中低溫?zé)嵩锤稍锵到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

陸振能，劉雨兵，姚 遠(yuǎn)，曲 勇，王海祥，龔宇烈?

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.煙臺(tái)歐森納地源空調(diào)有限公司，山東 煙臺(tái) 831870）

0 引 言

我國是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的干燥環(huán)節(jié)需要消耗大量的能源。目前電能或燃煤鍋爐的干燥方式，不僅耗能巨大，還會(huì)造成環(huán)境污染。充分利用中低品位的熱能對(duì)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行干燥是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。由于中低溫余熱熱能溫度低，為達(dá)到工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的干燥效果，保持熱源在干燥房內(nèi)具有較高的熱能利用效率尤其關(guān)鍵[1-2]。

變溫濕度控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)是近年來研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)具有干燥裝載量大、操作簡單、物料升溫速度快、可利用水蒸氣蒸發(fā)的焓值從而降低能耗等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。堵勁松等[6]實(shí)驗(yàn)考查了濕度對(duì)白肋煙處理質(zhì)量的影響時(shí)指出，針對(duì)不同質(zhì)量特點(diǎn)的白肋煙采用相應(yīng)的溫濕度控制方法可以提高白肋煙的處理質(zhì)量。王慶惠等[7]對(duì)比四種不同的分段式變溫變濕干燥工藝，結(jié)果表明階段降濕的干燥工藝能有效減少圣女果營養(yǎng)成分的損失和色澤變化，并縮短干燥時(shí)間。巨浩羽等[8-10]在胡蘿卜熱風(fēng)干燥研究中發(fā)現(xiàn)，基于物料溫度的自適應(yīng)控濕方式干燥后的胡蘿卜相比于前期相對(duì)濕度50%、后期相對(duì)濕度20%兩個(gè)階段的控制方式能耗降低了 7%。吳中華等[11]的研究表明，枸杞變溫干燥工藝40℃（6 h）—50℃（6 h）—60℃下，干燥時(shí)間僅為18 h，干枸杞色澤良好，多糖含量高且復(fù)水率高。

階段控制溫濕度干燥工藝可在較高干燥效率下獲得品質(zhì)好的干燥對(duì)象，但是在不同熱源、干燥對(duì)象和外部環(huán)境等條件下，各階段的干燥溫度和相對(duì)濕度的設(shè)定和保持時(shí)間并沒有具體的理論依據(jù)，最優(yōu)控制工藝的獲取需進(jìn)行大量的試驗(yàn)嘗試或者人工經(jīng)驗(yàn)。本文根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)，將分段干燥分為四段，著重分析以中低溫地?zé)崴疄榧訜釤嵩?，直接通過換熱器加熱干燥房內(nèi)循環(huán)熱風(fēng)的條件下，干燥系統(tǒng)的干燥效果和能耗情況，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程提供技術(shù)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

干燥系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由加熱系統(tǒng)、排濕換氣系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和干燥室組成。干燥室包括2間有效容積為30 m3的小干燥室，干燥室內(nèi)布置3排物料架，每排3個(gè)物料架，每個(gè)物料架有13層，層與層之間的間距可調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)和加熱盤管安裝在垂直懸吊于窯頂?shù)匿X隔風(fēng)墻上。在隔風(fēng)墻下水平安裝的波紋狀導(dǎo)風(fēng)板，與加熱盤管相接，把風(fēng)機(jī)與物料分隔開，風(fēng)機(jī)扇動(dòng)的氣流經(jīng)過加熱盤管和物料層返回風(fēng)機(jī)另一側(cè)。加熱系統(tǒng)以水為載熱介質(zhì)，熱源可采用中低品位的地?zé)崮堋⒐I(yè)余熱等，當(dāng)采用不穩(wěn)定的太陽能為熱源時(shí)需加有儲(chǔ)熱設(shè)備，或與其他穩(wěn)定的能源聯(lián)合使用。當(dāng)與熱泵聯(lián)合使用時(shí)，可降低熱水的排放溫度。

圖1 干燥系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖：（a）正視圖（B-B剖面）；（b）側(cè)視圖（A-A剖面）Fig.1 Schematic diagram of the drying system

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)如圖2，由 4臺(tái)（每間）散熱總面積為32 m2的加熱盤管組成。加熱盤管安裝于循環(huán)風(fēng)機(jī)的兩側(cè)，兩側(cè)的加熱盤管可同時(shí)工作，也可根據(jù)風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及設(shè)定的溫度參數(shù)獨(dú)立工作，以達(dá)到最佳節(jié)能效果，每間干燥房頂部安裝3臺(tái)額定風(fēng)量為12 000 m3/h的軸流風(fēng)機(jī)作強(qiáng)制循環(huán)通風(fēng)，保證干燥房內(nèi)空氣以0.5 ～ 2 m/s速度流過載車每層間隙和加熱盤管翅片間，傳遞熱量，促使干燥房內(nèi)各處環(huán)境溫度濕度均勻，干燥速度一致。風(fēng)機(jī)的定時(shí)換向減少物料進(jìn)氣側(cè)與出氣側(cè)溫濕度的不均勻性。三通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可控制進(jìn)入加熱盤管的熱水流量。

圖2 熱水加熱系統(tǒng)圖Fig.2 Heating system diagram of the drying system

1.3 排濕換氣系統(tǒng)

排濕換氣系統(tǒng)設(shè)在干燥室頂部，每單元由一組不銹鋼換氣管組成。每個(gè)管口裝有蝶閥，6只蝶閥由連動(dòng)桿連接，同時(shí)動(dòng)作，構(gòu)成一套換氣門。6條風(fēng)管的特定結(jié)構(gòu)保證了進(jìn)氣和排氣的合理布局。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，換氣流的方向也隨之改變。換氣門由一套伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，由控制系統(tǒng)控制其開啟度，從而控制排濕量的大小，以調(diào)整干燥房內(nèi)的濕度環(huán)境。

1.4 溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)采用了兩級(jí)微處理器結(jié)構(gòu)。

第一級(jí)微處理器位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制柜中，其功能是監(jiān)測(cè)各種設(shè)備狀態(tài)，包括三通流量閥及電動(dòng)換氣門的位置（開啟度）和可逆循環(huán)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（包括方向、風(fēng)速），將監(jiān)測(cè)所得的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)地送到系統(tǒng)前端機(jī)，并且根據(jù)前端機(jī)的命令，使系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即三通電磁流量閥、電動(dòng)換氣門和可逆循環(huán)風(fēng)機(jī)始終處于正確的位置或狀態(tài)。

第二級(jí)微處理器位于系統(tǒng)前端機(jī)中，其功能是控制相應(yīng)的電路，對(duì)傳感器送來的反映干燥室內(nèi)干燥產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)（干燥房內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速等）的信號(hào)進(jìn)行放大、修正和模糊化處理，依據(jù)系統(tǒng)主機(jī)設(shè)定的工藝對(duì)干燥過程的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行模糊邏輯處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模糊決策，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制柜對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施調(diào)節(jié)，保證在整個(gè)干燥過程中都有一個(gè)適當(dāng)?shù)沫h(huán)境?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 控制流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the control system

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)干燥原料為新鮮杏鮑菇樣品，經(jīng)過去根、清洗、切片預(yù)處理。

2.2 測(cè)試儀器和方法

溫度和濕度測(cè)定分別采用DS18B20型溫度變送器（天津鼎拓科技有限公司）和WSB005型濕度變送器（武漢儀器儀表研究所）；風(fēng)速測(cè)定采用EE65-VB5型風(fēng)速儀（深圳市現(xiàn)代豪方儀器儀表科技有限公司）；流量測(cè)定采用LWGY-80C05SSNN型流量傳感器（天津鼎拓科技有限公司）；樣品稱量采用 ACS-15型電子秤（廣州市中興電子衡器廠）干燥速率及干燥品質(zhì)的監(jiān)測(cè)采取人工稱重及肉眼觀察的方法，即定時(shí)取固定樣本進(jìn)行重量分析，并用肉眼觀測(cè)其干燥品質(zhì)。干燥系統(tǒng)的能耗用能耗因子η表示，為蒸發(fā)單位質(zhì)量的水分需要消耗的能量，定義如下

式中：ΔE—每個(gè)階段的能耗，kJ；ΔM—每個(gè)階段物料水分蒸發(fā)量，kg。各個(gè)階段的能耗按下式進(jìn)行計(jì)算

式中：τ1、τ2—每個(gè)階段的起止時(shí)間，h；源水在τ時(shí)刻的質(zhì)量流量，kg/h；C—熱源水的比熱，kJ/(kg·K)；t1、t2—熱源水進(jìn)出口溫度。

干基含水率Mτ（moisture content on dry basis）計(jì)算采用下式：

式中：Wτ—杏鮑菇在任意干燥τ時(shí)刻的總質(zhì)量，kg；G—杏鮑菇干物質(zhì)質(zhì)量，kg。

干燥速率（drying rate, DR）的計(jì)算采用如下公式：

式中：DR為干燥過程中時(shí)間在τ1和τ2之間的杏鮑菇干燥速率，kg/(kg·h)；Mτ1和Mτ2分別為干燥過程中時(shí)間為τ1和τ2時(shí)杏鮑菇的干基含水率，kg/kg。

2.3 干燥測(cè)試運(yùn)行條件

試驗(yàn)用的熱源為溫度66℃、流量33 m3/h的地?zé)崴?。結(jié)合前期的預(yù)試驗(yàn)，以圖4的參數(shù)分四階段進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。本次試驗(yàn)新鮮杏鮑菇總質(zhì)量1 186 kg，干燥房內(nèi)布置3排物料架，每排3個(gè)物料架，每個(gè)物料架有13層，將新鮮杏鮑菇均勻置于每層物料架上。為便于操作，取其中的10 kg作為樣品進(jìn)行稱量，樣品和其他杏鮑菇一同放在干燥窯中干燥。

圖4 干燥新鮮杏鮑菇的工藝流程Fig.4 Technological process of pleurotus eryngii drying

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度

圖5為干燥房頂部、中部和下部溫度隨時(shí)間變化曲線。

圖5 不同位置的溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The changing curves of temperature with drying time

由圖可見中部溫度始終最高，頂部始終溫度最低而底部溫度介于二者之間，此種溫度趨勢(shì)在階段1和階段2尤其明顯，階段3后期該趨勢(shì)逐漸降低，階段4三者溫度趨于一致。與設(shè)定溫度相比，階段1和階段2的偏離量較大，階段3次之，階段4最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于在階段1和階段2，干燥熱風(fēng)的相對(duì)濕度大，焓值也大，排濕時(shí)帶走的能量大，因而造成溫度的波動(dòng)和偏離。因此，在控制精度的設(shè)計(jì)上應(yīng)首先能保證排濕對(duì)熱風(fēng)焓值影響最大的干燥段精度。

3.2 氣流流速

氣流流速是干燥系統(tǒng)另一個(gè)需要考慮的重要因素，風(fēng)速大則熱風(fēng)與物料的對(duì)流換熱系數(shù)大，利于熱風(fēng)與物料間的傳熱，而各個(gè)位置的氣流流速均勻，則保證物料干燥品質(zhì)的一致性，降低干燥能耗。圖6為某典型風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)周期流速分布曲線，風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)造成風(fēng)速出現(xiàn)正負(fù)值。由圖可見熱風(fēng)的風(fēng)速在0.5 ～ 1 m/s之間，滿足干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。中部風(fēng)速高于頂部，流速分布不一致是造成溫度分布不均的重要因素之一。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)頂部溫度場進(jìn)行優(yōu)化，如增大物料架之間的空間，增加導(dǎo)流板等。

圖6 不同位置氣流速度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The changing curves of air velocity with drying time

3.3 干燥速率和能耗

圖7為物料干基含水率隨時(shí)間變化曲線，由圖可見隨著干燥時(shí)間的增加，物料干基含水率呈遞減的趨勢(shì)，當(dāng)干燥時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)物料質(zhì)量幾乎不再變化。對(duì)比圖8來看，階段3物料質(zhì)量隨時(shí)間變化率最大，即干燥速率最大，階段1最小，整個(gè)干燥過程的平均干燥速率為0.122 kg/(kg·h)。階段1的能耗因子最高，每蒸發(fā)單位質(zhì)量的水需要消耗749 kJ的熱量，作為開始階段的階段1干燥的杏鮑菇水分含量大，水的蒸發(fā)量也大，相對(duì)濕度容易達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)排濕帶走大量的焓值大的濕空氣，因而需要補(bǔ)充大量的熱量，造成能耗的增加。階段2的能耗因子高于階段3和階段4，原因與階段1相同。而階段4的能耗因子高于階段3是由于干燥后期物料含水量較低，水分子與物料之間的吸引力增大，使水分子脫附需要消耗更多的能量。整個(gè)干燥過程中的總體能耗因子為391.2 kJ/kg。

圖7 含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The changing curve of moisture content with drying time

圖8 干燥系統(tǒng)四個(gè)階段的單位能耗Fig.8 Unit energy consumption of different drying stages

4 結(jié) 論

（1）為充分利用中低品位熱能減少干燥過程電能等高品位能源的消耗，設(shè)計(jì)了一種可控溫濕度的中低溫?zé)嵩锤稍锵到y(tǒng)，可以地?zé)崮芎凸I(yè)余熱等中低溫?zé)崮茏鳛闊嵩?，干燥系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、排濕換氣系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)和干燥室組成，控制系統(tǒng)可根據(jù)干燥室內(nèi)溫度和濕度的變化調(diào)節(jié)三通電磁閥和電動(dòng)換氣門的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥系統(tǒng)溫濕度控制；

（2）干燥系統(tǒng)溫度分布較均勻，氣流流速分布對(duì)溫度分布的影響較大，系統(tǒng)在整個(gè)干燥過程中的平均干燥速率為 0.122 kg/(kg·h)，總體能耗因子為391.2 kJ/kg；

（3）不同階段物料水分的蒸發(fā)差別很大，因此階段溫度的設(shè)計(jì)既要考慮產(chǎn)品工藝的要求，又要考慮濕度設(shè)定對(duì)能耗和溫度控制的影響。