基于中藥材烘干技術的太陽能—熱泵聯合恒溫控制系統設計

呂洪善，楊清志

(亳州職業技術學院，安徽 亳州，236800)

0 引 言

為了保證藥效，藥品的加工與存儲對環境溫度濕度等要求較高，而中藥材品種多樣性狀各異，對加工環境要求更高[1].藥農收采鮮活中藥材后的前期烘干主要采用晾曬輔以火烘，而晾曬和火烘溫度不易控制容易影響藥材品質且容易受到污染.藥廠對中藥材的后期烘干一般采用電烘和暖烘，雖然能在一定程度上解決這兩個問題，但需要消耗較多能源效率不高.為了節約能源和綠色環保，目前已有很多國內外學者研究太陽能與熱泵聯合溫度控制技術[2]，但對技術要求較高，應用范圍有限.

比較各種中藥材烘干技術并查閱相關資料，本文提出一種利用單片機控制的基于中藥材烘干技術的太陽能—熱泵聯合恒溫控制系統，與普通烘干技術相比節能高效且溫度容易調節與控制，使用方便能滿足不同種類中藥材的烘干要求.

1 方案設計與工作原理

本系統設計所用設備主要包括太陽能集熱系統、熱泵機組和烘熱室等，如圖1所示.通過溫度傳感器判斷太陽能集熱器所供熱量是否夠用，如果夠用就只用太陽能集熱器供熱而關閉熱泵機組以達到節能的目的，如果太陽能集熱器供熱不足則立即啟動熱泵機組聯合給烘干室連續供熱，當太陽能集熱器供熱嚴重不足時則關閉太陽能集熱器.針對不同中藥材所需要的不同烘干溫度和烘干速度，可通過給單片機的程序設定，來驅動熱泵和壓縮機等工作頻率來實現.

圖1 方案設計與工作原理圖

2 主要硬件選擇

2.1 烘干室

為了便于應用與推廣，本系統設計的烘干室沒有特殊要求，采用5000 mm×3300 mm×2000 mm的尺寸(相當于一間普通房屋大小但不宜太高，以減少非工作空間)，四周做好保溫防護盡量減少供熱損失.烘干室內放置兩臺物料車(可用加寬貨柜代替)用于擺放中藥材，采用網狀隔板以方便氣流通過，提高烘干速度，高效節能.隔板間高度可以根據不同中藥材尺寸要求加以調節，物料車(或貨柜)間留有必要的通道便于工作人員走動和搬運藥材.

對于烘干室的供熱量和烘干時間因不同中藥材和季節變化而不同，一般葉草類中藥烘干較快而果實類較慢，設計按排濕量2 kg/h來計算，氣候取春秋季節均值，典型氣候參數如下：

溫度T/(℃)相對濕度Φ/(%)含濕量d/(kg/kg)焓值H/(kJ/kg)冷空氣(烘干室進氣)15450.0047027.02熱空氣(進氣加熱后)6530.0046077.70尾氣(干燥后排氣)45450.02644113.73

根據供熱量公式[3]：

(1)

式(1)中：QJ—烘干室需要的供熱量(kJ/h)；m—烘干室排濕量，按上文設計值取m=2 kg/h；H2—熱空氣焓值；H1—冷空氣焓值；d3—尾氣含濕量；d2—熱空氣含濕量，各物理量取值見上表.將各數值代入(1)式計算得：QJ=4641 kJ/h.

2.2 太陽能集熱系統

目前太陽能集熱器主要有平板式、真空管式、熱管式、U型管式等四種[4].其中平板式太陽能集熱器具有安裝、維護方便，安全可靠使用壽命長等優點，但成本略高，不保溫.本系統采用水質儲熱保溫要求不高，且因為研究需要要對系統不斷優化調試，因此采用了平板式太陽能集熱器.真空管式太陽能集熱器熱效高成本低保溫效果好，但不承壓安裝繁瑣，且易碎不安全，如果沒有試驗調試要求且烘干系統建成后一定時間內不再變動，也可以考慮采用真空管式太陽能集熱器.

根據太陽能集熱器采光面積公式[5]：

(2)

式(2)中：r—熱損失系數，取r=1.6；QJ—集熱器每小時供熱量，按式(1)計算QJ=4641 kJ/h；I—太陽輻射量，亳州地區的太陽輻射量約為2174 kJ/(m2·h)；η—集熱器效率，取η=0.45.將各數值代入(2)式計算得太陽能集熱器采光面積：S=7.59 m2，取S=8 m2，即4塊集熱板(每塊標準太陽能集熱板為2 m2).

2.3 熱泵機組

本系統采用太陽能與熱泵聯合供熱，通過溫度傳感器讀取太陽能集熱器進出口溫度和溫差來自動判斷、切換供熱模式.為了便于自動調節供熱量，熱泵采用變頻熱泵.根據熱泵制熱公式[6]：

(3)

式(3)中：k1—安全系數，數值為1.05～1.10，此處取k1=1.07；T為熱泵工作時間，一般取12～20 h，此處取T=15 h；Qd為熱泵單位時間耗熱量(W)，本設計中，Qd=4641×103/3600=1289(W).將各數據代入(3)式計算得：Qg=2207 W，考慮到熱泵要留一定的裕量取功率為3 kW的變頻空氣熱泵.

2.4 供熱水箱

系統設計采用純凈水作為工作物質.水具有較大的熱容量，儲熱效果好熱損小，熱水流經烘干室的散熱片通過供熱風機實現供熱.根據太陽能集熱器儲熱水箱容積計算公式[7]：

V=qr jdAj

(4)

式(4)中：qrjd—太陽能集熱器單位面積日產熱水量(L)，與集熱器性能和供熱方式等因素有關，對于間接供熱系統qrjd范圍一般在30～70；S—集熱器面積，按(1)式計算取S=8 m2，將數值代入(4)式計算得V范圍為(240～560)L.

對于熱泵系統，儲熱水箱容積應滿足下式：

(5)

式(5)中：k2—安全系數，數值為1.05～1.10，此處取k2=1.08；C—水的比熱容，C=4.18 kJ/(kg·℃)；ρ—水的密度，ρ=1000 kg/m3；tmax—水箱出口溫度；tmin—水箱入口溫度.中藥材烘干溫度一般為60℃，最高80℃.考慮到散熱，熱水應比烘干室高5℃，則tmax=(80+5)℃=85℃，tmin=45℃；QJ—系統總供熱量，按(1)式說明，QJ=4641 kJ/h=1289 W；T按(3)式說明取15 h，各數值代入(5)式計算得V=0.450 m3=450 L，綜合(4)、(5)兩式計算結果，并考慮到夏天太陽能的集熱效果及安全因素等，設計水箱容積為V=580 L，儲水量隨氣候條件在450～560 L之間可調.

3 自動監控主程序設計

3.1 自動監控系統設計

如圖2所示，本方案采用技術簡單容易實現的單片機控制系統，通過溫度傳感器、水位傳感器及流量傳感器等實時監測系統各設備的工作狀態，并將監測結果通過顯示器顯示，單片機根據程序設定要求與所監測數據比較，來驅動調節控制電路，自動控制相關設備工作，一旦工作情況異常并立即啟動聲光報警以保證系統的可靠性.

圖2 自動監控系統設計

3.2 系統主要工作流程

為實現圖2設計目的，系統主要工作流程如下：

(1)系統初始化，按設計要求讀取程序設定參數開始工作.程序默認烘干溫度60 ℃，烘干速度2 kg/h(即排濕量，可通過風機調整)；

(2)通過水位傳感器進行水位檢測，如果水位低于下限則驅動電磁閥開啟閥門加水，直到水位達到設定值關閉電磁閥(水箱儲水量可調，系統默認為450 L，最低限為設定容積95%，即427.5 L；

(3)通過溫度傳感器檢測太陽能集熱器出口端與水箱溫差以判斷是否開啟/關閉太陽能溫差循環泵，采用太陽能集熱器供熱.系統默認溫差高于8 ℃啟動太陽能溫差循環泵，低于3 ℃則關閉；

(4)通過溫度傳感器和流量傳感器等監測熱水溫度、流量以及烘干房溫度，根據溫差來調整變頻壓縮機工作狀態以確保烘干室的恒溫；

(5)如果工作正常，系統會默認返回繼續循環工作，此時輸入鍵盤、顯示器、報警器均處于休眠狀態以達節能目的.如果數據異常則立即啟動聲光報警，直到故障排除；如果需要修改參數或結束系統工作，可喚醒鍵盤輸入相應指令或參數.

3.3 系統主程序設計

根據以上流程設計的主程序如圖3所示.

圖3 系統主程序

4 小 結

本設計采用單片機作為控制系統，技術簡單方便應用，通過實際使用和測試，也驗證了系統的可靠性.采用太陽能聯合熱泵供熱相比于傳統的電烘、暖烘等更節能環保，前景廣闊.另外，MSP430是一款低功耗的高速單片機，功能強大且預留了多個接口以便功能拓展等后續研究，對于相關領域的節能研究與自動化設計具有重要參考價值.