王慶惠，李忠新，閆圣坤，高振江

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊　830091)

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熱風(fēng)干燥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王慶惠1，2，李忠新2，閆圣坤2，高振江1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊830091)

摘要：根據(jù)果品干燥特性和熱風(fēng)干燥原理及特點(diǎn)，在分析熱風(fēng)干燥工藝基礎(chǔ)上，完成了燃煤熱風(fēng)爐、擋風(fēng)板和控制系統(tǒng)等主要工作部件及整機(jī)的熱風(fēng)干燥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：將擋風(fēng)板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距隔板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時(shí)，干燥室內(nèi)的風(fēng)速比較均勻，此時(shí)在A面測(cè)得各風(fēng)道處風(fēng)速在1.5～1.53m/s的范圍內(nèi)變化。同時(shí)，以杏子為研究對(duì)象進(jìn)行干燥試驗(yàn)，將杏子濕基含水率降到15 %以下需要64 h，干燥室內(nèi)干燥不均勻度小于3 %，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)；干燥裝置；擋風(fēng)板；杏子

0引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)特色林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視程度不斷增加，大部分林果已進(jìn)入盛果期。至2012年底，新疆特色林果總面積突破133.3萬(wàn)hm2，產(chǎn)量700萬(wàn)t多[1]。在林果產(chǎn)業(yè)給果農(nóng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，因果品集中上市，產(chǎn)量大、含水率高，難以存放等問(wèn)題日益凸顯出來(lái)；而果品制干是減少果品損失并延長(zhǎng)貨架期的有效手段之一。

傳統(tǒng)果品干燥方法普遍采用自然晾曬，優(yōu)點(diǎn)是成本低、場(chǎng)所簡(jiǎn)單；但也存在著干燥時(shí)間長(zhǎng)、受氣候條件影響大、衛(wèi)生條件差及產(chǎn)品質(zhì)量難以保障等問(wèn)題[2]。近年來(lái)，隨著政府對(duì)杏子制干產(chǎn)業(yè)重視程度不斷增加，熱風(fēng)干燥設(shè)備已經(jīng)在市場(chǎng)上得以應(yīng)用[3-4]；但主要存在的問(wèn)題是[5]均勻性差及產(chǎn)品品質(zhì)難以保證。由于熱空氣向上運(yùn)動(dòng)，受料盤的阻擋，物料各層受熱不能保證一致，物料干燥速度存在差異，直接影響到物料的色澤、口感和含水率等品質(zhì)。

本文旨在通過(guò)熱風(fēng)干燥原理，設(shè)計(jì)一種新型的熱風(fēng)干燥裝置，通過(guò)合理布置擋風(fēng)板及控制熱風(fēng)循環(huán)方向，解決現(xiàn)有干燥裝置中干燥不均勻、產(chǎn)品品質(zhì)難以保障及人工輔助作業(yè)強(qiáng)度大等問(wèn)題，為同類設(shè)備的改進(jìn)提供參考。

1熱風(fēng)干燥裝置的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原則

為了能夠?qū)犸L(fēng)干燥裝置作業(yè)過(guò)程及相應(yīng)的干燥試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，干燥裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

1)提高設(shè)備均勻性。采用兩種循環(huán)給風(fēng)方式，達(dá)到“倒風(fēng)不倒盤”的目的，降低人工輔助作業(yè)時(shí)間[6-10]。

2)干燥裝置作業(yè)時(shí)，可根據(jù)不同物料自身特性，實(shí)現(xiàn)干燥室內(nèi)溫濕度、風(fēng)機(jī)換向間隔時(shí)間、風(fēng)機(jī)循環(huán)方式等影響干燥效果的參數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)，滿足不同物料對(duì)干燥工藝參數(shù)的需求[11]。

3)干燥裝置運(yùn)行平穩(wěn)，控制系統(tǒng)靈敏可靠，應(yīng)能對(duì)干燥室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

4)干燥裝置應(yīng)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，具有一定的裝載量，可為后期產(chǎn)業(yè)化推廣提供參考。

5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)緊湊合理，房壁保溫效果良好，推車及料盤應(yīng)采用不銹鋼或非金屬材料制成，符合國(guó)家食品衛(wèi)生要求[12]。

1.2整機(jī)結(jié)構(gòu)

熱風(fēng)干燥裝置主要由熱源供給系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該裝置的房壁由巖棉板制成，隔板將整個(gè)干燥裝置分割成加熱室和干燥室兩部分；循環(huán)風(fēng)機(jī)通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)管道與各風(fēng)道相連，可將加熱室內(nèi)加熱的空氣均勻地帶到干燥室內(nèi)；推車依次并排放置在干燥室內(nèi)；推車上料盤的位置和層數(shù)與風(fēng)道一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)均勻流過(guò)每層料盤的目的。燃煤熱風(fēng)爐的煙囪上安裝有助燃風(fēng)機(jī)，助燃風(fēng)機(jī)的開閉可控制熱風(fēng)爐的進(jìn)風(fēng)量，達(dá)到控制干燥室內(nèi)溫度的目的。

(a)　俯視圖

(b)　主視圖

1.3工作原理

熱風(fēng)干燥裝置工作時(shí)，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)，燃煤熱風(fēng)爐對(duì)干燥室進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定初始溫度時(shí)，放入需烘干的物料，啟動(dòng)整個(gè)控制程序，循環(huán)風(fēng)機(jī)將加熱后的空氣通過(guò)風(fēng)道均勻吹至與其對(duì)應(yīng)的每層料盤上。當(dāng)干燥室內(nèi)的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，助燃風(fēng)機(jī)關(guān)閉；而當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，開啟助燃風(fēng)機(jī)，如此反復(fù)直至干燥結(jié)束。濕度控制與溫度控制相同，主要通過(guò)控制排濕風(fēng)機(jī)強(qiáng)行打開和關(guān)閉確保干燥室內(nèi)的濕度。

為提高干燥室內(nèi)風(fēng)速及溫度的均勻性，減少人工頻繁開門倒盤的次數(shù)，本設(shè)計(jì)采用一側(cè)風(fēng)道進(jìn)風(fēng)，另一側(cè)風(fēng)道回風(fēng)兩種給風(fēng)方式循環(huán)交替運(yùn)行的方式，有效增加了熱空氣的流動(dòng)與擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“倒風(fēng)不倒盤”的目的。兩種循環(huán)方式的工作時(shí)間及循環(huán)順序可根據(jù)需求調(diào)控。在設(shè)計(jì)中選用的各標(biāo)準(zhǔn)件及參數(shù)如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)件的技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

1.4關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1燃煤熱風(fēng)爐的確定

燃煤熱風(fēng)爐是整個(gè)干燥裝置的重要組成部件之一。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提高熱風(fēng)爐的散熱量和煤炭的利用率，并減少熱風(fēng)爐的體積。多排并列的散熱片有效增加熱風(fēng)爐的散熱面積；助燃風(fēng)機(jī)的開閉有效增減了爐膛內(nèi)部與外部空氣的交換量，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制熱風(fēng)爐散熱量及調(diào)節(jié)整個(gè)干燥室內(nèi)溫度的目的。散熱量是熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算干燥室內(nèi)物料的單位耗熱量，可確定熱風(fēng)爐的散熱量，進(jìn)而確定熱風(fēng)爐的機(jī)構(gòu)。具體計(jì)算為

(1)

Q=Mq

(2)

式中q—物料單位耗熱量(kJ/kg)；

Q—熱風(fēng)爐的散熱量(kJ)；

M—干燥裝置的裝載量(kg)；

C—空氣的比熱容(J/kg·℃)；

ρ—熱空氣密度(kg/m3)；

A—進(jìn)風(fēng)口的截面積(m2)；

V—進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速(m3/s)；

T1—進(jìn)風(fēng)口溫度(℃)；

T2—出風(fēng)口溫度(℃)；

t—烘干時(shí)間(s)。

1.4.2擋風(fēng)板的確定

擋風(fēng)板安裝在干燥裝置房壁和風(fēng)道之間，如圖1所示。擋風(fēng)板能有效將循環(huán)風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)經(jīng)風(fēng)道均勻吹至干燥室內(nèi)，提高布風(fēng)的均勻性。擋風(fēng)板的安裝位置、角度、數(shù)量和寬度等因素對(duì)布風(fēng)的均勻性均有決定性作用。為得到較為理想的擋風(fēng)板位置及結(jié)構(gòu)尺寸，在擋風(fēng)板安裝位置、角度及寬度條件下，各風(fēng)道處風(fēng)速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

1)使用儀器。風(fēng)速測(cè)量采用VICTOR 816B型風(fēng)速儀(深圳市勝利高電子科技有限公司)。

2)測(cè)試條件。測(cè)試時(shí)，緊閉干燥室門，燃煤熱風(fēng)爐未添煤炭，干燥室內(nèi)放入所有推車及料盤。由于整個(gè)干燥裝置具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，測(cè)試一種進(jìn)風(fēng)方式下的結(jié)果作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3)測(cè)試點(diǎn)的選取。干燥室的外形尺寸為7.7m×2.2m×2.3m(長(zhǎng)×寬×高)。在干燥室內(nèi)，沿隔板至干燥室門的方向上，每隔1m選取1點(diǎn)，第1點(diǎn)離隔板間距30cm，共有8個(gè)點(diǎn)，記為1，2，…，8；從上至下，每隔1個(gè)風(fēng)道選取1個(gè)點(diǎn)，也得8個(gè)點(diǎn)，記為第1風(fēng)道、第2風(fēng)道、…、第8風(fēng)道；從左至右，每隔70cm選取1個(gè)面(面與風(fēng)道形成的面平行)，第1個(gè)面離風(fēng)道面距離5cm，共4個(gè)面，記為A、B、C、D，具體選取如圖2所示。

圖2　測(cè)試點(diǎn)選取示意圖

4)測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)。此次擋風(fēng)板設(shè)計(jì)是邊試驗(yàn)邊改進(jìn)，為此，主要做了以下幾組試驗(yàn)，如表2所示。

5)測(cè)試結(jié)果的確定。風(fēng)速儀探頭的方向與測(cè)試結(jié)果直接相關(guān)。試驗(yàn)中，在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，旋轉(zhuǎn)風(fēng)速儀探頭，將測(cè)得最大值作為該點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。由于擋風(fēng)板安裝位置、 角度、 數(shù)量及寬度對(duì)風(fēng)速分布均有影響，通過(guò)多組比較得出：① 干燥室內(nèi)的風(fēng)在放置擋板處較短范圍內(nèi)為層流，其余部分均為紊流；② 安裝擋風(fēng)板處的風(fēng)速明顯增加；③ 擋風(fēng)板越寬，遮擋住的風(fēng)也越多，此處風(fēng)道風(fēng)速越大；④ 在一定范圍內(nèi)，擋風(fēng)板數(shù)量的增加有助于提高風(fēng)道的均勻性；⑤ 擋風(fēng)板安裝角度越大，遮擋的風(fēng)就越多；⑥ 雖安裝擋風(fēng)板，整個(gè)風(fēng)道處風(fēng)速仍然存在波動(dòng)，但風(fēng)速均勻性有所提高。在實(shí)際運(yùn)用中，整個(gè)干燥室內(nèi)布滿了推車及料盤，可進(jìn)一步增加風(fēng)速均勻性。通過(guò)測(cè)量比較，在第6組實(shí)驗(yàn)條件下，即擋風(fēng)板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距隔板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時(shí)，風(fēng)速比較均勻，此時(shí)在A面測(cè)得的各風(fēng)道處風(fēng)速在1.5～1.53m/s的范圍內(nèi)，具體測(cè)得數(shù)值如圖3所示。

表2　擋風(fēng)板參數(shù)設(shè)計(jì)

圖3　第6組實(shí)驗(yàn)條件下A面各選取點(diǎn)處風(fēng)速值

1.4.3電控系統(tǒng)的確定

干燥裝置的電路控制系統(tǒng)主要控制循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和停啟、排濕風(fēng)機(jī)和助燃風(fēng)機(jī)的停啟，以及補(bǔ)風(fēng)門的開閉。為便于操作，控制面板采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)間的轉(zhuǎn)換，控制面板可調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行周期和各運(yùn)行階段時(shí)間，以及溫濕度控制的溫濕度上下限和運(yùn)行時(shí)間；控制面板中界面可顯示當(dāng)前干球溫度、濕球溫度、各風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止)和運(yùn)行時(shí)間等。設(shè)計(jì)中，干燥裝置的溫度控制范圍0～100℃，控制精度±0.5℃。

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原料是新鮮的杏子(品種明星杏)，產(chǎn)地新疆皮山縣，購(gòu)于烏魯木齊九鼎批發(fā)市場(chǎng)，平均直徑34.2mm，去核后平均濕基含水率78.86%±0.4%(105℃，烘24h[13])。試驗(yàn)前將購(gòu)買回的杏子立即挑選(外形尺寸、成熟度與色澤等基本一致)，均勻單層擺放在料盤內(nèi)(每盤5kg，共560個(gè)料盤)，相鄰的杏子之間無(wú)重疊。開啟試驗(yàn)干燥裝置，當(dāng)干燥室內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)初始溫度時(shí)，迅速放入杏子，開始試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，當(dāng)杏子濕基含水率降到15%以下[14]，停止試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)采用的干燥工藝如表3所示。兩種循環(huán)給風(fēng)方式各2h，交替進(jìn)行，直至結(jié)束。

表3杏子干燥工藝參數(shù)

Table 3Apricot drying parameters

序號(hào)溫度/℃相對(duì)濕度/%時(shí)間/h14535102503015355251545820155501510645105

2.3干燥曲線的數(shù)學(xué)計(jì)算方法

杏子熱風(fēng)干燥裝置干燥過(guò)程中的干燥曲線采用水分比(moisture ratio，MR)隨干燥時(shí)間的變化曲線。不同干燥時(shí)間杏子的水分比(MR)為

(3)

式中M0—杏子的初始干基含水率(g/g)；

Me—杏子干燥到平衡時(shí)的干基含水率(g/g)；

Mt—杏子在所測(cè)干燥t時(shí)刻的干基含水率(g/g)。

2.4結(jié)果與分析

杏子干燥水分比隨干燥時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出：杏子干燥水分比MR隨干燥時(shí)間均呈指數(shù)下降趨勢(shì)，說(shuō)明在杏子熱風(fēng)干燥過(guò)程中，水分含量隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行呈指數(shù)規(guī)律不斷下降。杏子干燥初期水分比MR下降十分迅速，而干燥后期則十分緩慢。這可能是因?yàn)楦稍锍跗冢幼雍瘦^高，杏子表面和干燥介質(zhì)之間存在著較大的蒸汽壓力梯度，水分脫離速度較快；隨著干燥的進(jìn)行，水分由杏子內(nèi)部向表面遷移的難度不斷增加，杏子表面和干燥介質(zhì)之間的蒸汽壓力梯度不斷降低，干燥驅(qū)動(dòng)力不斷減少，水分比MR緩慢下降。

圖4　杏子干燥水分比隨干燥時(shí)間變化曲線

另外，上述干燥條件下，當(dāng)杏子含水率降到15 %時(shí)，所需時(shí)間為64h；干燥后杏子色澤呈金黃色或者深黃色，部分靠近房板上側(cè)部位的杏子呈黃褐色，杏干收縮均勻，總體感官品質(zhì)均可接受。在干燥室內(nèi)不同部位取樣測(cè)試杏子濕基含水率，干燥不均勻度小于3%，符合裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求[16]。

3結(jié)論

1)從結(jié)構(gòu)來(lái)講，干燥裝置采用兩種循環(huán)給風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料倒風(fēng)不倒盤的目的；擋風(fēng)板的安裝，提高了風(fēng)道處風(fēng)速的均勻性，將擋風(fēng)板垂直安裝，寬度分別為5、7、10、12cm，距房板距離分別為0.9、1.9、3.8、5.7m時(shí)，風(fēng)速比較均勻，此時(shí)在A面測(cè)得各風(fēng)道處風(fēng)速在1.5～1.53m/s的范圍內(nèi)。

2)從控制系統(tǒng)方面，采用PLC控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，方便操作；電路控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各風(fēng)機(jī)的停啟、換向和風(fēng)門的開閉，以及各部件運(yùn)行時(shí)間的控制，大大降低人工輔助作業(yè)時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行準(zhǔn)確性。

3)以杏子為研究對(duì)象，采用自制的熱風(fēng)干燥裝置進(jìn)行干燥試驗(yàn)，將杏子濕基含水率降到15 %以下需要64h。在干燥室內(nèi)不同部位取樣測(cè)試杏子濕基含水率，干燥不均勻度小于3%，符合裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

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Design and Experiment of Hot Air Drying Equipment

Wang Qinghui1,2, Li Zhongxin2,Yan Shengkun2, Gao Zhenjiang1

Abstract：According to the characteristics of fruit and principle of hot air drying, the drying process is analysised. The main working parts, such as coal stove, wind deflector and circuit control system, and whole drying equipment are designed and a test is carried out. Experimental results show that the wind deflector installs vertically, the width are 5, 7, 10, and 12 cm, distance from the wall plate are 0.9, 1.9, 3.8, and 5.7 m, the wind speed is relative evenly, and the wind speed is from 1.5 to 1.53m/s on a-side. Apricot is dried by this equipment. It is 64 hours when the apricot moisture content on wet basis is below 15%. Dry no-uniformity is less than 3% in dry room. It is meet the requirements of structural design.

Key words：hot air； drying equipment； wind deflector； apricot

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0241-05

中圖分類號(hào)：S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王慶惠(1980-)，女，山東梁山人，副研究員，博士研究生，(E-mail)wangqh1201@126.com。通訊作者：高振江(1958-)，男(蒙古族)，內(nèi)蒙古赤峰人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zjgao@cau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460397)

收稿日期：2015-03-11