新疆南疆太陽能紅棗保濕制干裝置設(shè)計(jì)

張凌皓+丁羽+李述剛

摘要：為充分利用新疆南疆地區(qū)充足的太陽能光熱資源，結(jié)合紅棗保濕干制新工藝，設(shè)計(jì)了太陽能與電能聯(lián)合作用紅棗保濕干制系統(tǒng)及設(shè)備，闡述了太陽能換熱器相關(guān)參數(shù)的選擇、太陽能集熱面積以及太陽能熱水器水箱容積確定，結(jié)果表明：使用太陽能加熱，可以確保制干室正常的溫度需求，輔助電加熱可在極端天氣情況下工作確保干燥室全天候正常運(yùn)行。太陽能與電能聯(lián)合作用紅棗保濕干制系統(tǒng)對于升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、節(jié)能降耗具有重要意義。

關(guān)鍵詞：太陽能；電能；紅棗；保濕干制

中圖分類號： S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0384-03

新疆維吾爾自治區(qū)具有發(fā)展紅棗產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的自然條件和氣候資源，特別是近年來隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，紅棗產(chǎn)業(yè)已成為南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，截至2013年年底，紅棗栽培面積已突破46.67萬hm2，產(chǎn)量已突破130萬t；但目前新疆紅棗加工主要以干制為主，干制過程中主要以燃煤為主，消耗了大量煤炭資源并造成環(huán)境污染，因此，改進(jìn)干燥技術(shù)，降低能源消耗，提高干制品質(zhì)，采用清潔能源等對于南疆紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[1-2]。新疆地區(qū)太陽能資源豐富，全年日照時(shí)數(shù)為2 550～3 500 h，日照百分率為60%～80%，年輻射總量達(dá)5 430～6 670 MJ/m2，年輻射照度總量比我國同緯度地區(qū)高10%～15%，比長江中下游地區(qū)高15%～25%，居全國第二位，僅次于西藏高原，全年日照大于6 h的有250～325 d，日照氣溫高于10 ℃的普遍在150 d以上?；谶@一得天獨(dú)厚的自然資源，可以將太陽能引入到紅棗干制裝置中，以降低污染物排放，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)等綜合效益[3]。相對于普通的熱風(fēng)干燥，高溫高濕干燥可以降低物料內(nèi)部的水分梯度，改善干燥過程中物料水分?jǐn)U散特性，有效提高物料干燥速度，減少干燥過程中物料收縮和表面殼化現(xiàn)象，有利于干制品保持風(fēng)味物質(zhì)和營養(yǎng)成分。

1 干燥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成[4]

本裝置采用以太陽能為主、電能為補(bǔ)充的聯(lián)動加熱方式，為水果保濕制干室提供持續(xù)穩(wěn)定的熱量，在加熱的同時(shí)，通過濕度控制裝置使制干室保持一定濕度。本系統(tǒng)主要由太陽能熱水器集成循環(huán)加熱系統(tǒng)、電能加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、PLC自動控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2 加熱制干裝置的工作過程

當(dāng)制干室中溫度低于設(shè)定值且太陽能充足，太陽能熱水器水箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥1和電磁閥2打開，電磁閥3關(guān)閉，循環(huán)泵啟動，熱水由太陽能熱水器組的水箱經(jīng)電磁閥1、循環(huán)泵、制干室換熱器、電磁閥2回到太陽能熱水器，熱水在循環(huán)的過程中通過制干室換熱器，為制干室提供熱能，此時(shí)電加熱系統(tǒng)停止工作。當(dāng)制干室中的溫度低于設(shè)定值且太陽能不足，太陽能熱水器水箱的溫度低于設(shè)定值時(shí)，電磁閥1和電磁閥2關(guān)閉，循環(huán)泵停止工作，電磁閥3打開，電加熱系統(tǒng)啟動，安裝在制干室內(nèi)的電熱裝置直接為制干室提供熱量。

當(dāng)制干室中溫度高于設(shè)定值時(shí)，循環(huán)泵停止工作，電加熱裝置同時(shí)停止。太陽能補(bǔ)水裝置：在太陽能熱水箱中安裝有水位儀，當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)，可通過電磁閥4自動補(bǔ)水，確保水位恒定。濕度控制系統(tǒng)：制干室內(nèi)裝有濕度傳感器，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，安裝在制干室底部的加濕裝置啟動，提高濕度，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止加濕。裝置使用PLC智能控制系統(tǒng)，PLC使用西門子S7-200 系列小型PLC（Micro PLC），CPU 型號為226，模擬量擴(kuò)展模塊選用4輸入/1輸出的EM235，CPU226可擴(kuò)展多達(dá)7個(gè)EM模塊。觸摸屏選用M2I公司的TOP觸摸屏，具有串行、并行通信口以及高速圖形控制器，實(shí)現(xiàn)了顯示、實(shí)時(shí)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備控制等功能。

2 太陽能加熱裝置主要技術(shù)參數(shù)的確定

2.1 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算[5-9]

本裝置試驗(yàn)所用干燥箱的有效容積為750 mm×600 mm×500 mm，換熱器主要由制干室中排列分布的銅管組成，換熱器主要計(jì)算在一定溫度下，單位時(shí)間向制干室傳遞的熱量，即傳熱速率Q，以及在一個(gè)干燥周期中傳遞的總熱量Q總。如果太陽能熱水器的溫度保持在85 ℃以上，制干室內(nèi)的平均溫度保持在60 ℃，換熱管的材料為銅，因銅管l>>d，則單位管長的導(dǎo)熱熱阻（R）計(jì)算公式為：

3 裝置試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置如圖2所示，將普通電加熱烘箱經(jīng)改裝安裝太陽能熱水循環(huán)換熱器及濕度控制裝置，烘箱的有效容積為750 mm×600 mm×500 mm；換熱器為細(xì)銅管，總長為150 m；試驗(yàn)當(dāng)天天氣條件為：晴，室外溫度13～30 ℃，放置10 kg南疆駿棗紅棗。

3.2 紅棗保濕干制工藝圖

依據(jù)課題組前期進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，得出駿棗高溫保濕干制最佳工藝條件為：55 ℃干燥1 h，升溫至60 ℃保持1 h，升溫至65 ℃開始加濕，相對濕度62%，保濕時(shí)間為10 min，繼續(xù)在65 ℃下干燥170 min，升溫至70 ℃干燥3 h，降溫至60 ℃保持1 h，降溫至55 ℃保持1 h，溫度變化曲線如圖3所示，此條件下干制的駿棗最終含水量為22.07%，駿棗色澤鮮艷，口感松軟，外形飽滿美觀。

3.3 溫控儀溫度設(shè)置

烘箱初始溫度為上一個(gè)干燥周期結(jié)束時(shí)的55 ℃，干燥初始在加入紅棗后為使溫度能盡快恢復(fù)至55 ℃，將溫控儀的溫度設(shè)為60 ℃，并保持10 min，將溫度調(diào)至55 ℃，在后續(xù)的干燥過程中升溫時(shí)，將溫控儀提前10 min設(shè)置為所需的溫度，即升溫時(shí)間提前10 min開始加熱；降溫時(shí)提前5 min設(shè)置溫控儀開始降溫，溫控儀的設(shè)置如圖4所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

完全使用太陽能加熱，將溫控儀的溫度變化按圖4進(jìn)行設(shè)置時(shí)，其烘箱內(nèi)的溫度變化近似曲線如圖5所示，基本與紅棗干燥的溫度曲線（圖3）趨勢接近。

為檢驗(yàn)本試驗(yàn)裝置的制干效果，分別選取新疆南疆當(dāng)前主栽制干之一的駿棗為試驗(yàn)原料，測得其各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示。由表4可以得出：采用太陽能保濕干制、普通變溫干制2種方式，駿棗的含水量差別不大，這2種干制工藝的駿棗制干脫水效果都很好。但太陽能保濕干制后的駿棗，無論是其果實(shí)變形程度，還是糖酸比、還原糖含量、維生素C含量等指標(biāo)均優(yōu)于普通干制。

5 結(jié)論

采用本裝置，選取合適的換熱器、太陽能集熱器面、太陽能水箱容積，完全可以滿足干燥室干燥過程中的加熱及溫度維持，在個(gè)別連續(xù)陰天以及需要快速加熱時(shí)可以啟動電加熱輔助加熱，確保干燥過程正常進(jìn)行，太陽能在干燥系統(tǒng)中的引入，可以改善新疆南疆地區(qū)目前主要靠燃煤進(jìn)行干燥的狀況，對于節(jié)省能源、減輕環(huán)境污染具有現(xiàn)實(shí)意義。

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