基于干燥參數(shù)優(yōu)化的浮式紫菜干燥機(jī)的設(shè)計(jì)

重慶化工職業(yè)學(xué)院（重慶 400020）

中國是世界上最大的紫菜生產(chǎn)國之一。2017年，中國紫菜產(chǎn)量達(dá)到17萬 t，比上年增長(zhǎng)4.2萬 t[1]。盡管紫菜生產(chǎn)取得持續(xù)發(fā)展，但該行業(yè)仍存在諸多問題和發(fā)展限制，其中紫菜干燥效率低下成為影響紫菜后期生產(chǎn)鏈的重要因素。太陽晾曬是目前紫菜干燥的最常用方法，但干燥效果和干燥時(shí)長(zhǎng)極易受天氣變化的影響。不利的天氣條件如陰天、夜長(zhǎng)、濕度高等都會(huì)延長(zhǎng)干燥時(shí)間，導(dǎo)致效率低下，降低紫菜產(chǎn)品質(zhì)量，從而影響紫菜產(chǎn)品的整體生產(chǎn)[2]。

為解決這些問題，在優(yōu)化傳統(tǒng)紫菜干燥機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)浮式太陽能干燥機(jī)。干燥技術(shù)更加適合當(dāng)?shù)刈喜损B(yǎng)殖者，干燥設(shè)備更加容易拖曳，節(jié)省生產(chǎn)地點(diǎn)至干燥機(jī)的拖運(yùn)時(shí)間。該干燥機(jī)可以縮短干燥時(shí)間，生產(chǎn)高質(zhì)量的紫菜產(chǎn)品，并減少紫菜產(chǎn)品在后期生產(chǎn)鏈的損失。更重要的是，該干燥機(jī)可適應(yīng)各種天氣條件。雖然天氣條件直接影響紫菜干燥效果，干燥機(jī)不能從根本上消除影響，尤其是在雨天和夜間，仍需要較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，但此次研究通過分析紫菜在不同天氣條件下和白天黑夜區(qū)別下干燥效果，優(yōu)化干燥機(jī)工作參數(shù)，以求在不同條件下均達(dá)到最理想的干燥效果。

試驗(yàn)通過將干燥機(jī)的可折疊壁板打開到不同的高度水平以改變進(jìn)氣效果，通過及時(shí)運(yùn)行排氣扇以最大程度地達(dá)到太陽能晾曬和保持干燥機(jī)內(nèi)空氣干燥的平衡，最終達(dá)到理想的綜合效果。為便于評(píng)估最佳參數(shù)、減少工作復(fù)雜性，基于陰天和夜間的相同少量太陽能，將陰天和夜間條件的性質(zhì)視為相同[3]，有利于更快確定每種條件下干燥機(jī)最佳參數(shù)設(shè)置，提高紫菜干燥機(jī)干燥效率。

通過進(jìn)行詳盡的優(yōu)化試驗(yàn)，確定紫菜干燥機(jī)在白天和夜間條件下的最佳運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)旨在比較干燥機(jī)的不同參數(shù)設(shè)置組合下（壁板開口高度和排氣扇的運(yùn)行）水分去除率；分析干燥機(jī)參數(shù)設(shè)置之間的相互作用；確定干燥機(jī)不同參數(shù)設(shè)置的重要性；確定在白天和夜間環(huán)境下，干燥機(jī)的最佳參數(shù)組合，以獲得最高水分去除率，達(dá)到最理想干燥效果。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在盛產(chǎn)紫菜的福建省開展，已安裝浮式紫菜干燥機(jī)（圖1），并被農(nóng)民廣泛使用。干燥試驗(yàn)全天候進(jìn)行，以同時(shí)考慮白天和夜間的干燥條件。在干燥室中裝入100 kg平均含水量91.68%新鮮紫菜。紫菜均勻地分布在所有干燥盤上。數(shù)據(jù)記錄儀放置在干燥機(jī)的內(nèi)部和外部，以記錄環(huán)境空氣及干燥室內(nèi)空氣的溫度和相對(duì)濕度，如圖2所示。

圖1 浮式紫菜干燥機(jī)

圖2 浮式紫菜干燥機(jī)內(nèi)部示意圖

以用作進(jìn)氣口的壁板開口高度和排氣扇是否運(yùn)行作為獨(dú)立參數(shù)變量[4]，如圖3所示，針對(duì)白天和夜間不同條件，在實(shí)際干燥試驗(yàn)過程中，分別進(jìn)行不同干燥參數(shù)設(shè)置。表1為設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)參數(shù)矩陣，在試驗(yàn)過程中按參數(shù)矩陣進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。通過從之前標(biāo)記的不同干燥托盤中隨機(jī)選擇采樣點(diǎn)完成數(shù)據(jù)收集，確定樣品的初始質(zhì)量，每30 min稱重1次，干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h為1個(gè)周期，并記錄樣品1個(gè)周期后最終質(zhì)量。

以式（1）計(jì)算基于樣品初始質(zhì)量的水分去除率，評(píng)估干燥機(jī)在不同參數(shù)設(shè)置組合下的干燥性能[5]。

式中：ωMR為水分去除率，%；Wi為樣品初始質(zhì)量，g；Wf為樣品最終質(zhì)量，g。

圖3 浮式紫菜干燥機(jī)外部示意圖

表1 紫菜干燥機(jī)試驗(yàn)參數(shù)矩陣

2 結(jié)果與討論

2.1 條件簡(jiǎn)化

為便于后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)各參數(shù)設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)化，如表2所示。

表2 各參數(shù)簡(jiǎn)化

2.2 夜間環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果分析

方差分析和成對(duì)均值比較可分別用于確定變量的互相關(guān)系和參數(shù)設(shè)置的整體性能。表3所示的是經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的方差分析[6]，結(jié)果表明，壁板開口的高度與排氣扇之間沒有顯著的互相關(guān)系。此外，結(jié)果表明壁板開口高度的單參數(shù)與水分去除率有關(guān)。表4為水分去除率的成對(duì)均值[7]，結(jié)果顯示，壁板完全打開且排氣扇關(guān)閉時(shí)，即OP=4 &EX=0，水分去除率最高，ωMR=35.73%，而壁板完全關(guān)閉且打開排氣扇，即OP=1 &EX=1，水分去除率最低，ωMR=14.30%。試驗(yàn)結(jié)果歸因于，OP=4 &EX=0，干燥機(jī)完全暴露于盛行風(fēng)中，空氣循環(huán)更活躍，與完全封閉的壁板情況相比，干燥機(jī)內(nèi)部的空氣更加飽和，利于更好的除濕。因此，在不運(yùn)行排氣扇的情況下，完全打開壁板是夜間干燥的最佳參數(shù)設(shè)置。

表3 夜間條件對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的方差分析

與壁板完全封閉OP=1的2種參數(shù)組合相比，壁板完全打開OP=4的參數(shù)組合可以獲得更高的平均水分去除率。在夜間沒有光照的情況下，除濕的主要方式是通過空氣干燥，這意味著干燥機(jī)與環(huán)境之間要進(jìn)行有效空氣流通。壁板完全打開有利于利用氣壓差，促進(jìn)空氣流通，降低干燥機(jī)內(nèi)空氣水分。

表4 夜間條件不同參數(shù)下水分去除率平均值

2.3 白天環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果分析

通過分析白天試驗(yàn)結(jié)果的原始數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的方差分析發(fā)現(xiàn)，白天原始數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)均不滿足方差分析的假設(shè)[8]。為找到替代解決方案，將白天環(huán)境下的原始數(shù)據(jù)方差分析表（見表5）轉(zhuǎn)化為箱線圖[9]（見圖4）。

其中DF為方差分析中的自由度，F(xiàn)值為F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量值，p值用來判定假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)，表5中數(shù)值的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[10]。

表5 白天條件原始數(shù)據(jù)的方差分析

在箱線圖中，越長(zhǎng)的箱線意味著越大的誤差變化。從圖4可以看出，參數(shù)組合OP=1 &EX=0和OP=1 &EX=1相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示出較大的誤差方差，從而導(dǎo)致不滿足方差分析的假設(shè)。為得到更合理的結(jié)果分析，后續(xù)分析忽略O(shè)P=1的試驗(yàn)結(jié)果。

忽略O(shè)P=1的試驗(yàn)結(jié)果后，白天環(huán)境下的原始數(shù)據(jù)可以滿足方差分析的假設(shè)。表6為水分去除率的成對(duì)均值，試驗(yàn)結(jié)果表明，OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打開1/4和關(guān)閉排氣扇與壁板打開1/2和打開排氣扇的2種參數(shù)組合可以得到最高的水分去除率，分別為56.73%和53.43%，兩者無明顯差異。

圖4 不同參數(shù)設(shè)置處理組合下的絕對(duì)殘差和分配誤差

結(jié)果表明，部分打開的壁板可讓冷空氣進(jìn)入干燥機(jī)，同時(shí)將熱空氣保持在內(nèi)部。在完全封閉的壁板中，外部空氣無法進(jìn)入干燥機(jī)，即使打開排氣扇，也無法確保足夠的氣流；完全打開的壁板不能將干燥的空氣和熱量保持在干燥機(jī)內(nèi)[11]。結(jié)果表明，大量氣流和保持足夠熱量是干燥機(jī)的最佳干燥狀態(tài)。圖5是水分去除率最高的情況下，即OP=2 &EX=0，干燥機(jī)內(nèi)部和外部環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度之間關(guān)系圖。結(jié)果表明，在干燥效果顯著的情況下，干燥機(jī)的內(nèi)部和外部之間溫度和相對(duì)濕度均存在明顯差值[12]。

表6 忽略O(shè)P=1的白天環(huán)境下水分去除率的成對(duì)均值

圖5 在白天情況下OP=2 &EX=0的溫度和相對(duì)濕度圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)探究壁板高度開口及排氣扇的運(yùn)行對(duì)紫菜干燥機(jī)性能的影響。在夜間，壁板高度開口是除濕的唯一途徑，完全打開干燥機(jī)壁板可使進(jìn)入干燥室的氣流最大化，從而為除濕提供最佳條件；在白天，干燥機(jī)性能受壁板高度開口和排風(fēng)扇的綜合影響，在OP=2 &EX=0和OP=3 &EX=1，即壁板打開1/4和關(guān)閉排氣扇與壁板打開1/2和打開排氣扇的2種參數(shù)組合可以得到最高水分去除率，兩者無明顯差異。但由于排氣扇運(yùn)行會(huì)帶來額外成本，因此建議在白天運(yùn)行時(shí)壁板打開1/4且關(guān)閉排氣扇。