陸振能，劉雨兵，姚 遠，曲 勇，王海祥，龔宇烈?

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學院大學，北京 100049；5.煙臺歐森納地源空調(diào)有限公司，山東 煙臺 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，還會造成環(huán)境污染。充分利用中低品位的熱能對工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品進行干燥是實現(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干燥技術(shù)是近年來研究的熱點。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[3-5]。堵勁松等[6]實驗考查了濕度對白肋煙處理質(zhì)量的影響時指出，針對不同質(zhì)量特點的白肋煙采用相應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，并縮短干燥時間。巨浩羽等[8-10]在胡蘿卜熱風干燥研究中發(fā)現(xiàn)，基于物料溫度的自適應控濕方式干燥后的胡蘿卜相比于前期相對濕度50%、后期相對濕度20%兩個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，干燥時間僅為18 h，干枸杞色澤良好，多糖含量高且復水率高。

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)好的干燥對象，但是在不同熱源、干燥對象和外部環(huán)境等條件下，各階段的干燥溫度和相對濕度的設定和保持時間并沒有具體的理論依據(jù)，最優(yōu)控制工藝的獲取需進行大量的試驗嘗試或者人工經(jīng)驗。本文根據(jù)前期的實驗，將分段干燥分為四段，著重分析以中低溫地熱水為加熱熱源，直接通過換熱器加熱干燥房內(nèi)循環(huán)熱風的條件下，干燥系統(tǒng)的干燥效果和能耗情況，為實際生產(chǎn)應用過程提供技術(shù)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設計與技術(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個物料架，每個物料架有13層，層與層之間的間距可調(diào)節(jié)。風機和加熱盤管安裝在垂直懸吊于窯頂?shù)匿X隔風墻上。在隔風墻下水平安裝的波紋狀導風板，與加熱盤管相接，把風機與物料分隔開，風機扇動的氣流經(jīng)過加熱盤管和物料層返回風機另一側(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熱能、工業(yè)余熱等，當采用不穩(wěn)定的太陽能為熱源時需加有儲熱設備，或與其他穩(wěn)定的能源聯(lián)合使用。當與熱泵聯(lián)合使用時，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（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)風機的兩側(cè)，兩側(cè)的加熱盤管可同時工作，也可根據(jù)風機的旋轉(zhuǎn)方向及設定的溫度參數(shù)獨立工作，以達到最佳節(jié)能效果，每間干燥房頂部安裝3臺額定風量為12 000 m3/h的軸流風機作強制循環(huán)通風，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。風機的定時換向減少物料進氣側(cè)與出氣側(cè)溫濕度的不均勻性。三通電動調(diào)節(jié)閥可控制進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)設在干燥室頂部，每單元由一組不銹鋼換氣管組成。每個管口裝有蝶閥，6只蝶閥由連動桿連接，同時動作，構(gòu)成一套換氣門。6條風管的特定結(jié)構(gòu)保證了進氣和排氣的合理布局。風機轉(zhuǎn)動方向改變時，換氣流的方向也隨之改變。換氣門由一套伺服機構(gòu)驅(qū)動，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)采用了兩級微處理器結(jié)構(gòu)。

第一級微處理器位于執(zhí)行機構(gòu)控制柜中，其功能是監(jiān)測各種設備狀態(tài)，包括三通流量閥及電動換氣門的位置（開啟度）和可逆循環(huán)風機的運行狀態(tài)（包括方向、風速），將監(jiān)測所得的設備狀態(tài)實時地送到系統(tǒng)前端機，并且根據(jù)前端機的命令，使系統(tǒng)各執(zhí)行機構(gòu)，即三通電磁流量閥、電動換氣門和可逆循環(huán)風機始終處于正確的位置或狀態(tài)。

第二級微處理器位于系統(tǒng)前端機中，其功能是控制相應的電路，對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、風速等）的信號進行放大、修正和模糊化處理，依據(jù)系統(tǒng)主機設定的工藝對干燥過程的環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)等進行模糊邏輯處理進而實現(xiàn)模糊決策，通過執(zhí)行機構(gòu)控制柜對各執(zhí)行機構(gòu)實施調(diào)節(jié)，保證在整個干燥過程中都有一個適當?shù)沫h(huán)境。控制流程如圖3所示。

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

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

試驗干燥原料為新鮮杏鮑菇樣品，經(jīng)過去根、清洗、切片預處理。

2.2 測試儀器和方法

溫度和濕度測定分別采用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）；風速測定采用EE65-VB5型風速儀（深圳市現(xiàn)代豪方儀器儀表科技有限公司）；流量測定采用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)測采取人工稱重及肉眼觀察的方法，即定時取固定樣本進行重量分析，并用肉眼觀測其干燥品質(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—每個階段的能耗，kJ；ΔM—每個階段物料水分蒸發(fā)量，kg。各個階段的能耗按下式進行計算

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

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

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

干燥速率（drying rate, DR）的計算采用如下公式：

式中：DR為干燥過程中時間在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間為τ1和τ2時杏鮑菇的干基含水率，kg/kg。

2.3 干燥測試運行條件

試驗用的熱源為溫度66℃、流量33 m3/h的地熱水。結(jié)合前期的預試驗，以圖4的參數(shù)分四階段進行驗證試驗。本次試驗新鮮杏鮑菇總質(zhì)量1 186 kg，干燥房內(nèi)布置3排物料架，每排3個物料架，每個物料架有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間變化曲線。

圖5 不同位置的溫度隨時間變化曲線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，此種溫度趨勢在階段1和階段2尤其明顯，階段3后期該趨勢逐漸降低，階段4三者溫度趨于一致。與設定溫度相比，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，干燥熱風的相對濕度大，焓值也大，排濕時帶走的能量大，因而造成溫度的波動和偏離。因此，在控制精度的設計上應首先能保證排濕對熱風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)另一個需要考慮的重要因素，風速大則熱風與物料的對流換熱系數(shù)大，利于熱風與物料間的傳熱，而各個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為某典型風機正反轉(zhuǎn)周期流速分布曲線，風機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)造成風速出現(xiàn)正負值。由圖可見熱風的風速在0.5 ～ 1 m/s之間，滿足干燥系統(tǒng)的設計要求。中部風速高于頂部，流速分布不一致是造成溫度分布不均的重要因素之一。設計時應對頂部溫度場進行優(yōu)化，如增大物料架之間的空間，增加導流板等。

圖6 不同位置氣流速度隨時間變化曲線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間變化曲線，由圖可見隨著干燥時間的增加，物料干基含水率呈遞減的趨勢，當干燥時間達到24 h時物料質(zhì)量幾乎不再變化。對比圖8來看，階段3物料質(zhì)量隨時間變化率最大，即干燥速率最大，階段1最小，整個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，相對濕度容易達到設定值，系統(tǒng)排濕帶走大量的焓值大的濕空氣，因而需要補充大量的熱量，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。整個干燥過程中的總體能耗因子為391.2 kJ/kg。

圖7 含水率隨時間變化曲線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，設計了一種可控溫濕度的中低溫熱源干燥系統(tǒng)，可以地熱能和工業(yè)余熱等中低溫熱能作為熱源，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)三通電磁閥和電動換氣門的開度，實現(xiàn)對干燥系統(tǒng)溫濕度控制；

（2）干燥系統(tǒng)溫度分布較均勻，氣流流速分布對溫度分布的影響較大，系統(tǒng)在整個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，因此階段溫度的設計既要考慮產(chǎn)品工藝的要求，又要考慮濕度設定對能耗和溫度控制的影響。