組件則主要由布置于倉道內(nèi)的溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、處理器、濕度傳感器、左稱重傳感器和右稱重傳感器組成。

圖1 熱風(fēng)薄層物料干燥實驗裝置示意圖

2 基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗干燥方法

2.1 物料質(zhì)量測量原理

結(jié)合圖2對本研究熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的質(zhì)量測量原理進行說明。左稱重傳感器和右稱重傳感器布置在載物板下方，感知物料質(zhì)量的變化并將質(zhì)量數(shù)值反饋給處理器，處理器通過計算左稱重傳感器和右稱重傳感器數(shù)值之和平均值的方法得到誤差較小的質(zhì)量值。假設(shè)左稱重傳感器和右稱重傳感器測量物料的質(zhì)量分別為h、i，則此時物料的質(zhì)量為(h+i)/2。氣流方向與物料質(zhì)量方向垂直則避免了氣流沖擊對物料質(zhì)量測量造成誤差。

圖2 物料質(zhì)量測量原理圖

2.2 預(yù)實驗工作原理

結(jié)合圖3對本研究一種熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的預(yù)實驗工作原理進行說明。預(yù)實驗的目的是快速獲得物料的絕干質(zhì)量，為后續(xù)正式試驗含水率的測量做準(zhǔn)備。此時，新風(fēng)閥和新風(fēng)機開啟，回風(fēng)閥關(guān)閉。通過新風(fēng)閥進入風(fēng)道的空氣經(jīng)過吸附板作用后變?yōu)楦稍锏目諝猓ň哂休^強的帶走物料水分能力），干燥的空氣經(jīng)過電熱絲加熱后作用于物料，并經(jīng)過排濕閥排出。假設(shè)左稱重傳感器和右稱重傳感器前后兩次測量物料的質(zhì)量分別為h1、i1和h2、i2，當(dāng)(h1+i1)-(h2+i2)≤0.01g時，停止試驗，此時質(zhì)量為絕干質(zhì)量n，即n=(h2+i2)/2。

圖3 預(yù)實驗工作原理圖

2.3 物料含水率測量原理

圖4 含水率測量原理圖

結(jié)合圖4對本研究一種熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的含水率測量原理進行說明。含水率的測量依靠左稱重傳感器測得的質(zhì)量、右稱重傳感器測得的質(zhì)量、未干燥前物料質(zhì)量、物料絕干質(zhì)量之間的關(guān)系求得。假設(shè)左稱重傳感器測得的質(zhì)量、右稱重傳感器測得的質(zhì)量、未干燥前物料質(zhì)量、物料絕干質(zhì)量分別為h、i、m、n，則此時物料含水率為[(h+i)/2-n]/m。

2.4 物料質(zhì)量測量原理

結(jié)合圖5對本研究熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的風(fēng)速控制原理進行說明。風(fēng)速傳感器的作用主要是改變風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速，使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近，依靠風(fēng)速傳感器、處理器和新風(fēng)機共同實現(xiàn)。假設(shè)風(fēng)速設(shè)定值為c，風(fēng)速傳感器測量風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為f，若f-c＜0.01 m/s，則處理器增大新風(fēng)機轉(zhuǎn)速；反之則處理器降低新風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

圖5 風(fēng)速控制原理圖

2.5 溫度控制原理

結(jié)合圖6對本研究熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的溫度控制原理進行說明。溫度傳感器的作用主要是改變風(fēng)道內(nèi)氣流溫度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近，依靠溫度傳感器、處理器和電熱絲共同實現(xiàn)。假設(shè)干燥溫度設(shè)定值為b，溫度傳感器測量風(fēng)道內(nèi)溫度為e，若e-b＜0.01℃，則處理器增大新風(fēng)機轉(zhuǎn)速；反之則處理器減小新風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

圖6 溫度控制原理圖

2.6 濕度控制原理

結(jié)合圖7對本研究熱風(fēng)薄層物料干燥實驗方法的濕度控制原理進行說明。風(fēng)道內(nèi)氣流濕度過大時其帶走物料水分能力較低，耗能高；濕度傳感器的作用主要是改變風(fēng)道內(nèi)氣流濕度，使其處于設(shè)定值之下，進而保證氣流具有帶走物料水分的能力，依靠濕度傳感器、處理器、新風(fēng)閥、新風(fēng)機、回風(fēng)機、回風(fēng)閥和排濕閥共同實現(xiàn)。假設(shè)濕度設(shè)定值為d，濕度傳感器測量風(fēng)道內(nèi)濕度為g，若g-d≤1%，處理器關(guān)閉回風(fēng)機、回風(fēng)閥和排濕閥，打開回風(fēng)閥，使氣流在風(fēng)道內(nèi)循環(huán)；反之，則處理器打開回風(fēng)機、新風(fēng)閥和排濕閥，關(guān)閉回風(fēng)閥，快速排出風(fēng)道內(nèi)濕度大的氣流，通過新風(fēng)閥引入濕度低的干燥空氣。此種設(shè)計方式能夠極大地降低物料干燥過程中能耗。

圖7 濕度控制原理圖

3 基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理

本研究基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理總圖如圖8所示。預(yù)實驗的目的是獲取物料的絕干質(zhì)量，為后續(xù)正式實驗時物料含水率的實時測量與顯示做準(zhǔn)備，具體通過處理器接收左稱重傳感器和右稱重傳感器反饋的數(shù)據(jù)并對比，當(dāng)前后兩次稱重數(shù)據(jù)之差降低到特定值時，預(yù)實驗停止，此時物料質(zhì)量為絕干質(zhì)量。正式實驗時，通過進料口放入與預(yù)實驗等量的待干燥物料，在控制面板輸入干燥過程中風(fēng)速、溫度和濕度閾值，處理器基于風(fēng)速傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器反饋的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整新風(fēng)機轉(zhuǎn)速、電熱絲溫度以及回風(fēng)機、新風(fēng)閥、回風(fēng)閥和排濕閥的開閉。通過控制面板輸入物料干燥含水率閾值，處理器基于左稱重傳感器和右稱重傳感器反饋的數(shù)據(jù)實時計算物料當(dāng)前含水率，并將物料當(dāng)前含水率與含水率閾值對比，當(dāng)二者之差降低到特定值時干燥實驗結(jié)束。

圖8 基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理總圖

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一款基于熱風(fēng)干燥的薄層物料試驗裝置，并開發(fā)了與干燥裝置相對應(yīng)的干燥方法，干燥過程中參數(shù)可控，實時測量物料干燥過程中質(zhì)量和含水率的數(shù)據(jù)。相較于現(xiàn)有研究，具有干燥品質(zhì)可測可控、能耗和成本低的優(yōu)點，能夠進行農(nóng)產(chǎn)品物料干燥特性、能耗和干燥工藝擬合研究。