基于干燥参数优化的浮式紫菜干燥机的设计

重庆化工职业学院（重庆 400020）

中国是世界上最大的紫菜生产国之一。2017年，中国紫菜产量达到17万 t，比上年增长4.2万 t[1]。尽管紫菜生产取得持续发展，但该行业仍存在诸多问题和发展限制，其中紫菜干燥效率低下成为影响紫菜后期生产链的重要因素。太阳晾晒是目前紫菜干燥的最常用方法，但干燥效果和干燥时长极易受天气变化的影响。不利的天气条件如阴天、夜长、湿度高等都会延长干燥时间，导致效率低下，降低紫菜产品质量，从而影响紫菜产品的整体生产[2]。

为解决这些问题，在优化传统紫菜干燥机基础上，设计浮式太阳能干燥机。干燥技术更加适合当地紫菜养殖者，干燥设备更加容易拖曳，节省生产地点至干燥机的拖运时间。该干燥机可以缩短干燥时间，生产高质量的紫菜产品，并减少紫菜产品在后期生产链的损失。更重要的是，该干燥机可适应各种天气条件。虽然天气条件直接影响紫菜干燥效果，干燥机不能从根本上消除影响，尤其是在雨天和夜间，仍需要较长的干燥时间，但此次研究通过分析紫菜在不同天气条件下和白天黑夜区别下干燥效果，优化干燥机工作参数，以求在不同条件下均达到最理想的干燥效果。

试验通过将干燥机的可折叠壁板打开到不同的高度水平以改变进气效果，通过及时运行排气扇以最大程度地达到太阳能晾晒和保持干燥机内空气干燥的平衡，最终达到理想的综合效果。为便于评估最佳参数、减少工作复杂性，基于阴天和夜间的相同少量太阳能，将阴天和夜间条件的性质视为相同[3]，有利于更快确定每种条件下干燥机最佳参数设置，提高紫菜干燥机干燥效率。

通过进行详尽的优化试验，确定紫菜干燥机在白天和夜间条件下的最佳运行参数。试验旨在比较干燥机的不同参数设置组合下（壁板开口高度和排气扇的运行）水分去除率；分析干燥机参数设置之间的相互作用；确定干燥机不同参数设置的重要性；确定在白天和夜间环境下，干燥机的最佳参数组合，以获得最高水分去除率，达到最理想干燥效果。

1 试验条件

试验在盛产紫菜的福建省开展，已安装浮式紫菜干燥机（图1），并被农民广泛使用。干燥试验全天候进行，以同时考虑白天和夜间的干燥条件。在干燥室中装入100 kg平均含水量91.68%新鲜紫菜。紫菜均匀地分布在所有干燥盘上。数据记录仪放置在干燥机的内部和外部，以记录环境空气及干燥室内空气的温度和相对湿度，如图2所示。

图1 浮式紫菜干燥机

图2 浮式紫菜干燥机内部示意图

以用作进气口的壁板开口高度和排气扇是否运行作为独立参数变量[4]，如图3所示，针对白天和夜间不同条件，在实际干燥试验过程中，分别进行不同干燥参数设置。表1为设计好的试验参数矩阵，在试验过程中按参数矩阵进行相应参数设置。通过从之前标记的不同干燥托盘中随机选择采样点完成数据收集，确定样品的初始质量，每30 min称重1次，干燥机运转8 h为1个周期，并记录样品1个周期后最终质量。

以式（1）计算基于样品初始质量的水分去除率，评估干燥机在不同参数设置组合下的干燥性能[5]。

式中：ωMR为水分去除率，%；Wi为样品初始质量，g；Wf为样品最终质量，g。

图3 浮式紫菜干燥机外部示意图

表1 紫菜干燥机试验参数矩阵

2 结果与讨论

2.1 条件简化

为便于后续统计分析，对各参数设置进行简化，如表2所示。

表2 各参数简化

2.2 夜间环境试验结果分析

方差分析和成对均值比较可分别用于确定变量的互相关系和参数设置的整体性能。表3所示的是经对数转换后的方差分析[6]，结果表明，壁板开口的高度与排气扇之间没有显着的互相关系。此外，结果表明壁板开口高度的单参数与水分去除率有关。表4为水分去除率的成对均值[7]，结果显示，壁板完全打开且排气扇关闭时，即OP=4 &EX=0，水分去除率最高，ωMR=35.73%，而壁板完全关闭且打开排气扇，即OP=1 &EX=1，水分去除率最低，ωMR=14.30%。试验结果归因于，OP=4 &EX=0，干燥机完全暴露于盛行风中，空气循环更活跃，与完全封闭的壁板情况相比，干燥机内部的空气更加饱和，利于更好的除湿。因此，在不运行排气扇的情况下，完全打开壁板是夜间干燥的最佳参数设置。

表3 夜间条件对数转换后的方差分析

与壁板完全封闭OP=1的2种参数组合相比，壁板完全打开OP=4的参数组合可以获得更高的平均水分去除率。在夜间没有光照的情况下，除湿的主要方式是通过空气干燥，这意味着干燥机与环境之间要进行有效空气流通。壁板完全打开有利于利用气压差，促进空气流通，降低干燥机内空气水分。

表4 夜间条件不同参数下水分去除率平均值

2.3 白天环境试验结果分析

通过分析白天试验结果的原始数据和对数转换后数据的方差分析发现，白天原始数据和对数转换后的数据均不满足方差分析的假设[8]。为找到替代解决方案，将白天环境下的原始数据方差分析表（见表5）转化为箱线图[9]（见图4）。

其中DF为方差分析中的自由度，F值为F检验的统计量值，p值用来判定假设检验结果的参数，表5中数值的计算方法可参考文献[10]。

表5 白天条件原始数据的方差分析

在箱线图中，越长的箱线意味着越大的误差变化。从图4可以看出，参数组合OP=1 &EX=0和OP=1 &EX=1相对应的数据显示出较大的误差方差，从而导致不满足方差分析的假设。为得到更合理的结果分析，后续分析忽略OP=1的试验结果。

忽略OP=1的试验结果后，白天环境下的原始数据可以满足方差分析的假设。表6为水分去除率的成对均值，试验结果表明，OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打开1/4和关闭排气扇与壁板打开1/2和打开排气扇的2种参数组合可以得到最高的水分去除率，分别为56.73%和53.43%，两者无明显差异。

图4 不同参数设置处理组合下的绝对残差和分配误差

结果表明，部分打开的壁板可让冷空气进入干燥机，同时将热空气保持在内部。在完全封闭的壁板中，外部空气无法进入干燥机，即使打开排气扇，也无法确保足够的气流；完全打开的壁板不能将干燥的空气和热量保持在干燥机内[11]。结果表明，大量气流和保持足够热量是干燥机的最佳干燥状态。图5是水分去除率最高的情况下，即OP=2 &EX=0，干燥机内部和外部环境的温度和相对湿度之间关系图。结果表明，在干燥效果显著的情况下，干燥机的内部和外部之间温度和相对湿度均存在明显差值[12]。

表6 忽略OP=1的白天环境下水分去除率的成对均值

图5 在白天情况下OP=2 &EX=0的温度和相对湿度图

3 结论

试验探究壁板高度开口及排气扇的运行对紫菜干燥机性能的影响。在夜间，壁板高度开口是除湿的唯一途径，完全打开干燥机壁板可使进入干燥室的气流最大化，从而为除湿提供最佳条件；在白天，干燥机性能受壁板高度开口和排风扇的综合影响，在OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打开1/4和关闭排气扇与壁板打开1/2和打开排气扇的2种参数组合可以得到最高水分去除率，两者无明显差异。但由于排气扇运行会带来额外成本，因此建议在白天运行时壁板打开1/4且关闭排气扇。