基于干燥參數優化的浮式紫菜干燥機的設計

重慶化工職業學院（重慶 400020）

中國是世界上最大的紫菜生產國之一。2017年，中國紫菜產量達到17萬 t，比上年增長4.2萬 t[1]。盡管紫菜生產取得持續發展，但該行業仍存在諸多問題和發展限制，其中紫菜干燥效率低下成為影響紫菜后期生產鏈的重要因素。太陽晾曬是目前紫菜干燥的最常用方法，但干燥效果和干燥時長極易受天氣變化的影響。不利的天氣條件如陰天、夜長、濕度高等都會延長干燥時間，導致效率低下，降低紫菜產品質量，從而影響紫菜產品的整體生產[2]。

為解決這些問題，在優化傳統紫菜干燥機基礎上，設計浮式太陽能干燥機。干燥技術更加適合當地紫菜養殖者，干燥設備更加容易拖曳，節省生產地點至干燥機的拖運時間。該干燥機可以縮短干燥時間，生產高質量的紫菜產品，并減少紫菜產品在后期生產鏈的損失。更重要的是，該干燥機可適應各種天氣條件。雖然天氣條件直接影響紫菜干燥效果，干燥機不能從根本上消除影響，尤其是在雨天和夜間，仍需要較長的干燥時間，但此次研究通過分析紫菜在不同天氣條件下和白天黑夜區別下干燥效果，優化干燥機工作參數，以求在不同條件下均達到最理想的干燥效果。

試驗通過將干燥機的可折疊壁板打開到不同的高度水平以改變進氣效果，通過及時運行排氣扇以最大程度地達到太陽能晾曬和保持干燥機內空氣干燥的平衡，最終達到理想的綜合效果。為便于評估最佳參數、減少工作復雜性，基于陰天和夜間的相同少量太陽能，將陰天和夜間條件的性質視為相同[3]，有利于更快確定每種條件下干燥機最佳參數設置，提高紫菜干燥機干燥效率。

通過進行詳盡的優化試驗，確定紫菜干燥機在白天和夜間條件下的最佳運行參數。試驗旨在比較干燥機的不同參數設置組合下（壁板開口高度和排氣扇的運行）水分去除率；分析干燥機參數設置之間的相互作用；確定干燥機不同參數設置的重要性；確定在白天和夜間環境下，干燥機的最佳參數組合，以獲得最高水分去除率，達到最理想干燥效果。

1 試驗條件

試驗在盛產紫菜的福建省開展，已安裝浮式紫菜干燥機（圖1），并被農民廣泛使用。干燥試驗全天候進行，以同時考慮白天和夜間的干燥條件。在干燥室中裝入100 kg平均含水量91.68%新鮮紫菜。紫菜均勻地分布在所有干燥盤上。數據記錄儀放置在干燥機的內部和外部，以記錄環境空氣及干燥室內空氣的溫度和相對濕度，如圖2所示。

圖1 浮式紫菜干燥機

圖2 浮式紫菜干燥機內部示意圖

以用作進氣口的壁板開口高度和排氣扇是否運行作為獨立參數變量[4]，如圖3所示，針對白天和夜間不同條件，在實際干燥試驗過程中，分別進行不同干燥參數設置。表1為設計好的試驗參數矩陣，在試驗過程中按參數矩陣進行相應參數設置。通過從之前標記的不同干燥托盤中隨機選擇采樣點完成數據收集，確定樣品的初始質量，每30 min稱重1次，干燥機運轉8 h為1個周期，并記錄樣品1個周期后最終質量。

以式（1）計算基于樣品初始質量的水分去除率，評估干燥機在不同參數設置組合下的干燥性能[5]。

式中：ωMR為水分去除率，%；Wi為樣品初始質量，g；Wf為樣品最終質量，g。

圖3 浮式紫菜干燥機外部示意圖

表1 紫菜干燥機試驗參數矩陣

2 結果與討論

2.1 條件簡化

為便于后續統計分析，對各參數設置進行簡化，如表2所示。

表2 各參數簡化

2.2 夜間環境試驗結果分析

方差分析和成對均值比較可分別用于確定變量的互相關系和參數設置的整體性能。表3所示的是經對數轉換后的方差分析[6]，結果表明，壁板開口的高度與排氣扇之間沒有顯著的互相關系。此外，結果表明壁板開口高度的單參數與水分去除率有關。表4為水分去除率的成對均值[7]，結果顯示，壁板完全打開且排氣扇關閉時，即OP=4 &EX=0，水分去除率最高，ωMR=35.73%，而壁板完全關閉且打開排氣扇，即OP=1 &EX=1，水分去除率最低，ωMR=14.30%。試驗結果歸因于，OP=4 &EX=0，干燥機完全暴露于盛行風中，空氣循環更活躍，與完全封閉的壁板情況相比，干燥機內部的空氣更加飽和，利于更好的除濕。因此，在不運行排氣扇的情況下，完全打開壁板是夜間干燥的最佳參數設置。

表3 夜間條件對數轉換后的方差分析

與壁板完全封閉OP=1的2種參數組合相比，壁板完全打開OP=4的參數組合可以獲得更高的平均水分去除率。在夜間沒有光照的情況下，除濕的主要方式是通過空氣干燥，這意味著干燥機與環境之間要進行有效空氣流通。壁板完全打開有利于利用氣壓差，促進空氣流通，降低干燥機內空氣水分。

表4 夜間條件不同參數下水分去除率平均值

2.3 白天環境試驗結果分析

通過分析白天試驗結果的原始數據和對數轉換后數據的方差分析發現，白天原始數據和對數轉換后的數據均不滿足方差分析的假設[8]。為找到替代解決方案，將白天環境下的原始數據方差分析表（見表5）轉化為箱線圖[9]（見圖4）。

其中DF為方差分析中的自由度，F值為F檢驗的統計量值，p值用來判定假設檢驗結果的參數，表5中數值的計算方法可參考文獻[10]。

表5 白天條件原始數據的方差分析

在箱線圖中，越長的箱線意味著越大的誤差變化。從圖4可以看出，參數組合OP=1 &EX=0和OP=1 &EX=1相對應的數據顯示出較大的誤差方差，從而導致不滿足方差分析的假設。為得到更合理的結果分析，后續分析忽略OP=1的試驗結果。

忽略OP=1的試驗結果后，白天環境下的原始數據可以滿足方差分析的假設。表6為水分去除率的成對均值，試驗結果表明，OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打開1/4和關閉排氣扇與壁板打開1/2和打開排氣扇的2種參數組合可以得到最高的水分去除率，分別為56.73%和53.43%，兩者無明顯差異。

圖4 不同參數設置處理組合下的絕對殘差和分配誤差

結果表明，部分打開的壁板可讓冷空氣進入干燥機，同時將熱空氣保持在內部。在完全封閉的壁板中，外部空氣無法進入干燥機，即使打開排氣扇，也無法確保足夠的氣流；完全打開的壁板不能將干燥的空氣和熱量保持在干燥機內[11]。結果表明，大量氣流和保持足夠熱量是干燥機的最佳干燥狀態。圖5是水分去除率最高的情況下，即OP=2 &EX=0，干燥機內部和外部環境的溫度和相對濕度之間關系圖。結果表明，在干燥效果顯著的情況下，干燥機的內部和外部之間溫度和相對濕度均存在明顯差值[12]。

表6 忽略OP=1的白天環境下水分去除率的成對均值

圖5 在白天情況下OP=2 &EX=0的溫度和相對濕度圖

3 結論

試驗探究壁板高度開口及排氣扇的運行對紫菜干燥機性能的影響。在夜間，壁板高度開口是除濕的唯一途徑，完全打開干燥機壁板可使進入干燥室的氣流最大化，從而為除濕提供最佳條件；在白天，干燥機性能受壁板高度開口和排風扇的綜合影響，在OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打開1/4和關閉排氣扇與壁板打開1/2和打開排氣扇的2種參數組合可以得到最高水分去除率，兩者無明顯差異。但由于排氣扇運行會帶來額外成本，因此建議在白天運行時壁板打開1/4且關閉排氣扇。