溫度自適應經(jīng)濟作物小型烘干機的研制

張 順，陸文慧

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

國網(wǎng)甘肅省電力公司的扶貧點王山村所在的西和縣是甘肅的深度貧困縣，花椒種植作為當?shù)氐膫鹘y(tǒng)產業(yè)，當仁不讓地成為當?shù)厝罕姅[脫貧困的主要途徑。這里的花椒主要以家庭農戶為單位進行種植，由于規(guī)模所限，收獲的花椒果實多為農戶自行烘干處理。但是，當?shù)剞r戶傳統(tǒng)采用自然晾曬的方法，具有工效低、時間長、受天氣變化影響大的缺點;亦有采用人工土烘房烘烤方式進行快速烘干，但人為烘烤方式具有烘烤溫度、時間難控制、烘烤過程不衛(wèi)生、烘干成平品質差等缺點。采用烘干機械烘干的方式優(yōu)勢明顯，因此尋求經(jīng)濟高效的花椒烘干機械成為當?shù)剞r業(yè)生產中需要現(xiàn)實解決的問題。筆者重點是針對花椒烘干作業(yè)需求，通過調節(jié)烘干機艙內空氣濕度含量、調節(jié)烘干作業(yè)溫度、合理分配熱氣流導向、優(yōu)化烘干規(guī)模控制，研制出溫度自適應的經(jīng)濟作物小型烘干機，達到小規(guī)模高效節(jié)能烘干農作物的目的。

1 烘干機現(xiàn)狀調研

以隴南市西和縣當?shù)胤N植的花椒烘干為對象，對市售烘干機進行調研，主要發(fā)現(xiàn)三方面問題。

(1) 大型烘干設備造價高、規(guī)模不適應山地家庭單位作業(yè)。針對花椒烘干已有成熟的烘干設備，但市售的大型花椒烘干機大多一次性可裝載1 000 kg以上待烘材料，適用于大批量集、規(guī)模化烘干作業(yè)，多適用于企業(yè)用戶[1]。但在分散規(guī)模作業(yè)的地區(qū)，一家農戶每天約采摘花椒100 kg，使用專門的花椒烘干設備較為浪費，且烘干對象規(guī)模不便于調整；機器大多采用380 V動力電源，設備購置成本、使用成本均不適用于作業(yè)規(guī)模小，經(jīng)濟基礎薄弱的地區(qū)。

(2) 目前市售的小型家用烘干機一次烘干規(guī)模約裝料50 kg，但缺乏針對不同種類農作物特點進行精確烘干控制的功能。市售的小型家用烘干機控制過程簡單，直接以溫度、時間為閾值進行控制；大部分機器兼用干燥機械，沒有配套的控制模擬模塊，無法對應不同農作物特點對烘干速率、烘干終止點進行科學控制或預測，易于出現(xiàn)烘干不均勻、烘干過度、烘干不充分現(xiàn)象頻發(fā)的狀況，無法保證農產品烘干成品的品質[2]。

(3) 市售烘干機配風方式較為單一，不利于烘干對象的均勻干燥。目前大部分烘干設備采用風機進行氣流強迫循環(huán)，對機箱內氣流使用加熱管加熱，送入烘干機熱床，最后將濕熱空氣直接排出。這種加熱方式未能充分利用加熱設備的熱效率，冷熱空氣交換頻繁，加熱、烘干效率較低；同時，由于在烘干時，機器對烘干熱床上的半成品進行翻動，持續(xù)的單純加熱又容易造成烘干對象局部過熱，嚴重影響花椒品質。

2 設計方案及原理

結合隴南西和縣大橋鎮(zhèn)花椒生產的實際情、當?shù)剞r戶經(jīng)濟狀況以及日后作業(yè)類型的可擴展性，對傳統(tǒng)家用烘干機進行了改進，設計研制了“一種溫度自適應的農作物小型烘干機”，應用了自動控溫與配風原理，保證花椒烘干過程中溫度的精準性和風量的均勻性，同時烘干機還設計了風機與加熱系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護功能，以確保烘干過程的安全可靠。

2.1 控制流程

花椒作為調味品類的經(jīng)濟作物，消費者對其色、香、味均有較高要求?；ń吩诤娓蛇^程中對環(huán)境溫度較為敏感，通常在烘干過程中，溫度不能過高，不能對烘干熱床上的半成品隨意攪動，否則會造成花椒果皮油胞破裂而出油，使得花椒自身的麻味急劇下降，嚴重影響花椒品質。但是，如果持續(xù)采用低溫烘干，一方面會使得花椒烘干過程漫長，耽誤花椒上市時間；一方面缺少短暫高溫加熱，花椒氣味較為平和，不能激發(fā)花椒自身香味，不利于花椒售價提高。因此花椒烘干既要保證不能過度烘烤，又要在適當時機對其進行短時間高溫烘焙[3]。

經(jīng)過反復試驗、測試，發(fā)現(xiàn)在烘干工程中，應重點對花椒的烘干時間、烘干溫度進行分階段控制，主要可分成三個階段，烘干作業(yè)流程圖見圖1所示。

(1) 第一階段，0～2 h。此階段采用低溫持續(xù)排風烘干，排風機開啟后，通過對烘干機中的潮濕花椒進行強制冷風循環(huán)，將花椒表面水分祛除。此階段將機箱內環(huán)境濕度和風速作為感應信息，通過對濕度的持續(xù)監(jiān)測來控制送風量大小。此階段無需加熱，因此配風裝置狀態(tài)全開，便于機箱內濕冷空氣和外界干燥空氣的交換。

(2) 第二階段，第2～6 h。經(jīng)過第一階段的裝料及強制風干，機箱內監(jiān)測設備監(jiān)測到機箱內環(huán)境濕度變化程度降低后，自動進入第二階段，控制系統(tǒng)開始進行變溫控制，根據(jù)機箱內濕度變化調節(jié)加熱模塊工作功率，并對配風口進行控制，通過使用熱風擋板及預先設置的風機在機箱內的不對稱分布方式，使該階段的溫度變化較快。當機箱內監(jiān)測設備監(jiān)測到機箱內環(huán)境溫濕度變化較大時，烘干機自動調節(jié)配風口開閉狀態(tài)，利用熱氣流上升原理，使靠近熱風通路的進風口打開，使熱風在箱內循環(huán)加熱，靠近冷空氣交換的風口關閉，同時對箱體內濕度進行持續(xù)監(jiān)測。在這個階段，花椒皮收縮并開始裂口，因此這個階段分段控制和溫度范圍尤其重要，溫度過低會使能源得不到有效使用，并延長烘干時間，降低烘干效率;溫度過高會使花椒油胞破裂，甚至出油，降低花椒品質。

(3) 第三階段，第6 h～烘干結束。第二階段結束后，花椒皮收縮并出現(xiàn)裂口，機箱內監(jiān)測設備監(jiān)測到濕度變化不大時，可判斷烘干工序中的除濕過程基本完成，此時需要繼續(xù)提高烘干溫度，維持箱體內溫度在70 ℃左右，一方面進行繼續(xù)的水分祛除，另一方面是針對花椒作為調味品，需要對其進行香味的激發(fā)，通過前兩個階段的烘焙，花椒果實已經(jīng)可以較為堅硬，此階段的烘焙可以保證花椒在不損失油包的前提下到達到激發(fā)花椒本身香氣的效果，并且通過實時的溫濕度監(jiān)測，避免溫度的不合理波動，達到預先設定的干燥程度要求。

圖1 烘干作業(yè)流程圖

通過對箱體內溫度-濕度-風量的監(jiān)測與實時匹配，經(jīng)過以上三個階段的烘干，能夠保證花椒顏色鮮艷，香味醇厚，與傳統(tǒng)的恒溫烘干設備烘焙的花椒相比，品質更好，烘干效果示意圖見圖2所示。

圖2 烘干效果示意圖

2.2 性能指標

此項目研制的溫度自適應的農作物小型烘干機采用220 V民用供電，單機功耗最大4 kW，功率隨烘干過程中溫濕度變化需求進行實時調節(jié)，具備主動節(jié)能的功能。

除對農產品可進行靈活智能化的溫度-濕度-風量匹配外，進行了箱體和控制裝置的可拆卸式設計，既采用了控制裝置與烘干箱體的“一拖N”設計方法，通過這種配置方式，既可以進行單臺烘干機的獨立控制，又可以根據(jù)農作物的采摘規(guī)模進行多臺加入一臺控制器總線的配置方式，即可自行改變烘干規(guī)模，又不需要采購多臺控制器。通過采用靈活的“一拖N”配置方式，可以在增加規(guī)模的同時節(jié)省設備造價的升高，很好地適應于經(jīng)濟基礎較差的農業(yè)生產場景。

與市場同類小型烘干機械對比，若采用批量化原材料采購及裝備生產時，單臺烘干機成本能夠控制在2 000元以內，在與市售小型烘干機進行同等4 kW功率下條件進行烘干作業(yè)，對烘干對象的含水量進行測定，本項目的小型烘干機的烘干能力可提高22.2%。在同等烘干程度的前提下，因研制出的烘干機可根據(jù)溫濕度變化進行不同烘干階段的轉換和功率的實時控制，可提升烘干效率，與市售同類烘干機相比，烘干時間可由通常的24 h縮短至16 h，烘干時間下降了37.5%。

此項目新研制的小型烘干機能夠進行溫度、濕度預設，或進行自動化溫濕度控制，自動化程度高、箱體內冷熱氣流風量大、分布均勻、可進行主動功耗調節(jié)，總體能耗能小，通過多種技術手段的改進，在已經(jīng)試點推廣的地區(qū)進行花椒烘干作業(yè)后表明，可保證烘干出的成品花椒品質好，每公斤干花椒的售價可提高約6元，不考慮采用自然烘干過程中的減產率，仍可使每畝增收600元以上，每公斤濕花椒烘干過程與市售花椒相比節(jié)約電費0.25元。

3 試驗及效果

項目研制的烘干機可通過在烘干作物的過程中對烘干機艙內空氣濕度含量調節(jié)烘干作業(yè)溫度、合理分配熱氣流導向，以及靈活的烘干規(guī)?？刂疲_到小規(guī)模高效節(jié)能烘干農作物的目的。包括箱體和箱內的風機，加熱裝置、溫濕度采集器、設備并行接口，其特征為：箱體上進氣口擋板及排氣口擋板與箱體內腔構成配風通道，氣流主要靠風機強迫流動，箱體內通過溫濕度采集器采集到的溫度、濕度為控制指標，對進氣擋板、排氣擋板、加熱裝置進行控制，形成溫度自適應的烘干策略，多臺設備可通過設備并行接口共享一套控制裝置進行指標設定。從2018年7月研制成功后至今，烘干機經(jīng)過一年時間的應用，其靈活、智能、高效的烘干效果已得到充分驗證，設備可進行農戶分散收獲花椒等農作物后及時烘干作業(yè)。新型烘干機成本約為市場同類產品價格的40.7%～53.1%，通過科學合理的烘干模式，可對烘干對象進行均勻快速烘干，提高了農作物烘干效果，提升產品品質。此外，研制出的烘干機具備專門的風機與加熱系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護功能，并裝有具有漏電保護的斷路器，控制單元配置了過溫保護邏輯，使用過程操作簡便、安全可靠。

創(chuàng)新點包括：

(1) 風機及進風口、出風口擋板的不對稱位置分布進行內部配風及促進除濕。通過軸流風機靠近箱體一側的不對稱位置布置，保障了循環(huán)氣流在烘干箱內以較為均勻的方式循環(huán)，避免烘干板中部過熱，靠近箱體側板處升溫慢；以溫度為控制目標，溫度低時擋板關閉，熱風循環(huán)加熱，溫度高時擋板打開，利于濕熱空氣排出箱內。

(2) 以箱體內空氣濕度為控制指標的溫度自適應控制方式。通過箱體內的溫濕度傳感器獲得的數(shù)值，烘干機加熱單元進行自動溫度調節(jié)，一方面可避免烘干早期溫度上升速度過快造成農作物局部受熱造成品質下降，一方面可結合作物含水情況自動選擇溫度進行均勻烘干。

(3) 多臺箱體共用一套控制器的“一拖N”并聯(lián)運行方式。通過靈活配置烘干箱體連接數(shù)，降低設備制造成本，并可靈活安排烘干規(guī)模。

4 結 論

研制出的烘干機主要應用于隴南市西和縣大橋鎮(zhèn)王山村的花椒初步加工烘干過程，在國網(wǎng)甘肅電力脫貧攻堅扶貧工作中取得了顯著成效。該項目研制的小型烘干機仍存在一些問題，也是今后裝置進一步研究和改進的主要方向。

(1) 目前采用自采原材料進行裝配，未能形成規(guī)?；a，材料采購成本仍有降低空間。

(2) 外觀設計有待優(yōu)化，可進行防銹、美觀化涂裝，利于產品進行工業(yè)化銷售。

(3) 對該機械的控制界面有更具人性化、智能化改進空間。