光熱烘干與自動控制技術(shù)的應(yīng)用研究

文 _ 李培樹 楊海賓 攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

攀枝花擁有較豐富的太陽能資源，無霜期在280d以上，年太陽輻射量在6300MJ/m2以上,同時農(nóng)產(chǎn)品資源也比較豐富。因此合理地利用太陽能對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行烘干，能夠很好地解決能源和環(huán)境污染問題。

目前，我國的農(nóng)產(chǎn)品干燥方式除傳統(tǒng)的晾曬方式外，還有熱風(fēng)循環(huán)烘房、隧道式熱風(fēng)干燥、冷真空凍干燥、紅外線或微波干燥、高速熱氣流干燥中、高溫噴霧干燥、熱泵干燥、太陽能干燥等等。但由于有些技術(shù)成本較高，僅適用于高附加值的農(nóng)產(chǎn)品，所以我國大部分農(nóng)產(chǎn)品采用太陽能干燥技術(shù)與自然晾曬的方法。由于太陽能是間斷多變的能源，夜因此干燥設(shè)備干燥物料品種少，使用周期短，干燥方式比較單一。

1 太陽能、熱泵干燥技術(shù)

太陽能和熱泵作為目前采用較為普遍的農(nóng)作物干燥熱源，在我國的大部分農(nóng)業(yè)地區(qū)都在使用。

1.1 太陽能干燥技術(shù)

我國的太陽能熱利用技術(shù)基本上還處于低溫、中溫利用階段，簡單的將太陽能它轉(zhuǎn)換為熱能，并通過集熱器所加熱的介質(zhì)（空氣或水）進(jìn)行對流換熱而獲得熱能。

太陽能干燥的優(yōu)點：①節(jié)省燃料，運行成本很低，對環(huán)境的污染?。虎谔柲芨稍镅b備各部的工作溫度屬于中、低溫，操作簡單、安全可靠。

太陽能干燥的缺點：①太陽能屬于間歇性能源，能源密度低，不連續(xù)、不穩(wěn)固，晚上和陰雨天的能源供給不能保障；②單一利用太陽能時，干燥溫度低，波動大，干燥周期長；③單一太陽能干燥投資少，但熱效率低，而大中型的投資大，占地面積廣。

1.2 熱泵干燥技術(shù)

熱泵干燥機(jī)是利用逆卡諾原理，吸收空氣在壓縮機(jī)內(nèi)完成氣態(tài)的升壓升溫過程，并將其轉(zhuǎn)移到房內(nèi)，實現(xiàn)烘干房的溫度提高。

熱泵干燥的優(yōu)點：①干燥過程容易控制，且可調(diào)范圍寬；②用電源作為熱源，環(huán)境友好，不易污染。

熱泵干燥的缺點：①能源消耗高、污染環(huán)境可能性大；②維護(hù)成本高。

因此，不能單純靠太陽能或者熱泵等單一能源完成，需要將太陽能、熱泵、生物質(zhì)能、燃?xì)夂凸怆姷劝磳嶋H需要進(jìn)行整合，實現(xiàn)多種能源的優(yōu)勢互補(bǔ)和合理配置，全面滿足太陽能干燥工程的需求。

2 研究的主要內(nèi)容

針對單一的太陽能干燥和單一熱泵干燥存在的問題，結(jié)合需要烘干農(nóng)產(chǎn)品的類型，研制一套集自然晾曬、太陽能及熱泵為一體的烘干設(shè)施，并能實現(xiàn)各子系統(tǒng)的獨立干燥。

研制一套自動封閉循環(huán)干燥控制系統(tǒng)，通過烘干設(shè)施，實現(xiàn)不同農(nóng)產(chǎn)品烘干條件下的自動控制，使光熱利用最大化。

研制一套適合不同農(nóng)產(chǎn)品干燥的設(shè)施。

2.1 光熱烘干系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 光熱烘干系統(tǒng)的工藝及原理

光熱烘干系統(tǒng)主要由供熱系統(tǒng)、自動封閉循環(huán)干燥控制系統(tǒng)、干燥室和除濕機(jī)（干燥機(jī)）組成（圖1）。

圖1 太陽能及熱泵聯(lián)合烘干結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：陽光房自然吸熱及太陽能集熱器接收太陽能后轉(zhuǎn)換釋放給傳熱介質(zhì)水，水吸熱后經(jīng)車間大面積的片式散熱器將熱量釋放于車間，散熱后的水繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)蓄熱水箱持續(xù)散發(fā)余熱，然后經(jīng)循環(huán)泵強(qiáng)制壓入太陽能集熱器繼續(xù)吸熱，周而復(fù)始完成太陽能的吸收、轉(zhuǎn)換、釋放全過程循環(huán)。熱泵根據(jù)烘干的具體條件，彌補(bǔ)太陽能稀薄性和間歇性帶來的熱源不足，實現(xiàn)連續(xù)烘干，整個循環(huán)過程實現(xiàn)自動控制?？刂葡到y(tǒng)由配備具有可編程邏輯控制器(PLC)的工控機(jī)、控制柜、室內(nèi)外溫濕度傳感器、循環(huán)風(fēng)機(jī)和組態(tài)全自動控制系統(tǒng)（MCGS）組成，可全天候同時控制、監(jiān)測、記錄和處理脫水實時溫度、濕度等參數(shù)。

2.2 熱量需求計算

本系統(tǒng)采用三種熱源供熱，即陽光房、太陽能集熱器、熱泵，根據(jù)設(shè)計，本項目熱源的計算如下：

（1）1000kg物料干燥平均每小時的排水量：

其中：P—干燥后物料重量比30%。

（2）干燥房內(nèi)平均每小時的干燥量：

（3）計算本干燥房每個小時干燥所需的熱量：

現(xiàn)取水常溫t0=20℃,升溫至t1=70℃作為典型溫度進(jìn)行計算。水在70℃時的汽化潛熱為r=2333kJ／kg。計算在干燥過程中的熱量消耗：

其中：Q1—物料升溫所需要的熱量；

Q2—物料輸送小車升溫需要的熱量；

C干—干燥完后干物料的比熱容：1974J／kg；

C水—水的比熱容：4180J／kg。

物料輸送小車材質(zhì)為不銹鋼，重量約600kg。

因此，本系統(tǒng)中1000kg物料完成干燥每小時所需要的熱量為：

Q=Q升+Q氣+Q損=20．82MJ+68．12MJ+17．79MJ=10 6．73MJ

（4）陽光房、太陽能空氣集熱器為瞬時加熱裝置，熱量儲存較為困難，綜合各方因素考慮，計算時取太陽能系統(tǒng)的工作時間為5h，則陽光房、太陽能空氣集熱器、熱泵單日所需要提供的熱量為（熱量比為2：6：2）：Q=106．73×5×熱量比。陽光房：Q陽=106．73MJ；集熱器：Q集=320．19MJ；熱泵：Q泵=106．73MJ。

烘干的產(chǎn)品量可以根據(jù)實際情況增加，以便調(diào)節(jié)太陽能、熱泵的供熱量。

2.3 光熱烘干設(shè)備配置

2.3.1 供熱系統(tǒng)

本設(shè)計采用三種熱源（陽光房自然吸熱、太陽能系統(tǒng)供熱、熱泵供熱）。熱源按照一定的順序進(jìn)行循環(huán)利用，如果天氣晴朗氣溫高，可單獨開啟自然吸熱和太陽能供熱系統(tǒng)；陰雨天或夜間則啟動熱泵、除濕機(jī)來承擔(dān)干燥的供熱與除濕。

（1）陽光房

主要依靠太陽光穿透屋頂?shù)匿摶ＡнM(jìn)行直接的自然晾曬，屋頂采用輕質(zhì)鋁合金做為支架，長8m，寬3m，利用8mm×1000mm的鋼化玻璃鑲砌而成，可提供有效熱量為：

其中：Q有—有效輻射熱量（平均每天23．61MJ/m2）；

S—輻射面積；

0．5—有效輻射熱源利用系數(shù)。根據(jù)計算，完全滿足每天烘干2t農(nóng)產(chǎn)品陽光房提供20%的熱量（213．7MJ）。

（2）太陽能空氣集熱器

太陽能空氣集熱器是一種新型的太陽能光熱利用裝置，是一種綠色、高效的采暖/烘干裝置。

計算所需太陽能空氣集熱器的采光面積：

式中：Ac—為直接系統(tǒng)太陽能集熱器的采光面積，m2；

Q總—為太陽能空氣集熱器單日所需要提供的總熱量，取641．1MJ；

f—為太陽能保證率，取0．5；

JT—為當(dāng)?shù)丶療崞魇軣崦嫔夏昶骄蛰椪樟?，?3．6MJ/m2；

ηCD—為太陽能集熱器全日集熱效率，實驗數(shù)據(jù)取0．5；

nL—為系統(tǒng)的熱損(一般在0．2～0．4內(nèi)取值)，此處取0．3；

經(jīng)計算，AC=Q總f/JTηCD(1-nL)=641．1MJ×0．5/23．6MJ/m2×0．5×(1-0．3)=38．8m2

根據(jù)場地擺放集熱器，系統(tǒng)安裝l2臺JKS18／2．1型太陽能空氣集熱器，總集熱面積39m2。按照攀枝花平均每天23．61MJ/m2，吸熱量可達(dá)920MJ/d，滿足要求。

（3）熱泵供熱系統(tǒng)

熱泵的工作原理遵循“卡諾循環(huán)”，通過流動媒體在蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等部品中氣相變化的循環(huán)來將低溫物體的熱量傳遞到高溫物體中去。

本項目采用金凱JH-050高溫空氣源熱泵，具體參數(shù)見表1。

表1 空氣源熱泵參數(shù)

提供的熱量為：Q=15×3．6MJ×5=270MJ，滿足供熱需求。

2.3.2自動化封閉循環(huán)風(fēng)干控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)將熱源（水為介質(zhì)）經(jīng)干燥室外壁大面積的散熱器釋放于干燥室，散熱后的水繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)蓄熱水箱持續(xù)發(fā)熱，然后經(jīng)循環(huán)泵強(qiáng)制壓入太陽能集熱器繼續(xù)吸熱，周而復(fù)始完成太陽能的吸收、轉(zhuǎn)換、釋放全過程自動循環(huán)。

系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路和數(shù)字溫度傳感器及溫濕度監(jiān)控儀，設(shè)計了微電腦溫濕度自控裝置程序，自主研發(fā)了內(nèi)置熱循環(huán)、除濕等自動控制系統(tǒng)，并有人工調(diào)節(jié)功能，以確保不同品種農(nóng)副產(chǎn)品在烘烤各階段按最佳工藝條件變化。實現(xiàn)一機(jī)多用?？刂蒲h(huán)見圖2。

圖2 自動化封閉循環(huán)風(fēng)干控制系統(tǒng)

2.3.3 干燥室

太陽能熱泵干燥器是由太陽能空氣集熱器、熱泵、熱循環(huán)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、干燥室及控制系統(tǒng)組合而成的干燥器。干燥器利用集熱器及熱泵把空氣加熱到60～70℃，然后通入干燥室，物料在干燥室內(nèi)實現(xiàn)對流熱質(zhì)的交換過程，達(dá)到干燥的目的，結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 干燥室結(jié)構(gòu)圖

烘干主要控制的兩個參數(shù)：①干農(nóng)產(chǎn)品溫度，變化區(qū)間為36～68℃，滿足不同工藝段要求。②濕農(nóng)產(chǎn)品溫度，變化區(qū)間為36～42℃，滿足不同工藝段要求。

通過空載模擬測試及實驗數(shù)據(jù)分析在不同新風(fēng)的情況下，白天環(huán)境溫度28℃與新排風(fēng)門關(guān)閉時，烤房能夠維持的最高溫度為79．5℃；晚上環(huán)境溫度20℃與新排風(fēng)門關(guān)閉時，烤房能夠維持的最高溫度為75．2℃。太陽能熱泵循環(huán)系統(tǒng)完全能夠滿足農(nóng)副產(chǎn)品烘烤工藝條件。

2.3.4 除濕系統(tǒng)

烘干除濕機(jī)組主要有翅片式蒸發(fā)器（外機(jī)）、壓縮機(jī)、翅片冷凝器（內(nèi)機(jī)）和膨脹閥組成。通過不斷完成蒸發(fā)（吸取室外環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（在室內(nèi)烘干房中放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將外部低溫環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到烘干房中，冷媒在壓縮機(jī)的作用下在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。它在壓縮機(jī)內(nèi)完成氣態(tài)的升壓升溫過程（溫度高達(dá)100℃），它進(jìn)入內(nèi)機(jī)釋放出高溫?zé)崃考訜岷娓煞績?nèi)空氣，同時自己被冷卻并轉(zhuǎn)化為流液態(tài)，當(dāng)它運行到外機(jī)后，液態(tài)迅速吸熱蒸發(fā)再次轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，同時溫度可下降至0～-10℃，這時吸熱器周邊的空氣就會源源不斷地將熱量傳遞給冷媒。

3 創(chuàng)新點

3.1 實現(xiàn)光熱技術(shù)的有效聯(lián)合應(yīng)用

經(jīng)過不斷優(yōu)化改進(jìn)的光熱烘干技術(shù)，結(jié)合了自然晾曬、太陽能烘干技術(shù)、空氣源熱泵干燥技術(shù)，研制了一套熱源供給系統(tǒng)（自然晾曬+太陽能集熱器+熱泵），最大限度的利用太陽能，并輔以熱泵進(jìn)行熱源補(bǔ)充，既能有效地利用太陽能，又能彌補(bǔ)太陽能稀薄性和間歇性帶來的熱源不足，保證烘干的連續(xù)性。

3.2 自動封閉循環(huán)干燥控制系統(tǒng)

利用現(xiàn)代測試技術(shù)，傳感技術(shù)及計算機(jī)控制技術(shù)，研制一套自動封閉循環(huán)干燥控制系統(tǒng)，完成了食品干燥過程中的全自動人工智能實時控制技術(shù)，實現(xiàn)了降低了干燥成本并提高了干燥品質(zhì)，使工作技術(shù)更加安全、穩(wěn)定與高效。

3.3 對干燥設(shè)施進(jìn)一步改進(jìn)

對原有干燥房內(nèi)結(jié)構(gòu)單一（只干燥一個品種）、容量小、不能滿足多種農(nóng)產(chǎn)品烘干的技術(shù)特點進(jìn)行創(chuàng)新，并結(jié)合攀枝花農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，設(shè)計了大容量（每次烘干農(nóng)產(chǎn)品可達(dá)2～3t）、增加了內(nèi)置層架等設(shè)施，滿足平鋪烘干、晾掛烘干、層架等多種產(chǎn)品烘干。

3.4 烘干除濕機(jī)聯(lián)合應(yīng)用

利用除濕機(jī)將外部低溫環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到烘干房中，冷媒在壓縮機(jī)的作用下在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動?；旧喜慌c外界發(fā)生熱交換，從而減少了熱量損失，節(jié)約能量。

4 市場推廣前景

農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)是加工過程中的一個重要工藝過程，目的是除去物料中多余的水分，通過物料系列的物理和生物發(fā)酵變化，以便于產(chǎn)品加工、運輸、儲藏和使用。采用常規(guī)能源干燥農(nóng)產(chǎn)品投資大、能耗大，致使農(nóng)產(chǎn)品成本增高，并造成不同程度的環(huán)境污染。一般農(nóng)產(chǎn)品要求的干燥溫度比較低，大約在40～55℃之間，正好與太陽能熱利用領(lǐng)域中的低溫?zé)崂孟嗥ヅ?。而高溫?zé)岜玫穆?lián)合使用，擴(kuò)大了太陽能的使用范圍，并彌補(bǔ)了單純使用太陽能技術(shù)的不穩(wěn)定性，并且具有縮短干燥周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少了環(huán)境污染等優(yōu)勢。攀枝花擁有豐富的太陽能資源，因此，應(yīng)用光熱烘干與自動控制技術(shù)干燥農(nóng)副產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景。