熱風干燥裝置設計與試驗

王慶惠，李忠新，閆圣坤，高振江

(1.中國農業(yè)大學 工學院，北京　100083；2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，烏魯木齊　830091)

?

熱風干燥裝置設計與試驗

王慶惠1，2，李忠新2，閆圣坤2，高振江1

(1.中國農業(yè)大學 工學院，北京100083；2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，烏魯木齊830091)

摘要：根據(jù)果品干燥特性和熱風干燥原理及特點，在分析熱風干燥工藝基礎上，完成了燃煤熱風爐、擋風板和控制系統(tǒng)等主要工作部件及整機的熱風干燥裝置結構設計，并進行了試驗。試驗結果表明：將擋風板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距隔板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時，干燥室內的風速比較均勻，此時在A面測得各風道處風速在1.5～1.53m/s的范圍內變化。同時，以杏子為研究對象進行干燥試驗，將杏子濕基含水率降到15 %以下需要64 h，干燥室內干燥不均勻度小于3 %，符合結構設計要求。

關鍵詞：熱風；干燥裝置；擋風板；杏子

0引言

近年來，隨著國家對特色林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視程度不斷增加，大部分林果已進入盛果期。至2012年底，新疆特色林果總面積突破133.3萬hm2，產(chǎn)量700萬t多[1]。在林果產(chǎn)業(yè)給果農帶來經(jīng)濟效益的同時，因果品集中上市，產(chǎn)量大、含水率高，難以存放等問題日益凸顯出來；而果品制干是減少果品損失并延長貨架期的有效手段之一。

傳統(tǒng)果品干燥方法普遍采用自然晾曬，優(yōu)點是成本低、場所簡單；但也存在著干燥時間長、受氣候條件影響大、衛(wèi)生條件差及產(chǎn)品質量難以保障等問題[2]。近年來，隨著政府對杏子制干產(chǎn)業(yè)重視程度不斷增加，熱風干燥設備已經(jīng)在市場上得以應用[3-4]；但主要存在的問題是[5]均勻性差及產(chǎn)品品質難以保證。由于熱空氣向上運動，受料盤的阻擋，物料各層受熱不能保證一致，物料干燥速度存在差異，直接影響到物料的色澤、口感和含水率等品質。

本文旨在通過熱風干燥原理，設計一種新型的熱風干燥裝置，通過合理布置擋風板及控制熱風循環(huán)方向，解決現(xiàn)有干燥裝置中干燥不均勻、產(chǎn)品品質難以保障及人工輔助作業(yè)強度大等問題，為同類設備的改進提供參考。

1熱風干燥裝置的設計

1.1設計原則

為了能夠對熱風干燥裝置作業(yè)過程及相應的干燥試驗進行系統(tǒng)研究，干燥裝置的設計應遵循以下原則：

1)提高設備均勻性。采用兩種循環(huán)給風方式，達到“倒風不倒盤”的目的，降低人工輔助作業(yè)時間[6-10]。

2)干燥裝置作業(yè)時，可根據(jù)不同物料自身特性，實現(xiàn)干燥室內溫濕度、風機換向間隔時間、風機循環(huán)方式等影響干燥效果的參數(shù)在一定范圍內可調，滿足不同物料對干燥工藝參數(shù)的需求[11]。

3)干燥裝置運行平穩(wěn)，控制系統(tǒng)靈敏可靠，應能對干燥室內的溫度和濕度進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

4)干燥裝置應與生產(chǎn)實際相結合，具有一定的裝載量，可為后期產(chǎn)業(yè)化推廣提供參考。

5)結構設計應緊湊合理，房壁保溫效果良好，推車及料盤應采用不銹鋼或非金屬材料制成，符合國家食品衛(wèi)生要求[12]。

1.2整機結構

熱風干燥裝置主要由熱源供給系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該裝置的房壁由巖棉板制成，隔板將整個干燥裝置分割成加熱室和干燥室兩部分；循環(huán)風機通過循環(huán)風機管道與各風道相連，可將加熱室內加熱的空氣均勻地帶到干燥室內；推車依次并排放置在干燥室內；推車上料盤的位置和層數(shù)與風道一一對應，實現(xiàn)了熱風均勻流過每層料盤的目的。燃煤熱風爐的煙囪上安裝有助燃風機，助燃風機的開閉可控制熱風爐的進風量，達到控制干燥室內溫度的目的。

(a)　俯視圖

(b)　主視圖

1.3工作原理

熱風干燥裝置工作時，開啟循環(huán)風機，燃煤熱風爐對干燥室進行加熱。當溫度達到設定初始溫度時，放入需烘干的物料，啟動整個控制程序，循環(huán)風機將加熱后的空氣通過風道均勻吹至與其對應的每層料盤上。當干燥室內的溫度超過預設值時，助燃風機關閉；而當溫度低于預設值時，開啟助燃風機，如此反復直至干燥結束。濕度控制與溫度控制相同，主要通過控制排濕風機強行打開和關閉確保干燥室內的濕度。

為提高干燥室內風速及溫度的均勻性，減少人工頻繁開門倒盤的次數(shù)，本設計采用一側風道進風，另一側風道回風兩種給風方式循環(huán)交替運行的方式，有效增加了熱空氣的流動與擾動，實現(xiàn)了“倒風不倒盤”的目的。兩種循環(huán)方式的工作時間及循環(huán)順序可根據(jù)需求調控。在設計中選用的各標準件及參數(shù)如表1所示。

表1　標準件的技術參數(shù)

續(xù)表1

1.4關鍵部件結構設計

1.4.1燃煤熱風爐的確定

燃煤熱風爐是整個干燥裝置的重要組成部件之一。合理的結構設計能提高熱風爐的散熱量和煤炭的利用率，并減少熱風爐的體積。多排并列的散熱片有效增加熱風爐的散熱面積；助燃風機的開閉有效增減了爐膛內部與外部空氣的交換量，達到動態(tài)控制熱風爐散熱量及調節(jié)整個干燥室內溫度的目的。散熱量是熱風爐設計的關鍵指標，通過計算干燥室內物料的單位耗熱量，可確定熱風爐的散熱量，進而確定熱風爐的機構。具體計算為

(1)

Q=Mq

(2)

式中q—物料單位耗熱量(kJ/kg)；

Q—熱風爐的散熱量(kJ)；

M—干燥裝置的裝載量(kg)；

C—空氣的比熱容(J/kg·℃)；

ρ—熱空氣密度(kg/m3)；

A—進風口的截面積(m2)；

V—進風口風速(m3/s)；

T1—進風口溫度(℃)；

T2—出風口溫度(℃)；

t—烘干時間(s)。

1.4.2擋風板的確定

擋風板安裝在干燥裝置房壁和風道之間，如圖1所示。擋風板能有效將循環(huán)風機吹出的風經(jīng)風道均勻吹至干燥室內，提高布風的均勻性。擋風板的安裝位置、角度、數(shù)量和寬度等因素對布風的均勻性均有決定性作用。為得到較為理想的擋風板位置及結構尺寸，在擋風板安裝位置、角度及寬度條件下，各風道處風速進行現(xiàn)場測量。

1)使用儀器。風速測量采用VICTOR 816B型風速儀(深圳市勝利高電子科技有限公司)。

2)測試條件。測試時，緊閉干燥室門，燃煤熱風爐未添煤炭，干燥室內放入所有推車及料盤。由于整個干燥裝置具有結構對稱性，測試一種進風方式下的結果作為評判標準。

3)測試點的選取。干燥室的外形尺寸為7.7m×2.2m×2.3m(長×寬×高)。在干燥室內，沿隔板至干燥室門的方向上，每隔1m選取1點，第1點離隔板間距30cm，共有8個點，記為1，2，…，8；從上至下，每隔1個風道選取1個點，也得8個點，記為第1風道、第2風道、…、第8風道；從左至右，每隔70cm選取1個面(面與風道形成的面平行)，第1個面離風道面距離5cm，共4個面，記為A、B、C、D，具體選取如圖2所示。

圖2　測試點選取示意圖

4)測試試驗設計。此次擋風板設計是邊試驗邊改進，為此，主要做了以下幾組試驗，如表2所示。

5)測試結果的確定。風速儀探頭的方向與測試結果直接相關。試驗中，在各個測試點上，旋轉風速儀探頭，將測得最大值作為該點的測試結果。由于擋風板安裝位置、 角度、 數(shù)量及寬度對風速分布均有影響，通過多組比較得出：① 干燥室內的風在放置擋板處較短范圍內為層流，其余部分均為紊流；② 安裝擋風板處的風速明顯增加；③ 擋風板越寬，遮擋住的風也越多，此處風道風速越大；④ 在一定范圍內，擋風板數(shù)量的增加有助于提高風道的均勻性；⑤ 擋風板安裝角度越大，遮擋的風就越多；⑥ 雖安裝擋風板，整個風道處風速仍然存在波動，但風速均勻性有所提高。在實際運用中，整個干燥室內布滿了推車及料盤，可進一步增加風速均勻性。通過測量比較，在第6組實驗條件下，即擋風板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距隔板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時，風速比較均勻，此時在A面測得的各風道處風速在1.5～1.53m/s的范圍內，具體測得數(shù)值如圖3所示。

表2　擋風板參數(shù)設計

圖3　第6組實驗條件下A面各選取點處風速值

1.4.3電控系統(tǒng)的確定

干燥裝置的電路控制系統(tǒng)主要控制循環(huán)風機的轉向和停啟、排濕風機和助燃風機的停啟，以及補風門的開閉。為便于操作，控制面板采用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)手動/自動間的轉換，控制面板可調節(jié)循環(huán)風機自動運行周期和各運行階段時間，以及溫濕度控制的溫濕度上下限和運行時間；控制面板中界面可顯示當前干球溫度、濕球溫度、各風機運行狀態(tài)(正轉、反轉、停止)和運行時間等。設計中，干燥裝置的溫度控制范圍0～100℃，控制精度±0.5℃。

2試驗

2.1試驗材料

試驗所用原料是新鮮的杏子(品種明星杏)，產(chǎn)地新疆皮山縣，購于烏魯木齊九鼎批發(fā)市場，平均直徑34.2mm，去核后平均濕基含水率78.86%±0.4%(105℃，烘24h[13])。試驗前將購買回的杏子立即挑選(外形尺寸、成熟度與色澤等基本一致)，均勻單層擺放在料盤內(每盤5kg，共560個料盤)，相鄰的杏子之間無重疊。開啟試驗干燥裝置，當干燥室內的溫度達到預設初始溫度時，迅速放入杏子，開始試驗。

2.2試驗方法

試驗中，當杏子濕基含水率降到15%以下[14]，停止試驗，試驗重復3次。試驗采用的干燥工藝如表3所示。兩種循環(huán)給風方式各2h，交替進行，直至結束。

表3杏子干燥工藝參數(shù)

Table 3Apricot drying parameters

序號溫度/℃相對濕度/%時間/h14535102503015355251545820155501510645105

2.3干燥曲線的數(shù)學計算方法

杏子熱風干燥裝置干燥過程中的干燥曲線采用水分比(moisture ratio，MR)隨干燥時間的變化曲線。不同干燥時間杏子的水分比(MR)為

(3)

式中M0—杏子的初始干基含水率(g/g)；

Me—杏子干燥到平衡時的干基含水率(g/g)；

Mt—杏子在所測干燥t時刻的干基含水率(g/g)。

2.4結果與分析

杏子干燥水分比隨干燥時間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出：杏子干燥水分比MR隨干燥時間均呈指數(shù)下降趨勢，說明在杏子熱風干燥過程中，水分含量隨著干燥過程的進行呈指數(shù)規(guī)律不斷下降。杏子干燥初期水分比MR下降十分迅速，而干燥后期則十分緩慢。這可能是因為干燥初期，杏子含水率較高，杏子表面和干燥介質之間存在著較大的蒸汽壓力梯度，水分脫離速度較快；隨著干燥的進行，水分由杏子內部向表面遷移的難度不斷增加，杏子表面和干燥介質之間的蒸汽壓力梯度不斷降低，干燥驅動力不斷減少，水分比MR緩慢下降。

圖4　杏子干燥水分比隨干燥時間變化曲線

另外，上述干燥條件下，當杏子含水率降到15 %時，所需時間為64h；干燥后杏子色澤呈金黃色或者深黃色，部分靠近房板上側部位的杏子呈黃褐色，杏干收縮均勻，總體感官品質均可接受。在干燥室內不同部位取樣測試杏子濕基含水率，干燥不均勻度小于3%，符合裝置結構設計要求[16]。

3結論

1)從結構來講，干燥裝置采用兩種循環(huán)給風方式，實現(xiàn)了對物料倒風不倒盤的目的；擋風板的安裝，提高了風道處風速的均勻性，將擋風板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距房板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時，風速比較均勻，此時在A面測得各風道處風速在1.5～1.53m/s的范圍內。

2)從控制系統(tǒng)方面，采用PLC控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)手動/自動之間的轉換，方便操作；電路控制系統(tǒng)可實現(xiàn)各風機的停啟、換向和風門的開閉，以及各部件運行時間的控制，大大降低人工輔助作業(yè)時間，提高設備運行準確性。

3)以杏子為研究對象，采用自制的熱風干燥裝置進行干燥試驗，將杏子濕基含水率降到15 %以下需要64h。在干燥室內不同部位取樣測試杏子濕基含水率，干燥不均勻度小于3%，符合裝置結構設計要求。

參考文獻：

[1]新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局.新疆統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2013.

[2]王慶惠，李忠新，楊勁松，等.圣女果分段式變溫變濕熱風干燥特性[J].農業(yè)工程學報，2014，30(3)：271-276.

[3]南疆三地州將建1500座杏熱風烘干房[EB/OL].2014-02-21.http://www.xjxnw.gov.cn/zx/snkx/tpkx/02/1181464.shtml.

[4]范瓊燕.2014年南疆擬建1500座杏烘干房[EB/OL].2014-02-10.http://news.hexun.com/2014-02-10/162007977.html.

[5]王慶惠，李忠新，買合木江，等. 新疆杏制干設備現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].農產(chǎn)品加工·學刊，2014(3)：77-79.

[6]郭嘉明，呂恩利，陸華忠，等.冷藏運輸體結構對流場影響的數(shù)值模擬[J].農業(yè)工程學報，2012，28(增刊1)：74-80.

[7]代建武，肖紅偉，白竣文，等.氣體射流沖擊干燥機氣流分配室流場模擬與結構優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報，2013，29(3)：69-77.

[8]常劍，尤長靜，楊德勇，等.多層帶式干燥機干燥過程優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報，2012，43(8)：148-154.

[9]Bernd Edenhofer. The Use of CFD—Modeling for the Development of a New High— Performance Gas Quench Chamber for the Hardening of Carburised Compinents for the Automotive Industry[C]//International Conference on Quenching and Control of Distortion, 2003.

[10]Andrew Chen, Ephraim M. Sparrow. Turbulence modeling for flow in a distribution manifold[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(5): 1573-1581.

[11]杜志龍，趙存洋，葉金鵬，等.沖孔網(wǎng)板雙循環(huán)穿流熱風干燥試驗臺設計[J].農業(yè)工程學報，2012，43(增刊)：218-221.

[12]GB 16798-1997食品機械安全衛(wèi)生[S].

[13]GB 5009.3-2010，食品中水分的測定[S].

[14]肖紅偉，張世湘，白竣文,等.杏子的氣體射流沖擊干燥特性[J].農業(yè)工程學報，2010，26(7)：318-323.

[15]Q/XNJ 039-2014，果蔬烘干機[S].

Design and Experiment of Hot Air Drying Equipment

Wang Qinghui1,2, Li Zhongxin2,Yan Shengkun2, Gao Zhenjiang1

Abstract：According to the characteristics of fruit and principle of hot air drying, the drying process is analysised. The main working parts, such as coal stove, wind deflector and circuit control system, and whole drying equipment are designed and a test is carried out. Experimental results show that the wind deflector installs vertically, the width are 5, 7, 10, and 12 cm, distance from the wall plate are 0.9, 1.9, 3.8, and 5.7 m, the wind speed is relative evenly, and the wind speed is from 1.5 to 1.53m/s on a-side. Apricot is dried by this equipment. It is 64 hours when the apricot moisture content on wet basis is below 15%. Dry no-uniformity is less than 3% in dry room. It is meet the requirements of structural design.

Key words：hot air； drying equipment； wind deflector； apricot

文章編號：1003-188X(2016)03-0241-05

中圖分類號：S226.6

文獻標識碼：A

作者簡介：王慶惠(1980-)，女，山東梁山人，副研究員，博士研究生，(E-mail)wangqh1201@126.com。通訊作者：高振江(1958-)，男(蒙古族)，內蒙古赤峰人，教授，博士生導師，(E-mail)zjgao@cau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(31460397)

收稿日期：2015-03-11