温度自适应经济作物小型烘干机的研制

2022-03-14陆文慧

机械研究与应用 2022年1期

张顺，陆文慧

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730070)

0 引言

国网甘肃省电力公司的扶贫点王山村所在的西和县是甘肃的深度贫困县，花椒种植作为当地的传统产业，当仁不让地成为当地群众摆脱贫困的主要途径。这里的花椒主要以家庭农户为单位进行种植，由于规模所限，收获的花椒果实多为农户自行烘干处理。但是，当地农户传统采用自然晾晒的方法，具有工效低、时间长、受天气变化影响大的缺点;亦有采用人工土烘房烘烤方式进行快速烘干，但人为烘烤方式具有烘烤温度、时间难控制、烘烤过程不卫生、烘干成平品质差等缺点。采用烘干机械烘干的方式优势明显，因此寻求经济高效的花椒烘干机械成为当地农业生产中需要现实解决的问题。笔者重点是针对花椒烘干作业需求，通过调节烘干机舱内空气湿度含量、调节烘干作业温度、合理分配热气流导向、优化烘干规模控制，研制出温度自适应的经济作物小型烘干机，达到小规模高效节能烘干农作物的目的。

1 烘干机现状调研

以陇南市西和县当地种植的花椒烘干为对象，对市售烘干机进行调研，主要发现三方面问题。

(1) 大型烘干设备造价高、规模不适应山地家庭单位作业。针对花椒烘干已有成熟的烘干设备，但市售的大型花椒烘干机大多一次性可装载1 000 kg以上待烘材料，适用于大批量集、规模化烘干作业，多适用于企业用户[1]。但在分散规模作业的地区，一家农户每天约采摘花椒100 kg，使用专门的花椒烘干设备较为浪费，且烘干对象规模不便于调整；机器大多采用380 V动力电源，设备购置成本、使用成本均不适用于作业规模小，经济基础薄弱的地区。

(2) 目前市售的小型家用烘干机一次烘干规模约装料50 kg，但缺乏针对不同种类农作物特点进行精确烘干控制的功能。市售的小型家用烘干机控制过程简单，直接以温度、时间为阈值进行控制；大部分机器兼用干燥机械，没有配套的控制模拟模块，无法对应不同农作物特点对烘干速率、烘干终止点进行科学控制或预测，易于出现烘干不均匀、烘干过度、烘干不充分现象频发的状况，无法保证农产品烘干成品的品质[2]。

(3) 市售烘干机配风方式较为单一，不利于烘干对象的均匀干燥。目前大部分烘干设备采用风机进行气流强迫循环，对机箱内气流使用加热管加热，送入烘干机热床，最后将湿热空气直接排出。这种加热方式未能充分利用加热设备的热效率，冷热空气交换频繁，加热、烘干效率较低；同时，由于在烘干时，机器对烘干热床上的半成品进行翻动，持续的单纯加热又容易造成烘干对象局部过热，严重影响花椒品质。

2 设计方案及原理

结合陇南西和县大桥镇花椒生产的实际情、当地农户经济状况以及日后作业类型的可扩展性，对传统家用烘干机进行了改进，设计研制了“一种温度自适应的农作物小型烘干机”，应用了自动控温与配风原理，保证花椒烘干过程中温度的精准性和风量的均匀性，同时烘干机还设计了风机与加热系统的联锁保护功能，以确保烘干过程的安全可靠。

2.1 控制流程

花椒作为调味品类的经济作物，消费者对其色、香、味均有较高要求。花椒在烘干过程中对环境温度较为敏感，通常在烘干过程中，温度不能过高，不能对烘干热床上的半成品随意搅动，否则会造成花椒果皮油胞破裂而出油，使得花椒自身的麻味急剧下降，严重影响花椒品质。但是，如果持续采用低温烘干，一方面会使得花椒烘干过程漫长，耽误花椒上市时间；一方面缺少短暂高温加热，花椒气味较为平和，不能激发花椒自身香味，不利于花椒售价提高。因此花椒烘干既要保证不能过度烘烤，又要在适当时机对其进行短时间高温烘焙[3]。

经过反复试验、测试，发现在烘干工程中，应重点对花椒的烘干时间、烘干温度进行分阶段控制，主要可分成三个阶段，烘干作业流程图见图1所示。

(1) 第一阶段，0～2 h。此阶段采用低温持续排风烘干，排风机开启后，通过对烘干机中的潮湿花椒进行强制冷风循环，将花椒表面水分祛除。此阶段将机箱内环境湿度和风速作为感应信息，通过对湿度的持续监测来控制送风量大小。此阶段无需加热，因此配风装置状态全开，便于机箱内湿冷空气和外界干燥空气的交换。

(2) 第二阶段，第2～6 h。经过第一阶段的装料及强制风干，机箱内监测设备监测到机箱内环境湿度变化程度降低后，自动进入第二阶段，控制系统开始进行变温控制，根据机箱内湿度变化调节加热模块工作功率，并对配风口进行控制，通过使用热风挡板及预先设置的风机在机箱内的不对称分布方式，使该阶段的温度变化较快。当机箱内监测设备监测到机箱内环境温湿度变化较大时，烘干机自动调节配风口开闭状态，利用热气流上升原理，使靠近热风通路的进风口打开，使热风在箱内循环加热，靠近冷空气交换的风口关闭，同时对箱体内湿度进行持续监测。在这个阶段，花椒皮收缩并开始裂口，因此这个阶段分段控制和温度范围尤其重要，温度过低会使能源得不到有效使用，并延长烘干时间，降低烘干效率;温度过高会使花椒油胞破裂，甚至出油，降低花椒品质。

(3) 第三阶段，第6 h～烘干结束。第二阶段结束后，花椒皮收缩并出现裂口，机箱内监测设备监测到湿度变化不大时，可判断烘干工序中的除湿过程基本完成，此时需要继续提高烘干温度，维持箱体内温度在70 ℃左右，一方面进行继续的水分祛除，另一方面是针对花椒作为调味品，需要对其进行香味的激发，通过前两个阶段的烘焙，花椒果实已经可以较为坚硬，此阶段的烘焙可以保证花椒在不损失油包的前提下到达到激发花椒本身香气的效果，并且通过实时的温湿度监测，避免温度的不合理波动，达到预先设定的干燥程度要求。

图1 烘干作业流程图

通过对箱体内温度-湿度-风量的监测与实时匹配，经过以上三个阶段的烘干，能够保证花椒颜色鲜艳，香味醇厚，与传统的恒温烘干设备烘焙的花椒相比，品质更好，烘干效果示意图见图2所示。

图2 烘干效果示意图

2.2 性能指标

此项目研制的温度自适应的农作物小型烘干机采用220 V民用供电，单机功耗最大4 kW，功率随烘干过程中温湿度变化需求进行实时调节，具备主动节能的功能。

除对农产品可进行灵活智能化的温度-湿度-风量匹配外，进行了箱体和控制装置的可拆卸式设计，既采用了控制装置与烘干箱体的“一拖N”设计方法，通过这种配置方式，既可以进行单台烘干机的独立控制，又可以根据农作物的采摘规模进行多台加入一台控制器总线的配置方式，即可自行改变烘干规模，又不需要采购多台控制器。通过采用灵活的“一拖N”配置方式，可以在增加规模的同时节省设备造价的升高，很好地适应于经济基础较差的农业生产场景。

与市场同类小型烘干机械对比，若采用批量化原材料采购及装备生产时，单台烘干机成本能够控制在2 000元以内，在与市售小型烘干机进行同等4 kW功率下条件进行烘干作业，对烘干对象的含水量进行测定，本项目的小型烘干机的烘干能力可提高22.2%。在同等烘干程度的前提下，因研制出的烘干机可根据温湿度变化进行不同烘干阶段的转换和功率的实时控制，可提升烘干效率，与市售同类烘干机相比，烘干时间可由通常的24 h缩短至16 h，烘干时间下降了37.5%。

此项目新研制的小型烘干机能够进行温度、湿度预设，或进行自动化温湿度控制，自动化程度高、箱体内冷热气流风量大、分布均匀、可进行主动功耗调节，总体能耗能小，通过多种技术手段的改进，在已经试点推广的地区进行花椒烘干作业后表明，可保证烘干出的成品花椒品质好，每公斤干花椒的售价可提高约6元，不考虑采用自然烘干过程中的减产率，仍可使每亩增收600元以上，每公斤湿花椒烘干过程与市售花椒相比节约电费0.25元。

3 试验及效果

项目研制的烘干机可通过在烘干作物的过程中对烘干机舱内空气湿度含量调节烘干作业温度、合理分配热气流导向，以及灵活的烘干规模控制，达到小规模高效节能烘干农作物的目的。包括箱体和箱内的风机，加热装置、温湿度采集器、设备并行接口，其特征为：箱体上进气口挡板及排气口挡板与箱体内腔构成配风通道，气流主要靠风机强迫流动，箱体内通过温湿度采集器采集到的温度、湿度为控制指标，对进气挡板、排气挡板、加热装置进行控制，形成温度自适应的烘干策略，多台设备可通过设备并行接口共享一套控制装置进行指标设定。从2018年7月研制成功后至今，烘干机经过一年时间的应用，其灵活、智能、高效的烘干效果已得到充分验证，设备可进行农户分散收获花椒等农作物后及时烘干作业。新型烘干机成本约为市场同类产品价格的40.7%～53.1%，通过科学合理的烘干模式，可对烘干对象进行均匀快速烘干，提高了农作物烘干效果，提升产品品质。此外，研制出的烘干机具备专门的风机与加热系统的联锁保护功能，并装有具有漏电保护的断路器，控制单元配置了过温保护逻辑，使用过程操作简便、安全可靠。

创新点包括：

(1) 风机及进风口、出风口挡板的不对称位置分布进行内部配风及促进除湿。通过轴流风机靠近箱体一侧的不对称位置布置，保障了循环气流在烘干箱内以较为均匀的方式循环，避免烘干板中部过热，靠近箱体侧板处升温慢；以温度为控制目标，温度低时挡板关闭，热风循环加热，温度高时挡板打开，利于湿热空气排出箱内。

(2) 以箱体内空气湿度为控制指标的温度自适应控制方式。通过箱体内的温湿度传感器获得的数值，烘干机加热单元进行自动温度调节，一方面可避免烘干早期温度上升速度过快造成农作物局部受热造成品质下降，一方面可结合作物含水情况自动选择温度进行均匀烘干。

(3) 多台箱体共用一套控制器的“一拖N”并联运行方式。通过灵活配置烘干箱体连接数，降低设备制造成本，并可灵活安排烘干规模。