紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥裝置設(shè)計與性能驗證

姜大龍 吳 敏 王善鈺 王文杰 鄭志安

(1.煙臺大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院， 煙臺 264005； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

近年來，紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥技術(shù)在多種物料[1-5]干燥中被廣泛應(yīng)用。由于紅外輻射和對流的協(xié)同效應(yīng)促進傳熱傳質(zhì)，物料的濕、熱擴散方向由內(nèi)向外，極大程度提高干燥效率并且降低能耗[6]。但聯(lián)合干燥過程中紅外和熱風(fēng)之間的影響關(guān)系尚不明確，兩種熱源如何正確匹配更有利于促進干燥的研究未見報道。有學(xué)者認為干燥過程中蒸發(fā)的過多水分形成的高濕環(huán)境干擾輻射或者高風(fēng)速會使物料表面迅速冷卻，延長干燥時間；也有學(xué)者認為高風(fēng)速雖然會冷卻物料，但介質(zhì)濕氣被帶走有利于輻射傳熱從而加快干燥進程[6]。目前難點在于試驗條件難以實現(xiàn)以及缺乏相應(yīng)干燥裝置，因此有必要搭建紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥試驗平臺，對介質(zhì)的溫度、濕度、流速以及紅外輻射溫度等參數(shù)實現(xiàn)獨立、寬范圍精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

干燥均勻性是評價干燥裝備與技術(shù)的重要指標(biāo)之一，干燥不均會造成物料過度干燥和無法達到安全含水率等問題，影響其品質(zhì)與后續(xù)儲藏[3]。大量研究[7-15]對改善流場的均勻性進行各種探索，主要針對氣流分配室這一關(guān)鍵部件開展相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整。紅外熱源根據(jù)形狀大致分為管狀和板狀，紅外加熱管將電磁波沿各個方向散射到物料表面，輻射強度不一致導(dǎo)致紅外加熱均勻性較差。紅外干燥設(shè)備大多監(jiān)測輻射源表面溫度并控制其通電時間，物料中心溫度實際值難以達到設(shè)定值導(dǎo)致干燥效率下降[15]。

綜上所述，為明確輻射與對流的影響關(guān)系，考慮到風(fēng)速、濕度、溫度精準(zhǔn)控制的功能需求，本文篩選紅外熱源、加濕、排濕等裝置，確定其他輔助部件和整機參數(shù)；搭建控制系統(tǒng)，包括設(shè)計人機交互界面和編寫合適算法；針對關(guān)鍵部件氣流分配室進行流場優(yōu)化；選取組織結(jié)構(gòu)、水分分布較為均勻和不均勻的白蘿卜片和獼猴桃片為代表性物料對整機進行性能驗證。

1 整機結(jié)構(gòu)

紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制系統(tǒng)、排濕裝置、加濕裝置、氣流分配裝置、除濕裝置、紅外輻射加熱裝置和氣流加熱裝置。氣流加熱裝置包括探頭式PT100型溫度傳感器、加熱腔室、加熱管、入風(fēng)管和手動球閥，加熱腔室位于干燥腔室右側(cè)，通過入風(fēng)管延伸至裝置外側(cè)并連接手動球閥。除濕裝置包括球干燥管、直形玻璃管、干燥劑和硅膠塞堵頭。紅外輻射加熱裝置包括料架、碳晶涂層式紅外加熱板、貼片式PT100型溫度傳感器，貼片式PT100型溫度傳感器分別安裝于紅外板表面和料盤底部。氣流分配裝置包括進風(fēng)管道、氣流分配室、離心鼓風(fēng)機、回風(fēng)管道，離心鼓風(fēng)機送出的氣流經(jīng)過氣流分配室的喇叭口，然后經(jīng)矩形并聯(lián)排布的軸流風(fēng)機的加強作用，穿過壁面上均勻分布的多個小孔進入干燥腔室。加濕裝置包括超聲波加濕器和加濕管道。排濕裝置包括排濕風(fēng)機和排濕管道。

圖1 控溫控濕-紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥機結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖Fig.1 Structure schematic and physical drawing of infrared combined hot air dryer based on temperature and humidity control1.控制系統(tǒng) 2.保溫層 3.進風(fēng)管道 4.排濕風(fēng)機 5.喇叭口 6.門合頁 7.加濕口 8.入風(fēng)口 9.手動球閥 10.除濕裝置 11.插針式PT100型溫度傳感器 12.料盤 13.碳晶涂層式紅外加熱板 14.貼片式PT100型溫度傳感器 15.料架 16.SHT35型溫濕度傳感器 17.探頭式PT100型溫度傳感器 18.干燥腔室 19.回風(fēng)管道 20.離心鼓風(fēng)機 21.排濕管道 22.加熱腔室 23.軸流風(fēng)機 24.門把手 25.W形翅片式加熱管 26.干燥室門 27.超聲波加濕器

干燥機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 干燥機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of drying machine

2 氣流分配室設(shè)計與模擬分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與網(wǎng)格劃分

氣流分配室模型結(jié)構(gòu)由進風(fēng)管道、喇叭口、穩(wěn)壓腔及出風(fēng)口等組成?？紤]到實際物料裝載量最大為8 kg/m2，預(yù)估氣流量需達到3 000 m3/h以上，因此將進風(fēng)管道內(nèi)徑設(shè)為150 mm，氣流分配室的長、寬、高分別為370、550、230 mm。根據(jù)文獻[9]確定本文出風(fēng)口處的孔為矩陣方式(13×5)排列，其孔徑為15 mm，上下中心距及左右中心距分別為42 mm和40 mm；其中，命名左上角第1個孔為out1，從左向右、自上而下依次命名，最后一個孔為out65，如圖2所示。

圖2 氣流分配室模型簡圖及網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Sketch map and grid graph of improved airflow distribution chamber1.進風(fēng)管道 2.喇叭口 3.穩(wěn)壓腔 4.出風(fēng)口

2.2 控制方程、邊界條件與評價指標(biāo)

2.2.1氣流控制方程

基于動量守恒和質(zhì)量守恒計算空氣流動的動量方程和連續(xù)性方程[11]為

(1)

(2)

其中

μe=μ+μT

(3)

(4)

式中ρ——流體密度，kg/m3

p——流體時均壓力，Pa

μe——流體有效動力黏度，Pa·s

xi、xj——流場中沿i和j方向上的坐標(biāo)分量

ui、uj——流場中沿i和j方向上的平均相對速度分量

Si——廣義源項

μT——湍流運動黏度，m2/s

k——湍流動能，m2/s2

ε——湍流動能的耗散率，m2/s3

μ——黏度，Pa·s

Cμ——經(jīng)驗系數(shù)，取0.09

雷諾數(shù)是判別流動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，雷諾數(shù)計算公式為

(5)

式中v——流體流速，m/s

d——等效直徑，m

η——動力黏度，Pa·s

在不可壓縮、等溫的條件下，氣體湍流動能方程和湍流動能耗散方程[12]為

(6)

(7)

(8)

式中C1、C2——湍流模型系數(shù)，取1.44、1.92

σk、σε——湍流動能和湍流動能耗散的普朗特數(shù)，取1.0、1.3

2.2.2邊界條件設(shè)置

選取速度入口邊界條件，假定進口方向垂直于邊界，且均勻分布、無旋，根據(jù)設(shè)計工況設(shè)定為 1 m/s， 入口湍流強度取值結(jié)合水力直徑及經(jīng)驗公式[13]估算為3.70%，進、出口流體溫度均按293.15 K(20℃)選取，內(nèi)部高、低軸流風(fēng)扇壓力階躍分別設(shè)置為12、6 Pa。

采用壓力出口邊界條件，結(jié)合實際情況給定大氣條件作為壓力邊界值，出口湍流根據(jù)湍流強度及雷諾數(shù)的計算公式得出設(shè)計工況下湍流強度在3.51%左右，故出口湍流強度取值為3.51%。

壁面處為無滑移邊強度界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進行修正[14]。

2.2.3流場優(yōu)化

氣流分配室主要承擔(dān)著優(yōu)化流場分布、平均分配出風(fēng)口流速的作用[7]。文獻[15]研究表明均風(fēng)板和穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計有助于流場的均勻性，但仍然存在風(fēng)速中心高、周圍低的缺點。為進一步改善流場并且實現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)風(fēng)速的目標(biāo)，提出在穩(wěn)壓腔內(nèi)部均勻陣列5×2的軸流風(fēng)機，在沿管道出風(fēng)口軸線位置附近布置低轉(zhuǎn)速軸流風(fēng)機(圖3a中綠色框圖)，周圍位置布置高轉(zhuǎn)速軸流風(fēng)機(圖3a中紅色框圖)。綜合考慮耐熱、風(fēng)量需求、安裝尺寸等因素，軸流風(fēng)機型號最終分別選擇為HD8038M12和HD8038H12(北京航達輝電子有限公司)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍分別為0～9 000 r/min和0～4 500 r/min。

圖3 氣流分配室速度矢量分布及出風(fēng)口速度模擬值 與實測值對比Fig.3 Velocity vector distribution of air distribution chamber and comparison between simulated and measured values of air outlet

2.2.4評價指標(biāo)

2.2.4.1流速均勻性

速度偏差比E用來評價不同層出口流速與總體均值的相差懸殊度，速度不均勻系數(shù)M用來評價速度分布的均勻性[7]，公式為

(9)

(10)

σv——標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/sn——節(jié)點數(shù)

Vi——各點速度，m/s

2.2.4.2干燥均勻性

干燥室內(nèi)干燥層間與干燥層內(nèi)不同位置的干燥均勻性分別通過基于平均偏差統(tǒng)計量的克里斯琴均勻系數(shù)關(guān)系式來計算[16-19]，公式為

(11)

式中Mi——樣本物料含水率,g/g

g——樣本數(shù)CUm——均勻系數(shù)，%

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1流場均勻性分析

如圖3b所示，通過穩(wěn)壓腔和軸流風(fēng)機組合方式優(yōu)化后各出風(fēng)口速度主要集中在0.78～0.80 m/s范圍內(nèi)，各行速度偏差比E最大可達5.9%，速度不均勻系數(shù)為4.6%，滿足干燥裝備均勻性(80%以上)的要求。優(yōu)化后流場均勻性有顯著(P<0.05)提高，尖峰位置基本得到消除，模擬值與實測值的差異也在顯著(P<0.05)減小。這是由于不同轉(zhuǎn)速的軸流風(fēng)機(中心區(qū)域軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速慢，周圍轉(zhuǎn)速快)引導(dǎo)氣流在穩(wěn)壓腔區(qū)域發(fā)散并均勻流向出風(fēng)口。

為便于實現(xiàn)對氣流流速的實時監(jiān)測與調(diào)控，建立頻率、占空比與出風(fēng)口平均流速的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

2.3.2風(fēng)機選型計算

由于本文中干燥機的氣流循環(huán)管道較長，干燥介質(zhì)為高溫高濕狀態(tài)，所以選擇離心鼓風(fēng)機和軸流風(fēng)機串聯(lián)的形式以滿足風(fēng)量穩(wěn)定、風(fēng)壓高、風(fēng)速寬范圍調(diào)節(jié)的要求。

考慮到循環(huán)管路較長、耐熱防潮等需求，選用不銹鋼葉輪多翼式低噪聲離心鼓風(fēng)機(威虎機電有限公司)，型號為DF-1.6-Ⅱ，功率為370 W，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。

表2 頻率及占空比對應(yīng)出風(fēng)口平均氣流 速度關(guān)系Tab.2 Relationship between frequency and duty cycle and average air velocity at air outlet

根據(jù)干燥腔室內(nèi)部尺寸和風(fēng)速調(diào)節(jié)的要求，選取10個軸流風(fēng)機矩陣排布式固定于干燥腔室左側(cè)。

軸流風(fēng)機流量計算公式為[20]

(12)

式中Q——氣流流量，m3/s

h——風(fēng)扇直徑，取0.08 m

v——空氣流速，m/s

預(yù)計干燥腔室內(nèi)達到平均氣流流速為0.6 m/s。經(jīng)計算后得到所需氣流流量為0.018 m3/s，即 1.08 m3/min。故HD8038M12型和HD8038H12型的軸流風(fēng)機可以滿足干燥要求。

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計與選型

3.1 加熱管選型及箱體設(shè)計

預(yù)試驗表明，以干燥溫度60℃為例，連續(xù)排濕的工藝條件下，干燥前1 h所需要的能量占干燥過程中總能量的52%。干燥機批量最大去水總量為1.5 kg，則干燥前1 h所需加熱管功率為1.95 kW。

考慮到干燥機熱量散失和使用的安全性，選用單根W形翅片式電加熱管，功率為2.2 kW。

3.2 碳纖維紅外板選型

市場上碳纖維紅外加熱板有碳纖維導(dǎo)電紙式和碳晶涂層式兩種類型[20]。文獻[21]選用的碳纖維導(dǎo)電紙式加熱板中加熱區(qū)域內(nèi)存在明顯的高溫點和低溫區(qū)，最高溫度達到101.9℃，而低溫區(qū)溫度低于75℃(圖4a、4d)；圖4e顯示碳晶涂層式紅外加熱板的溫度差異小于10℃，而圖4c在其基礎(chǔ)上表面增加一層環(huán)氧樹脂材料，均勻性效果更加顯著(P<0.05)，圖4f顯示區(qū)域內(nèi)溫度差異(P<0.05)小于7℃。此外，碳晶涂層式加熱板升溫迅速，10 min以內(nèi)可達90℃以上，電-熱輻射轉(zhuǎn)換效率高于70%，不易產(chǎn)生形變，通電(220 V)后激發(fā)的紅外電磁波，波長主要分布在5～15 μm，介于中紅外線、遠紅外線之間[20]，對厚度大的物料穿透能力強，發(fā)熱面溫度最高可達120℃，具備良好的耐熱、耐燃和絕緣性能。因此選擇碳晶涂層式紅外加熱板(熱麗科技集團有限公司)，外形尺寸(長×寬×高)為500 mm×300 mm×2 mm，功率為0.15 kW。

圖4 紅外輻射加熱板結(jié)構(gòu)實物圖與溫度場分布圖Fig.4 Physical structure diagram and temperature field distribution diagram of infrared radiation heating plate

3.3 加濕及除濕裝置選型

采用變頻蝸殼式軸流風(fēng)機 (航達輝電子有限公司，HB9733型，風(fēng)速0～4 m/s范圍內(nèi)可調(diào))和HQ-2008A6型工業(yè)超聲波加濕器(浩奇電器有限公司，8.8 L大水箱，800 mL/h大霧量，可調(diào)節(jié)恒定相對濕度范圍0～95%)的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控干燥腔室內(nèi)相對濕度并保持其穩(wěn)定。圖5為干燥溫度恒定為50℃，相對濕度分別設(shè)定為30%、40%、50%和60%腔室內(nèi)部介質(zhì)的溫濕度變化曲線。由圖5可知，相對濕度響應(yīng)迅速，5 min左右不同相對濕度的曲線基本趨于穩(wěn)定，在設(shè)定值附近頻繁波動，誤差在3%以內(nèi)。

圖5 干燥室介質(zhì)相對濕度變化曲線Fig.5 Change curves of medium humidity in drying chamber

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是該干燥裝置的核心部分。如圖6所示，系統(tǒng)主機選用觸摸屏MT8102IE(威綸通科技有限公司)實現(xiàn)邏輯運算與人機交互，其余各功能系統(tǒng)之間通過3個COM口和1個以太網(wǎng)口與其連接通訊。根據(jù)控制系統(tǒng)功能可將干燥機劃分為介質(zhì)溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)、輻射溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)、風(fēng)速控制系統(tǒng)、能耗與干燥時間監(jiān)測系統(tǒng)等。

3.4.2界面設(shè)計

使用Easybuilder Pro編程軟件設(shè)計界面如圖7所示。主界面顯示干燥過程中物料中心溫度、介質(zhì)與環(huán)境的溫度與相對濕度、排濕風(fēng)機運轉(zhuǎn)狀態(tài)、離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機運轉(zhuǎn)狀態(tài)、干燥時間、紅外板溫度和輻射溫度狀態(tài)以及自動控制開關(guān)、手動開關(guān)、設(shè)置界面入口等操作選項。設(shè)定界面可分階段設(shè)定介質(zhì)溫濕度、風(fēng)速等工藝參數(shù)。曲線顯示界面可實時顯示物料中心溫度、紅外板溫度、輻射溫度、介質(zhì)溫濕度隨時間變化的動態(tài)過程。

圖6 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.6 Structural diagrams of control system

圖7 人機交互界面Fig.7 Human machine interface

3.4.3干燥溫度監(jiān)測與控制

該干燥裝置可實現(xiàn)單獨熱風(fēng)及紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥兩種工作模式。單獨熱風(fēng)干燥模式即僅開啟加熱管而關(guān)閉紅外加熱板電源，上位機根據(jù)安裝于料架上的溫度傳感器反饋的數(shù)值進行判斷并通過Modbus協(xié)議發(fā)送指令給歐姆龍溫控儀，實現(xiàn)對加熱管PID控制。紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥模式下需要紅外加熱板和加熱管同時通電工作。為避免加熱管產(chǎn)熱量與紅外輻射產(chǎn)熱量相互干擾，輻射溫度監(jiān)測點為物料表面附近的貼片式PT100型溫度傳感器，而介質(zhì)溫度監(jiān)測點位于加熱腔室內(nèi)部加熱管附近位置，上位機根據(jù)兩者的監(jiān)測值實時調(diào)控紅外加熱板及加熱管通斷時間。介質(zhì)溫度監(jiān)測點位于加熱腔室內(nèi)部有利于對流經(jīng)物料后冷卻的空氣彌補熱量流失，輻射溫度監(jiān)測點為物料表面附近，滿足實際需求，執(zhí)行元件能夠根據(jù)物料實時溫度作出響應(yīng)。該方式有效解決了輻射與對流熱量之間的串聯(lián)干擾問題，即對流熱量過高紅外加熱板長期不通電或者輻射熱量過高導(dǎo)致加熱管長期不通電。

3.4.4介質(zhì)濕度監(jiān)測與控制

已有干燥設(shè)備[16-17]多采用濕簾加濕或者過熱蒸汽等方式提高干燥腔室內(nèi)部相對濕度。濕簾加濕方式存在高延時、響應(yīng)慢的缺點，而過熱蒸汽溫度(110℃以上)遠高于干燥腔室溫度設(shè)定值對物料品質(zhì)造成影響。當(dāng)排濕口位于回風(fēng)管道位置，排濕口不僅不能排濕反而由于負壓作用使外界空氣倒吸入干燥腔室；當(dāng)排濕口位于干燥腔室背側(cè)位置，則會發(fā)生濕空氣迅速流失導(dǎo)致高相對濕度環(huán)境無法維持等問題。外界環(huán)境濕度的不穩(wěn)定性也會對干燥腔室內(nèi)部相對濕度精準(zhǔn)調(diào)控的實現(xiàn)造成負面影響。為解決上述問題，本文在進風(fēng)口處增設(shè)除濕裝置以濾除冷空氣中的水蒸氣。在干燥腔室內(nèi)部的料架附近安裝有溫濕度傳感器以監(jiān)測物料附近區(qū)域的介質(zhì)相對濕度。當(dāng)干燥腔室的相對濕度小于設(shè)定值時，加濕器釋放直徑約為15 μm的細小液滴在負壓作用下進入加熱腔室迅速汽化，隨后經(jīng)過進風(fēng)管道進入干燥腔室，當(dāng)相對濕度大于設(shè)定值時，排濕風(fēng)機在PWM模塊的控制下實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排除熱風(fēng)中的濕氣以實現(xiàn)降濕。相對濕度控制流程如圖8所示。

圖8 相對濕度控制流程圖Fig.8 Flow chart of relative humidity control

4 試驗

4.1 試驗材料與試驗環(huán)境

試驗物料選擇從北京當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I的新鮮飽滿白蘿卜和獼猴桃，切制成統(tǒng)一尺寸為直徑32 mm、厚度4 mm的圓片。參照文獻[22]中的標(biāo)準(zhǔn)干燥箱法進行測量。鮮白蘿卜和獼猴桃的初始含水率分別為(92.10±1.57)%和(85.71±1.97)%。

試驗地點溫度范圍為20～35℃，空氣相對濕度范圍為25%～50%。

4.2 試驗方法

4.2.1試驗設(shè)計

試驗參數(shù)設(shè)定為60℃，出風(fēng)口風(fēng)速固定為1 m/s， 考慮到需要對距離出風(fēng)口遠近及輻射不同區(qū)域進行物料取樣，為便于描述，將料盤劃分為1A、1B、1C、1D、2A、2B、2C、2D等多個區(qū)域，如圖9所示，滿載情況下分別進行單獨熱風(fēng)及紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥試驗。每組試驗重復(fù)3次，采用Origin 2018軟件計算3次試驗均值后作圖分析。

圖9 物料不同區(qū)域劃分示意圖Fig.9 Schematic of different area divisiosn of materials

4.2.2干基含水率測定

干基含水率Mt的計算公式為[23]

(13)

式中Wt——當(dāng)前時刻物料總質(zhì)量，g

Gd——物料干物質(zhì)質(zhì)量，g

Gt——當(dāng)前時刻物料質(zhì)量，g

4.2.3溫度測量

不同區(qū)域的物料中心位置插入4根PT100型傳感器(北京優(yōu)普斯科技中心，測量誤差為± 0.3℃)，所有數(shù)據(jù)每10 s記錄一次，并以Excel文件的形式存儲在U盤中。

4.3 試驗結(jié)果與分析

由圖10可知，紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥白蘿卜片至安全含水率用時300 min，比單獨熱風(fēng)干燥縮短33.3%時間，同樣紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥獼猴桃比單獨熱風(fēng)干燥有效縮短200 min。白蘿卜和獼猴桃內(nèi)部溫度達到目標(biāo)設(shè)定值的時間分別為200 min和170 min，比單獨熱風(fēng)干燥時間縮短46.7%和55.3%(圖11)。這是由于紅外輻射通過電磁波的形式照射到物料表面，引起物料內(nèi)部的晶格振動摩擦產(chǎn)熱，具有直接作用于物料內(nèi)部、熱流密度高、傳熱速率快的優(yōu)勢[21,24]。

此外，單獨熱風(fēng)干燥方式下不同干燥區(qū)域的物料干燥特性曲線有差異。具體表現(xiàn)在1A、1C、2A、2C干燥含水率下降速率略高于1B、1D、2B、2D(圖10a)，但沒有顯著性差異(P>0.05)。這是由穿流干燥在輸送路徑上風(fēng)速、風(fēng)溫逐漸降低，相對濕度逐漸升高導(dǎo)致的。區(qū)域A、C離熱風(fēng)出風(fēng)口近，當(dāng)熱風(fēng)流經(jīng)區(qū)域B、D時，風(fēng)速、風(fēng)溫略有衰減，但干燥腔室內(nèi)流程較短，區(qū)域B、D物料干燥時間與區(qū)域A、C基本接近。

圖10 不同干燥區(qū)域物料的干燥特性曲線Fig.10 Drying characteristic curves of materials in different drying areas

圖11 不同干燥區(qū)域物料的中心溫度曲線Fig.11 Central temperature curves of materials in different drying areas

紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥白蘿卜的干基含水率變化曲線及內(nèi)部溫度變化趨勢較為一致。這是由于輻射與對流之間在干燥過程中相互影響，較高的風(fēng)速會使得物料及紅外加熱板表面冷卻，雖能加速物料表面水分蒸發(fā)但不利于物料內(nèi)部溫度升高(圖11b、11d)，從而減弱傳質(zhì)效果。干燥速率取決于傳熱傳質(zhì)共同作用，因此該裝置在紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥作用下的干燥均勻性較好。對于獼猴桃這類芯部較硬、邊緣組織較軟且富含水分、糖類和脂類等營養(yǎng)成分的不均勻質(zhì)地物料，該裝置紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥方式下也表現(xiàn)出良好的均勻性效果。其原因可能分為兩方面，一方面是紅外加熱板表面輻射溫度的均勻性，另一方面是由于干燥速率受到紅外輻射光譜和物料成分是否匹配的影響，紅外加熱板不在單一波段或少數(shù)幾個波段上傳遞能量，同時脂類、糖類、水分和蛋白質(zhì)類等成分選擇性吸收光譜不同，不均勻的獼猴桃片中的表面吸收非單一頻率的光譜，發(fā)生匹配吸收、非匹配吸收和全模式覆蓋吸收等現(xiàn)象，因此獼猴桃內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分的差異在經(jīng)過紅外輻射的選擇性加熱后內(nèi)部溫升及干燥速率基本趨于一致[25-26]。

綜上所述，單獨熱風(fēng)、紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥白蘿卜片的干燥均勻系數(shù)分別為80.1%、85.9%，而獼猴桃片分別為78.0%和83.5%。結(jié)果表明干燥裝備均勻性較好。

5 結(jié)論

(1)采用超聲波加濕器和四線式可調(diào)速蝸殼風(fēng)機有效解決介質(zhì)無法達到高濕并保持穩(wěn)定的問題。選擇碳晶涂層式加熱板作為輻射源，以物料表面溫度為監(jiān)測值，運用積分分離式數(shù)字PID算法控制通電時間，物料溫度最終接近設(shè)定值并且干燥效率顯著(P<0.05)優(yōu)于單獨熱風(fēng)干燥。采用PWM占空比調(diào)節(jié)方法調(diào)控軸流風(fēng)機，通過變頻器調(diào)節(jié)離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速有效改善出風(fēng)口風(fēng)速的均勻性并實現(xiàn)寬范圍調(diào)節(jié)。技術(shù)參數(shù)具體為熱風(fēng)風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍0～3 m/s，輻射溫度及熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)范圍為0～120℃，相對濕度調(diào)節(jié)范圍為20%～60%，誤差均小于3%。

(2)采用穩(wěn)壓腔和高、低轉(zhuǎn)速軸流風(fēng)機結(jié)合有效改善沿管道軸線風(fēng)速高、周圍低的問題。優(yōu)化后均勻性驗證試驗結(jié)果表明速度偏差比最大可達5.9%，速度不均勻系數(shù)為4.6%。

(3)性能驗證結(jié)果表明，紅外聯(lián)合熱風(fēng)干燥不同區(qū)域物料的干燥特性曲線和中心溫度上升曲線基本接近，滿足干燥裝備均勻性良好的要求。