基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置與方法研究＊

白育福 ， 楊明金 ， 李守太

（1.周至縣農業農村局，陜西 西安 710400；2.西南大學工程技術學院，重慶 400715）

0 引言

為了便于農產品物料儲存，需要將物料含水率通過干燥降低到安全儲藏水分線以下。以花椒產業為例，我國是世界花椒第一生產大國，全國花椒面積約2500萬畝[1]。除東北、內蒙古等少數地區外，花椒在黃河和長江中上游的20多個省區均有栽培，而以四川、重慶、陜西、河北、山東、山西、河南、甘肅等省市居多[2]。我國的花椒種植種類繁多，如大紅袍、九葉青、大紅椒、小紅椒等。其中，青花椒以其麻味純正濃烈、氣味清香，且能溫中止痛、殺蟲止癢，具有食用和藥用價值[3]。鮮青花椒不易保存，收后處理不當極易使表面油胞破損，導致花椒褐變、腐爛、品質下降[4,5]。烘干是鮮花椒最主要的加工方式，約80%的鮮花椒需進行烘干處理。

常用的農產品物料干燥類型有真空干燥、冷藏干燥和熱風干燥等，而熱風干燥由于結構簡單和成本低廉占比最高[6]。如為了推進綠色發展，建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，近年來大力推進的熱泵干燥也屬于熱風干燥的范疇[7,8]。物料干燥過程中，含水率變化的同時會伴隨著干燥品質、色澤等變化[9]。為掌握物料干燥特性，制定最優的干燥工藝，研究一定條件下風溫、風速、干燥時間等參數對物料含水率和干燥品質的影響，需要保證物料干燥過程中給定參數的一致性[10]。為了得到適宜大規模物料干燥的可靠工藝，減少損失，則通常需要先進行薄層物料干燥實驗。

現有熱風薄層物料干燥實驗設備對于物料干燥過程中水分的變化，即物料干燥過程中質量變化的實時測量難以做到。主要原因是為了保證薄層物料的均勻鋪放，通常將其平鋪，而平鋪的物料受到與其質量方向一致熱風的作用，導致物料干燥過程中質量實時測量結果精度低。現有的做法是干燥過程中不定時將物料連同托盤取出測量的方法，物料與空氣中水分發生液化現象導致質量測量誤差較大，進而影響干燥特性的研究和最優干燥工藝的制定。

本研究基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置干燥過程參數可控，能夠實現物料干燥過程中質量和含水率的實時測量，具有結構簡單、能耗低和成本低的特點。

1 基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置

熱風薄層物料干燥實驗裝置主要包括物料堆放倉、熱源和控制組件，如圖1所示。熱源采用電熱絲，物料堆放倉由載物板、勻風板和擋板組成；控制組件則主要由布置于倉道內的溫度傳感器、風速傳感器、處理器、濕度傳感器、左稱重傳感器和右稱重傳感器組成。

圖1 熱風薄層物料干燥實驗裝置示意圖

2 基于熱風干燥的薄層物料試驗干燥方法

2.1 物料質量測量原理

結合圖2對本研究熱風薄層物料干燥實驗方法的質量測量原理進行說明。左稱重傳感器和右稱重傳感器布置在載物板下方，感知物料質量的變化并將質量數值反饋給處理器，處理器通過計算左稱重傳感器和右稱重傳感器數值之和平均值的方法得到誤差較小的質量值。假設左稱重傳感器和右稱重傳感器測量物料的質量分別為h、i，則此時物料的質量為(h+i)/2。氣流方向與物料質量方向垂直則避免了氣流沖擊對物料質量測量造成誤差。

圖2 物料質量測量原理圖

2.2 預實驗工作原理

結合圖3對本研究一種熱風薄層物料干燥實驗方法的預實驗工作原理進行說明。預實驗的目的是快速獲得物料的絕干質量，為后續正式試驗含水率的測量做準備。此時，新風閥和新風機開啟，回風閥關閉。通過新風閥進入風道的空氣經過吸附板作用后變為干燥的空氣（具有較強的帶走物料水分能力），干燥的空氣經過電熱絲加熱后作用于物料，并經過排濕閥排出。假設左稱重傳感器和右稱重傳感器前后兩次測量物料的質量分別為h1、i1和h2、i2，當(h1+i1)-(h2+i2)≤0.01g時，停止試驗，此時質量為絕干質量n，即n=(h2+i2)/2。

圖3 預實驗工作原理圖

2.3 物料含水率測量原理

圖4 含水率測量原理圖

結合圖4對本研究一種熱風薄層物料干燥實驗方法的含水率測量原理進行說明。含水率的測量依靠左稱重傳感器測得的質量、右稱重傳感器測得的質量、未干燥前物料質量、物料絕干質量之間的關系求得。假設左稱重傳感器測得的質量、右稱重傳感器測得的質量、未干燥前物料質量、物料絕干質量分別為h、i、m、n，則此時物料含水率為[(h+i)/2-n]/m。

2.4 物料質量測量原理

結合圖5對本研究熱風薄層物料干燥實驗方法的風速控制原理進行說明。風速傳感器的作用主要是改變風道內風速，使其穩定在設定值附近，依靠風速傳感器、處理器和新風機共同實現。假設風速設定值為c，風速傳感器測量風道內風速為f，若f-c＜0.01 m/s，則處理器增大新風機轉速；反之則處理器降低新風機轉速。

圖5 風速控制原理圖

2.5 溫度控制原理

結合圖6對本研究熱風薄層物料干燥實驗方法的溫度控制原理進行說明。溫度傳感器的作用主要是改變風道內氣流溫度，使其穩定在設定值附近，依靠溫度傳感器、處理器和電熱絲共同實現。假設干燥溫度設定值為b，溫度傳感器測量風道內溫度為e，若e-b＜0.01℃，則處理器增大新風機轉速；反之則處理器減小新風機轉速。

圖6 溫度控制原理圖

2.6 濕度控制原理

結合圖7對本研究熱風薄層物料干燥實驗方法的濕度控制原理進行說明。風道內氣流濕度過大時其帶走物料水分能力較低，耗能高；濕度傳感器的作用主要是改變風道內氣流濕度，使其處于設定值之下，進而保證氣流具有帶走物料水分的能力，依靠濕度傳感器、處理器、新風閥、新風機、回風機、回風閥和排濕閥共同實現。假設濕度設定值為d，濕度傳感器測量風道內濕度為g，若g-d≤1%，處理器關閉回風機、回風閥和排濕閥，打開回風閥，使氣流在風道內循環；反之，則處理器打開回風機、新風閥和排濕閥，關閉回風閥，快速排出風道內濕度大的氣流，通過新風閥引入濕度低的干燥空氣。此種設計方式能夠極大地降低物料干燥過程中能耗。

圖7 濕度控制原理圖

3 基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理

本研究基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理總圖如圖8所示。預實驗的目的是獲取物料的絕干質量，為后續正式實驗時物料含水率的實時測量與顯示做準備，具體通過處理器接收左稱重傳感器和右稱重傳感器反饋的數據并對比，當前后兩次稱重數據之差降低到特定值時，預實驗停止，此時物料質量為絕干質量。正式實驗時，通過進料口放入與預實驗等量的待干燥物料，在控制面板輸入干燥過程中風速、溫度和濕度閾值，處理器基于風速傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器反饋的數據動態調整新風機轉速、電熱絲溫度以及回風機、新風閥、回風閥和排濕閥的開閉。通過控制面板輸入物料干燥含水率閾值，處理器基于左稱重傳感器和右稱重傳感器反饋的數據實時計算物料當前含水率，并將物料當前含水率與含水率閾值對比，當二者之差降低到特定值時干燥實驗結束。

圖8 基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置與方法工作原理總圖

4 結論

本研究設計了一款基于熱風干燥的薄層物料試驗裝置，并開發了與干燥裝置相對應的干燥方法，干燥過程中參數可控，實時測量物料干燥過程中質量和含水率的數據。相較于現有研究，具有干燥品質可測可控、能耗和成本低的優點，能夠進行農產品物料干燥特性、能耗和干燥工藝擬合研究。