新疆南疆太陽能紅棗保濕制干裝置設計

張凌皓+丁羽+李述剛

摘要：為充分利用新疆南疆地區充足的太陽能光熱資源，結合紅棗保濕干制新工藝，設計了太陽能與電能聯合作用紅棗保濕干制系統及設備，闡述了太陽能換熱器相關參數的選擇、太陽能集熱面積以及太陽能熱水器水箱容積確定，結果表明：使用太陽能加熱，可以確保制干室正常的溫度需求，輔助電加熱可在極端天氣情況下工作確保干燥室全天候正常運行。太陽能與電能聯合作用紅棗保濕干制系統對于升級產業結構、節能降耗具有重要意義。

關鍵詞：太陽能；電能；紅棗；保濕干制

中圖分類號： S226.6

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0384-03

新疆維吾爾自治區具有發展紅棗產業得天獨厚的自然條件和氣候資源，特別是近年來隨著新疆農業產業結構調整，紅棗產業已成為南疆地區經濟發展的支柱產業之一，截至2013年年底，紅棗栽培面積已突破46.67萬hm2，產量已突破130萬t；但目前新疆紅棗加工主要以干制為主，干制過程中主要以燃煤為主，消耗了大量煤炭資源并造成環境污染，因此，改進干燥技術，降低能源消耗，提高干制品質，采用清潔能源等對于南疆紅棗產業發展具有重要意義[1-2]。新疆地區太陽能資源豐富，全年日照時數為2 550～3 500 h，日照百分率為60%～80%，年輻射總量達5 430～6 670 MJ/m2，年輻射照度總量比我國同緯度地區高10%～15%，比長江中下游地區高15%～25%，居全國第二位，僅次于西藏高原，全年日照大于6 h的有250～325 d，日照氣溫高于10 ℃的普遍在150 d以上。基于這一得天獨厚的自然資源，可以將太陽能引入到紅棗干制裝置中，以降低污染物排放，具有顯著的經濟、社會、生態等綜合效益[3]。相對于普通的熱風干燥，高溫高濕干燥可以降低物料內部的水分梯度，改善干燥過程中物料水分擴散特性，有效提高物料干燥速度，減少干燥過程中物料收縮和表面殼化現象，有利于干制品保持風味物質和營養成分。

1 干燥系統整體結構組成

1.1 系統結構組成[4]

本裝置采用以太陽能為主、電能為補充的聯動加熱方式，為水果保濕制干室提供持續穩定的熱量，在加熱的同時，通過濕度控制裝置使制干室保持一定濕度。本系統主要由太陽能熱水器集成循環加熱系統、電能加熱系統、溫度控制系統、濕度控制系統、PLC自動控制系統組成，結構組成如圖1所示。

1.2 加熱制干裝置的工作過程

當制干室中溫度低于設定值且太陽能充足，太陽能熱水器水箱溫度達到設定值時，電磁閥1和電磁閥2打開，電磁閥3關閉，循環泵啟動，熱水由太陽能熱水器組的水箱經電磁閥1、循環泵、制干室換熱器、電磁閥2回到太陽能熱水器，熱水在循環的過程中通過制干室換熱器，為制干室提供熱能，此時電加熱系統停止工作。當制干室中的溫度低于設定值且太陽能不足，太陽能熱水器水箱的溫度低于設定值時，電磁閥1和電磁閥2關閉，循環泵停止工作，電磁閥3打開，電加熱系統啟動，安裝在制干室內的電熱裝置直接為制干室提供熱量。

當制干室中溫度高于設定值時，循環泵停止工作，電加熱裝置同時停止。太陽能補水裝置：在太陽能熱水箱中安裝有水位儀，當水位低于設定值時，可通過電磁閥4自動補水，確保水位恒定。濕度控制系統：制干室內裝有濕度傳感器，當濕度低于設定值時，安裝在制干室底部的加濕裝置啟動，提高濕度，當濕度達到設定值時停止加濕。裝置使用PLC智能控制系統，PLC使用西門子S7-200 系列小型PLC（Micro PLC），CPU 型號為226，模擬量擴展模塊選用4輸入/1輸出的EM235，CPU226可擴展多達7個EM模塊。觸摸屏選用M2I公司的TOP觸摸屏，具有串行、并行通信口以及高速圖形控制器，實現了顯示、實時監視、參數設定、設備控制等功能。

2 太陽能加熱裝置主要技術參數的確定

2.1 換熱器設計計算[5-9]

本裝置試驗所用干燥箱的有效容積為750 mm×600 mm×500 mm，換熱器主要由制干室中排列分布的銅管組成，換熱器主要計算在一定溫度下，單位時間向制干室傳遞的熱量，即傳熱速率Q，以及在一個干燥周期中傳遞的總熱量Q總。如果太陽能熱水器的溫度保持在85 ℃以上，制干室內的平均溫度保持在60 ℃，換熱管的材料為銅，因銅管l>>d，則單位管長的導熱熱阻（R）計算公式為：

3 裝置試驗

3.1 試驗裝置及試驗條件

試驗裝置如圖2所示，將普通電加熱烘箱經改裝安裝太陽能熱水循環換熱器及濕度控制裝置，烘箱的有效容積為750 mm×600 mm×500 mm；換熱器為細銅管，總長為150 m；試驗當天天氣條件為：晴，室外溫度13～30 ℃，放置10 kg南疆駿棗紅棗。

3.2 紅棗保濕干制工藝圖

依據課題組前期進行相關試驗，得出駿棗高溫保濕干制最佳工藝條件為：55 ℃干燥1 h，升溫至60 ℃保持1 h，升溫至65 ℃開始加濕，相對濕度62%，保濕時間為10 min，繼續在65 ℃下干燥170 min，升溫至70 ℃干燥3 h，降溫至60 ℃保持1 h，降溫至55 ℃保持1 h，溫度變化曲線如圖3所示，此條件下干制的駿棗最終含水量為22.07%，駿棗色澤鮮艷，口感松軟，外形飽滿美觀。

3.3 溫控儀溫度設置

烘箱初始溫度為上一個干燥周期結束時的55 ℃，干燥初始在加入紅棗后為使溫度能盡快恢復至55 ℃，將溫控儀的溫度設為60 ℃，并保持10 min，將溫度調至55 ℃，在后續的干燥過程中升溫時，將溫控儀提前10 min設置為所需的溫度，即升溫時間提前10 min開始加熱；降溫時提前5 min設置溫控儀開始降溫，溫控儀的設置如圖4所示。

3.4 試驗結果

完全使用太陽能加熱，將溫控儀的溫度變化按圖4進行設置時，其烘箱內的溫度變化近似曲線如圖5所示，基本與紅棗干燥的溫度曲線（圖3）趨勢接近。

為檢驗本試驗裝置的制干效果，分別選取新疆南疆當前主栽制干之一的駿棗為試驗原料，測得其各項指標如表4所示。由表4可以得出：采用太陽能保濕干制、普通變溫干制2種方式，駿棗的含水量差別不大，這2種干制工藝的駿棗制干脫水效果都很好。但太陽能保濕干制后的駿棗，無論是其果實變形程度，還是糖酸比、還原糖含量、維生素C含量等指標均優于普通干制。

5 結論

采用本裝置，選取合適的換熱器、太陽能集熱器面、太陽能水箱容積，完全可以滿足干燥室干燥過程中的加熱及溫度維持，在個別連續陰天以及需要快速加熱時可以啟動電加熱輔助加熱，確保干燥過程正常進行，太陽能在干燥系統中的引入，可以改善新疆南疆地區目前主要靠燃煤進行干燥的狀況，對于節省能源、減輕環境污染具有現實意義。

參考文獻：

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