基于太陽能的葡萄干燥裝置設計與優化控制

李建軍，李 淼，孟令鵬，杜松懷

(1．中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083；2．塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；3.大連理工大學 土木工程學院,遼寧 大連 116024)

0 引言

新疆葡萄栽培面積93.3萬hm2多，占全國葡萄栽培總面積的 20%。葡萄干燥主要分為人工和自然干燥，傳統的干燥主要把葡萄放置在陽光下晾曬[1]，當80%的水分蒸發掉以后，葡萄干制基本完成。但是，這種自然干燥主要的問題是灰塵多，常伴有沙粒、蟲子及褐變現象，葡萄干制的品質下降。為了提高葡萄品質和滿足市場供應，國內外研究了一些干燥葡萄的方法，并取得了較好的效果。黃志強等應用促干劑對無核白葡萄進行了制干試驗，發現應用促干劑做預處理得到的葡萄干質量優于冷浸法[2]。Pangavhane D.R.等人比較研究了4種不同的預處理劑情況，得出93℃時葡萄經低濃度強堿性溶液處理后品質較好，時間周期短[3]；另外，采用微波干燥、微波和促干劑聯合干燥、真空干燥等干燥葡萄的方法都取得了較好的干燥效果[4-7]。本設計采用太陽能集熱器法干燥葡萄，能充分利用可再生能源，解決自然晾曬引起的品質問題及采用常規能源干燥的耗能問題。太陽能干燥紅棗、蜜棗及果蔬等的研究成果很好[8-16]，但對葡萄干燥裝置的研究較少，因而筆者對葡萄干燥的裝置、干燥指標進行了研究。

1 葡萄干燥裝置的設計原理及機構

1.1 設計原理

新疆太陽能豐富，盛產葡萄等蔬菜水果，但干制方法主要是自然晾曬法，不僅拉長了生產周期，限制了生產能力，且需大面積曬場，成本增加，衛生條件差，影響產品質量。本文設計了一種干燥葡萄的太陽能干燥裝置，如圖1所示。

1.集熱器冷空氣入口 2.太陽能集熱器 3.集熱器熱空氣出口 4.通風管道 5.鼓風機 6.電動閥 7.葡萄干燥室 8.葡萄烘干篩網 9.溫度傳感器 10.排濕風機

太陽能干燥器主要由太陽能空氣集熱器、通風管道、鼓風機、干燥室、控制中心及葡萄烘干篩網等組成。其中，太陽能集熱器通過管道和鼓風機和干燥室聯通，且管道上設置電動閥門。

工作過程：空氣經過太陽能集熱器、管道、鼓風機和電動閥門進入干燥室內干燥果蔬，干燥室內分層放置篩網，被干燥的果蔬放置在篩網上，果蔬中出來的水汽通過干燥室內的排濕機排出。

1.2 太陽能集熱器部分

太陽能集熱器采用串聯連接方式，如圖1集熱器內的空氣流向。這樣可以讓空氣充分吸收太陽能集熱器的熱能。由于鼓風機快速抽走熱空氣，太陽能集熱器串聯可以增加空氣在集熱器內流動的距離，吸收更多的太陽能熱量，為葡萄干燥室提供更多熱量。

1.3 循環熱風部分

太陽能干燥器采用電動閥門，通過溫度傳感器檢測干燥室內的溫度。當溫度達到被干燥果蔬的上下限的時候，電氣控制中心開始控制電動閥門開度大小，進而控制進入干燥室內的熱空氣流量，同時控制鼓風機的轉速，使送風量快速改變，達到快速控制熱空氣進入干燥室的目的。

為了保證安全，采用的電動閥門工作電壓直流DC24V，包括電動執行機構和閥門兩個部分。閥門口徑選擇DN-100，電動閥門通過檢測管道內空氣模擬量，4～20mA的控制信號輸入，采用比例式控制，調節閥門開度，從而控制熱空氣進入多少。

1.4 葡萄干燥箱部分

由于葡萄干燥室的進風口處熱空氣密度大、相對熱量多，而干燥室其他地方的熱空氣密度小、相對熱量少。為了使葡萄干燥均勻，采用的網孔為不均勻形式的篩網，靠近入葡萄干燥室風口—側，網孔稀疏，遠離葡萄干燥室入風口處網孔密集，可以使干燥室各處獲得均勻的熱量，如圖2所示。

1.葡萄烘干篩網 2.篩孔

1.5 干燥控制部分

葡萄烘干是自控烘干過程，主要由單片機、鼓風機、電磁閥、排濕風機、溫度傳感器、光照強度傳感器、驅動放大及變頻裝置等組成，系統流程如圖3所示。

葡萄烘干工作過程：白天陽光充足時，空氣經過太陽能集熱器，通過管道和鼓風機進入葡萄干燥室內干燥果蔬；當陰天或者夜晚時，太陽能集熱器不能滿足干燥葡萄的溫度，鼓風機停止工作，采用其他加熱烘干形式。

葡萄干燥控制系統中，葡萄干燥溫度上下限設為40°～45℃，如果溫度過高，葡萄會發生褐變。首先通過太陽光傳感器不斷檢測信號，判斷是晴天還是陰天(夜晚)。如果判斷是白天晴天，再通過葡萄干燥室內溫度傳感器檢測溫度；當干燥室內高于45℃的時，控制中心發出信號，停止鼓風機工作；當溫度低于40℃時，啟動鼓風機工作。

本創新設計的自動控制過程通過軟件編程序在單片機中實現，具體的軟件流程圖如圖4所示。

圖3 系統流程圖Fig.3 System flow chart

圖4 主程序流程圖

2 試驗結果與分析

2.1 葡萄干燥試驗條件和干燥器參數

試驗地點選擇塔里木大學現代農業工程重點實驗室和阿克蘇葡萄規模種植果園。對太陽能集熱器整體進行試驗，數據如表1所示。新疆南部阿克蘇地區全年的日照時數在全國最高3 200～3 300h，日照時間范圍內每小時的輻射量變化范圍為579～707W/m2，鼓風機選擇轉速1 450r/min，排風量1 350m3/h，功率0.75kW，管徑200mm，最大風速是12.06m/s。太陽能集熱器內溫度變化范圍為25°～67.2℃。當風機不工作時，太陽能集熱器內溫度會迅速升溫達到最大值，如表1所示。

表1 葡萄烘干試驗干燥系統試驗參數

試驗中，除干燥裝置外，使用的試驗儀器主要包括BS2000S電子天平、電子測風儀、WMSS-02C溫濕度控制儀及溫濕度傳感器等。

2.2 試驗與數據分析

試驗時，以葡萄的干基含水率(葡萄中水和干物質的比值)為考核指標，對葡萄進行烘干試驗，試驗因素為烘干溫度。干燥箱內的溫度主要由太陽能集熱器的光照強度、熱風流動速度決定。本試驗選擇自然晾曬和用太陽能集熱器加熱對比進行，如表2和表3所示。

表2 葡萄烘干太陽能干燥實驗結果

續表2

其中，葡萄的干物質含量采用恒重法測得。每次試驗選擇5組樣本，放置在干燥箱內不同位置，測得每個樣本的干物質含量，取5組數據的平均值。測量時，選擇每天同一時間進行，選擇部分數據列入表2和表3中。

表3 葡萄烘干自然干燥實驗結果

3 結論

1)自然干燥和用太陽能干燥裝置比較，干燥裝置干燥只需要自然干燥的1/4的時間，即可達到干燥指標要求，縮短了干燥產品的加工周期。

2)太陽能干燥使用的能源為可再生能源，具有可持續性，發展前景良好。

3)自然干燥最高溫度不超過35℃，而太陽能干燥系統干燥溫度可控，達到自動干燥的目的。

4)干燥箱內溫度不超過45℃，否則容易引起褐變，影響葡萄干燥品質。