基于太阳能的葡萄干燥装置设计与优化控制

李建军，李 淼，孟令鹏，杜松怀

(1．中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083；2．塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；3.大连理工大学 土木工程学院,辽宁 大连 116024)

0 引言

新疆葡萄栽培面积93.3万hm2多，占全国葡萄栽培总面积的 20%。葡萄干燥主要分为人工和自然干燥，传统的干燥主要把葡萄放置在阳光下晾晒[1]，当80%的水分蒸发掉以后，葡萄干制基本完成。但是，这种自然干燥主要的问题是灰尘多，常伴有沙粒、虫子及褐变现象，葡萄干制的品质下降。为了提高葡萄品质和满足市场供应，国内外研究了一些干燥葡萄的方法，并取得了较好的效果。黄志强等应用促干剂对无核白葡萄进行了制干试验，发现应用促干剂做预处理得到的葡萄干质量优于冷浸法[2]。Pangavhane D.R.等人比较研究了4种不同的预处理剂情况，得出93℃时葡萄经低浓度强碱性溶液处理后品质较好，时间周期短[3]；另外，采用微波干燥、微波和促干剂联合干燥、真空干燥等干燥葡萄的方法都取得了较好的干燥效果[4-7]。本设计采用太阳能集热器法干燥葡萄，能充分利用可再生能源，解决自然晾晒引起的品质问题及采用常规能源干燥的耗能问题。太阳能干燥红枣、蜜枣及果蔬等的研究成果很好[8-16]，但对葡萄干燥装置的研究较少，因而笔者对葡萄干燥的装置、干燥指标进行了研究。

1 葡萄干燥装置的设计原理及机构

1.1 设计原理

新疆太阳能丰富，盛产葡萄等蔬菜水果，但干制方法主要是自然晾晒法，不仅拉长了生产周期，限制了生产能力，且需大面积晒场，成本增加，卫生条件差，影响产品质量。本文设计了一种干燥葡萄的太阳能干燥装置，如图1所示。

1.集热器冷空气入口 2.太阳能集热器 3.集热器热空气出口 4.通风管道 5.鼓风机 6.电动阀 7.葡萄干燥室 8.葡萄烘干筛网 9.温度传感器 10.排湿风机

太阳能干燥器主要由太阳能空气集热器、通风管道、鼓风机、干燥室、控制中心及葡萄烘干筛网等组成。其中，太阳能集热器通过管道和鼓风机和干燥室联通，且管道上设置电动阀门。

工作过程：空气经过太阳能集热器、管道、鼓风机和电动阀门进入干燥室内干燥果蔬，干燥室内分层放置筛网，被干燥的果蔬放置在筛网上，果蔬中出来的水汽通过干燥室内的排湿机排出。

1.2 太阳能集热器部分

太阳能集热器采用串联连接方式，如图1集热器内的空气流向。这样可以让空气充分吸收太阳能集热器的热能。由于鼓风机快速抽走热空气，太阳能集热器串联可以增加空气在集热器内流动的距离，吸收更多的太阳能热量，为葡萄干燥室提供更多热量。

1.3 循环热风部分

太阳能干燥器采用电动阀门，通过温度传感器检测干燥室内的温度。当温度达到被干燥果蔬的上下限的时候，电气控制中心开始控制电动阀门开度大小，进而控制进入干燥室内的热空气流量，同时控制鼓风机的转速，使送风量快速改变，达到快速控制热空气进入干燥室的目的。

为了保证安全，采用的电动阀门工作电压直流DC24V，包括电动执行机构和阀门两个部分。阀门口径选择DN-100，电动阀门通过检测管道内空气模拟量，4～20mA的控制信号输入，采用比例式控制，调节阀门开度，从而控制热空气进入多少。

1.4 葡萄干燥箱部分

由于葡萄干燥室的进风口处热空气密度大、相对热量多，而干燥室其他地方的热空气密度小、相对热量少。为了使葡萄干燥均匀，采用的网孔为不均匀形式的筛网，靠近入葡萄干燥室风口—侧，网孔稀疏，远离葡萄干燥室入风口处网孔密集，可以使干燥室各处获得均匀的热量，如图2所示。

1.葡萄烘干筛网 2.筛孔

1.5 干燥控制部分

葡萄烘干是自控烘干过程，主要由单片机、鼓风机、电磁阀、排湿风机、温度传感器、光照强度传感器、驱动放大及变频装置等组成，系统流程如图3所示。

葡萄烘干工作过程：白天阳光充足时，空气经过太阳能集热器，通过管道和鼓风机进入葡萄干燥室内干燥果蔬；当阴天或者夜晚时，太阳能集热器不能满足干燥葡萄的温度，鼓风机停止工作，采用其他加热烘干形式。

葡萄干燥控制系统中，葡萄干燥温度上下限设为40°～45℃，如果温度过高，葡萄会发生褐变。首先通过太阳光传感器不断检测信号，判断是晴天还是阴天(夜晚)。如果判断是白天晴天，再通过葡萄干燥室内温度传感器检测温度；当干燥室内高于45℃的时，控制中心发出信号，停止鼓风机工作；当温度低于40℃时，启动鼓风机工作。

本创新设计的自动控制过程通过软件编程序在单片机中实现，具体的软件流程图如图4所示。

图3 系统流程图Fig.3 System flow chart

图4 主程序流程图

2 试验结果与分析

2.1 葡萄干燥试验条件和干燥器参数

试验地点选择塔里木大学现代农业工程重点实验室和阿克苏葡萄规模种植果园。对太阳能集热器整体进行试验，数据如表1所示。新疆南部阿克苏地区全年的日照时数在全国最高3 200～3 300h，日照时间范围内每小时的辐射量变化范围为579～707W/m2，鼓风机选择转速1 450r/min，排风量1 350m3/h，功率0.75kW，管径200mm，最大风速是12.06m/s。太阳能集热器内温度变化范围为25°～67.2℃。当风机不工作时，太阳能集热器内温度会迅速升温达到最大值，如表1所示。

表1 葡萄烘干试验干燥系统试验参数

试验中，除干燥装置外，使用的试验仪器主要包括BS2000S电子天平、电子测风仪、WMSS-02C温湿度控制仪及温湿度传感器等。

2.2 试验与数据分析

试验时，以葡萄的干基含水率(葡萄中水和干物质的比值)为考核指标，对葡萄进行烘干试验，试验因素为烘干温度。干燥箱内的温度主要由太阳能集热器的光照强度、热风流动速度决定。本试验选择自然晾晒和用太阳能集热器加热对比进行，如表2和表3所示。

表2 葡萄烘干太阳能干燥实验结果

续表2

其中，葡萄的干物质含量采用恒重法测得。每次试验选择5组样本，放置在干燥箱内不同位置，测得每个样本的干物质含量，取5组数据的平均值。测量时，选择每天同一时间进行，选择部分数据列入表2和表3中。

表3 葡萄烘干自然干燥实验结果

3 结论

1)自然干燥和用太阳能干燥装置比较，干燥装置干燥只需要自然干燥的1/4的时间，即可达到干燥指标要求，缩短了干燥产品的加工周期。

2)太阳能干燥使用的能源为可再生能源，具有可持续性，发展前景良好。

3)自然干燥最高温度不超过35℃，而太阳能干燥系统干燥温度可控，达到自动干燥的目的。

4)干燥箱内温度不超过45℃，否则容易引起褐变，影响葡萄干燥品质。