基于太陽(yáng)能的葡萄干燥裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化控制

李建軍，李 淼，孟令鵬，杜松懷

(1．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2．塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

0 引言

新疆葡萄栽培面積93.3萬(wàn)hm2多，占全國(guó)葡萄栽培總面積的 20%。葡萄干燥主要分為人工和自然干燥，傳統(tǒng)的干燥主要把葡萄放置在陽(yáng)光下晾曬[1]，當(dāng)80%的水分蒸發(fā)掉以后，葡萄干制基本完成。但是，這種自然干燥主要的問(wèn)題是灰塵多，常伴有沙粒、蟲(chóng)子及褐變現(xiàn)象，葡萄干制的品質(zhì)下降。為了提高葡萄品質(zhì)和滿(mǎn)足市場(chǎng)供應(yīng)，國(guó)內(nèi)外研究了一些干燥葡萄的方法，并取得了較好的效果。黃志強(qiáng)等應(yīng)用促干劑對(duì)無(wú)核白葡萄進(jìn)行了制干試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用促干劑做預(yù)處理得到的葡萄干質(zhì)量?jī)?yōu)于冷浸法[2]。Pangavhane D.R.等人比較研究了4種不同的預(yù)處理劑情況，得出93℃時(shí)葡萄經(jīng)低濃度強(qiáng)堿性溶液處理后品質(zhì)較好，時(shí)間周期短[3]；另外，采用微波干燥、微波和促干劑聯(lián)合干燥、真空干燥等干燥葡萄的方法都取得了較好的干燥效果[4-7]。本設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能集熱器法干燥葡萄，能充分利用可再生能源，解決自然晾曬引起的品質(zhì)問(wèn)題及采用常規(guī)能源干燥的耗能問(wèn)題。太陽(yáng)能干燥紅棗、蜜棗及果蔬等的研究成果很好[8-16]，但對(duì)葡萄干燥裝置的研究較少，因而筆者對(duì)葡萄干燥的裝置、干燥指標(biāo)進(jìn)行了研究。

1 葡萄干燥裝置的設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

新疆太陽(yáng)能豐富，盛產(chǎn)葡萄等蔬菜水果，但干制方法主要是自然晾曬法，不僅拉長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，限制了生產(chǎn)能力，且需大面積曬場(chǎng)，成本增加，衛(wèi)生條件差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了一種干燥葡萄的太陽(yáng)能干燥裝置，如圖1所示。

1.集熱器冷空氣入口 2.太陽(yáng)能集熱器 3.集熱器熱空氣出口 4.通風(fēng)管道 5.鼓風(fēng)機(jī) 6.電動(dòng)閥 7.葡萄干燥室 8.葡萄烘干篩網(wǎng) 9.溫度傳感器 10.排濕風(fēng)機(jī)

太陽(yáng)能干燥器主要由太陽(yáng)能空氣集熱器、通風(fēng)管道、鼓風(fēng)機(jī)、干燥室、控制中心及葡萄烘干篩網(wǎng)等組成。其中，太陽(yáng)能集熱器通過(guò)管道和鼓風(fēng)機(jī)和干燥室聯(lián)通，且管道上設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)。

工作過(guò)程：空氣經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器、管道、鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)閥門(mén)進(jìn)入干燥室內(nèi)干燥果蔬，干燥室內(nèi)分層放置篩網(wǎng)，被干燥的果蔬放置在篩網(wǎng)上，果蔬中出來(lái)的水汽通過(guò)干燥室內(nèi)的排濕機(jī)排出。

1.2 太陽(yáng)能集熱器部分

太陽(yáng)能集熱器采用串聯(lián)連接方式，如圖1集熱器內(nèi)的空氣流向。這樣可以讓空氣充分吸收太陽(yáng)能集熱器的熱能。由于鼓風(fēng)機(jī)快速抽走熱空氣，太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)可以增加空氣在集熱器內(nèi)流動(dòng)的距離，吸收更多的太陽(yáng)能熱量，為葡萄干燥室提供更多熱量。

1.3 循環(huán)熱風(fēng)部分

太陽(yáng)能干燥器采用電動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)干燥室內(nèi)的溫度。當(dāng)溫度達(dá)到被干燥果蔬的上下限的時(shí)候，電氣控制中心開(kāi)始控制電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度大小，進(jìn)而控制進(jìn)入干燥室內(nèi)的熱空氣流量，同時(shí)控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使送風(fēng)量快速改變，達(dá)到快速控制熱空氣進(jìn)入干燥室的目的。

為了保證安全，采用的電動(dòng)閥門(mén)工作電壓直流DC24V，包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)兩個(gè)部分。閥門(mén)口徑選擇DN-100，電動(dòng)閥門(mén)通過(guò)檢測(cè)管道內(nèi)空氣模擬量，4～20mA的控制信號(hào)輸入，采用比例式控制，調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，從而控制熱空氣進(jìn)入多少。

1.4 葡萄干燥箱部分

由于葡萄干燥室的進(jìn)風(fēng)口處熱空氣密度大、相對(duì)熱量多，而干燥室其他地方的熱空氣密度小、相對(duì)熱量少。為了使葡萄干燥均勻，采用的網(wǎng)孔為不均勻形式的篩網(wǎng)，靠近入葡萄干燥室風(fēng)口—側(cè)，網(wǎng)孔稀疏，遠(yuǎn)離葡萄干燥室入風(fēng)口處網(wǎng)孔密集，可以使干燥室各處獲得均勻的熱量，如圖2所示。

1.葡萄烘干篩網(wǎng) 2.篩孔

1.5 干燥控制部分

葡萄烘干是自控烘干過(guò)程，主要由單片機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電磁閥、排濕風(fēng)機(jī)、溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、驅(qū)動(dòng)放大及變頻裝置等組成，系統(tǒng)流程如圖3所示。

葡萄烘干工作過(guò)程：白天陽(yáng)光充足時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器，通過(guò)管道和鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入葡萄干燥室內(nèi)干燥果蔬；當(dāng)陰天或者夜晚時(shí)，太陽(yáng)能集熱器不能滿(mǎn)足干燥葡萄的溫度，鼓風(fēng)機(jī)停止工作，采用其他加熱烘干形式。

葡萄干燥控制系統(tǒng)中，葡萄干燥溫度上下限設(shè)為40°～45℃，如果溫度過(guò)高，葡萄會(huì)發(fā)生褐變。首先通過(guò)太陽(yáng)光傳感器不斷檢測(cè)信號(hào)，判斷是晴天還是陰天(夜晚)。如果判斷是白天晴天，再通過(guò)葡萄干燥室內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)溫度；當(dāng)干燥室內(nèi)高于45℃的時(shí)，控制中心發(fā)出信號(hào)，停止鼓風(fēng)機(jī)工作；當(dāng)溫度低于40℃時(shí)，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)工作。

本創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制過(guò)程通過(guò)軟件編程序在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，具體的軟件流程圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System flow chart

圖4 主程序流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 葡萄干燥試驗(yàn)條件和干燥器參數(shù)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和阿克蘇葡萄規(guī)模種植果園。對(duì)太陽(yáng)能集熱器整體進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。新疆南部阿克蘇地區(qū)全年的日照時(shí)數(shù)在全國(guó)最高3 200～3 300h，日照時(shí)間范圍內(nèi)每小時(shí)的輻射量變化范圍為579～707W/m2，鼓風(fēng)機(jī)選擇轉(zhuǎn)速1 450r/min，排風(fēng)量1 350m3/h，功率0.75kW，管徑200mm，最大風(fēng)速是12.06m/s。太陽(yáng)能集熱器內(nèi)溫度變化范圍為25°～67.2℃。當(dāng)風(fēng)機(jī)不工作時(shí)，太陽(yáng)能集熱器內(nèi)溫度會(huì)迅速升溫達(dá)到最大值，如表1所示。

表1 葡萄烘干試驗(yàn)干燥系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中，除干燥裝置外，使用的試驗(yàn)儀器主要包括BS2000S電子天平、電子測(cè)風(fēng)儀、WMSS-02C溫濕度控制儀及溫濕度傳感器等。

2.2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)，以葡萄的干基含水率(葡萄中水和干物質(zhì)的比值)為考核指標(biāo)，對(duì)葡萄進(jìn)行烘干試驗(yàn)，試驗(yàn)因素為烘干溫度。干燥箱內(nèi)的溫度主要由太陽(yáng)能集熱器的光照強(qiáng)度、熱風(fēng)流動(dòng)速度決定。本試驗(yàn)選擇自然晾曬和用太陽(yáng)能集熱器加熱對(duì)比進(jìn)行，如表2和表3所示。

表2 葡萄烘干太陽(yáng)能干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

其中，葡萄的干物質(zhì)含量采用恒重法測(cè)得。每次試驗(yàn)選擇5組樣本，放置在干燥箱內(nèi)不同位置，測(cè)得每個(gè)樣本的干物質(zhì)含量，取5組數(shù)據(jù)的平均值。測(cè)量時(shí)，選擇每天同一時(shí)間進(jìn)行，選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)列入表2和表3中。

表3 葡萄烘干自然干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1)自然干燥和用太陽(yáng)能干燥裝置比較，干燥裝置干燥只需要自然干燥的1/4的時(shí)間，即可達(dá)到干燥指標(biāo)要求，縮短了干燥產(chǎn)品的加工周期。

2)太陽(yáng)能干燥使用的能源為可再生能源，具有可持續(xù)性，發(fā)展前景良好。

3)自然干燥最高溫度不超過(guò)35℃，而太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)干燥溫度可控，達(dá)到自動(dòng)干燥的目的。

4)干燥箱內(nèi)溫度不超過(guò)45℃，否則容易引起褐變，影響葡萄干燥品質(zhì)。