食用菌组合式低露点干燥设备操作规程

2022-10-10王教领宋卫东王明友丁天航吴今姬周德欢

农业开发与装备 2022年8期

王教领，宋卫东，王明友，丁天航，吴今姬，周德欢

（农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014）

0 引言

干燥主要涉及传质传递方式，其中热量的传递通常有辐射、传导与对流3种方式，对应于经典干燥技术的有红外干燥、带隔板的冷冻干燥及热泵干燥，目前以热泵为代表的对流干燥成为主要干燥方式。对流干燥效果主要受到风温、风速与湿度影响，由于温度过高会破坏物料品质，所以温度调节受到限制。适当的风速可以促进热质传递，但超过最佳风量会造成热量的浪费[4]。而干燥介质的湿度对物料品质影响相对较小，低湿度可以提升干燥驱动力，有助于实现低温干燥，因此，湿度是一个理想的调节参数。农产品干燥常用的除湿方式有冷冻除湿，如热泵除湿、吸附除湿如转轮除湿等，而转轮除湿具有露点低等优势，且具有温湿度独立控制特点，可以实现物料的高效干燥，但由于转轮能耗相对较高，这一短板限制了其在农产品干燥领域的产业化发展[5，6]。而热泵节能性好、除湿能耗低，但出风空气不够干燥，所以将转轮与热泵联合起来可以充分融合二者的优势，实现食用菌的高效节能干燥，同时在低湿度的情况下又可以采用低温干燥。因此，转轮热泵联合不仅可以实现快速干燥，而且可以实现低温干燥，从而保证干燥品质[7，8]。

因此，围绕食用菌高含水率与热敏性特性，通过转轮与热泵联合，实现优势互补，实现低温高效干燥，具有良好应用前景。本操作规程围绕木耳、香菇等干燥要求，制定了食用菌低露点干燥操作方法，为相关食用菌生产企业提供技术参考。

1 食用菌组合式低露点干燥设备结构与工作原理

组合式低露点干燥设备的除湿工艺如图1所示。该设备主要由热泵除湿系统、转轮除湿系统、临界除湿机构、分级冷凝机构、风道机构、干燥箱体、辅助部件及其控制系统等组成。热泵系统主要热泵循环及辅助加热器等组成，其中冷凝器由干燥冷凝器、再生冷凝器和废热冷凝器串联组成，通过转换阀实现中低温切换，满足转轮再生、物料加热的需求。转轮除湿干燥系统由转轮、辅助加热器、预热器及再生加热器等组成，转轮除湿时，由转轮电机驱动，其中转轮电机转速根据实际干燥物料特性及环境等因素决定。新风或回风先通过蒸发器降温除湿后再进入转轮深度除湿。转轮在除湿过程中，当转轮内的吸附剂吸附水蒸气潮湿后，进入再生区域由高温再生进风进行加热再生，潮湿的再生出风直接排到空气中，而除湿干燥后的处理出风经加热处理后送入干燥箱对物料进行干燥，这一过程循环进行，直到物料干燥达到储藏要求[9，10]。

图1 组合式低露点干燥工艺图

组合式低露点干燥设备具有进气预处理功能，可以使得进入干燥箱的空气变得很干燥，从而提升干燥驱动力，但往往能耗较大。因此，如何实现节能干燥成为转轮干燥需要突破的关键技术，为此本设备设计有临界除湿与分级冷凝机构。针对前期干燥回风湿度大，温度低不宜利用问题，对比传统开式、闭式和带有旁通率的热风循环系统，基于转轮等焓除湿与物料等焓干燥特性，探究合适转换点。通过对除湿过程分析表明，当回风与新风通过蒸发器后的焓值相等时进行切换，利用回风干燥，为最佳转换点。因此，临界除湿机构主要由新回风转换阀、回风利用机构及其控制系统等组成。通过对新回风与回风经过蒸发器以后焓值及除湿状态的判断，进行开式或闭式干燥。当需要新风干燥时，开启新风阀，关闭回风阀，开启回风排风阀；当需要进行回风干燥时，关闭新风阀，开启回风阀，关闭回风排风阀。基于上述除湿转换机制，在蒸发器出口设置温湿度传感器，并在程序中设置切换时间t，测算并设定新风焓值I1，回风焓值I2，当I1≤I2切换[11]。该临界除湿机构的设计与操作可以实现空气能及余热的利用最大化，进一步降低转轮除湿能耗。

由于转轮在除湿过程中吸附剂会变的潮湿，如果不进行再生将不再具有除湿能力，但除湿再生能耗大一直是制约农产品转轮除湿干燥产业化发展的一个重要因素。针对转轮再生风温高、能耗大问题，提出压缩机排气预热转轮再生技术，研究循环能量高效分配机制，通过分级冷凝换热，实现排气高温再生、冷凝中温干燥的有效利用模式，明显降低再生能耗。该组合式低露点设备设计有分级冷凝再生机构，将压缩机排除的高温制冷剂气体，先对再生进气进行预热，再利用再生辅热器加热到再生所需的温度后对转轮进行再生处理，同时干燥热风采取底部穿流的方式，由下向上穿过物料，与物料进行充分热质交换，并通过箱体出风口流出，系统根据出风状态判断是直接排空还是回收利用[12，13]。

图2 食用菌组合式低露点干燥设备

2 食用菌组合式低露点干燥设备干燥作业操作规程

2.1 装料与摆盘

干燥室的物料架，应采用不锈钢材料，料盘采用不锈钢或聚丙烯等无毒、无味、抗腐蚀、不易脱落材料。干燥物料以木耳与香菇为例：

将鲜黑木耳平铺在料盘上，装料量应＜7.5 kg/m2，采用单层或双层铺料，铺料厚度尽量控制在3 cm内。待干燥的木耳最好大小一致，利于均匀干燥，防止部分物料过度干燥[14]。

香菇先进行手动切根或自动切根，完成切根后均匀摆放于料盘上，每盘内的香菇大小要基本一致，把大而厚、水分含量高的摆放在上层，小而薄、含水量低的摆放在下层，然后将料盘摆放在物料车上，装满料盘后将物料车推到干燥箱内，关上箱门准备干燥[15]。

系统选用凌阳红外测温模块TN_9探测环境和目标温度，AT89S52单片机完成相应数据处理工作，并通过串口与PC机进行通信，便于果园温度的监控以及数据存储分析；另外按键和数码管显示模块也支持果园红外测温系统脱离PC机控制独立进行果园温度的采集工作。系统总体结构设计如图1所示。

2.2 开机前检查

干燥前认真阅读使用说明书，检测机器是否按照说明书要求安装到位。重点检测机器的电器部分和转轮驱动皮带等关键机构是否安装到位，检查机组电压和电气系统接线是否牢固，接地保护是否正常。同时检查制冷剂系统压力知否正常、有无泄漏等；检查各风道接口处密封是否良好等。

2.3 开机程序

开机程序首先是接通电源，然后选择语言模式，接着点击系统启动。初次使用时，需要校准各传感器精度并设置温湿度误差。当各参数校准后，可以根据物料干燥工艺设置再生温度、转轮转速，并分段设置干燥温湿度和时长，然后观察系统运行至稳定运行。

在干燥过程中，根据蒸发进风的温湿度及回风等状态，可根据物料干燥情况，进行压缩机频率、热风循环等调节，以满足临界除湿转换及分级再生的要求，实现节能干燥。

2.4 食用菌组合式低露点干燥设备干燥过程操作规程

食用菌干燥根据其生理特性可分为低温干燥与中高温干燥，其过程一般可分为预热阶段、恒速阶段与降速阶段。干燥过程中，干燥介质利用转轮放热或干燥冷凝器加热，经辅热器加温后送入干燥箱，之后穿过多层料盘，利用穿流式由下向上穿过食用菌物料，与食用菌物料进行热质交换。若初期回风湿度大可考虑将回风排到大气中，而当回风湿度较低、温度较高时，通过临界除湿机构将回风导入蒸发器，对回风进行余热回收，进行闭环除湿干燥。该设备可满足低温与中温干燥需求，通过系统对制冷剂回路的切换满足不同温度需求。

2.4.1 除湿干燥操作方法。低温干燥制冷剂路线经过蒸发器进入压缩机压缩后成为高温高压制冷剂，再进入再生冷凝器对再生进风进行预热，之后进入废热冷凝器排除多余热量，后经膨胀阀节流，再回流蒸发器，这一过程循环往复。其中制冷剂进入废热冷凝器而不再进入干燥冷凝器，也不再加热干燥介质，废热冷凝器中的热量排放到空气中不再利用，该系统可用于40℃以下的低温干燥，一般用于食用菌干燥初期的预热阶段。中温干燥制冷剂由蒸发器进入压缩机压缩后进入再生冷凝器对再生空气进行预热后，进入干燥冷凝器对干燥介质进行干燥，之后进入废热冷凝器再进入膨胀阀节流，再进入蒸发器，循环往复，该回路可实现45℃～50℃的中温干燥，同时辅助加热器还可以进一步适量提升干燥温度，满足高温段加热需求。中低温干燥介质的路线为干燥介质经过新回风转换阀进入蒸发器除湿，之后经过除湿转轮后进行深度除湿，然后经过干燥冷凝器加热后再经过辅助加热器到需要的温度进入干燥箱对食用菌进行干燥[12]。

2.4.2 转轮再生操作方法。在再生阶段，利用再生分级冷凝系统，将再生进气通过再生冷凝器利用压缩机排出的高温气体制冷剂进行预热，这一阶段大致可将再生进气加热到70℃，对转轮进行辅助再生。之后再利用再生加热器加热到再生温度，经转轮再生区对转轮进行脱附再生，除湿后的气体经再生出口排出。