雙池超聲波紅棗連續(xù)清洗裝置的設(shè)計(jì)

丁 羽，辛宏偉，王劍強(qiáng)，車興文，許威廣

（塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

0 引言

紅棗的加工主要是以干制為主［1］。清洗是紅棗制干加工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前對(duì)制干紅棗原料采用的清洗方式主要還是噴淋清洗、鼓泡清洗和毛刷清洗等傳統(tǒng)的清洗方式，上述清洗方式多對(duì)蔬菜、光皮水果等清洗效果較好，但對(duì)制干紅棗皺褶內(nèi)的污物，清洗較為困難，清洗裝置智能化程度低，耗水量大，清洗質(zhì)量不穩(wěn)定，易出現(xiàn)清洗不干凈、損傷紅棗、農(nóng)藥殘留等問題［2-3］。

超聲波清洗利用超聲波產(chǎn)生的“空化”效應(yīng)能將物料表面和縫隙中的污垢快速剝離，與其他清洗技術(shù)相比，具有高效、高質(zhì)，適應(yīng)具有復(fù)雜表面形狀的物體，物理清洗，對(duì)清洗對(duì)象損傷小等優(yōu)勢(shì)［4-5］。國(guó)外針對(duì)超聲波清洗固體表面雜質(zhì)的液-固-氣多相流場(chǎng)數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，為超聲波清洗技術(shù)提供了理論支持［6-7］。國(guó)內(nèi)，李芳蓉等論述了超聲波清洗技術(shù)及其在中藥材清洗中的應(yīng)用研究，并對(duì)超聲波清洗根類中草藥黨參凈洗效果分析檢測(cè)項(xiàng)目和分析方法的探討，得出超聲波清洗中藥材快速、節(jié)水、無(wú)污染、清潔度高，中藥材有效成分損失量少，是理想的中藥材清洗方法［8-9］。吳艷麗等對(duì)中草藥超聲波清洗技術(shù)的多因素試驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)超聲波功率、頻率、清洗時(shí)間分別為700 W、30 kHz、12 min時(shí)，人參的清洗效果最佳，潔凈度為99.8%［10］。馬少輝等設(shè)計(jì)了單池超聲波紅棗清洗裝置，分析了超聲波清洗紅棗機(jī)理；以預(yù)備試驗(yàn)為基礎(chǔ)，確定了清洗機(jī)的參數(shù)及范圍，進(jìn)行了制干紅棗超聲波清洗正交試驗(yàn)，洗凈率大于96.2%，破損率為0.8%［11］。張春蘭等，研究了超聲波清洗對(duì)紅棗細(xì)菌總數(shù)的影響，確定清洗工藝，清洗后紅棗中細(xì)菌總數(shù)含量小于50 CFU/g［12］。表明超聲波清洗有助于紅棗的清潔，殺菌效果明顯，清洗效果較好。

本研究將噴淋清洗洗去較大污物的優(yōu)勢(shì)與超聲波清洗高效、高質(zhì)、去農(nóng)藥殘留、對(duì)紅棗損傷小等優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)制作雙池超聲波紅棗清洗裝置。推導(dǎo)其濁度變化數(shù)學(xué)模型，分析其節(jié)水性，對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，確定其工作參數(shù)，以提升紅棗清洗的效率和質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

本機(jī)設(shè)有噴淋沖洗池與超聲波精洗池兩個(gè)清洗池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1（a）為噴淋初洗池，圖1（b）為超聲波精洗池，兩池左右緊靠在一起。其工作流程：紅棗由進(jìn)料口進(jìn)入噴淋沖洗池進(jìn)行初洗，洗去較大的灰塵，同時(shí)對(duì)較硬污垢進(jìn)行浸泡軟化；經(jīng)初洗后的紅棗由帶隔板的網(wǎng)式輸送帶撈出并瀝水后進(jìn)入超聲波清洗池進(jìn)行精洗，在超聲波空化效應(yīng)的連續(xù)作用下，進(jìn)一步清除紅棗皺褶等處的較硬污垢，并利用超聲波高效、高質(zhì)、環(huán)保清洗特點(diǎn)以及超聲波空化效應(yīng)能有效殺滅微生物、降解殘留農(nóng)藥的優(yōu)勢(shì)，提高紅棗清洗效率，提升紅棗清洗品質(zhì)。本機(jī)將噴淋沖洗初洗與超聲波精洗有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)紅棗清洗的高效、高質(zhì)和節(jié)水。

清洗裝置采用雙池連續(xù)清洗方式，用水控制模式采用：使第二級(jí)超聲精洗池中水的濁度不超過(guò)限定值。當(dāng)超聲波精洗池中水濁度達(dá)到限定值時(shí)，向超聲波精洗池注入新水，超聲波精洗池中多余的水流到噴淋初洗池，對(duì)精洗池中的水進(jìn)行二次利用，初洗池中多余的水排至外池外，維持兩池的初始水量不變。

1.2 樣機(jī)及清洗試驗(yàn)

加工制作完成的雙池超聲波紅棗清洗機(jī)右邊為噴淋初洗池，左邊為超聲精洗池，噴淋初洗后的紅棗由網(wǎng)式輸送裝置送入超聲精洗池，輸送的同時(shí)進(jìn)行瀝水，瀝出的水回流至清洗池。

試驗(yàn)原料：選用中國(guó)新疆阿拉爾市10團(tuán)成熟落地的駿棗，人工正常撿拾。

試驗(yàn)設(shè)備：為塔里木大學(xué)研制的雙池超聲波紅棗清洗機(jī)，清洗池尺寸為1 300 mm×450 mm×350 mm，超聲波頻率可選、清洗的時(shí)間、溫度、功率可調(diào)。

試驗(yàn)指標(biāo)：洗凈率和破損率的計(jì)算公式為：

式中 X ——洗凈率，%；

mc——洗凈紅棗質(zhì)量，kg；

mT——清洗紅棗質(zhì)量，kg。

式中 Y ——破損率，%；

md——破損紅棗量，kg；

mT——清洗紅棗質(zhì)量，kg。

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)得出：影響超聲清洗效果的因素有超聲功率、超聲頻率、水溫和清洗時(shí)間，水溫不宜太高，不超過(guò)65 ℃，超過(guò)該溫度紅棗會(huì)出現(xiàn)熟化現(xiàn)象，水溫低有利于保護(hù)紅棗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)成分，清洗時(shí)間一般取2～4 min；當(dāng)超聲波頻率小于20 kHz時(shí)，紅棗表面會(huì)產(chǎn)生破損，超聲波頻率一般取20～40 kHz［13-14］。在此分別取頻率：20，28，33，40 kHz，功率：400，450 W，水溫：45 ℃，50 ℃，清洗時(shí)間：2，3min進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)本裝置的清洗參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，對(duì)清洗裝置清洗效果進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)正交分析如表1所示。

表1 雙池超聲波清洗紅棗正交試驗(yàn)分析

試驗(yàn)結(jié)果：實(shí)際測(cè)量最優(yōu)組合為3號(hào)試驗(yàn)，計(jì)算分析最優(yōu)組合為A（2）B（1）C（2）D（2），進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得出的洗凈率為98.10（%），紅棗的破損率小于0.8%。所以，當(dāng)頻率為28 kHz、功率為400 W、水溫為50 ℃、時(shí)間為3 min時(shí)為最佳清洗條件，其洗凈率等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，清洗效率高，清洗質(zhì)量?jī)?yōu)。

2 控制裝置設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

總體方案設(shè)計(jì)釆用兩塊控制板進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控板主要用以控制外部強(qiáng)電外設(shè)設(shè)備：水閥、電機(jī)、加熱管等；顯示板主要用來(lái)顯示清洗機(jī)清洗紅棗的過(guò)程。系統(tǒng)采用STM32F103ZET6為控制核心，設(shè)計(jì)水渾濁度控制電路、水位控制電路、水溫控制電路、開關(guān)電源電路。采用人工/專家切換鍵、語(yǔ)音識(shí)別器和LCD顯示模塊作為人機(jī)接口的輸入輸出設(shè)備。加熱器、電動(dòng)機(jī)和超聲波發(fā)生器等釆用交流220 V驅(qū)動(dòng)，MCU與這些部件之間，通過(guò)I/O口、光電隔離器、可控硅和繼電器等來(lái)進(jìn)行控制。水位傳感器、重量傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器等組成自動(dòng)控制和保護(hù)電路。采用的控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 濁度控制流程

利用Keil μ Vison5進(jìn)行代碼編譯。采用模塊化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水渾濁度控制、水溫控制、水位控制過(guò)程。其中水渾濁度控制程序如圖3所示，程序的組成有：初始化、通信、濁度值計(jì)算、濁度顯示、模糊算法分析、模糊控制等子程序［15］。

制作完成后的智能控制裝置進(jìn)行脫機(jī)和聯(lián)機(jī)調(diào)試，將外圍負(fù)載相連后，各端口邏輯正常，工作穩(wěn)定，智能控制裝置的界面采用以LCD觸摸屏操作，可以設(shè)置超聲波功率值、換水渾濁度、清洗水溫、清洗時(shí)間、水位高度5個(gè)參數(shù)值。

3 雙池超聲波紅棗清洗裝置清洗池濁度變化計(jì)算

3.1 濁度變化率與濁度比變化率

清洗水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒使得無(wú)色透明的水產(chǎn)生渾濁，其渾濁的程度稱為濁度，其值通過(guò)光線透過(guò)水層時(shí)受到阻礙的程度來(lái)確定，國(guó)際上通用的濁度度量單位為NTU。在清洗臟污程度一定的蔬菜時(shí)，如果蔬菜上攜帶的臟污全部進(jìn)入到水中，清洗水的濁度變化與蔬菜質(zhì)量線性相關(guān)。因此將一定水量下，濁度隨清洗蔬菜質(zhì)量的變化率稱為濁度變化率［16-18］，表示為：

式中 K ——濁度變化率，NTU/kg；

ΔT ——清水濁度變化量，NTU；

m ——清洗蔬菜的質(zhì)量，kg。

如果用清洗水濁度變化量除以單位體積水清洗的蔬菜量，可以得到濁度隨單位體積水清洗蔬菜量的變化率，簡(jiǎn)稱濁度比變化率，表示為：

式中 k ——濁度比變化率，NTU/（kg·L-1）；

V ——清洗水量，L。

濁度比變化率的大小與清洗對(duì)象的臟污程度有關(guān)，可作為清洗對(duì)象臟污程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。上式經(jīng)過(guò)變化可得，清洗水濁度變化量ΔT為：

3.2 帶水率、補(bǔ)水率

（1）帶水率。紅棗在清洗后，從清洗池?fù)瞥鰰r(shí)會(huì)帶走一定量的水，帶水量與清洗紅棗的質(zhì)量成正比，可用帶水率來(lái)表示。紅棗帶水率指撈出單位質(zhì)量的紅棗時(shí)帶走水的體積量，紅棗清洗的帶水率可表示為：

式中 q ——紅棗帶水率，L/kg；

m0——逐次投放的紅棗量，kg；

Vq——紅棗帶走的水量，L。

本裝置使用網(wǎng)狀輸送帶，將紅棗撈起后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間瀝水，使紅棗帶出的水基本上全部流回清洗池，因此本文在計(jì)算時(shí)，將紅棗帶水率忽略不計(jì)。

（2）補(bǔ)水率。紅棗在清洗時(shí)，當(dāng)清洗池水的濁度達(dá)到上限或者水位低時(shí)需要向清洗池補(bǔ)水，為方便計(jì)算，引入補(bǔ)水率的概念，補(bǔ)水率是指清洗單位質(zhì)量紅棗向清洗池中補(bǔ)充水的體積，用qp表示，紅棗補(bǔ)水量可表示為：

式中 Vp——紅棗補(bǔ)水量，L；

qp——紅棗補(bǔ)水率，L/kg；

m0——逐次投放的紅棗量，kg。

3.3 單池紅棗連續(xù)清洗裝置清洗池濁度

紅棗單池清洗裝置一般采用連續(xù)清洗，即當(dāng)清洗池中水的濁度變大時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充新水對(duì)污水進(jìn)行稀釋以降低濁度，維持濁度限定值。設(shè)紅棗逐次投放量和每次補(bǔ)充的水量均為常數(shù)，初始水量為，并且補(bǔ)充新水的濁度為0，則：

（1）清洗i批次后，清洗池水的濁度Tw（i）為：

式中 Tw（i）—— 清洗第i批次后清洗池水的濁度，NTU。

（2）如果每次補(bǔ)充新水Vp=qpm0，則清洗i批次后補(bǔ)充新水后的濁度Tm（i）為：

式中 Tm（i）—— 清洗第i批次后補(bǔ)充新水后清洗池水的濁度，NTU。

3.4 雙池超聲波紅棗連續(xù)清洗裝置清洗池濁度

本裝置采用雙池連續(xù)清洗時(shí)，初洗池為A，精洗池為B；補(bǔ)水時(shí)精洗池B中的水進(jìn)入初洗池A，初洗池A中多余的水排出，精洗池B進(jìn)入新水，維持精洗池B池的濁度限定值；清洗紅棗時(shí)進(jìn)入初洗池的污物比例為λA，進(jìn)入精洗池的污物比例為λB，則λA+λB=1，設(shè)紅棗逐次投放量和每次補(bǔ)充的水量均為常數(shù)，兩池的初始水量均為V0，新水的濁度為0，則：

（1）清洗第i批次后初洗池A的濁度TAw（i）和精洗池B的濁度TBw（i）的變化規(guī)律分別為：

式中 TAw（i）—— 清洗第i批次后初洗池A中水的濁度，NTU；

TBw（i）—— 清洗第i批次后精洗池B中水的濁度，NTU；

（2）清洗i批次后補(bǔ)充水后初洗池A的濁度TAm（i）和精洗池B的濁度TBm（i）變化規(guī)律為：補(bǔ)水過(guò)程，對(duì)于初洗池A放掉一部分水，然后由精洗池B補(bǔ)充，因此初洗池A會(huì)帶入精洗池B的部分濁度；對(duì)于精洗池B池，補(bǔ)充的為新水，精洗池B池水濁度變化完全由新水稀釋作用而引起變化。如果每次補(bǔ)水Vp=qpm0，則清洗批次后補(bǔ)充水后A池的濁度TAm（i）和B池的濁度TBm（i）變化規(guī)律為：

式中 TAm（i）—— 清洗第i批次后補(bǔ)水后初洗池A水的濁度，NTU；

TBm（i）—— 清洗第i批次后補(bǔ)水后精洗池B水的濁度，NTU。

3.5 雙池超聲波紅棗連續(xù)清洗與單池紅棗連續(xù)清洗濁度比較

在使用時(shí)，采用單池時(shí)，設(shè)單池的初始上水量為、單位時(shí)間投放的紅棗量；采用雙池時(shí)，為便于比較，使其兩池的初始上水量之和與單池相同，因此使其每池的初始水量為，每池投放的紅棗量為。則其批次清洗后兩者的濁度如表2所示。

表2 單池紅棗連續(xù)清洗與雙池超聲紅棗連續(xù)清洗濁度數(shù)學(xué)模型

結(jié)論：由表2可以看出，對(duì)于雙池清洗，因維持精洗池B中的濁度不超過(guò)限定值，所以決定補(bǔ)水的濁度主要由精洗池B池的濁度來(lái)決定，而B池的濁度主要由進(jìn)入B池的污物比例為λB決定，紅棗大部分污物由初洗池A洗去，進(jìn)入B池污物比例經(jīng)測(cè)量約為20%～30%，即B的取值約為0.2～0.3，因此在取相同濁度時(shí)，雙池注水次數(shù)和注水量遠(yuǎn)小于單池；同時(shí)雙池清洗時(shí)每次排出的水為初洗池A池中的水，其水質(zhì)相對(duì)于單池清洗排出的水質(zhì)更差，因此采用雙池連續(xù)清洗維持精洗池濁度限定值的清洗方式相對(duì)于采用單池連續(xù)清洗維持濁度限定值的清洗方式可大大節(jié)約耗水，其濁度的設(shè)置可相對(duì)單池低一些，在節(jié)水的同時(shí)，可取得更好的清洗效果。

4 雙池超聲波紅棗清洗裝置耗水率

4.1 耗水量計(jì)算

清洗耗水量的評(píng)價(jià)參數(shù)通常采用單位質(zhì)量耗水量，在這里指清洗紅棗的總耗水量與清洗紅棗的總質(zhì)量之比?？偤乃繛榍逑床鄣某跏妓颗c清洗過(guò)程中補(bǔ)充水量的總和，總耗水量和單位質(zhì)量耗水量的計(jì)算公式分別為：

式中 Vs——設(shè)備總耗水量，L；

V0——單個(gè)清洗池的初始水量，L；

n'——設(shè)備清洗池個(gè)數(shù)；

Vp——清洗過(guò)程中逐次補(bǔ)水量，L；

n ——清洗過(guò)程中補(bǔ)水次數(shù)；

Vut——單位質(zhì)量耗水量，L/kg；

ms——清洗紅棗的總質(zhì)量，kg。

雙池連續(xù)清洗時(shí)，精洗池B給初洗池A補(bǔ)水，初洗池A多余的水排掉，精洗池B補(bǔ)充清水，B池水濁度不超過(guò)限定值Tl，根據(jù)限定值可確定補(bǔ)水率qp。雙池連續(xù)清洗時(shí)，各池的初始水量均為V0，則清洗第i批次紅棗后，單位質(zhì)量的耗水量為：

4.2 樣機(jī)耗水測(cè)試

在試驗(yàn)室對(duì)雙池超聲波紅棗清洗機(jī)樣機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了精準(zhǔn)獲得耗水量，將高精度水表接到超聲波紅棗清洗機(jī)上，整機(jī)運(yùn)行模式采用自動(dòng)智能模式，其紅棗清洗耗水量如圖4所示。相對(duì)于6HT-1000型紅棗清洗機(jī)耗水量1.5 L/Kg節(jié)水30%以上［19］，并且隨著清洗的量的增大平均耗水率逐漸降低，節(jié)水效果越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)雙池超聲波紅棗清洗機(jī)，能充分利用噴淋沖洗和超聲波清洗各自的優(yōu)點(diǎn)，首先使用噴淋沖洗洗去較大的污物并對(duì)較硬的污物進(jìn)行軟化，然后進(jìn)行超聲精洗，提升制干紅棗清洗的質(zhì)量。

（2）通過(guò)推導(dǎo)出的雙池超聲波紅棗連續(xù)清洗裝置各池濁度變化的數(shù)學(xué)模型可以得出：本裝置相對(duì)于目前紅棗清洗使用的單池連續(xù)清洗方式可明顯節(jié)約用水，提高水資源的利用效率。

（3）通過(guò)對(duì)雙池超聲波紅棗清洗機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作，并進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，確定其工作頻率為28 kHz、功率為400 W、水溫為50 ℃、時(shí)間為3 min，對(duì)其耗水量進(jìn)行了試驗(yàn)，耗水量明顯降低。