基于溫濕度控制的箱式果蔬熱風干燥機設計

巨浩羽 趙海燕 于賢龍 張衛(wèi)鵬王 輝 高振江 肖紅偉

(1. 河北經(jīng)貿(mào)大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061；2. 河北經(jīng)貿(mào)大學工商管理學院，河北石家莊 050061；3. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083；4. 北京工商大學人工智能學院，北京 100048)

熱風干燥技術(shù)是利用熱源加熱干燥室內(nèi)空氣，依靠熱空氣和物料之間的溫度梯度和水分梯度使物料內(nèi)部水分蒸發(fā)，并由流動的熱風將物料表面蒸發(fā)的水蒸氣帶走的干燥方式。目前，熱風干燥仍普遍應用于果蔬的干燥加工[1-4]。

針對現(xiàn)有箱式熱風干燥機溫度、風速不均勻，不能對濕度進行自動控制的問題，試驗擬設計一種基于溫濕度控制的箱式熱風干燥機，并以胡蘿卜為試驗原料進行試驗驗證，以期為現(xiàn)有箱式熱風干燥機的改進提供設計參考。

1 整機布局及工作過程

1.1 整機結(jié)構(gòu)

基于溫濕度控制的箱式熱風干燥機主要由加熱系統(tǒng)、干燥室、加濕系統(tǒng)、風道、內(nèi)部送風風機、自動控制系統(tǒng)、稱量裝置、料架、機架等部分組成(見圖1)。

干燥室、進風道、回風道、干燥機箱體均使用2 mm厚304不銹鋼制作，采用保溫處理，并且干燥室回風道13與風機17進風口相連，可實現(xiàn)余熱回收，降低能耗。內(nèi)循環(huán)風機使內(nèi)部熱風循環(huán)流動，增強了流場的均勻性?？刂葡到y(tǒng)主機通過控制加熱管，加濕電磁閥和排濕風機對干燥室內(nèi)溫度和濕度進行控制，并實現(xiàn)多階段變溫變濕干燥工藝。該熱風干燥機性能參數(shù)如表1所示。

表1 干燥機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

1. 加濕水箱 2. 干燥室進風道 3. 加濕濕簾 4. 干燥室上風道 5. 觸摸屏控制器 6. 配電箱 7. 干燥室門把手 8. 內(nèi)循環(huán)風機支架 9. 干燥室門 10. 排濕風機 11. 料盤支架 12. 干燥室門合頁 13. 干燥室回風道 14. 電加熱管 15. 進風口 16. 鐵紗網(wǎng) 17. 風機 18. 稱量模塊 19. 內(nèi)循環(huán)風機 箭頭表示熱風循環(huán)方向

干燥機啟動后，空氣由進風口15進入風機17加速后送入電加熱管被加熱，熱空氣經(jīng)干燥室上風道4流入干燥室中，對物料進行干燥。熱空氣與濕物料發(fā)生熱質(zhì)傳遞后，部分熱空氣流入風機進風處，實現(xiàn)余熱回收利用。

相對濕度設定為某個范圍，加濕水箱中水溫控制在40～60 ℃。當干燥室中當前相對濕度值小于設定范圍時，加濕水箱1的水潤濕風道中的無菌棉條形成濕簾，水分被蒸發(fā)形成水蒸氣，含有一定量水蒸氣的濕空氣進入干燥室中，提高了干燥室內(nèi)相對濕度。當干燥室中當前相對濕度大于設定范圍上限時，排濕風機10開啟，對干燥室進行排濕以降低干燥室相對濕度[15]。

1.3 內(nèi)循環(huán)風機設計及Fluent模擬

為保證內(nèi)部流場的均勻性，需對內(nèi)循環(huán)風機的轉(zhuǎn)向進行模擬優(yōu)化。假設干燥室內(nèi)流場為穩(wěn)態(tài)黏性流動，模型為標準的k-ε模型，干燥室內(nèi)流場的不可壓縮流動的連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程均由式(1)表示[17]。

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(1)

式中：

φ——廣義變量：

?！獢U散系數(shù)；

S——源項；

ρ——密度，kg/m3；

t——時間, s；

u——x方向速度，m/s；

v——y方向速度，m/s；

w——z方向速度，m/s。

選取速度入口為邊界條件，進口方向垂直于邊界且分布均勻，風速測定為4.2 m/s，湍流取值由經(jīng)驗公式估算為3.8%。進口溫度為70 ℃；內(nèi)循環(huán)風機壓力階躍為12 Pa。出口條件設置為自由出流，出口處熱空氣完全由出口流出。固體壁面使用無滑移條件，壁面溫度20 ℃，采用標準壁面函數(shù)法進行修正。坐標軸設定如圖2、3所示，干燥室底面中心為原點。由Fluent計算位于z=0、xoy面上風速和溫度分布。

圖2 干燥室內(nèi)部流場分布

圖3 干燥室內(nèi)部溫度分布

當上側(cè)兩個風機風向沿x軸負向，下側(cè)兩個風機沿x軸正向時，在干燥室范圍內(nèi)，進入干燥室內(nèi)部的熱風由于遇到壁面后速度減小，而后流入下側(cè)風扇，形成自上而下的逆時針流動，兩側(cè)風速基本一致，左側(cè)風速可能因為入口熱風的影響而減小。進口的熱空氣遇到壁面后溫度降低，由于內(nèi)循環(huán)風機的作用，風機支架兩側(cè)溫度基本一致，保證了干燥的均勻性。

選取風機左右兩側(cè)上、中、下3層料盤中，沿z軸方向選取前、中、后3個位置，從左至右，自上而下，由外而內(nèi)依次編號為1～18，測量點位置如圖4所示。各測量點溫度、風速的仿真值和實測值如圖5所示，其中溫度采用溫度傳感器Pt100(北京昆侖工控公司，精度±0.2 ℃)進行測量；風速值使用RHAT-301 型風速儀測定(精度0.1 m/s，清華同方)；仿真值由上述Fluent模擬得出的干燥室內(nèi)部溫度和速度分布場中獲取。結(jié)果表明，計算值和模擬值基本吻合，速度和溫度的最大相對誤差分別為9.3%，2.0%，干燥室內(nèi)速度為3.2～4.2 m/s，溫度為43～45 ℃，速度和溫度不均勻系數(shù)分別為9.9%，0.8%。干燥室內(nèi)風速比較均勻，溫度分布基本一致，滿足了干燥機均勻性的要求。

圖4 風速溫度測量點

圖5 不同位置風速和溫度的計算值與實測值

1.4 控制系統(tǒng)設計

1.4.1 總體設計 控制系統(tǒng)總體設計框圖(圖6)主要包含環(huán)境溫濕度監(jiān)控、物料溫度監(jiān)測和自動稱量的功能?？刂葡到y(tǒng)主機使用工業(yè)觸摸屏控制器MT6070iH(深圳威綸通科技有限公司)，其中一個RS232串口基于Modbus通訊協(xié)議與單片機連接，用于讀取干燥介質(zhì)溫濕度、物料溫度等；另一個RS485串口與稱量儀表相連，用于讀取物料質(zhì)量數(shù)據(jù)。單片機為Microchip公司的PIC16F877A芯片，其程序模塊設計[18]包括干燥介質(zhì)溫濕度監(jiān)控、物料內(nèi)部溫度監(jiān)測，以及與主機的通訊模塊。3路Pt100溫度傳感器(北京昆侖工控公司，精度±0.2 ℃)經(jīng)溫度變送器后將溫度值線性對應為0～5 V電壓信號，再接入單片機引腳，用于測量物料內(nèi)部溫度。干燥介質(zhì)的溫濕度采用SHT15(瑞士盛世瑞恩傳感器公司，溫度±0.3 ℃，相對濕度±2.0%)溫濕度傳感器測量，其中傳感器的數(shù)據(jù)線和時鐘線分別與單片機的RB6和RB7引腳相連[15,19]。

圖6 控制系統(tǒng)總體設計框圖

1.4.2 相對濕度精確控制

(1) 加濕裝置結(jié)構(gòu)設計：該裝置主要由進水管、出水管、水槽、固定孔和無菌棉條構(gòu)成(見圖7)。其裝配在風道中，通過風道進風口上的固定孔與進風管道相固定，進風管道通過螺栓與加熱管裝配體中的出風口相固定。進水管連接有手動球閥和電磁閥。當需要加濕時，加濕電磁閥開啟，加濕水箱中的水由于重力作用，一定溫度(70～80 ℃)的水經(jīng)水管流入到無菌棉條，受熱蒸發(fā)為水蒸氣，隨熱風進入干燥室內(nèi)，實現(xiàn)對干燥空氣的加濕。多余的水流經(jīng)水槽從出水管排出，流入干燥機外的蓄水槽中。停止加濕時，由控制系統(tǒng)關(guān)閉電磁閥。

1. 進水管 2. 出水管 3. 水槽 4. 風道 5. 風道進風口 6. 麻繩 7. 風道固定孔

(2) 相對濕度控制程序：由于采用濕簾加濕的控制濕度方法具有很大的加濕慣性，采用開關(guān)量控制可能會導致超調(diào)量較大，而積分分離式數(shù)字PID控溫策略，既能保持積分作用，又能減小超調(diào)量[20]，因此控制系統(tǒng)中采用積分分離式PID控制程序調(diào)控相對濕度，其流程圖如圖8所示。

KP、KI、KD分別為比例、常數(shù)和微分常數(shù)；e(t)、e(t-1)、sum_e(t)分別為當前時刻相對濕度偏差、上一時刻相對濕度偏差和相對濕度偏差累積和；P_out為PID控制輸出值

1.4.3 定時自動稱量控制

(1) 稱量裝置設計：為減小干燥室內(nèi)溫度和風速對稱量的影響，稱量傳感器安裝在干燥室上方的風道(見圖9)。稱量傳感器選用3 kg的YL516D型電阻應變式稱量傳感器，稱量儀表為XSB-IC(北京康森特科技公司，精度0.02%)。

(2) 稱量控制程序：選取25，35，45，55，65 ℃下所測質(zhì)量作為溫度段20～30，30～40，40～50，50～60，60～70 ℃ 校正的基準，試驗結(jié)果如表2、3 所示。

表2 稱量傳感器不同溫度不同載荷下的測試質(zhì)量

1. 料盤 2. 物料 3. 平衡板 4. 支撐板 5. 傳感器 6. 風道外壁 7. 連接線

稱量采用“停機—穩(wěn)定—稱量—啟動”流程[21]。稱量時先關(guān)閉內(nèi)循環(huán)風機，靜置25 s，然后進行稱量。主機讀取智能儀表中測得的質(zhì)量值m0，然后判斷所處的溫度范圍，對測量質(zhì)量進行修正，計算得出實際質(zhì)量m。干燥過程中可人工稱量或設定稱重間隔自動稱量，自動稱量控制程序流程圖如圖10所示。

圖10 自動或手動稱量程序流程圖

表3 各溫度段線性校正方程

1.4.4 觸摸屏界面設計 基于Easybuilter8000開發(fā)環(huán)境繪制觸摸屏界面如圖11所示。監(jiān)控界面顯示物料的溫度、干燥介質(zhì)溫濕度和物料質(zhì)量；具有設定稱量間隔，去皮，人工稱量以及手動開閉內(nèi)循環(huán)風機，排濕離心風機、加濕電磁閥等功能。設定界面可設定干燥工藝為恒定相對濕度或分階段變溫變濕干燥方式。腳本宏程序包含干燥計時、積分分離式PID控濕程序和“停機—穩(wěn)定—稱量—啟動”自動稱量等程序[15]。

圖11 觸摸屏界面

2 干燥機性能驗證

2.1 試驗原料及干燥條件

選用胡蘿卜為試驗原料，直徑(3.0±0.5) cm，長度(15±1) cm，初始濕基含水率為(92.8±0.5)%。將胡蘿卜清洗，使用切片機(SQC-1型，哈爾濱瑞華廚房設備廠)切分為長(2.0±0.1) cm，寬(2.0±0.1) cm，厚(1.0±0.1) cm 的薄片，試驗前于(4±1) ℃冰箱中保存。

試驗1：取胡蘿卜片放置于箱式干燥機，左、右側(cè)各3個料盤中，從上到下，從左到右依次標記為A～F，設定干燥溫度60 ℃，相對濕度(20±2)%，開啟內(nèi)循環(huán)風機和關(guān)閉內(nèi)循環(huán)風機兩種條件下，分別測定胡蘿卜片干燥至濕基含水率為15%所需時間，以驗證不同位置風速和溫度的均勻性。

試驗2：溫度和相對濕度分別為60 ℃和(20±2)%、56.3 ℃和(25±2)%、53.4 ℃和(30±2)%，焓值為127.1 kJ/kg[22]，將溫度傳感器插入胡蘿片內(nèi)部觀測溫度變化，分別使用開關(guān)量和積分分離式PID方式控制相對濕度，驗證濕簾控濕精度和相同焓值下低溫高相對濕度物料快速升溫的假設。

試驗3：設置干燥溫度60 ℃，相對濕度40%保持20 min，后期相對濕度(20±2)%，驗證濕度控制有利于加快干燥速率。

2.2 試驗分析

由圖12可知，不同位置干燥時間為6.0～7.5 h，靠近內(nèi)風道的A和D處干燥時間較短。由圖13可知，內(nèi)循環(huán)風機開啟后，不同位置處干燥曲線基本重合，所需的干燥時間一致，為6 h。由方差分析可知，不同位置處的干燥時間無顯著性差異。故增加擾流后的內(nèi)循環(huán)風機保證了干燥的均勻性。

圖12 60 ℃恒定相對濕度20%下胡蘿卜片的干燥曲線

由圖13可知，相對濕度在20%上下波動，最大偏差為0.5%，說明濕簾控濕方式保持相對濕度穩(wěn)定；而在開關(guān)量控制相對控濕方式下，由于存在加濕慣性，相對濕度超調(diào)量較大。由圖14可知，焓值相同，溫濕度不同的干燥介質(zhì)下，物料預熱階段溫升曲線一致，10 min后達該焓值和濕含量下的濕球溫度34.6 ℃。因此，低溫高濕的干燥介質(zhì)可使物料迅速升溫。

圖13 60 ℃，20% RH下不同控濕方法干燥介質(zhì)相對

圖14 等焓值下物料溫度曲線

由圖15可知，兩種干燥條件下的胡蘿卜片水分比MR隨干燥時間的延長均呈下降趨勢。階段降濕條件下干燥時間為4.5 h，比恒定濕度條件下縮短了1.5 h；前期預熱階段，由于物料表面和環(huán)境中的水蒸氣分壓差較小，干燥速率較慢[23]，但此階段物料內(nèi)部升至較高溫度，增加了物料內(nèi)部水分遷移擴散的動力[24-25]。然后隨著相對濕度的降低，水蒸氣分壓差增大，干燥速率加快。因此，階段降濕有利于加快物料的干燥速率，與王慶惠等[16]的結(jié)論相一致。

圖15 階段降濕和恒定濕度下胡蘿卜的干燥曲線

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有熱風干燥機溫度和風速不均勻以及濕度調(diào)控不精確的問題，設計了一種基于溫濕度控制的箱式熱風干燥機，其主要由內(nèi)循環(huán)軸流風機、加熱管、控制系統(tǒng)等部分組成。結(jié)果表明：① 在干燥室內(nèi)部增加內(nèi)循環(huán)風機，提高了干燥機溫濕度和風速流場的均勻性，60 ℃，20%相對濕度下，不同位置胡蘿卜干燥時間一致，均為6 h；② 設計了濕簾加濕裝置，并將積分分離式PID控制算法應用于相對濕度控制中，相比于開關(guān)量控制相對濕度的方法，該方法控制精度較高，最大偏差為0.5%；③ 設計了稱量裝置，不同溫度下校核結(jié)果表明，溫度為20～70 ℃，載荷為25～300 g，最大偏差為0.3 g；④ 相同焓值，不同溫度的干燥介質(zhì)物料升溫曲線一致；干燥前期較高相對濕度，后期較低相對濕度有利于縮短干燥時間。綜上，試驗設計的箱式熱風干燥機，提高了內(nèi)部風速和溫濕度的均勻性；將積分分離式PID控制算法應用到相對濕度的控制中，實現(xiàn)了相對濕度的準確控制；實現(xiàn)了物料溫度的實時監(jiān)控以及自動和手工稱量等功能，對現(xiàn)有箱式熱風干燥機的設計改進提供設計參考。然而在胡蘿卜干燥過程中，前期高濕后期低濕能夠提高干燥效率的機理仍需進一步明確，研究在不同相對濕度干燥條件下，胡蘿卜物料內(nèi)部水分的遷移擴散規(guī)律、溫度空間分布及物料微觀孔隙結(jié)構(gòu)的演化過程，明確相對濕度對果蔬熱風干燥的影響機理，可為優(yōu)化調(diào)控相對濕度以提高干燥效率和品質(zhì)提供理論依據(jù)。