基于热风干燥的薄层物料试验装置与方法研究＊

2021-06-18白育福杨明金李守太

南方农机 2021年11期

白育福，杨明金，李守太

（1.周至县农业农村局，陕西西安 710400；2.西南大学工程技术学院，重庆 400715）

0 引言

为了便于农产品物料储存，需要将物料含水率通过干燥降低到安全储藏水分线以下。以花椒产业为例，我国是世界花椒第一生产大国，全国花椒面积约2500万亩[1]。除东北、内蒙古等少数地区外，花椒在黄河和长江中上游的20多个省区均有栽培，而以四川、重庆、陕西、河北、山东、山西、河南、甘肃等省市居多[2]。我国的花椒种植种类繁多，如大红袍、九叶青、大红椒、小红椒等。其中，青花椒以其麻味纯正浓烈、气味清香，且能温中止痛、杀虫止痒，具有食用和药用价值[3]。鲜青花椒不易保存，收后处理不当极易使表面油胞破损，导致花椒褐变、腐烂、品质下降[4,5]。烘干是鲜花椒最主要的加工方式，约80%的鲜花椒需进行烘干处理。

常用的农产品物料干燥类型有真空干燥、冷藏干燥和热风干燥等，而热风干燥由于结构简单和成本低廉占比最高[6]。如为了推进绿色发展，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，近年来大力推进的热泵干燥也属于热风干燥的范畴[7,8]。物料干燥过程中，含水率变化的同时会伴随着干燥品质、色泽等变化[9]。为掌握物料干燥特性，制定最优的干燥工艺，研究一定条件下风温、风速、干燥时间等参数对物料含水率和干燥品质的影响，需要保证物料干燥过程中给定参数的一致性[10]。为了得到适宜大规模物料干燥的可靠工艺，减少损失，则通常需要先进行薄层物料干燥实验。

现有热风薄层物料干燥实验设备对于物料干燥过程中水分的变化，即物料干燥过程中质量变化的实时测量难以做到。主要原因是为了保证薄层物料的均匀铺放，通常将其平铺，而平铺的物料受到与其质量方向一致热风的作用，导致物料干燥过程中质量实时测量结果精度低。现有的做法是干燥过程中不定时将物料连同托盘取出测量的方法，物料与空气中水分发生液化现象导致质量测量误差较大，进而影响干燥特性的研究和最优干燥工艺的制定。

本研究基于热风干燥的薄层物料试验装置干燥过程参数可控，能够实现物料干燥过程中质量和含水率的实时测量，具有结构简单、能耗低和成本低的特点。

1 基于热风干燥的薄层物料试验装置

热风薄层物料干燥实验装置主要包括物料堆放仓、热源和控制组件，如图1所示。热源采用电热丝，物料堆放仓由载物板、匀风板和挡板组成；控制组件则主要由布置于仓道内的温度传感器、风速传感器、处理器、湿度传感器、左称重传感器和右称重传感器组成。

图1 热风薄层物料干燥实验装置示意图

2 基于热风干燥的薄层物料试验干燥方法

2.1 物料质量测量原理

结合图2对本研究热风薄层物料干燥实验方法的质量测量原理进行说明。左称重传感器和右称重传感器布置在载物板下方，感知物料质量的变化并将质量数值反馈给处理器，处理器通过计算左称重传感器和右称重传感器数值之和平均值的方法得到误差较小的质量值。假设左称重传感器和右称重传感器测量物料的质量分别为h、i，则此时物料的质量为(h+i)/2。气流方向与物料质量方向垂直则避免了气流冲击对物料质量测量造成误差。

图2 物料质量测量原理图

2.2 预实验工作原理

结合图3对本研究一种热风薄层物料干燥实验方法的预实验工作原理进行说明。预实验的目的是快速获得物料的绝干质量，为后续正式试验含水率的测量做准备。此时，新风阀和新风机开启，回风阀关闭。通过新风阀进入风道的空气经过吸附板作用后变为干燥的空气（具有较强的带走物料水分能力），干燥的空气经过电热丝加热后作用于物料，并经过排湿阀排出。假设左称重传感器和右称重传感器前后两次测量物料的质量分别为h1、i1和h2、i2，当(h1+i1)-(h2+i2)≤0.01g时，停止试验，此时质量为绝干质量n，即n=(h2+i2)/2。

图3 预实验工作原理图

2.3 物料含水率测量原理

图4 含水率测量原理图

结合图4对本研究一种热风薄层物料干燥实验方法的含水率测量原理进行说明。含水率的测量依靠左称重传感器测得的质量、右称重传感器测得的质量、未干燥前物料质量、物料绝干质量之间的关系求得。假设左称重传感器测得的质量、右称重传感器测得的质量、未干燥前物料质量、物料绝干质量分别为h、i、m、n，则此时物料含水率为[(h+i)/2-n]/m。

2.4 物料质量测量原理

结合图5对本研究热风薄层物料干燥实验方法的风速控制原理进行说明。风速传感器的作用主要是改变风道内风速，使其稳定在设定值附近，依靠风速传感器、处理器和新风机共同实现。假设风速设定值为c，风速传感器测量风道内风速为f，若f-c＜0.01 m/s，则处理器增大新风机转速；反之则处理器降低新风机转速。

图5 风速控制原理图

2.5 温度控制原理

结合图6对本研究热风薄层物料干燥实验方法的温度控制原理进行说明。温度传感器的作用主要是改变风道内气流温度，使其稳定在设定值附近，依靠温度传感器、处理器和电热丝共同实现。假设干燥温度设定值为b，温度传感器测量风道内温度为e，若e-b＜0.01℃，则处理器增大新风机转速；反之则处理器减小新风机转速。

图6 温度控制原理图

2.6 湿度控制原理

结合图7对本研究热风薄层物料干燥实验方法的湿度控制原理进行说明。风道内气流湿度过大时其带走物料水分能力较低，耗能高；湿度传感器的作用主要是改变风道内气流湿度，使其处于设定值之下，进而保证气流具有带走物料水分的能力，依靠湿度传感器、处理器、新风阀、新风机、回风机、回风阀和排湿阀共同实现。假设湿度设定值为d，湿度传感器测量风道内湿度为g，若g-d≤1%，处理器关闭回风机、回风阀和排湿阀，打开回风阀，使气流在风道内循环；反之，则处理器打开回风机、新风阀和排湿阀，关闭回风阀，快速排出风道内湿度大的气流，通过新风阀引入湿度低的干燥空气。此种设计方式能够极大地降低物料干燥过程中能耗。

图7 湿度控制原理图

3 基于热风干燥的薄层物料试验装置与方法工作原理

本研究基于热风干燥的薄层物料试验装置与方法工作原理总图如图8所示。预实验的目的是获取物料的绝干质量，为后续正式实验时物料含水率的实时测量与显示做准备，具体通过处理器接收左称重传感器和右称重传感器反馈的数据并对比，当前后两次称重数据之差降低到特定值时，预实验停止，此时物料质量为绝干质量。正式实验时，通过进料口放入与预实验等量的待干燥物料，在控制面板输入干燥过程中风速、温度和湿度阈值，处理器基于风速传感器、温度传感器和湿度传感器反馈的数据动态调整新风机转速、电热丝温度以及回风机、新风阀、回风阀和排湿阀的开闭。通过控制面板输入物料干燥含水率阈值，处理器基于左称重传感器和右称重传感器反馈的数据实时计算物料当前含水率，并将物料当前含水率与含水率阈值对比，当二者之差降低到特定值时干燥实验结束。