光热烘干与自动控制技术的应用研究

文 _ 李培树 杨海宾 攀枝花煤业（集团）有限责任公司

攀枝花拥有较丰富的太阳能资源，无霜期在280d以上，年太阳辐射量在6300MJ/m2以上,同时农产品资源也比较丰富。因此合理地利用太阳能对农产品进行烘干，能够很好地解决能源和环境污染问题。

目前，我国的农产品干燥方式除传统的晾晒方式外，还有热风循环烘房、隧道式热风干燥、冷真空冻干燥、红外线或微波干燥、高速热气流干燥中、高温喷雾干燥、热泵干燥、太阳能干燥等等。但由于有些技术成本较高，仅适用于高附加值的农产品，所以我国大部分农产品采用太阳能干燥技术与自然晾晒的方法。由于太阳能是间断多变的能源，夜因此干燥设备干燥物料品种少，使用周期短，干燥方式比较单一。

1 太阳能、热泵干燥技术

太阳能和热泵作为目前采用较为普遍的农作物干燥热源，在我国的大部分农业地区都在使用。

1.1 太阳能干燥技术

我国的太阳能热利用技术基本上还处于低温、中温利用阶段，简单的将太阳能它转换为热能，并通过集热器所加热的介质（空气或水）进行对流换热而获得热能。

太阳能干燥的优点：①节省燃料，运行成本很低，对环境的污染小；②太阳能干燥装备各部的工作温度属于中、低温，操作简单、安全可靠。

太阳能干燥的缺点：①太阳能属于间歇性能源，能源密度低，不连续、不稳固，晚上和阴雨天的能源供给不能保障；②单一利用太阳能时，干燥温度低，波动大，干燥周期长；③单一太阳能干燥投资少，但热效率低，而大中型的投资大，占地面积广。

1.2 热泵干燥技术

热泵干燥机是利用逆卡诺原理，吸收空气在压缩机内完成气态的升压升温过程，并将其转移到房内，实现烘干房的温度提高。

热泵干燥的优点：①干燥过程容易控制，且可调范围宽；②用电源作为热源，环境友好，不易污染。

热泵干燥的缺点：①能源消耗高、污染环境可能性大；②维护成本高。

因此，不能单纯靠太阳能或者热泵等单一能源完成，需要将太阳能、热泵、生物质能、燃气和光电等按实际需要进行整合，实现多种能源的优势互补和合理配置，全面满足太阳能干燥工程的需求。

2 研究的主要内容

针对单一的太阳能干燥和单一热泵干燥存在的问题，结合需要烘干农产品的类型，研制一套集自然晾晒、太阳能及热泵为一体的烘干设施，并能实现各子系统的独立干燥。

研制一套自动封闭循环干燥控制系统，通过烘干设施，实现不同农产品烘干条件下的自动控制，使光热利用最大化。

研制一套适合不同农产品干燥的设施。

2.1 光热烘干系统的设计

2.1.1 光热烘干系统的工艺及原理

光热烘干系统主要由供热系统、自动封闭循环干燥控制系统、干燥室和除湿机（干燥机）组成（图1）。

图1 太阳能及热泵联合烘干结构图

其工作原理是：阳光房自然吸热及太阳能集热器接收太阳能后转换释放给传热介质水，水吸热后经车间大面积的片式散热器将热量释放于车间，散热后的水继续进入室内蓄热水箱持续散发余热，然后经循环泵强制压入太阳能集热器继续吸热，周而复始完成太阳能的吸收、转换、释放全过程循环。热泵根据烘干的具体条件，弥补太阳能稀薄性和间歇性带来的热源不足，实现连续烘干，整个循环过程实现自动控制。控制系统由配备具有可编程逻辑控制器(PLC)的工控机、控制柜、室内外温湿度传感器、循环风机和组态全自动控制系统（MCGS）组成，可全天候同时控制、监测、记录和处理脱水实时温度、湿度等参数。

2.2 热量需求计算

本系统采用三种热源供热，即阳光房、太阳能集热器、热泵，根据设计，本项目热源的计算如下：

（1）1000kg物料干燥平均每小时的排水量：

其中：P—干燥后物料重量比30%。

（2）干燥房内平均每小时的干燥量：

（3）计算本干燥房每个小时干燥所需的热量：

现取水常温t0=20℃,升温至t1=70℃作为典型温度进行计算。水在70℃时的汽化潜热为r=2333kJ／kg。计算在干燥过程中的热量消耗：

其中：Q1—物料升温所需要的热量；

Q2—物料输送小车升温需要的热量；

C干—干燥完后干物料的比热容：1974J／kg；

C水—水的比热容：4180J／kg。

物料输送小车材质为不锈钢，重量约600kg。

因此，本系统中1000kg物料完成干燥每小时所需要的热量为：

Q=Q升+Q气+Q损=20．82MJ+68．12MJ+17．79MJ=10 6．73MJ

（4）阳光房、太阳能空气集热器为瞬时加热装置，热量储存较为困难，综合各方因素考虑，计算时取太阳能系统的工作时间为5h，则阳光房、太阳能空气集热器、热泵单日所需要提供的热量为（热量比为2：6：2）：Q=106．73×5×热量比。阳光房：Q阳=106．73MJ；集热器：Q集=320．19MJ；热泵：Q泵=106．73MJ。

烘干的产品量可以根据实际情况增加，以便调节太阳能、热泵的供热量。

2.3 光热烘干设备配置

2.3.1 供热系统

本设计采用三种热源（阳光房自然吸热、太阳能系统供热、热泵供热）。热源按照一定的顺序进行循环利用，如果天气晴朗气温高，可单独开启自然吸热和太阳能供热系统；阴雨天或夜间则启动热泵、除湿机来承担干燥的供热与除湿。

（1）阳光房

主要依靠太阳光穿透屋顶的钢化玻璃进行直接的自然晾晒，屋顶采用轻质铝合金做为支架，长8m，宽3m，利用8mm×1000mm的钢化玻璃镶砌而成，可提供有效热量为：

其中：Q有—有效辐射热量（平均每天23．61MJ/m2）；

S—辐射面积；

0．5—有效辐射热源利用系数。根据计算，完全满足每天烘干2t农产品阳光房提供20%的热量（213．7MJ）。

（2）太阳能空气集热器

太阳能空气集热器是一种新型的太阳能光热利用装置，是一种绿色、高效的采暖/烘干装置。

计算所需太阳能空气集热器的采光面积：

式中：Ac—为直接系统太阳能集热器的采光面积，m2；

Q总—为太阳能空气集热器单日所需要提供的总热量，取641．1MJ；

f—为太阳能保证率，取0．5；

JT—为当地集热器受热面上年平均日辐照量，取23．6MJ/m2；

ηCD—为太阳能集热器全日集热效率，实验数据取0．5；

nL—为系统的热损(一般在0．2～0．4内取值)，此处取0．3；

经计算，AC=Q总f/JTηCD(1-nL)=641．1MJ×0．5/23．6MJ/m2×0．5×(1-0．3)=38．8m2

根据场地摆放集热器，系统安装l2台JKS18／2．1型太阳能空气集热器，总集热面积39m2。按照攀枝花平均每天23．61MJ/m2，吸热量可达920MJ/d，满足要求。

（3）热泵供热系统

热泵的工作原理遵循“卡诺循环”，通过流动媒体在蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等部品中气相变化的循环来将低温物体的热量传递到高温物体中去。

本项目采用金凯JH-050高温空气源热泵，具体参数见表1。

表1 空气源热泵参数

提供的热量为：Q=15×3．6MJ×5=270MJ，满足供热需求。

2.3.2自动化封闭循环风干控制系统

本系统将热源（水为介质）经干燥室外壁大面积的散热器释放于干燥室，散热后的水继续进入室内蓄热水箱持续发热，然后经循环泵强制压入太阳能集热器继续吸热，周而复始完成太阳能的吸收、转换、释放全过程自动循环。

系统采用大规模集成电路和数字温度传感器及温湿度监控仪，设计了微电脑温湿度自控装置程序，自主研发了内置热循环、除湿等自动控制系统，并有人工调节功能，以确保不同品种农副产品在烘烤各阶段按最佳工艺条件变化。实现一机多用。控制循环见图2。

图2 自动化封闭循环风干控制系统

2.3.3 干燥室

太阳能热泵干燥器是由太阳能空气集热器、热泵、热循环系统、除湿系统、干燥室及控制系统组合而成的干燥器。干燥器利用集热器及热泵把空气加热到60～70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室内实现对流热质的交换过程，达到干燥的目的，结构见图3。

图3 干燥室结构图

烘干主要控制的两个参数：①干农产品温度，变化区间为36～68℃，满足不同工艺段要求。②湿农产品温度，变化区间为36～42℃，满足不同工艺段要求。

通过空载模拟测试及实验数据分析在不同新风的情况下，白天环境温度28℃与新排风门关闭时，烤房能够维持的最高温度为79．5℃；晚上环境温度20℃与新排风门关闭时，烤房能够维持的最高温度为75．2℃。太阳能热泵循环系统完全能够满足农副产品烘烤工艺条件。

2.3.4 除湿系统

烘干除湿机组主要有翅片式蒸发器（外机）、压缩机、翅片冷凝器（内机）和膨胀阀组成。通过不断完成蒸发（吸取室外环境中的热量）→压缩→冷凝（在室内烘干房中放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将外部低温环境里的热量转移到烘干房中，冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程（温度高达100℃），它进入内机释放出高温热量加热烘干房内空气，同时自己被冷却并转化为流液态，当它运行到外机后，液态迅速吸热蒸发再次转化为气态，同时温度可下降至0～-10℃，这时吸热器周边的空气就会源源不断地将热量传递给冷媒。

3 创新点

3.1 实现光热技术的有效联合应用

经过不断优化改进的光热烘干技术，结合了自然晾晒、太阳能烘干技术、空气源热泵干燥技术，研制了一套热源供给系统（自然晾晒+太阳能集热器+热泵），最大限度的利用太阳能，并辅以热泵进行热源补充，既能有效地利用太阳能，又能弥补太阳能稀薄性和间歇性带来的热源不足，保证烘干的连续性。

3.2 自动封闭循环干燥控制系统

利用现代测试技术，传感技术及计算机控制技术，研制一套自动封闭循环干燥控制系统，完成了食品干燥过程中的全自动人工智能实时控制技术，实现了降低了干燥成本并提高了干燥品质，使工作技术更加安全、稳定与高效。

3.3 对干燥设施进一步改进

对原有干燥房内结构单一（只干燥一个品种）、容量小、不能满足多种农产品烘干的技术特点进行创新，并结合攀枝花农业结构现状，设计了大容量（每次烘干农产品可达2～3t）、增加了内置层架等设施，满足平铺烘干、晾挂烘干、层架等多种产品烘干。

3.4 烘干除湿机联合应用

利用除湿机将外部低温环境里的热量转移到烘干房中，冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。基本上不与外界发生热交换，从而减少了热量损失，节约能量。

4 市场推广前景

农产品干燥技术是加工过程中的一个重要工艺过程，目的是除去物料中多余的水分，通过物料系列的物理和生物发酵变化，以便于产品加工、运输、储藏和使用。采用常规能源干燥农产品投资大、能耗大，致使农产品成本增高，并造成不同程度的环境污染。一般农产品要求的干燥温度比较低，大约在40～55℃之间，正好与太阳能热利用领域中的低温热利用相匹配。而高温热泵的联合使用，扩大了太阳能的使用范围，并弥补了单纯使用太阳能技术的不稳定性，并且具有缩短干燥周期、提高产品质量、减少了环境污染等优势。攀枝花拥有丰富的太阳能资源，因此，应用光热烘干与自动控制技术干燥农副产品，具有广阔的发展前景。