双池超声波红枣连续清洗装置的设计

2020-06-12辛宏伟王剑强车兴文许威广

包装与食品机械 2020年2期

丁羽，辛宏伟，王剑强，车兴文，许威广

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300）

0 引言

红枣的加工主要是以干制为主［1］。清洗是红枣制干加工过程中的一个重要环节，目前对制干红枣原料采用的清洗方式主要还是喷淋清洗、鼓泡清洗和毛刷清洗等传统的清洗方式，上述清洗方式多对蔬菜、光皮水果等清洗效果较好，但对制干红枣皱褶内的污物，清洗较为困难，清洗装置智能化程度低，耗水量大，清洗质量不稳定，易出现清洗不干净、损伤红枣、农药残留等问题［2-3］。

超声波清洗利用超声波产生的“空化”效应能将物料表面和缝隙中的污垢快速剥离，与其他清洗技术相比，具有高效、高质，适应具有复杂表面形状的物体，物理清洗，对清洗对象损伤小等优势［4-5］。国外针对超声波清洗固体表面杂质的液-固-气多相流场数值模拟进行了研究，为超声波清洗技术提供了理论支持［6-7］。国内，李芳蓉等论述了超声波清洗技术及其在中药材清洗中的应用研究，并对超声波清洗根类中草药党参净洗效果分析检测项目和分析方法的探讨，得出超声波清洗中药材快速、节水、无污染、清洁度高，中药材有效成分损失量少，是理想的中药材清洗方法［8-9］。吴艳丽等对中草药超声波清洗技术的多因素试验进行研究，结果表明，当超声波功率、频率、清洗时间分别为700 W、30 kHz、12 min时，人参的清洗效果最佳，洁净度为99.8%［10］。马少辉等设计了单池超声波红枣清洗装置，分析了超声波清洗红枣机理；以预备试验为基础，确定了清洗机的参数及范围，进行了制干红枣超声波清洗正交试验，洗净率大于96.2%，破损率为0.8%［11］。张春兰等，研究了超声波清洗对红枣细菌总数的影响，确定清洗工艺，清洗后红枣中细菌总数含量小于50 CFU/g［12］。表明超声波清洗有助于红枣的清洁，杀菌效果明显，清洗效果较好。

本研究将喷淋清洗洗去较大污物的优势与超声波清洗高效、高质、去农药残留、对红枣损伤小等优势有机结合，设计制作双池超声波红枣清洗装置。推导其浊度变化数学模型，分析其节水性，对整机进行试验，确定其工作参数，以提升红枣清洗的效率和质量。

1 整机结构设计

1.1 结构组成及工作原理

本机设有喷淋冲洗池与超声波精洗池两个清洗池，其结构如图1所示，图1（a）为喷淋初洗池，图1（b）为超声波精洗池，两池左右紧靠在一起。其工作流程：红枣由进料口进入喷淋冲洗池进行初洗，洗去较大的灰尘，同时对较硬污垢进行浸泡软化；经初洗后的红枣由带隔板的网式输送带捞出并沥水后进入超声波清洗池进行精洗，在超声波空化效应的连续作用下，进一步清除红枣皱褶等处的较硬污垢，并利用超声波高效、高质、环保清洗特点以及超声波空化效应能有效杀灭微生物、降解残留农药的优势，提高红枣清洗效率，提升红枣清洗品质。本机将喷淋冲洗初洗与超声波精洗有机结合起来，实现红枣清洗的高效、高质和节水。

清洗装置采用双池连续清洗方式，用水控制模式采用：使第二级超声精洗池中水的浊度不超过限定值。当超声波精洗池中水浊度达到限定值时，向超声波精洗池注入新水，超声波精洗池中多余的水流到喷淋初洗池，对精洗池中的水进行二次利用，初洗池中多余的水排至外池外，维持两池的初始水量不变。

1.2 样机及清洗试验

加工制作完成的双池超声波红枣清洗机右边为喷淋初洗池，左边为超声精洗池，喷淋初洗后的红枣由网式输送装置送入超声精洗池，输送的同时进行沥水，沥出的水回流至清洗池。

试验原料：选用中国新疆阿拉尔市10团成熟落地的骏枣，人工正常捡拾。

试验设备：为塔里木大学研制的双池超声波红枣清洗机，清洗池尺寸为1 300 mm×450 mm×350 mm，超声波频率可选、清洗的时间、温度、功率可调。

试验指标：洗净率和破损率的计算公式为：

式中 X ——洗净率，%；

mc——洗净红枣质量，kg；

mT——清洗红枣质量，kg。

式中 Y ——破损率，%；

md——破损红枣量，kg；

mT——清洗红枣质量，kg。

通过前期预试验得出：影响超声清洗效果的因素有超声功率、超声频率、水温和清洗时间，水温不宜太高，不超过65 ℃，超过该温度红枣会出现熟化现象，水温低有利于保护红枣的内部结构和营养成分，清洗时间一般取2～4 min；当超声波频率小于20 kHz时，红枣表面会产生破损，超声波频率一般取20～40 kHz［13-14］。在此分别取频率：20，28，33，40 kHz，功率：400，450 W，水温：45 ℃，50 ℃，清洗时间：2，3min进行正交试验，对本装置的清洗参数进行进一步的优化，对清洗装置清洗效果进行试验，试验正交分析如表1所示。

表1 双池超声波清洗红枣正交试验分析

试验结果：实际测量最优组合为3号试验，计算分析最优组合为A（2）B（1）C（2）D（2），进行试验验证得出的洗净率为98.10（%），红枣的破损率小于0.8%。所以，当频率为28 kHz、功率为400 W、水温为50 ℃、时间为3 min时为最佳清洗条件，其洗净率等指标均达到了设计的要求，清洗效率高，清洗质量优。

2 控制装置设计

2.1 控制系统整体结构

总体方案设计釆用两块控制板进行设计。主控板主要用以控制外部强电外设设备：水阀、电机、加热管等；显示板主要用来显示清洗机清洗红枣的过程。系统采用STM32F103ZET6为控制核心，设计水浑浊度控制电路、水位控制电路、水温控制电路、开关电源电路。采用人工/专家切换键、语音识别器和LCD显示模块作为人机接口的输入输出设备。加热器、电动机和超声波发生器等釆用交流220 V驱动，MCU与这些部件之间，通过I/O口、光电隔离器、可控硅和继电器等来进行控制。水位传感器、重量传感器、浊度传感器、温度传感器等组成自动控制和保护电路。采用的控制系统如图2所示。

2.2 浊度控制流程

利用Keil µ Vison5进行代码编译。采用模块化设计方式进行程序设计，设计水浑浊度控制、水温控制、水位控制过程。其中水浑浊度控制程序如图3所示，程序的组成有：初始化、通信、浊度值计算、浊度显示、模糊算法分析、模糊控制等子程序［15］。

制作完成后的智能控制装置进行脱机和联机调试，将外围负载相连后，各端口逻辑正常，工作稳定，智能控制装置的界面采用以LCD触摸屏操作，可以设置超声波功率值、换水浑浊度、清洗水温、清洗时间、水位高度5个参数值。

3 双池超声波红枣清洗装置清洗池浊度变化计算

3.1 浊度变化率与浊度比变化率

清洗水中含有悬浮及胶体状态的微粒使得无色透明的水产生浑浊，其浑浊的程度称为浊度，其值通过光线透过水层时受到阻碍的程度来确定，国际上通用的浊度度量单位为NTU。在清洗脏污程度一定的蔬菜时，如果蔬菜上携带的脏污全部进入到水中，清洗水的浊度变化与蔬菜质量线性相关。因此将一定水量下，浊度随清洗蔬菜质量的变化率称为浊度变化率［16-18］，表示为：

式中 K ——浊度变化率，NTU/kg；

ΔT ——清水浊度变化量，NTU；

m ——清洗蔬菜的质量，kg。

如果用清洗水浊度变化量除以单位体积水清洗的蔬菜量，可以得到浊度随单位体积水清洗蔬菜量的变化率，简称浊度比变化率，表示为：

式中 k ——浊度比变化率，NTU/（kg·L-1）；

V ——清洗水量，L。

浊度比变化率的大小与清洗对象的脏污程度有关，可作为清洗对象脏污程度的评价指标。上式经过变化可得，清洗水浊度变化量ΔT为：

3.2 带水率、补水率

（1）带水率。红枣在清洗后，从清洗池捞出时会带走一定量的水，带水量与清洗红枣的质量成正比，可用带水率来表示。红枣带水率指捞出单位质量的红枣时带走水的体积量，红枣清洗的带水率可表示为：

式中 q ——红枣带水率，L/kg；

m0——逐次投放的红枣量，kg；

Vq——红枣带走的水量，L。

本装置使用网状输送带，将红枣捞起后，经过一段时间沥水，使红枣带出的水基本上全部流回清洗池，因此本文在计算时，将红枣带水率忽略不计。

（2）补水率。红枣在清洗时，当清洗池水的浊度达到上限或者水位低时需要向清洗池补水，为方便计算，引入补水率的概念，补水率是指清洗单位质量红枣向清洗池中补充水的体积，用qp表示，红枣补水量可表示为：

式中 Vp——红枣补水量，L；

qp——红枣补水率，L/kg；

m0——逐次投放的红枣量，kg。

3.3 单池红枣连续清洗装置清洗池浊度

红枣单池清洗装置一般采用连续清洗，即当清洗池中水的浊度变大时，通过补充新水对污水进行稀释以降低浊度，维持浊度限定值。设红枣逐次投放量和每次补充的水量均为常数，初始水量为，并且补充新水的浊度为0，则：

（1）清洗i批次后，清洗池水的浊度Tw（i）为：

式中 Tw（i）—— 清洗第i批次后清洗池水的浊度，NTU。

（2）如果每次补充新水Vp=qpm0，则清洗i批次后补充新水后的浊度Tm（i）为：

式中 Tm（i）—— 清洗第i批次后补充新水后清洗池水的浊度，NTU。

3.4 双池超声波红枣连续清洗装置清洗池浊度

本装置采用双池连续清洗时，初洗池为A，精洗池为B；补水时精洗池B中的水进入初洗池A，初洗池A中多余的水排出，精洗池B进入新水，维持精洗池B池的浊度限定值；清洗红枣时进入初洗池的污物比例为λA，进入精洗池的污物比例为λB，则λA+λB=1，设红枣逐次投放量和每次补充的水量均为常数，两池的初始水量均为V0，新水的浊度为0，则：

（1）清洗第i批次后初洗池A的浊度TAw（i）和精洗池B的浊度TBw（i）的变化规律分别为：

式中 TAw（i）—— 清洗第i批次后初洗池A中水的浊度，NTU；

TBw（i）—— 清洗第i批次后精洗池B中水的浊度，NTU；

（2）清洗i批次后补充水后初洗池A的浊度TAm（i）和精洗池B的浊度TBm（i）变化规律为：补水过程，对于初洗池A放掉一部分水，然后由精洗池B补充，因此初洗池A会带入精洗池B的部分浊度；对于精洗池B池，补充的为新水，精洗池B池水浊度变化完全由新水稀释作用而引起变化。如果每次补水Vp=qpm0，则清洗批次后补充水后A池的浊度TAm（i）和B池的浊度TBm（i）变化规律为：

式中 TAm（i）—— 清洗第i批次后补水后初洗池A水的浊度，NTU；

TBm（i）—— 清洗第i批次后补水后精洗池B水的浊度，NTU。

3.5 双池超声波红枣连续清洗与单池红枣连续清洗浊度比较

在使用时，采用单池时，设单池的初始上水量为、单位时间投放的红枣量；采用双池时，为便于比较，使其两池的初始上水量之和与单池相同，因此使其每池的初始水量为，每池投放的红枣量为。则其批次清洗后两者的浊度如表2所示。

表2 单池红枣连续清洗与双池超声红枣连续清洗浊度数学模型

结论：由表2可以看出，对于双池清洗，因维持精洗池B中的浊度不超过限定值，所以决定补水的浊度主要由精洗池B池的浊度来决定，而B池的浊度主要由进入B池的污物比例为λB决定，红枣大部分污物由初洗池A洗去，进入B池污物比例经测量约为20%～30%，即B的取值约为0.2～0.3，因此在取相同浊度时，双池注水次数和注水量远小于单池；同时双池清洗时每次排出的水为初洗池A池中的水，其水质相对于单池清洗排出的水质更差，因此采用双池连续清洗维持精洗池浊度限定值的清洗方式相对于采用单池连续清洗维持浊度限定值的清洗方式可大大节约耗水，其浊度的设置可相对单池低一些，在节水的同时，可取得更好的清洗效果。

4 双池超声波红枣清洗装置耗水率

4.1 耗水量计算

清洗耗水量的评价参数通常采用单位质量耗水量，在这里指清洗红枣的总耗水量与清洗红枣的总质量之比。总耗水量为清洗槽的初始水量与清洗过程中补充水量的总和，总耗水量和单位质量耗水量的计算公式分别为：

式中 Vs——设备总耗水量，L；

V0——单个清洗池的初始水量，L；

n'——设备清洗池个数；

Vp——清洗过程中逐次补水量，L；

n ——清洗过程中补水次数；

Vut——单位质量耗水量，L/kg；

ms——清洗红枣的总质量，kg。

双池连续清洗时，精洗池B给初洗池A补水，初洗池A多余的水排掉，精洗池B补充清水，B池水浊度不超过限定值Tl，根据限定值可确定补水率qp。双池连续清洗时，各池的初始水量均为V0，则清洗第i批次红枣后，单位质量的耗水量为：

4.2 样机耗水测试

在试验室对双池超声波红枣清洗机样机的性能进行测试时，为了精准获得耗水量，将高精度水表接到超声波红枣清洗机上，整机运行模式采用自动智能模式，其红枣清洗耗水量如图4所示。相对于6HT-1000型红枣清洗机耗水量1.5 L/Kg节水30%以上［19］，并且随着清洗的量的增大平均耗水率逐渐降低，节水效果越明显。