種子干熱處理裝備設計與試驗*

金永奎，趙海瑞，張玲，薛新宇，孫竹

(1.農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所，南京市，210014；2.江蘇省農業(yè)機械試驗鑒定站，南京市，210017)

0 引言

種子從收獲到種植過程中會接觸到多種病菌，帶菌的種子成為作物生長期病害的源頭，給農產品種植造成損失[1-2]。為了克服種子傳播病菌的問題，種子處理技術被廣泛應用于生產中[3-4]。目前種子處理多以化學方法為主，但是由于方法使用不當和處理藥劑的濫用，導致田間藥害發(fā)生和環(huán)境污染。因此在實際生產過程中不斷探索有效的物理方法，如溫湯浸種、干熱、電磁波、聲處理和核輻射等處理方法相繼出現[5-7]，其中干熱處理可以更有效地抑制真菌、細菌和病毒等生物的活性，是比較有效的處理技術[8-10]。

不同的病原菌有不同的致死條件，其中病原真菌的致死溫度一般為60 ℃～70 ℃處理20～40 min，病原細菌和病毒的致死溫度一般為65 ℃～75 ℃處理72 h 或更長時間[11]，這些條件因帶菌種子的種類和所帶病原菌不同而存在差異，因而在種子干熱滅菌時，需制定適宜的干熱溫度—時間曲線，一般需緩慢加熱到70 ℃左右，同時在幾個溫度點保溫規(guī)定的時間，為了保持種子活性，降溫時也要緩慢進行[12-14]。目前沒有專門用于干熱處理的裝備，一般用干燥機來代替[15]。干燥機通常采用太陽能、微波、紅外、熱泵、氣體射流沖擊以及熱風等加熱方式，但干燥機常常會遇到溫濕度不均勻的狀況，難以保證加熱過程中溫濕度的均勻性，并且溫度不能按干熱處理工藝進行自動控制，多點溫度由人工調節(jié)，控制的準確性較差，空間內溫度均勻性低，造成每粒種子溫度不一致，滅菌不徹底。本文采用循環(huán)熱風加熱形式，優(yōu)化風場結構，配置溫、濕度傳感器，控制系統采用PID自整定算法，按干熱處理工藝開發(fā)程序，可按設定工藝自動運行，實現溫度均勻性高、溫度可控。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

種子干熱處理裝備由箱體、托盤車、加熱系統、排濕降溫系統和控制系統等組成。箱體由不銹鋼角鋼、鋼板制成，外殼與工作室間填充保溫材料；托盤車由車架和種子托盤組成；加熱系統由電熱管、循環(huán)風機和導風板等組成；排濕降溫系統則由排濕風機、進氣口和排氣口組成；控制系統主要由顯示器、PLC控制器、變頻器、溫濕度傳感器、I/O控制器等部分組成。整體結構如圖1所示。

圖1 種子干熱處理裝備結構示意圖Fig.1 Structure diagram of seed dry heat treatment equipment1.導風板 2.控制箱 3.觸摸屏 4.循環(huán)風機 5.進氣裝置 6.排濕風口調節(jié)板 7.排濕風機 8.箱體 9.保溫層 10.加熱器 11.濕度傳感器 12.托盤車 13.溫度傳感器 14.循環(huán)氣流 15.種子托盤 16.干熱種子

1.2 工作原理

干熱處理裝備利用電加熱管作為熱源，用軸流風機以對流的方式加熱空氣。循環(huán)氣流從箱體頂部由軸流風機吹出，經過電加熱管和可調間距風板后穿過種子托盤，在另一側經過風板后進入風機吸入口，在箱體內形成了完整的循環(huán)風道，熱空氣流經托盤與物料進行熱量傳遞。外界空氣從進風口進入箱體進行補充，可降低箱內溫度；從排濕口排出空氣可保持箱體內適當的濕度。

種子干熱處理時，溫度控制按設定的溫度—時間曲線進行，同時保持箱體內的濕度在一定范圍。采用PID自動控制技術，根據種子干熱處理工藝的溫度—時間曲線及濕度要求，自動控制循環(huán)風機、電加熱管、排濕風機運行。在風道結構和控制系統的配合下，空間內各點溫度分布均勻，波動范圍小。

種子干熱處理裝備的主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

2 關鍵部件設計

2.1 箱體

箱體是干熱處理裝備的主要部分，由箱體面板、門、循環(huán)風道、保溫層及內部支撐架組成，截面呈長方形，在其內部和外部安裝各種設備，正面安裝有門，托盤車從門進出，種子進入內部。上部安裝有進氣裝置和排濕裝置，右側面安裝有循環(huán)風機及控制箱。在箱體內部設計合理的風道，使熱空氣能夠循環(huán)經過物料并將熱量傳遞給物料。在箱體各個外表面設置保溫層，并由高密度硅酸鋁棉保溫材料填充，在門四周安裝密封條，保證了保溫性能，減少能耗。

2.2 托盤車

托盤車由車體和托盤組成，車體主要作用為放置托盤，托盤內放置需干熱的種子，通過托盤車能方便地將干熱種子移動，如圖2所示。車體下部安裝萬向輪和定向輪各2只，方便移動。

圖2 托盤車結構圖Fig.2 Structure diagram of pallet truck

同時每批能處理的種子重量決定了設備的效率，本裝備設定的處理目標為不小于50 kg。大部分種子的密度在1 100～1 400 kg/m3之間，按1 100 kg/m3計算。每個托盤設計內徑尺寸長寬高分別為600 mm×400 mm×40 mm，種子實際鋪放厚度按10 mm計算，則每個托盤種子重量為2.64 kg，共設計了24個托盤，種子總重量為63.36 kg，可滿足每批次處理大于50 kg的要求。

在箱體內，空氣流動的通道大小，對空氣流速影響很大?？諝饬飨蚝驮诜N子中的分布又與流速有關。因此，托盤間距和控制風向是保證流速的重要因素，本裝備托盤高度為45 mm，兩層托盤的間隙為55 mm，保證空氣有足夠的流速穿過。為了保證種子干熱的均勻性，種子鋪設厚度是很重要的因素，通常為10～30 mm，種子層的厚度可由試驗確定。

種子托盤采用30目不銹鋼絲網結構(圖3)，網眼尺寸為0.5～0.6 mm，能滿足各種尺寸種子盛放，同時空氣可以通過網眼向上或向下穿過托盤，增大了空間內風場的通透性，提高了空間溫度分布均勻性。

圖3 托盤結構圖Fig.3 Structure diagram of pallet

2.3 加熱系統

加熱系統由電加熱管、循環(huán)風機、導風板等組成?？諝庥裳h(huán)風機自進風口吸入，被電加熱管加熱，經過導風板的調節(jié)至托盤和種子，再將使用后的空氣吸入風道成為風源再度循環(huán)[16-17]。導風板作用是調節(jié)風向和風量，使得工作室內各點溫度相對均勻。

2.3.1 電加熱管

干熱處理時，在恒溫階段主要功率消耗來自保溫和散熱，此時所需功率較小，主要能量用于從起始溫度至設定的最高恒溫溫度，因而加熱功率計算以這個階段為依據。計算方法按被加熱物料和相關部件重量來計算，由式(1)得出[18]

P=GCΔt/860η

(1)

式中：P——加熱功率，kW；

G——被加熱物料總重量，kg；

C——物料比熱，kcal/(kg·℃)；

Δt——加熱前后的溫度差，℃；

η——熱效率，0.5～0.6。

本裝備共有24只裝物料的托盤，可放物料的尺寸為600 mm×400 mm，種子厚度一般為10～20 mm，種子密度取1 100 kg/m3，物料重量取值為80 kg，托盤車及箱體相關部件也一同升溫，重量按80 kg，總重量G為160 kg。

干熱處理時種子含水量按10%計算，干種子(幾乎沒有水分)的比熱按1.67 kJ/(kg·℃)，水的比熱為4.2 kJ/(kg·℃)，托盤車及箱體為不銹鋼材質，比熱按0.46 kJ/(kg·℃)，則綜合的比熱為

C=0.5×(C種×90%+C水×10%)+0.5×0.46

=1.19 kJ/(kg·℃)

=0.28 kcal/(kg·℃)

種子干熱處理前后溫度分別取10 ℃和100 ℃，即Δt=90 ℃。熱效率取0.55，則加熱功率由式(1)計算為8.52 kW。采用電熱管電加熱的方法，選取單個功率為1 kW的電熱管，共9個。

2.3.2 循環(huán)風機

循環(huán)風機驅動空氣在箱體內循環(huán)流動，經過電加熱管時得到加熱，穿過種子時把熱量傳遞給種子，使種子溫度升高，同時種子內水分因加熱而蒸發(fā)。循環(huán)風機的參數和性能決定了循環(huán)風量，當電加熱管提供的熱量確定后，循環(huán)風量決定了熱空氣穿過種子的次數。次數越多，熱空氣傳遞給種子的熱量越多，種子升溫速度就越快，同時箱內各點溫度一致性也越好?？臻g內循環(huán)風量的大小取決于循環(huán)風機的風量、風壓以及電加熱管、導風板、托盤車、種子和風道結構形成的系統阻力。

循環(huán)風量可根據空氣在箱體內循環(huán)次數計算[19]。

箱體內體積約為1.8 m×1.2 m×1.0 m=2.16 m3，循環(huán)次數一般取16～30次/min，干熱處理時取循環(huán)次數為20，則循環(huán)風量=箱體體積×循環(huán)次數=2.16×20×60=2 592 m3/h。

選擇參數為風量3 000 m3/h、風壓200 Pa、功率0.75 kW的軸流風機。

2.3.3 導風板

導風板采用可調節(jié)結構，由多組2塊重疊的不銹板組成，每組通過螺釘固定在支撐架上，通過調節(jié)每組板的重合度，可調整每組導風板間的間隙，由圖4可看出最小間隙為d1=0，最大間隙為d2。通過調整各組導風板的間隙，可使整個干熱箱體內形成一個適合的風場，使得箱體內溫度達到均勻一致。不同的工況下，需布置溫度測量儀進行校核和調整[20]。通過測試，上下各層導風板設置成不等間距，使得整個空間內溫度均勻度不大于2 ℃。

圖4 導風板結構圖Fig.4 Structure diagram of air deflector1.導風板2 2.導風板1 3.調節(jié)螺釘 4.支撐架

2.4 排濕降溫系統

干熱處理的種子必須經過干燥處理，含水量較低，一般要求不超過7%，但在干熱時仍會有水分被蒸發(fā)，種子含水量會降至2%以下，因而箱體內濕度仍會升高，需要進行排濕[21-22]。排濕風機將蒸發(fā)的水分及時排出箱體，保持箱體內較低的空氣濕度。

目前常見的排濕操作方式有3種：排濕口常開、排濕口常閉并在處理結束時打開排濕、根據經驗間隔一段時間排濕一次。這幾種方式均不能實時控制箱內濕度，本系統通過傳感器采集實時濕度值，根據控制要求自動實時排濕。排濕降溫系統由排濕風機、進氣口、濕度傳感器、變頻器、排濕口調節(jié)閥等組成。工作前設置箱體內最大濕度值和不同溫度段的排濕風機運行頻率，在運行過程中控制系統根據濕度傳感器的實時值自動控制變頻器和排濕風機，使箱內濕度保持在設定值范圍內。排濕時由進氣口補充空氣，排氣量可由調節(jié)閥控制。

2.5 控制系統

2.5.1 系統組成

控制系統控制整個干熱裝備的運行，主要由PLC控制器、溫度傳感器、濕度傳感器、液晶觸摸顯示屏、控制軟件和相關器件及連接線路組成(圖5)。溫度傳感器、濕度傳感器各布置1只，位于箱體內合適位置。控制軟件根據用戶設定的干熱溫度—時間控制曲線、濕度和運行速度等參數，采集各個傳感器的數值，分析數據并生成控制命令，分別控制循環(huán)風機、加熱器和排濕裝置。

圖5 控制系統組成圖Fig.5 Composition diagram of control system

采用PLC自控系統，溫度信號由傳感器采集得到，與設定值進行比較得到PID控制信號，同時PLC輸出控制信號給周波控制器，控制固態(tài)繼電器SSR導通，固態(tài)繼電器再控制加熱器加熱，使箱體處于升溫除濕階段。當溫度達到設定值時，PLC輸出控制信號給時間繼電器，使其開始保溫計時。通過PID控制電加熱不斷啟閉，箱體處于熱風循環(huán)保溫滅菌階段。當保溫滅菌時間達到設定值時，時間繼電器輸出信號給PLC，PLC輸出關閉電加熱，滅菌周期程序結束。

配置濕度傳感器，排濕風機由變頻器控制，根據每個溫度段的濕度值自動變頻排濕，保證空間內維持適宜的濕度。

2.5.2 控制流程

典型的干熱處理溫度—時間曲線如圖6所示?？刂屏鞒倘鐖D7所示。

圖6 干熱處理溫度—時間曲線Fig.6 Temperature-time curve of dry heat treatment

圖7 控制流程圖Fig.7 Control flow chart

按干熱工藝的需求制定控制流程，具體為：設備上電后，打開PLC控制器、觸摸屏、傳感器等設備及程序初始化，用戶根據權限進行登錄，系統顯示主菜單，用戶進行干熱工藝參數設置，需確定干熱時升溫和降溫的溫度段N，再對每個溫度段設定溫度值、保溫時間和最大濕度值，還可設定每段溫度加熱時的電加熱管的加熱功率占比，排濕時開關時間，恒溫和降溫時的排濕風機運行頻率，達到精細控制，減少溫度波動。參數設置好后存儲，作為工藝配方，方便以后調用。用戶確認運行后，系統根據溫度、濕度反饋值控制循環(huán)風機、電加熱管和排濕風機運行，當前溫度段n的溫度達到時，系統進入恒溫狀態(tài)，控制系統保持當前溫度恒定、濕度不超過設定值并計時，當計時達到設定恒溫時長時，進入下一個溫度段的運行，直至所有溫度段N均運行完成，系統關閉電加熱管、循環(huán)風機、排濕風機等設備，完成本次干熱處理。

2.5.3 軟件設計及界面

對干熱系統的控制，基本要求是保持干熱過程的穩(wěn)定性和均勻性，包括箱體內空間點溫度的均勻和干熱過程中各時間點波動小。干熱系統是典型的大慣性、高度非線性系統，用經典控制理論很難有效處理這類問題[23-24]?？刂葡到y采用PID自整定算法，根據工況自動調節(jié)PID參數，能適應不同溫度范圍、不同種子重量的干熱處理；溫度傳感器，實時顯示溫度值，可控制空間溫度均勻性；根據功能需求和算法對軟件進行了編制和完善，并設計了相應的界面。軟件支持10種物料處理程序存儲，每種物料可設置16段處理溫度，可滿足干熱處理工藝的要求，并能存儲運行數據，實時顯示溫控曲線。

本系統共分系統監(jiān)控、系統操作、系統報警、溫度曲線、濕度曲線、數據記錄、系統設定、退出登錄等8個模塊，完成用戶登錄、參數設置、運行控制和數據查詢等功能。主要界面見圖8～圖11。

圖8 主菜單界面Fig.8 Main menu interface

圖9 參數設置界面Fig.9 Parameter setting interface

圖10 運行監(jiān)控界面Fig.10 Operation monitoring interface

圖11 溫度曲線界面Fig.11 Temperature curve interface

3 性能試驗

3.1 試驗條件與材料

對溫度—時間曲線響應情況、均勻度和波動度等性能進行了試驗和測試，在農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所植保試驗室進行。試驗材料為GR-50型干熱裝備和MIK-R9600型多點溫度檢測儀，可以自動連續(xù)記錄各測試點溫度值。測試所用種子為玉米，含水量為12%～15%，室溫23 ℃～32 ℃。

3.2 溫度—時間響應測試

溫度—時間響應情況是干熱處理重要性能，通過測試可檢驗裝備能否按要求執(zhí)行，并得出響應精度。

測試過程和方法：試驗前在箱體的幾何中心點布置1只溫度傳感器，并設置干熱工藝溫度為44 ℃(200 min)→65 ℃(300 min)→86 ℃(300 min)→54 ℃(200 min)→常溫，采用自動工作模式。設置好后，啟動程序，控制系統按設定的溫度和時間控制各部件運行。通過溫度記錄儀每隔1 min記錄1次溫度值。根據記錄的數據，繪制的溫度變化曲線如圖12所示。

圖12 干熱處理溫度—時間測試響應曲線Fig.12 Temperature-time test response curve of dry heat treatment

控制系統能按干熱工藝流程的控制要求執(zhí)行，每個溫度測試點的溫度超調量0.3 ℃～1.3 ℃，控制精度較高，恒溫時波動小，升溫和降溫時反應快。

3.3 溫度均勻度和波動度測試

溫度均勻度和波動度是干熱裝備最重要的參數指標，決定了干熱效果，溫度過高會影響種子活性，過低使得殺菌效果不理想。

測試過程和方法：在箱體內共布置9個溫度檢測點，箱體空間的幾何中心是中心點，作為一個測試點，其余8個測試點設在頂角和底層的四角附近。在空載狀態(tài)下，設定最高工作溫度(100 ℃)作為測試溫度，當工作溫度達到100 ℃ 2 h后，每1 min依次記錄1次各測試點的溫度，30 min內每點各測30個溫度值。所有測試點溫度值的平均值作為基準值TB，溫度均勻度TU為各測試點的溫度平均值TAj與基準值之差的最大絕對值。溫度波動度TV為幾何中心點溫度TC最大值與最小值之差的一半。各測試值的計算見式(2)～式(5)。

(2)

(3)

TU=MAX(|TB-TAj|)

(4)

TV=[MAX(TCi)-MIN(TCi)]/2

(5)

式中：Tji——各測試點的平均值，℃；

j——工作腔空間布置的測試點，共9個點；

i——每1 min依次測量1次各測試點溫度，共30次；

TCi——幾何中心點溫度，測試30次。

測試時先升溫至100 ℃，并保溫2 h，通過9個溫度傳感器，每隔1 min記錄1次，連續(xù)記錄30個溫度值。測試點1～4位于箱體頂角，測試點5為箱體中心點，測試點6～9位于箱體底層。測試數據見表2。

表2 各點測試數據Tab.2 Test values of each point ℃

根據記錄的數據經計算基準值TB=100.13 ℃，各點平均值及與基準值之差的絕對值如表3所示。

表3 各點計算值Tab.3 Calculated values of each point ℃

通過表3中的數據和式(4)可得到溫度均勻度為1.34 ℃，達到了小于2 ℃的要求。

中心點溫度最大值為100.8 ℃，最小值為100.5 ℃，由式(5)可得到溫度波動度為0.15 ℃，達到了小于0.5 ℃的要求。

4 結論

1)針對種子干熱處理缺乏專用裝備的現狀，構建了由箱體、托盤車、加熱系統、排濕降溫系統和控制系統等組成的種子干熱處理裝備，電加熱功率9 kW，循環(huán)風機功率0.75 kW，風量3 000 m3/h，干熱溫度范圍30 ℃～100 ℃，每批次處理重量大于50 kg。該裝備通過PLC控制器和軟件根據干熱溫度—時間曲線對箱體內的溫度和濕度進行控制，每次處理可設置16段溫度，并可存儲10種處理工藝。

2)對裝備的性能進行了試驗，結果表明：能按設置的干熱工藝曲線運行，溫度均勻度為1.34 ℃，溫度波動度為0.15 ℃，滿足干熱的性能要求。

3)本處理裝備處理種子溫度一致、溫度控制準確、操作簡單，可廣泛用于各種蔬菜、瓜果等高附加值種子的滅菌處理，不會對環(huán)境造成任何污染，具有很好的經濟價值和社會價值。