基于中藥材烘干技術(shù)的太陽能—熱泵聯(lián)合恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

呂洪善，楊清志

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州，236800)

0 引 言

為了保證藥效，藥品的加工與存儲對環(huán)境溫度濕度等要求較高，而中藥材品種多樣性狀各異，對加工環(huán)境要求更高[1].藥農(nóng)收采鮮活中藥材后的前期烘干主要采用晾曬輔以火烘，而晾曬和火烘溫度不易控制容易影響藥材品質(zhì)且容易受到污染.藥廠對中藥材的后期烘干一般采用電烘和暖烘，雖然能在一定程度上解決這兩個問題，但需要消耗較多能源效率不高.為了節(jié)約能源和綠色環(huán)保，目前已有很多國內(nèi)外學(xué)者研究太陽能與熱泵聯(lián)合溫度控制技術(shù)[2]，但對技術(shù)要求較高，應(yīng)用范圍有限.

比較各種中藥材烘干技術(shù)并查閱相關(guān)資料，本文提出一種利用單片機(jī)控制的基于中藥材烘干技術(shù)的太陽能—熱泵聯(lián)合恒溫控制系統(tǒng)，與普通烘干技術(shù)相比節(jié)能高效且溫度容易調(diào)節(jié)與控制，使用方便能滿足不同種類中藥材的烘干要求.

1 方案設(shè)計與工作原理

本系統(tǒng)設(shè)計所用設(shè)備主要包括太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和烘熱室等，如圖1所示.通過溫度傳感器判斷太陽能集熱器所供熱量是否夠用，如果夠用就只用太陽能集熱器供熱而關(guān)閉熱泵機(jī)組以達(dá)到節(jié)能的目的，如果太陽能集熱器供熱不足則立即啟動熱泵機(jī)組聯(lián)合給烘干室連續(xù)供熱，當(dāng)太陽能集熱器供熱嚴(yán)重不足時則關(guān)閉太陽能集熱器.針對不同中藥材所需要的不同烘干溫度和烘干速度，可通過給單片機(jī)的程序設(shè)定，來驅(qū)動熱泵和壓縮機(jī)等工作頻率來實現(xiàn).

圖1 方案設(shè)計與工作原理圖

2 主要硬件選擇

2.1 烘干室

為了便于應(yīng)用與推廣，本系統(tǒng)設(shè)計的烘干室沒有特殊要求，采用5000 mm×3300 mm×2000 mm的尺寸(相當(dāng)于一間普通房屋大小但不宜太高，以減少非工作空間)，四周做好保溫防護(hù)盡量減少供熱損失.烘干室內(nèi)放置兩臺物料車(可用加寬貨柜代替)用于擺放中藥材，采用網(wǎng)狀隔板以方便氣流通過，提高烘干速度，高效節(jié)能.隔板間高度可以根據(jù)不同中藥材尺寸要求加以調(diào)節(jié)，物料車(或貨柜)間留有必要的通道便于工作人員走動和搬運(yùn)藥材.

對于烘干室的供熱量和烘干時間因不同中藥材和季節(jié)變化而不同，一般葉草類中藥烘干較快而果實類較慢，設(shè)計按排濕量2 kg/h來計算，氣候取春秋季節(jié)均值，典型氣候參數(shù)如下：

溫度T/(℃)相對濕度Φ/(%)含濕量d/(kg/kg)焓值H/(kJ/kg)冷空氣(烘干室進(jìn)氣)15450.0047027.02熱空氣(進(jìn)氣加熱后)6530.0046077.70尾氣(干燥后排氣)45450.02644113.73

根據(jù)供熱量公式[3]：

(1)

式(1)中：QJ—烘干室需要的供熱量(kJ/h)；m—烘干室排濕量，按上文設(shè)計值取m=2 kg/h；H2—熱空氣焓值；H1—冷空氣焓值；d3—尾氣含濕量；d2—熱空氣含濕量，各物理量取值見上表.將各數(shù)值代入(1)式計算得：QJ=4641 kJ/h.

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)

目前太陽能集熱器主要有平板式、真空管式、熱管式、U型管式等四種[4].其中平板式太陽能集熱器具有安裝、維護(hù)方便，安全可靠使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但成本略高，不保溫.本系統(tǒng)采用水質(zhì)儲熱保溫要求不高，且因為研究需要要對系統(tǒng)不斷優(yōu)化調(diào)試，因此采用了平板式太陽能集熱器.真空管式太陽能集熱器熱效高成本低保溫效果好，但不承壓安裝繁瑣，且易碎不安全，如果沒有試驗調(diào)試要求且烘干系統(tǒng)建成后一定時間內(nèi)不再變動，也可以考慮采用真空管式太陽能集熱器.

根據(jù)太陽能集熱器采光面積公式[5]：

(2)

式(2)中：r—熱損失系數(shù)，取r=1.6；QJ—集熱器每小時供熱量，按式(1)計算QJ=4641 kJ/h；I—太陽輻射量，亳州地區(qū)的太陽輻射量約為2174 kJ/(m2·h)；η—集熱器效率，取η=0.45.將各數(shù)值代入(2)式計算得太陽能集熱器采光面積：S=7.59 m2，取S=8 m2，即4塊集熱板(每塊標(biāo)準(zhǔn)太陽能集熱板為2 m2).

2.3 熱泵機(jī)組

本系統(tǒng)采用太陽能與熱泵聯(lián)合供熱，通過溫度傳感器讀取太陽能集熱器進(jìn)出口溫度和溫差來自動判斷、切換供熱模式.為了便于自動調(diào)節(jié)供熱量，熱泵采用變頻熱泵.根據(jù)熱泵制熱公式[6]：

(3)

式(3)中：k1—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k1=1.07；T為熱泵工作時間，一般取12～20 h，此處取T=15 h；Qd為熱泵單位時間耗熱量(W)，本設(shè)計中，Qd=4641×103/3600=1289(W).將各數(shù)據(jù)代入(3)式計算得：Qg=2207 W，考慮到熱泵要留一定的裕量取功率為3 kW的變頻空氣熱泵.

2.4 供熱水箱

系統(tǒng)設(shè)計采用純凈水作為工作物質(zhì).水具有較大的熱容量，儲熱效果好熱損小，熱水流經(jīng)烘干室的散熱片通過供熱風(fēng)機(jī)實現(xiàn)供熱.根據(jù)太陽能集熱器儲熱水箱容積計算公式[7]：

V=qr jdAj

(4)

式(4)中：qrjd—太陽能集熱器單位面積日產(chǎn)熱水量(L)，與集熱器性能和供熱方式等因素有關(guān)，對于間接供熱系統(tǒng)qrjd范圍一般在30～70；S—集熱器面積，按(1)式計算取S=8 m2，將數(shù)值代入(4)式計算得V范圍為(240～560)L.

對于熱泵系統(tǒng)，儲熱水箱容積應(yīng)滿足下式：

(5)

式(5)中：k2—安全系數(shù)，數(shù)值為1.05～1.10，此處取k2=1.08；C—水的比熱容，C=4.18 kJ/(kg·℃)；ρ—水的密度，ρ=1000 kg/m3；tmax—水箱出口溫度；tmin—水箱入口溫度.中藥材烘干溫度一般為60℃，最高80℃.考慮到散熱，熱水應(yīng)比烘干室高5℃，則tmax=(80+5)℃=85℃，tmin=45℃；QJ—系統(tǒng)總供熱量，按(1)式說明，QJ=4641 kJ/h=1289 W；T按(3)式說明取15 h，各數(shù)值代入(5)式計算得V=0.450 m3=450 L，綜合(4)、(5)兩式計算結(jié)果，并考慮到夏天太陽能的集熱效果及安全因素等，設(shè)計水箱容積為V=580 L，儲水量隨氣候條件在450～560 L之間可調(diào).

3 自動監(jiān)控主程序設(shè)計

3.1 自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，本方案采用技術(shù)簡單容易實現(xiàn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器、水位傳感器及流量傳感器等實時監(jiān)測系統(tǒng)各設(shè)備的工作狀態(tài)，并將監(jiān)測結(jié)果通過顯示器顯示，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)定要求與所監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，來驅(qū)動調(diào)節(jié)控制電路，自動控制相關(guān)設(shè)備工作，一旦工作情況異常并立即啟動聲光報警以保證系統(tǒng)的可靠性.

圖2 自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.2 系統(tǒng)主要工作流程

為實現(xiàn)圖2設(shè)計目的，系統(tǒng)主要工作流程如下：

(1)系統(tǒng)初始化，按設(shè)計要求讀取程序設(shè)定參數(shù)開始工作.程序默認(rèn)烘干溫度60 ℃，烘干速度2 kg/h(即排濕量，可通過風(fēng)機(jī)調(diào)整)；

(2)通過水位傳感器進(jìn)行水位檢測，如果水位低于下限則驅(qū)動電磁閥開啟閥門加水，直到水位達(dá)到設(shè)定值關(guān)閉電磁閥(水箱儲水量可調(diào)，系統(tǒng)默認(rèn)為450 L，最低限為設(shè)定容積95%，即427.5 L；

(3)通過溫度傳感器檢測太陽能集熱器出口端與水箱溫差以判斷是否開啟/關(guān)閉太陽能溫差循環(huán)泵，采用太陽能集熱器供熱.系統(tǒng)默認(rèn)溫差高于8 ℃啟動太陽能溫差循環(huán)泵，低于3 ℃則關(guān)閉；

(4)通過溫度傳感器和流量傳感器等監(jiān)測熱水溫度、流量以及烘干房溫度，根據(jù)溫差來調(diào)整變頻壓縮機(jī)工作狀態(tài)以確保烘干室的恒溫；

(5)如果工作正常，系統(tǒng)會默認(rèn)返回繼續(xù)循環(huán)工作，此時輸入鍵盤、顯示器、報警器均處于休眠狀態(tài)以達(dá)節(jié)能目的.如果數(shù)據(jù)異常則立即啟動聲光報警，直到故障排除；如果需要修改參數(shù)或結(jié)束系統(tǒng)工作，可喚醒鍵盤輸入相應(yīng)指令或參數(shù).

3.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計

根據(jù)以上流程設(shè)計的主程序如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)主程序

4 小 結(jié)

本設(shè)計采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，技術(shù)簡單方便應(yīng)用，通過實際使用和測試，也驗證了系統(tǒng)的可靠性.采用太陽能聯(lián)合熱泵供熱相比于傳統(tǒng)的電烘、暖烘等更節(jié)能環(huán)保，前景廣闊.另外，MSP430是一款低功耗的高速單片機(jī)，功能強(qiáng)大且預(yù)留了多個接口以便功能拓展等后續(xù)研究，對于相關(guān)領(lǐng)域的節(jié)能研究與自動化設(shè)計具有重要參考價值.