丁 羽，辛宏偉，王劍強，車興文，許威廣

（塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(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程中的一個重要環(huán)節(jié)，目前對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，上述清洗方式多對蔬菜、光皮水果等清洗效果較好，但對制干紅棗皺褶內(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，對清洗對象損傷小等優(yōu)勢［4-5］。國外針對超聲波清洗固體表面雜質(zhì)的液-固-氣多相流場數(shù)值模擬進行了研究，為超聲波清洗技術(shù)提供了理論支持［6-7］。國內(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，并對超聲波清洗根類中草藥黨參凈洗效果分析檢測項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］。吳艷麗等對中草藥超聲波清洗技術(shù)的多因素試驗進行研究，結(jié)果表明，當(dāng)超聲波功率、頻率、清洗時間分別為700 W、30 kHz、12 min時，人參的清洗效果最佳，潔凈度為99.8%［10］。馬少輝等設(shè)計了單池超聲波紅棗清洗裝置，分析了超聲波清洗紅棗機理；以預(yù)備試驗為基礎(chǔ)，確定了清洗機的參數(shù)及范圍，進行了制干紅棗超聲波清洗正交試驗，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紅棗細菌總數(shù)的影響，確定清洗工藝，清洗后紅棗中細菌總數(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)勢與超聲波清洗高效、高質(zhì)、去農(nóng)藥殘留、對紅棗損傷小等優(yōu)勢有機結(jié)合，設(shè)計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，對整機進行試驗，確定其工作參數(shù)，以提升紅棗清洗的效率和質(zhì)量。

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

本機設(shè)有噴淋沖洗池與超聲波精洗池兩個清洗池，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：紅棗由進料口進入噴淋沖洗池進行初洗，洗去較大的灰塵，同時對較硬污垢進行浸泡軟化；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入超聲波清洗池進行精洗，在超聲波空化效應(yīng)的連續(xù)作用下，進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，提高紅棗清洗效率，提升紅棗清洗品質(zhì)。本機將噴淋沖洗初洗與超聲波精洗有機結(jié)合起來，實現(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：使第二級超聲精洗池中水的濁度不超過限定值。當(dāng)超聲波精洗池中水濁度達到限定值時，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，對精洗池中的水進行二次利用，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 樣機及清洗試驗

加工制作完成的雙池超聲波紅棗清洗機右邊為噴淋初洗池，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，輸送的同時進行瀝水，瀝出的水回流至清洗池。

試驗原料：選用中國新疆阿拉爾市10團成熟落地的駿棗，人工正常撿拾。

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

試驗指標(biāo)：洗凈率和破損率的計算公式為：

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。

通過前期預(yù)試驗得出：影響超聲清洗效果的因素有超聲功率、超聲頻率、水溫和清洗時間，水溫不宜太高，不超過65 ℃，超過該溫度紅棗會出現(xiàn)熟化現(xiàn)象，水溫低有利于保護紅棗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分，清洗時間一般取2～4 min；當(dāng)超聲波頻率小于20 kHz時，紅棗表面會產(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 ℃，清洗時間：2，3min進行正交試驗，對本裝置的清洗參數(shù)進行進一步的優(yōu)化，對清洗裝置清洗效果進行試驗，試驗正交分析如表1所示。

表1 雙池超聲波清洗紅棗正交試驗分析

試驗結(jié)果：實際測量最優(yōu)組合為3號試驗，計算分析最優(yōu)組合為A（2）B（1）C（2）D（2），進行試驗驗證得出的洗凈率為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 ℃、時間為3 min時為最佳清洗條件，其洗凈率等指標(biāo)均達到了設(shè)計的要求，清洗效率高，清洗質(zhì)量優(yōu)。

2 控制裝置設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

總體方案設(shè)計釆用兩塊控制板進行設(shè)計。主控板主要用以控制外部強電外設(shè)設(shè)備：水閥、電機、加熱管等；顯示板主要用來顯示清洗機清洗紅棗的過程。系統(tǒng)采用STM32F103ZET6為控制核心，設(shè)計水渾濁度控制電路、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、語音識別器和LCD顯示模塊作為人機接口的輸入輸出設(shè)備。加熱器、電動機和超聲波發(fā)生器等釆用交流220 V驅(qū)動，MCU與這些部件之間，通過I/O口、光電隔離器、可控硅和繼電器等來進行控制。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控制和保護電路。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進行代碼編譯。采用模塊化設(shè)計方式進行程序設(shè)計，設(shè)計水渾濁度控制、水溫控制、水位控制過程。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行脫機和聯(lián)機調(diào)試，將外圍負載相連后，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、清洗時間、水位高度5個參數(shù)值。

3 雙池超聲波紅棗清洗裝置清洗池濁度變化計算

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)的微粒使得無色透明的水產(chǎn)生渾濁，其渾濁的程度稱為濁度，其值通過光線透過水層時受到阻礙的程度來確定，國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，如果蔬菜上攜帶的臟污全部進入到水中，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象的臟污程度有關(guān)，可作為清洗對象臟污程度的評價指標(biāo)。上式經(jīng)過變化可得，清洗水濁度變化量ΔT為：

3.2 帶水率、補水率

（1）帶水率。紅棗在清洗后，從清洗池撈出時會帶走一定量的水，帶水量與清洗紅棗的質(zhì)量成正比，可用帶水率來表示。紅棗帶水率指撈出單位質(zhì)量的紅棗時帶走水的體積量，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)過一段時間瀝水，使紅棗帶出的水基本上全部流回清洗池，因此本文在計算時，將紅棗帶水率忽略不計。

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

式中 Vp——紅棗補水量，L；

qp——紅棗補水率，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，通過補充新水對污水進行稀釋以降低濁度，維持濁度限定值。設(shè)紅棗逐次投放量和每次補充的水量均為常數(shù)，初始水量為，并且補充新水的濁度為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）如果每次補充新水Vp=qpm0，則清洗i批次后補充新水后的濁度Tm（i）為：

式中 Tm（i）—— 清洗第i批次后補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，初洗池為A，精洗池為B；補水時精洗池B中的水進入初洗池A，初洗池A中多余的水排出，精洗池B進入新水，維持精洗池B池的濁度限定值；清洗紅棗時進入初洗池的污物比例為λA，進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：補水過程，對于初洗池A放掉一部分水，然后由精洗池B補充，因此初洗池A會帶入精洗池B的部分濁度；對于精洗池B池，補充的為新水，精洗池B池水濁度變化完全由新水稀釋作用而引起變化。如果每次補水Vp=qpm0，則清洗批次后補充水后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批次后補水后初洗池A水的濁度，NTU；

TBm（i）—— 清洗第i批次后補水后精洗池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，采用單池時，設(shè)單池的初始上水量為、單位時間投放的紅棗量；采用雙池時，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，對于雙池清洗，因維持精洗池B中的濁度不超過限定值，所以決定補水的濁度主要由精洗池B池的濁度來決定，而B池的濁度主要由進入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，進入B池污物比例經(jīng)測量約為20%～30%，即B的取值約為0.2～0.3，因此在取相同濁度時，雙池注水次數(shù)和注水量遠小于單池；同時雙池清洗時每次排出的水為初洗池A池中的水，其水質(zhì)相對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)置可相對單池低一些，在節(jié)水的同時，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 耗水量計算

清洗耗水量的評價參數(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。總耗水量為清洗槽的初始水量與清洗過程中補充水量的總和，總耗水量和單位質(zhì)量耗水量的計算公式分別為：

式中 Vs——設(shè)備總耗水量，L；

V0——單個清洗池的初始水量，L；

n'——設(shè)備清洗池個數(shù)；

Vp——清洗過程中逐次補水量，L；

n ——清洗過程中補水次數(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，精洗池B給初洗池A補水，初洗池A多余的水排掉，精洗池B補充清水，B池水濁度不超過限定值Tl，根據(jù)限定值可確定補水率qp。雙池連續(xù)清洗時，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 樣機耗水測試

在試驗室對雙池超聲波紅棗清洗機樣機的性能進行測試時，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上，整機運行模式采用自動智能模式，其紅棗清洗耗水量如圖4所示。相對于6HT-1000型紅棗清洗機耗水量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

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

（2）通過推導(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）通過對雙池超聲波紅棗清洗機樣機的設(shè)計制作，并進行運行試驗，確定其工作頻率為28 kHz、功率為400 W、水溫為50 ℃、時間為3 min，對其耗水量進行了試驗，耗水量明顯降低。