盘式热风与红外联合干燥机设计与试验

2019-12-21张湘楠姚雪东魏事宇曹玉雪朱荣光

农机化研究 2019年1期

张湘楠，姚雪东，黄勇，郑霞，王强，魏事宇，曹玉雪，朱荣光

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000)

0 引言

干燥是许多农产品及食物长期保藏的一种经济有效的方法，也是一种重要的加工工艺[1]。热风干燥简单、成本造价低，但容易对产品造成表面硬化、溶质散失等不利影响[2]，且热风干燥干燥效率低、干燥时间长。将热风与其他干燥方式联合进行干燥的方式是干燥领域的一种发展趋势。红外辐射干燥是利用红外发热器发射出的红外线照射到被加热物料上，并被吸收转化为热能，从而实现加热和干燥的一种方法[3]。红外干燥具有升温时间短、生产能力强、无污染[4]等优点，但红外干燥有其自身缺点，如加热不均、营养物质损害严重[5]等。另外，红外干燥中，物料内部的水分在电磁波谱的作用下由内向外蒸发，蒸发区域的水气会吸收红外热量，以致辐射到物料表面的能量有损，阻碍干燥的顺利进行。

国内外的干燥研究多是针对干制品干燥前后的对比研究[6-8]，而针对干燥过程中干制品实时分析对比的研究结果较少。

针对上述问题，本文设计了一种将热风与红外联合干燥的盘式干燥机并配备温湿度控制系统。同时，为研究干燥过程中干制品色泽及含水率的变化，结合在线称重技术[9]和计算机图像处理技术[10]，设计了自动称重系统和在线图像提取系统。

1 整机结构和工作原理

系统装置主要由干燥室、加热系统(热风与红外)、排湿系统、自动称重系统及图像提取系统构成，如图1所示。

1.风机 2.进风通道 3.加热机构 4.干燥室 5.图像提取系统 6.自动称重系统 7.回风通道 8.电磁阀图1 系统整体结构图Fig 1 The chart of the whole machine structure

干燥系统主要由热风与红外联合加热机构、热量循环与利用机构及排湿机构组成；在线检测系统包括自动称量系统和图像提取系统。

空气在风机的作用下，进入进风通道被电加热管加热至设定温度，具有一定温度与流速的热气流到达干燥室，对物料盘上的物料进行对流换热。干燥室内的红外加热管可以进行干燥初期预热阶段的快速升温和干燥过程中的辅助加热。同时，干燥室上方的电子天平可以实时检测物料盘内的物料质量并将数据传输到PC机器上以分析物料含水率的变化；CCD相机可以实时提取物料盘上物料表面的图像并传输到PC机上进行后续处理，分析物料干燥过程中色泽的变化。

2 关键部件设计

2.1 加热机构设计

加热机构主要由电加热管、进风通道、红外加热管及料盘组成，如图2所示。

1.进风通道 2.电加热管 3.红外加热管 4.物料盘托架 5.物料盘图2 热风与红外联合干燥机构图Fig.2 The chart of the combined drying mechanism of hot blast and infrared radiation

电加热管功率为1.5kW/根；红外管选取碳纤维式红外加热管，功率为0.8kW/根。干燥预热阶段，电加热管和红外管同时打开，由于红外加热为辐射加热且具有穿透性，可以对干燥室内的空气及干燥箱壁面进行全面辐射加热，带有一定温度和风速的空气从进风端进入，带走由红外管加热的空气；同时，电加热管对进风端的空气进行加热，这两种加热方式相互联合，快速升高干燥室内的温度，达到设定温度。

电加热管位于进风通道内，干燥进行中，空气由电加热管加热，带有一定温度和风速的热风由进风端进入干燥室内，进行对流干燥作业；红外管位于干燥箱内，红外管呈对称位置分布，可以更好地对物料盘区域进行辐射加热。红外管主要进行辅助加热，若进风端温度低于设定温度，则红外管自动打开进行热量补偿。

2.2 料盘机构设计

料盘机构由物料盘、料盘托架整体及固定片组成，如图3所示。物料盘放置于托架上的阶梯上，可以调节料盘高度。固定片选取相同长宽的轻质铝合金制成，固定于两个托架上，以维持整体的稳定性和平衡性。

可放置最上端和最下端物料盘最大间距为360mm，可放置的最小间距为30mm，该干燥箱内部物料盘层数为3～6层。物料盘托架上有多个阶梯可用于搁置物料盘。干燥作业时，可根据不同物料的干燥特性、大小、形状等，对物料盘间距、物料盘层数进行适当的调整，适应不同物料的具体干燥条件。

图3 物料盘及托架机构图Fig.3 The chart of material tray and bracket

2.3 排湿系统

排湿系统由排湿阀、吸气阀和回风通道组成，如图4所示。干燥进行中，与物料对流换热的空气进入回风通道后进行热量循环；当气流湿度超过设定值上限时，位于干燥室附近的排湿阀打开，高湿空气自动排至干燥室外；同时，在大气压的作用下，等量的低湿新鲜空气由位于风机进风端的吸气阀吸入至回风管道内，以确保通道内湿度在设定值范围内。

1.排湿阀 2.回风通道 3.进气阀图4 排湿机构Fig.4 The chart of the moisture removing mechanism

2.4 自动称重系统

自动称重系统主要由电子天平、天平秤板、称重连杆、料盘托架等构成，如图5所示。电子天平位于干燥箱的上方，天平秤板水平放置于电子天平上，与物料盘及托架整体通过称重连杆相连，借助上述机构可以对物料盘上的物料进行整体称重，干燥过程中可以记录物料的重量以分析含水率的变化。

1.天平秤板 2.电子天平 3.称重连杆 4.干燥箱 5.物料盘及托架整体图5 自动称重系统Fig 5 The chart of weighing system

通过选取不同量程、不同精度的天平可以获得对更多种类的物料进行干燥和在线检测。该机构所选取天平为舜宇恒平JA41002，量程为4 100g，精度为0.01g，该天平配有RS-232串口，可以通过串口向PC机传输数据，且可以设定数据传输时间周期，以串口通信技术可以由PC机上以VC或VB等编程软件制作上位机界面，实时显示物料含水率的变化。

含水率计算公式为

其中，Wt为t时刻的湿基含水率；Mt为t时刻物料的质量；M0为初始物料的质量；W0为初始时刻的湿基含水率。

2.5 图像提取系统

图像提取系统主要由CCD相机、LED光源、玻璃及增透膜、料盘及托架构成，如图6所示。

工业相机位于干燥箱上方，透过玻璃对物料盘上的物料进行图像提取并将图像传输至PC机上进行后续处理。相机可以在调节架槽上进行高度调节，以获得物料盘上物料表面的清晰图像。工业相机通过相机高度调节架上的槽可以进行高度调节完成对焦，由此得到物料盘上的高清图像。选取2mm厚度玻璃，并在玻璃下侧增添增透膜以增加图像的清晰度。相机选取MV-EM1400C,像素为4 608×3 288，可采集最大面积为120mm×80mm。光源为低角度环形LED光源，可以照亮相机正下方所采集的150mm×150mm矩形区域。

1.CCD相机 2.调节架 3.LED光源 4.干燥箱 5.物料盘及托架整体图6 图像提取系统Fig.6 The chart of the Image extraction system

如图7所示,由相机提取的初始图像为RGB图片，进行枣片特征区域分割，RGB2Lab转化后读取枣片表面的色泽，分析色差。

色差计算公式为

其中，△E*为t时刻的色差值;△L*为t时刻亮度值与初始时刻的差值;△a*为t时刻a*与初始时刻的差值;△b*为t时刻b*与初始时刻的差值。

图7 图像处理过程流程图Fig.7 The flow chart of image processing

3 控制系统

控制系统的作用是实现干燥机内温湿度数据的采集与控制。干燥机控制主要是对干燥条件的控制，即热风温度、湿度及风速。进风端温度选取温控器进行控制，出风端的湿度信号由AT89C52进行控制，风速由变频器控制。

本系统所控制装置选取温控器进行温度控制，所选型号为欧姆龙E5EZ，该温控器支持多种传感器类型，控制精度高、应用范围广泛。该干燥机中采用铂电阻Pt100作为温度传感器，控制精度为±0.2℃，湿度以AT89C52单片机为核心进行控制，控制精度为±5%，其控制系统结构框如图8所示。

图8 控制系统硬件结构框图Fig.8 The chart of the control system

4 性能试验

以新疆盛产的冬枣片为试验材料进行性能试验，经过烘干失重法测定，所选取冬枣的初始湿基含水率为(78±2)%。放置料盘3层，物料盘层间距为80mm，风温为55、65、75℃，进风口风速为2.5m/s，进行干燥试验，并分析干燥过程中色泽及含水率的变化。将冬枣进行预处理并切片(厚度5.5 mm±0.5mm)，料盘长宽为320 mm×280mm，平铺满冬枣片，每层物料盘放置枣片的质量约为200g。

历时4h干燥处理以后，55、65、75℃条件下，湿基含水率由(78±2)%下降至10%以下；L*降低，在55、65℃条件下，趋于稳定，为35～25；而75℃条件下，持续降低，由35～15且仍有下降的趋势。a*在3种风温下均呈现升高的趋势，a*值为-5～0且干燥后期趋于稳定；b*在55℃持续降低，而在65℃下干燥后期有微微上升的趋势，在75℃下前期降低而后期升高；△Ε*在55、65℃温度下变化较小，为7.9～8.51，而75℃条件下色差持续增长。

图9、图10分别为含水率与色泽随干燥时间的变化曲线。