盤式熱風(fēng)與紅外聯(lián)合干燥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張湘楠，姚雪東，黃 勇，鄭 霞，王 強(qiáng)，魏事宇，曹玉雪，朱榮光

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

干燥是許多農(nóng)產(chǎn)品及食物長期保藏的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，也是一種重要的加工工藝[1]。熱風(fēng)干燥簡(jiǎn)單、成本造價(jià)低，但容易對(duì)產(chǎn)品造成表面硬化、溶質(zhì)散失等不利影響[2]，且熱風(fēng)干燥干燥效率低、干燥時(shí)間長。將熱風(fēng)與其他干燥方式聯(lián)合進(jìn)行干燥的方式是干燥領(lǐng)域的一種發(fā)展趨勢(shì)。紅外輻射干燥是利用紅外發(fā)熱器發(fā)射出的紅外線照射到被加熱物料上，并被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，從而實(shí)現(xiàn)加熱和干燥的一種方法[3]。紅外干燥具有升溫時(shí)間短、生產(chǎn)能力強(qiáng)、無污染[4]等優(yōu)點(diǎn)，但紅外干燥有其自身缺點(diǎn)，如加熱不均、營養(yǎng)物質(zhì)損害嚴(yán)重[5]等。另外，紅外干燥中，物料內(nèi)部的水分在電磁波譜的作用下由內(nèi)向外蒸發(fā)，蒸發(fā)區(qū)域的水氣會(huì)吸收紅外熱量，以致輻射到物料表面的能量有損，阻礙干燥的順利進(jìn)行。

國內(nèi)外的干燥研究多是針對(duì)干制品干燥前后的對(duì)比研究[6-8]，而針對(duì)干燥過程中干制品實(shí)時(shí)分析對(duì)比的研究結(jié)果較少。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種將熱風(fēng)與紅外聯(lián)合干燥的盤式干燥機(jī)并配備溫濕度控制系統(tǒng)。同時(shí)，為研究干燥過程中干制品色澤及含水率的變化，結(jié)合在線稱重技術(shù)[9]和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)[10]，設(shè)計(jì)了自動(dòng)稱重系統(tǒng)和在線圖像提取系統(tǒng)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)裝置主要由干燥室、加熱系統(tǒng)(熱風(fēng)與紅外)、排濕系統(tǒng)、自動(dòng)稱重系統(tǒng)及圖像提取系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

1.風(fēng)機(jī) 2.進(jìn)風(fēng)通道 3.加熱機(jī)構(gòu) 4.干燥室 5.圖像提取系統(tǒng) 6.自動(dòng)稱重系統(tǒng) 7.回風(fēng)通道 8.電磁閥圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 The chart of the whole machine structure

干燥系統(tǒng)主要由熱風(fēng)與紅外聯(lián)合加熱機(jī)構(gòu)、熱量循環(huán)與利用機(jī)構(gòu)及排濕機(jī)構(gòu)組成；在線檢測(cè)系統(tǒng)包括自動(dòng)稱量系統(tǒng)和圖像提取系統(tǒng)。

空氣在風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入進(jìn)風(fēng)通道被電加熱管加熱至設(shè)定溫度，具有一定溫度與流速的熱氣流到達(dá)干燥室，對(duì)物料盤上的物料進(jìn)行對(duì)流換熱。干燥室內(nèi)的紅外加熱管可以進(jìn)行干燥初期預(yù)熱階段的快速升溫和干燥過程中的輔助加熱。同時(shí)，干燥室上方的電子天平可以實(shí)時(shí)檢測(cè)物料盤內(nèi)的物料質(zhì)量并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)器上以分析物料含水率的變化；CCD相機(jī)可以實(shí)時(shí)提取物料盤上物料表面的圖像并傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理，分析物料干燥過程中色澤的變化。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 加熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

加熱機(jī)構(gòu)主要由電加熱管、進(jìn)風(fēng)通道、紅外加熱管及料盤組成，如圖2所示。

1.進(jìn)風(fēng)通道 2.電加熱管 3.紅外加熱管 4.物料盤托架 5.物料盤圖2 熱風(fēng)與紅外聯(lián)合干燥機(jī)構(gòu)圖Fig.2 The chart of the combined drying mechanism of hot blast and infrared radiation

電加熱管功率為1.5kW/根；紅外管選取碳纖維式紅外加熱管，功率為0.8kW/根。干燥預(yù)熱階段，電加熱管和紅外管同時(shí)打開，由于紅外加熱為輻射加熱且具有穿透性，可以對(duì)干燥室內(nèi)的空氣及干燥箱壁面進(jìn)行全面輻射加熱，帶有一定溫度和風(fēng)速的空氣從進(jìn)風(fēng)端進(jìn)入，帶走由紅外管加熱的空氣；同時(shí)，電加熱管對(duì)進(jìn)風(fēng)端的空氣進(jìn)行加熱，這兩種加熱方式相互聯(lián)合，快速升高干燥室內(nèi)的溫度，達(dá)到設(shè)定溫度。

電加熱管位于進(jìn)風(fēng)通道內(nèi)，干燥進(jìn)行中，空氣由電加熱管加熱，帶有一定溫度和風(fēng)速的熱風(fēng)由進(jìn)風(fēng)端進(jìn)入干燥室內(nèi)，進(jìn)行對(duì)流干燥作業(yè)；紅外管位于干燥箱內(nèi)，紅外管呈對(duì)稱位置分布，可以更好地對(duì)物料盤區(qū)域進(jìn)行輻射加熱。紅外管主要進(jìn)行輔助加熱，若進(jìn)風(fēng)端溫度低于設(shè)定溫度，則紅外管自動(dòng)打開進(jìn)行熱量補(bǔ)償。

2.2 料盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

料盤機(jī)構(gòu)由物料盤、料盤托架整體及固定片組成，如圖3所示。物料盤放置于托架上的階梯上，可以調(diào)節(jié)料盤高度。固定片選取相同長寬的輕質(zhì)鋁合金制成，固定于兩個(gè)托架上，以維持整體的穩(wěn)定性和平衡性。

可放置最上端和最下端物料盤最大間距為360mm，可放置的最小間距為30mm，該干燥箱內(nèi)部物料盤層數(shù)為3～6層。物料盤托架上有多個(gè)階梯可用于擱置物料盤。干燥作業(yè)時(shí)，可根據(jù)不同物料的干燥特性、大小、形狀等，對(duì)物料盤間距、物料盤層數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，適應(yīng)不同物料的具體干燥條件。

圖3 物料盤及托架機(jī)構(gòu)圖Fig.3 The chart of material tray and bracket

2.3 排濕系統(tǒng)

排濕系統(tǒng)由排濕閥、吸氣閥和回風(fēng)通道組成，如圖4所示。干燥進(jìn)行中，與物料對(duì)流換熱的空氣進(jìn)入回風(fēng)通道后進(jìn)行熱量循環(huán)；當(dāng)氣流濕度超過設(shè)定值上限時(shí)，位于干燥室附近的排濕閥打開，高濕空氣自動(dòng)排至干燥室外；同時(shí)，在大氣壓的作用下，等量的低濕新鮮空氣由位于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)端的吸氣閥吸入至回風(fēng)管道內(nèi)，以確保通道內(nèi)濕度在設(shè)定值范圍內(nèi)。

1.排濕閥 2.回風(fēng)通道 3.進(jìn)氣閥圖4 排濕機(jī)構(gòu)Fig.4 The chart of the moisture removing mechanism

2.4 自動(dòng)稱重系統(tǒng)

自動(dòng)稱重系統(tǒng)主要由電子天平、天平秤板、稱重連桿、料盤托架等構(gòu)成，如圖5所示。電子天平位于干燥箱的上方，天平秤板水平放置于電子天平上，與物料盤及托架整體通過稱重連桿相連，借助上述機(jī)構(gòu)可以對(duì)物料盤上的物料進(jìn)行整體稱重，干燥過程中可以記錄物料的重量以分析含水率的變化。

1.天平秤板 2.電子天平 3.稱重連桿 4.干燥箱 5.物料盤及托架整體圖5 自動(dòng)稱重系統(tǒng)Fig 5 The chart of weighing system

通過選取不同量程、不同精度的天平可以獲得對(duì)更多種類的物料進(jìn)行干燥和在線檢測(cè)。該機(jī)構(gòu)所選取天平為舜宇恒平JA41002，量程為4 100g，精度為0.01g，該天平配有RS-232串口，可以通過串口向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，且可以設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間周期，以串口通信技術(shù)可以由PC機(jī)上以VC或VB等編程軟件制作上位機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示物料含水率的變化。

含水率計(jì)算公式為

其中，Wt為t時(shí)刻的濕基含水率；Mt為t時(shí)刻物料的質(zhì)量；M0為初始物料的質(zhì)量；W0為初始時(shí)刻的濕基含水率。

2.5 圖像提取系統(tǒng)

圖像提取系統(tǒng)主要由CCD相機(jī)、LED光源、玻璃及增透膜、料盤及托架構(gòu)成，如圖6所示。

工業(yè)相機(jī)位于干燥箱上方，透過玻璃對(duì)物料盤上的物料進(jìn)行圖像提取并將圖像傳輸至PC機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理。相機(jī)可以在調(diào)節(jié)架槽上進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，以獲得物料盤上物料表面的清晰圖像。工業(yè)相機(jī)通過相機(jī)高度調(diào)節(jié)架上的槽可以進(jìn)行高度調(diào)節(jié)完成對(duì)焦，由此得到物料盤上的高清圖像。選取2mm厚度玻璃，并在玻璃下側(cè)增添增透膜以增加圖像的清晰度。相機(jī)選取MV-EM1400C,像素為4 608×3 288，可采集最大面積為120mm×80mm。光源為低角度環(huán)形LED光源，可以照亮相機(jī)正下方所采集的150mm×150mm矩形區(qū)域。

1.CCD相機(jī) 2.調(diào)節(jié)架 3.LED光源 4.干燥箱 5.物料盤及托架整體圖6 圖像提取系統(tǒng)Fig.6 The chart of the Image extraction system

如圖7所示,由相機(jī)提取的初始圖像為RGB圖片，進(jìn)行棗片特征區(qū)域分割，RGB2Lab轉(zhuǎn)化后讀取棗片表面的色澤，分析色差。

色差計(jì)算公式為

其中，△E*為t時(shí)刻的色差值;△L*為t時(shí)刻亮度值與初始時(shí)刻的差值;△a*為t時(shí)刻a*與初始時(shí)刻的差值;△b*為t時(shí)刻b*與初始時(shí)刻的差值。

圖7 圖像處理過程流程圖Fig.7 The flow chart of image processing

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)干燥機(jī)內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集與控制。干燥機(jī)控制主要是對(duì)干燥條件的控制，即熱風(fēng)溫度、濕度及風(fēng)速。進(jìn)風(fēng)端溫度選取溫控器進(jìn)行控制，出風(fēng)端的濕度信號(hào)由AT89C52進(jìn)行控制，風(fēng)速由變頻器控制。

本系統(tǒng)所控制裝置選取溫控器進(jìn)行溫度控制，所選型號(hào)為歐姆龍E5EZ，該溫控器支持多種傳感器類型，控制精度高、應(yīng)用范圍廣泛。該干燥機(jī)中采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，控制精度為±0.2℃，濕度以AT89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，控制精度為±5%，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 The chart of the control system

4 性能試驗(yàn)

以新疆盛產(chǎn)的冬棗片為試驗(yàn)材料進(jìn)行性能試驗(yàn)，經(jīng)過烘干失重法測(cè)定，所選取冬棗的初始濕基含水率為(78±2)%。放置料盤3層，物料盤層間距為80mm，風(fēng)溫為55、65、75℃，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)行干燥試驗(yàn)，并分析干燥過程中色澤及含水率的變化。將冬棗進(jìn)行預(yù)處理并切片(厚度5.5 mm±0.5mm)，料盤長寬為320 mm×280mm，平鋪滿冬棗片，每層物料盤放置棗片的質(zhì)量約為200g。

歷時(shí)4h干燥處理以后，55、65、75℃條件下，濕基含水率由(78±2)%下降至10%以下；L*降低，在55、65℃條件下，趨于穩(wěn)定，為35～25；而75℃條件下，持續(xù)降低，由35～15且仍有下降的趨勢(shì)。a*在3種風(fēng)溫下均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，a*值為-5～0且干燥后期趨于穩(wěn)定；b*在55℃持續(xù)降低，而在65℃下干燥后期有微微上升的趨勢(shì)，在75℃下前期降低而后期升高；△Ε*在55、65℃溫度下變化較小，為7.9～8.51，而75℃條件下色差持續(xù)增長。

圖9、圖10分別為含水率與色澤隨干燥時(shí)間的變化曲線。

圖9 含水率隨干燥時(shí)間的變化曲線Fig 9 The chart of moisture changing with drying time

(a) 色差系數(shù)L*

(b) 色差系數(shù)a*

(c) 色差系數(shù)b*

5 結(jié)論

1)將熱風(fēng)干燥與紅外干燥相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種熱風(fēng)與紅外聯(lián)合干燥的盤式干燥機(jī)并配套溫濕度控制系統(tǒng)。

2)為實(shí)時(shí)檢測(cè)干燥過程中物料的含水率及色澤的變化，設(shè)計(jì)了自動(dòng)稱重系統(tǒng)和在線圖像提取系統(tǒng)，為過程檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了一定的研究基礎(chǔ)。該檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)干燥物料特性等，調(diào)整參數(shù)，具有一定的實(shí)用性。

3)應(yīng)用該裝置，以冬棗片為試驗(yàn)材料進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：可以應(yīng)用該干燥機(jī)的在線檢測(cè)裝置對(duì)干燥過程中物料的色澤及含水率實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)功能。