張 順，陸文慧

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司的扶貧點(diǎn)王山村所在的西和縣是甘肅的深度貧困縣，花椒種植作為當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)，當(dāng)仁不讓地成為當(dāng)?shù)厝罕姅[脫貧困的主要途徑。這里的花椒主要以家庭農(nóng)戶為單位進(jìn)行種植，由于規(guī)模所限，收獲的花椒果實(shí)多為農(nóng)戶自行烘干處理。但是，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)采用自然晾曬的方法，具有工效低、時(shí)間長(zhǎng)、受天氣變化影響大的缺點(diǎn);亦有采用人工土烘房烘烤方式進(jìn)行快速烘干，但人為烘烤方式具有烘烤溫度、時(shí)間難控制、烘烤過(guò)程不衛(wèi)生、烘干成平品質(zhì)差等缺點(diǎn)。采用烘干機(jī)械烘干的方式優(yōu)勢(shì)明顯，因此尋求經(jīng)濟(jì)高效的花椒烘干機(jī)械成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要現(xiàn)實(shí)解決的問(wèn)題。筆者重點(diǎn)是針對(duì)花椒烘干作業(yè)需求，通過(guò)調(diào)節(jié)烘干機(jī)艙內(nèi)空氣濕度含量、調(diào)節(jié)烘干作業(yè)溫度、合理分配熱氣流導(dǎo)向、優(yōu)化烘干規(guī)?？刂?，研制出溫度自適應(yīng)的經(jīng)濟(jì)作物小型烘干機(jī)，達(dá)到小規(guī)模高效節(jié)能烘干農(nóng)作物的目的。

1 烘干機(jī)現(xiàn)狀調(diào)研

以隴南市西和縣當(dāng)?shù)胤N植的花椒烘干為對(duì)象，對(duì)市售烘干機(jī)進(jìn)行調(diào)研，主要發(fā)現(xiàn)三方面問(wèn)題。

(1) 大型烘干設(shè)備造價(jià)高、規(guī)模不適應(yīng)山地家庭單位作業(yè)。針對(duì)花椒烘干已有成熟的烘干設(shè)備，但市售的大型花椒烘干機(jī)大多一次性可裝載1 000 kg以上待烘材料，適用于大批量集、規(guī)模化烘干作業(yè)，多適用于企業(yè)用戶[1]。但在分散規(guī)模作業(yè)的地區(qū)，一家農(nóng)戶每天約采摘花椒100 kg，使用專門的花椒烘干設(shè)備較為浪費(fèi)，且烘干對(duì)象規(guī)模不便于調(diào)整；機(jī)器大多采用380 V動(dòng)力電源，設(shè)備購(gòu)置成本、使用成本均不適用于作業(yè)規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)。

(2) 目前市售的小型家用烘干機(jī)一次烘干規(guī)模約裝料50 kg，但缺乏針對(duì)不同種類農(nóng)作物特點(diǎn)進(jìn)行精確烘干控制的功能。市售的小型家用烘干機(jī)控制過(guò)程簡(jiǎn)單，直接以溫度、時(shí)間為閾值進(jìn)行控制；大部分機(jī)器兼用干燥機(jī)械，沒(méi)有配套的控制模擬模塊，無(wú)法對(duì)應(yīng)不同農(nóng)作物特點(diǎn)對(duì)烘干速率、烘干終止點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)控制或預(yù)測(cè)，易于出現(xiàn)烘干不均勻、烘干過(guò)度、烘干不充分現(xiàn)象頻發(fā)的狀況，無(wú)法保證農(nóng)產(chǎn)品烘干成品的品質(zhì)[2]。

(3) 市售烘干機(jī)配風(fēng)方式較為單一，不利于烘干對(duì)象的均勻干燥。目前大部分烘干設(shè)備采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣流強(qiáng)迫循環(huán)，對(duì)機(jī)箱內(nèi)氣流使用加熱管加熱，送入烘干機(jī)熱床，最后將濕熱空氣直接排出。這種加熱方式未能充分利用加熱設(shè)備的熱效率，冷熱空氣交換頻繁，加熱、烘干效率較低；同時(shí)，由于在烘干時(shí)，機(jī)器對(duì)烘干熱床上的半成品進(jìn)行翻動(dòng)，持續(xù)的單純加熱又容易造成烘干對(duì)象局部過(guò)熱，嚴(yán)重影響花椒品質(zhì)。

2 設(shè)計(jì)方案及原理

結(jié)合隴南西和縣大橋鎮(zhèn)花椒生產(chǎn)的實(shí)際情、當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)濟(jì)狀況以及日后作業(yè)類型的可擴(kuò)展性，對(duì)傳統(tǒng)家用烘干機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)研制了“一種溫度自適應(yīng)的農(nóng)作物小型烘干機(jī)”，應(yīng)用了自動(dòng)控溫與配風(fēng)原理，保證花椒烘干過(guò)程中溫度的精準(zhǔn)性和風(fēng)量的均勻性，同時(shí)烘干機(jī)還設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)與加熱系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能，以確保烘干過(guò)程的安全可靠。

2.1 控制流程

花椒作為調(diào)味品類的經(jīng)濟(jì)作物，消費(fèi)者對(duì)其色、香、味均有較高要求?；ń吩诤娓蛇^(guò)程中對(duì)環(huán)境溫度較為敏感，通常在烘干過(guò)程中，溫度不能過(guò)高，不能對(duì)烘干熱床上的半成品隨意攪動(dòng)，否則會(huì)造成花椒果皮油胞破裂而出油，使得花椒自身的麻味急劇下降，嚴(yán)重影響花椒品質(zhì)。但是，如果持續(xù)采用低溫烘干，一方面會(huì)使得花椒烘干過(guò)程漫長(zhǎng)，耽誤花椒上市時(shí)間；一方面缺少短暫高溫加熱，花椒氣味較為平和，不能激發(fā)花椒自身香味，不利于花椒售價(jià)提高。因此花椒烘干既要保證不能過(guò)度烘烤，又要在適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)其進(jìn)行短時(shí)間高溫烘焙[3]。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在烘干工程中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)花椒的烘干時(shí)間、烘干溫度進(jìn)行分階段控制，主要可分成三個(gè)階段，烘干作業(yè)流程圖見(jiàn)圖1所示。

(1) 第一階段，0～2 h。此階段采用低溫持續(xù)排風(fēng)烘干，排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，通過(guò)對(duì)烘干機(jī)中的潮濕花椒進(jìn)行強(qiáng)制冷風(fēng)循環(huán)，將花椒表面水分祛除。此階段將機(jī)箱內(nèi)環(huán)境濕度和風(fēng)速作為感應(yīng)信息，通過(guò)對(duì)濕度的持續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)控制送風(fēng)量大小。此階段無(wú)需加熱，因此配風(fēng)裝置狀態(tài)全開(kāi)，便于機(jī)箱內(nèi)濕冷空氣和外界干燥空氣的交換。

(2) 第二階段，第2～6 h。經(jīng)過(guò)第一階段的裝料及強(qiáng)制風(fēng)干，機(jī)箱內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到機(jī)箱內(nèi)環(huán)境濕度變化程度降低后，自動(dòng)進(jìn)入第二階段，控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行變溫控制，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)濕度變化調(diào)節(jié)加熱模塊工作功率，并對(duì)配風(fēng)口進(jìn)行控制，通過(guò)使用熱風(fēng)擋板及預(yù)先設(shè)置的風(fēng)機(jī)在機(jī)箱內(nèi)的不對(duì)稱分布方式，使該階段的溫度變化較快。當(dāng)機(jī)箱內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到機(jī)箱內(nèi)環(huán)境溫濕度變化較大時(shí)，烘干機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)配風(fēng)口開(kāi)閉狀態(tài)，利用熱氣流上升原理，使靠近熱風(fēng)通路的進(jìn)風(fēng)口打開(kāi)，使熱風(fēng)在箱內(nèi)循環(huán)加熱，靠近冷空氣交換的風(fēng)口關(guān)閉，同時(shí)對(duì)箱體內(nèi)濕度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。在這個(gè)階段，花椒皮收縮并開(kāi)始裂口，因此這個(gè)階段分段控制和溫度范圍尤其重要，溫度過(guò)低會(huì)使能源得不到有效使用，并延長(zhǎng)烘干時(shí)間，降低烘干效率;溫度過(guò)高會(huì)使花椒油胞破裂，甚至出油，降低花椒品質(zhì)。

(3) 第三階段，第6 h～烘干結(jié)束。第二階段結(jié)束后，花椒皮收縮并出現(xiàn)裂口，機(jī)箱內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到濕度變化不大時(shí)，可判斷烘干工序中的除濕過(guò)程基本完成，此時(shí)需要繼續(xù)提高烘干溫度，維持箱體內(nèi)溫度在70 ℃左右，一方面進(jìn)行繼續(xù)的水分祛除，另一方面是針對(duì)花椒作為調(diào)味品，需要對(duì)其進(jìn)行香味的激發(fā)，通過(guò)前兩個(gè)階段的烘焙，花椒果實(shí)已經(jīng)可以較為堅(jiān)硬，此階段的烘焙可以保證花椒在不損失油包的前提下到達(dá)到激發(fā)花椒本身香氣的效果，并且通過(guò)實(shí)時(shí)的溫濕度監(jiān)測(cè)，避免溫度的不合理波動(dòng)，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的干燥程度要求。

圖1 烘干作業(yè)流程圖

通過(guò)對(duì)箱體內(nèi)溫度-濕度-風(fēng)量的監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)匹配，經(jīng)過(guò)以上三個(gè)階段的烘干，能夠保證花椒顏色鮮艷，香味醇厚，與傳統(tǒng)的恒溫烘干設(shè)備烘焙的花椒相比，品質(zhì)更好，烘干效果示意圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 烘干效果示意圖

2.2 性能指標(biāo)

此項(xiàng)目研制的溫度自適應(yīng)的農(nóng)作物小型烘干機(jī)采用220 V民用供電，單機(jī)功耗最大4 kW，功率隨烘干過(guò)程中溫濕度變化需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，具備主動(dòng)節(jié)能的功能。

除對(duì)農(nóng)產(chǎn)品可進(jìn)行靈活智能化的溫度-濕度-風(fēng)量匹配外，進(jìn)行了箱體和控制裝置的可拆卸式設(shè)計(jì)，既采用了控制裝置與烘干箱體的“一拖N”設(shè)計(jì)方法，通過(guò)這種配置方式，既可以進(jìn)行單臺(tái)烘干機(jī)的獨(dú)立控制，又可以根據(jù)農(nóng)作物的采摘規(guī)模進(jìn)行多臺(tái)加入一臺(tái)控制器總線的配置方式，即可自行改變烘干規(guī)模，又不需要采購(gòu)多臺(tái)控制器。通過(guò)采用靈活的“一拖N”配置方式，可以在增加規(guī)模的同時(shí)節(jié)省設(shè)備造價(jià)的升高，很好地適應(yīng)于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景。

與市場(chǎng)同類小型烘干機(jī)械對(duì)比，若采用批量化原材料采購(gòu)及裝備生產(chǎn)時(shí)，單臺(tái)烘干機(jī)成本能夠控制在2 000元以內(nèi)，在與市售小型烘干機(jī)進(jìn)行同等4 kW功率下條件進(jìn)行烘干作業(yè)，對(duì)烘干對(duì)象的含水量進(jìn)行測(cè)定，本項(xiàng)目的小型烘干機(jī)的烘干能力可提高22.2%。在同等烘干程度的前提下，因研制出的烘干機(jī)可根據(jù)溫濕度變化進(jìn)行不同烘干階段的轉(zhuǎn)換和功率的實(shí)時(shí)控制，可提升烘干效率，與市售同類烘干機(jī)相比，烘干時(shí)間可由通常的24 h縮短至16 h，烘干時(shí)間下降了37.5%。

此項(xiàng)目新研制的小型烘干機(jī)能夠進(jìn)行溫度、濕度預(yù)設(shè)，或進(jìn)行自動(dòng)化溫濕度控制，自動(dòng)化程度高、箱體內(nèi)冷熱氣流風(fēng)量大、分布均勻、可進(jìn)行主動(dòng)功耗調(diào)節(jié)，總體能耗能小，通過(guò)多種技術(shù)手段的改進(jìn)，在已經(jīng)試點(diǎn)推廣的地區(qū)進(jìn)行花椒烘干作業(yè)后表明，可保證烘干出的成品花椒品質(zhì)好，每公斤干花椒的售價(jià)可提高約6元，不考慮采用自然烘干過(guò)程中的減產(chǎn)率，仍可使每畝增收600元以上，每公斤濕花椒烘干過(guò)程與市售花椒相比節(jié)約電費(fèi)0.25元。

3 試驗(yàn)及效果

項(xiàng)目研制的烘干機(jī)可通過(guò)在烘干作物的過(guò)程中對(duì)烘干機(jī)艙內(nèi)空氣濕度含量調(diào)節(jié)烘干作業(yè)溫度、合理分配熱氣流導(dǎo)向，以及靈活的烘干規(guī)模控制，達(dá)到小規(guī)模高效節(jié)能烘干農(nóng)作物的目的。包括箱體和箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)，加熱裝置、溫濕度采集器、設(shè)備并行接口，其特征為：箱體上進(jìn)氣口擋板及排氣口擋板與箱體內(nèi)腔構(gòu)成配風(fēng)通道，氣流主要靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫流動(dòng)，箱體內(nèi)通過(guò)溫濕度采集器采集到的溫度、濕度為控制指標(biāo)，對(duì)進(jìn)氣擋板、排氣擋板、加熱裝置進(jìn)行控制，形成溫度自適應(yīng)的烘干策略，多臺(tái)設(shè)備可通過(guò)設(shè)備并行接口共享一套控制裝置進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定。從2018年7月研制成功后至今，烘干機(jī)經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的應(yīng)用，其靈活、智能、高效的烘干效果已得到充分驗(yàn)證，設(shè)備可進(jìn)行農(nóng)戶分散收獲花椒等農(nóng)作物后及時(shí)烘干作業(yè)。新型烘干機(jī)成本約為市場(chǎng)同類產(chǎn)品價(jià)格的40.7%～53.1%，通過(guò)科學(xué)合理的烘干模式，可對(duì)烘干對(duì)象進(jìn)行均勻快速烘干，提高了農(nóng)作物烘干效果，提升產(chǎn)品品質(zhì)。此外，研制出的烘干機(jī)具備專門的風(fēng)機(jī)與加熱系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能，并裝有具有漏電保護(hù)的斷路器，控制單元配置了過(guò)溫保護(hù)邏輯，使用過(guò)程操作簡(jiǎn)便、安全可靠。

創(chuàng)新點(diǎn)包括：

(1) 風(fēng)機(jī)及進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口擋板的不對(duì)稱位置分布進(jìn)行內(nèi)部配風(fēng)及促進(jìn)除濕。通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)靠近箱體一側(cè)的不對(duì)稱位置布置，保障了循環(huán)氣流在烘干箱內(nèi)以較為均勻的方式循環(huán)，避免烘干板中部過(guò)熱，靠近箱體側(cè)板處升溫慢；以溫度為控制目標(biāo)，溫度低時(shí)擋板關(guān)閉，熱風(fēng)循環(huán)加熱，溫度高時(shí)擋板打開(kāi)，利于濕熱空氣排出箱內(nèi)。

(2) 以箱體內(nèi)空氣濕度為控制指標(biāo)的溫度自適應(yīng)控制方式。通過(guò)箱體內(nèi)的溫濕度傳感器獲得的數(shù)值，烘干機(jī)加熱單元進(jìn)行自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)，一方面可避免烘干早期溫度上升速度過(guò)快造成農(nóng)作物局部受熱造成品質(zhì)下降，一方面可結(jié)合作物含水情況自動(dòng)選擇溫度進(jìn)行均勻烘干。

(3) 多臺(tái)箱體共用一套控制器的“一拖N”并聯(lián)運(yùn)行方式。通過(guò)靈活配置烘干箱體連接數(shù)，降低設(shè)備制造成本，并可靈活安排烘干規(guī)模。

4 結(jié) 論

研制出的烘干機(jī)主要應(yīng)用于隴南市西和縣大橋鎮(zhèn)王山村的花椒初步加工烘干過(guò)程，在國(guó)網(wǎng)甘肅電力脫貧攻堅(jiān)扶貧工作中取得了顯著成效。該項(xiàng)目研制的小型烘干機(jī)仍存在一些問(wèn)題，也是今后裝置進(jìn)一步研究和改進(jìn)的主要方向。

(1) 目前采用自采原材料進(jìn)行裝配，未能形成規(guī)模化生產(chǎn)，材料采購(gòu)成本仍有降低空間。

(2) 外觀設(shè)計(jì)有待優(yōu)化，可進(jìn)行防銹、美觀化涂裝，利于產(chǎn)品進(jìn)行工業(yè)化銷售。

(3) 對(duì)該機(jī)械的控制界面有更具人性化、智能化改進(jìn)空間。