热风干燥装置设计与试验

王庆惠，李忠新，闫圣坤，高振江

(1.中国农业大学 工学院，北京　100083；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐　830091)



热风干燥装置设计与试验

王庆惠1，2，李忠新2，闫圣坤2，高振江1

(1.中国农业大学 工学院，北京100083；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐830091)

摘要：根据果品干燥特性和热风干燥原理及特点，在分析热风干燥工艺基础上，完成了燃煤热风炉、挡风板和控制系统等主要工作部件及整机的热风干燥装置结构设计，并进行了试验。试验结果表明：将挡风板垂直安装，宽度分别为5、7、10、12cm，距隔板距离分别为0.9、1.9、3.8、5.7m时，干燥室内的风速比较均匀，此时在A面测得各风道处风速在1.5～1.53m/s的范围内变化。同时，以杏子为研究对象进行干燥试验，将杏子湿基含水率降到15 %以下需要64 h，干燥室内干燥不均匀度小于3 %，符合结构设计要求。

关键词：热风；干燥装置；挡风板；杏子

0引言

近年来，随着国家对特色林果产业发展的重视程度不断增加，大部分林果已进入盛果期。至2012年底，新疆特色林果总面积突破133.3万hm2，产量700万t多[1]。在林果产业给果农带来经济效益的同时，因果品集中上市，产量大、含水率高，难以存放等问题日益凸显出来；而果品制干是减少果品损失并延长货架期的有效手段之一。

传统果品干燥方法普遍采用自然晾晒，优点是成本低、场所简单；但也存在着干燥时间长、受气候条件影响大、卫生条件差及产品质量难以保障等问题[2]。近年来，随着政府对杏子制干产业重视程度不断增加，热风干燥设备已经在市场上得以应用[3-4]；但主要存在的问题是[5]均匀性差及产品品质难以保证。由于热空气向上运动，受料盘的阻挡，物料各层受热不能保证一致，物料干燥速度存在差异，直接影响到物料的色泽、口感和含水率等品质。

本文旨在通过热风干燥原理，设计一种新型的热风干燥装置，通过合理布置挡风板及控制热风循环方向，解决现有干燥装置中干燥不均匀、产品品质难以保障及人工辅助作业强度大等问题，为同类设备的改进提供参考。

1热风干燥装置的设计

1.1设计原则

为了能够对热风干燥装置作业过程及相应的干燥试验进行系统研究，干燥装置的设计应遵循以下原则：

1)提高设备均匀性。采用两种循环给风方式，达到“倒风不倒盘”的目的，降低人工辅助作业时间[6-10]。

2)干燥装置作业时，可根据不同物料自身特性，实现干燥室内温湿度、风机换向间隔时间、风机循环方式等影响干燥效果的参数在一定范围内可调，满足不同物料对干燥工艺参数的需求[11]。

3)干燥装置运行平稳，控制系统灵敏可靠，应能对干燥室内的温度和湿度进行实时监控和数据采集。

4)干燥装置应与生产实际相结合，具有一定的装载量，可为后期产业化推广提供参考。

5)结构设计应紧凑合理，房壁保温效果良好，推车及料盘应采用不锈钢或非金属材料制成，符合国家食品卫生要求[12]。

1.2整机结构

热风干燥装置主要由热源供给系统、干燥系统以及控制系统等组成，如图1所示。该装置的房壁由岩棉板制成，隔板将整个干燥装置分割成加热室和干燥室两部分；循环风机通过循环风机管道与各风道相连，可将加热室内加热的空气均匀地带到干燥室内；推车依次并排放置在干燥室内；推车上料盘的位置和层数与风道一一对应，实现了热风均匀流过每层料盘的目的。燃煤热风炉的烟囱上安装有助燃风机，助燃风机的开闭可控制热风炉的进风量，达到控制干燥室内温度的目的。

(a)　俯视图

(b)　主视图

1.3工作原理

热风干燥装置工作时，开启循环风机，燃煤热风炉对干燥室进行加热。当温度达到设定初始温度时，放入需烘干的物料，启动整个控制程序，循环风机将加热后的空气通过风道均匀吹至与其对应的每层料盘上。当干燥室内的温度超过预设值时，助燃风机关闭；而当温度低于预设值时，开启助燃风机，如此反复直至干燥结束。湿度控制与温度控制相同，主要通过控制排湿风机强行打开和关闭确保干燥室内的湿度。

为提高干燥室内风速及温度的均匀性，减少人工频繁开门倒盘的次数，本设计采用一侧风道进风，另一侧风道回风两种给风方式循环交替运行的方式，有效增加了热空气的流动与扰动，实现了“倒风不倒盘”的目的。两种循环方式的工作时间及循环顺序可根据需求调控。在设计中选用的各标准件及参数如表1所示。

表1　标准件的技术参数

续表1

1.4关键部件结构设计

1.4.1燃煤热风炉的确定

燃煤热风炉是整个干燥装置的重要组成部件之一。合理的结构设计能提高热风炉的散热量和煤炭的利用率，并减少热风炉的体积。多排并列的散热片有效增加热风炉的散热面积；助燃风机的开闭有效增减了炉膛内部与外部空气的交换量，达到动态控制热风炉散热量及调节整个干燥室内温度的目的。散热量是热风炉设计的关键指标，通过计算干燥室内物料的单位耗热量，可确定热风炉的散热量，进而确定热风炉的机构。具体计算为

(1)

Q=Mq

(2)

式中q—物料单位耗热量(kJ/kg)；

Q—热风炉的散热量(kJ)；

M—干燥装置的装载量(kg)；

C—空气的比热容(J/kg·℃)；

ρ—热空气密度(kg/m3)；

A—进风口的截面积(m2)；

V—进风口风速(m3/s)；

T1—进风口温度(℃)；

T2—出风口温度(℃)；

t—烘干时间(s)。

1.4.2挡风板的确定

挡风板安装在干燥装置房壁和风道之间，如图1所示。挡风板能有效将循环风机吹出的风经风道均匀吹至干燥室内，提高布风的均匀性。挡风板的安装位置、角度、数量和宽度等因素对布风的均匀性均有决定性作用。为得到较为理想的挡风板位置及结构尺寸，在挡风板安装位置、角度及宽度条件下，各风道处风速进行现场测量。

1)使用仪器。风速测量采用VICTOR 816B型风速仪(深圳市胜利高电子科技有限公司)。

2)测试条件。测试时，紧闭干燥室门，燃煤热风炉未添煤炭，干燥室内放入所有推车及料盘。由于整个干燥装置具有结构对称性，测试一种进风方式下的结果作为评判标准。

3)测试点的选取。干燥室的外形尺寸为7.7m×2.2m×2.3m(长×宽×高)。在干燥室内，沿隔板至干燥室门的方向上，每隔1m选取1点，第1点离隔板间距30cm，共有8个点，记为1，2，…，8；从上至下，每隔1个风道选取1个点，也得8个点，记为第1风道、第2风道、…、第8风道；从左至右，每隔70cm选取1个面(面与风道形成的面平行)，第1个面离风道面距离5cm，共4个面，记为A、B、C、D，具体选取如图2所示。

图2　测试点选取示意图

4)测试试验设计。此次挡风板设计是边试验边改进，为此，主要做了以下几组试验，如表2所示。

5)测试结果的确定。风速仪探头的方向与测试结果直接相关。试验中，在各个测试点上，旋转风速仪探头，将测得最大值作为该点的测试结果。由于挡风板安装位置、 角度、 数量及宽度对风速分布均有影响，通过多组比较得出：① 干燥室内的风在放置挡板处较短范围内为层流，其余部分均为紊流；② 安装挡风板处的风速明显增加；③ 挡风板越宽，遮挡住的风也越多，此处风道风速越大；④ 在一定范围内，挡风板数量的增加有助于提高风道的均匀性；⑤ 挡风板安装角度越大，遮挡的风就越多；⑥ 虽安装挡风板，整个风道处风速仍然存在波动，但风速均匀性有所提高。在实际运用中，整个干燥室内布满了推车及料盘，可进一步增加风速均匀性。通过测量比较，在第6组实验条件下，即挡风板垂直安装，宽度分别为5、7、10、12cm，距隔板距离分别为0.9、1.9、3.8、5.7m时，风速比较均匀，此时在A面测得的各风道处风速在1.5～1.53m/s的范围内，具体测得数值如图3所示。

表2　挡风板参数设计

图3　第6组实验条件下A面各选取点处风速值

1.4.3电控系统的确定

干燥装置的电路控制系统主要控制循环风机的转向和停启、排湿风机和助燃风机的停启，以及补风门的开闭。为便于操作，控制面板采用PLC控制系统实现手动/自动间的转换，控制面板可调节循环风机自动运行周期和各运行阶段时间，以及温湿度控制的温湿度上下限和运行时间；控制面板中界面可显示当前干球温度、湿球温度、各风机运行状态(正转、反转、停止)和运行时间等。设计中，干燥装置的温度控制范围0～100℃，控制精度±0.5℃。

2试验

2.1试验材料

试验所用原料是新鲜的杏子(品种明星杏)，产地新疆皮山县，购于乌鲁木齐九鼎批发市场，平均直径34.2mm，去核后平均湿基含水率78.86%±0.4%(105℃，烘24h[13])。试验前将购买回的杏子立即挑选(外形尺寸、成熟度与色泽等基本一致)，均匀单层摆放在料盘内(每盘5kg，共560个料盘)，相邻的杏子之间无重叠。开启试验干燥装置，当干燥室内的温度达到预设初始温度时，迅速放入杏子，开始试验。

2.2试验方法

试验中，当杏子湿基含水率降到15%以下[14]，停止试验，试验重复3次。试验采用的干燥工艺如表3所示。两种循环给风方式各2h，交替进行，直至结束。

表3杏子干燥工艺参数

Table 3Apricot drying parameters

序号温度/℃相对湿度/%时间/h14535102503015355251545820155501510645105

2.3干燥曲线的数学计算方法

杏子热风干燥装置干燥过程中的干燥曲线采用水分比(moisture ratio，MR)随干燥时间的变化曲线。不同干燥时间杏子的水分比(MR)为

(3)

式中M0—杏子的初始干基含水率(g/g)；

Me—杏子干燥到平衡时的干基含水率(g/g)；

Mt—杏子在所测干燥t时刻的干基含水率(g/g)。

2.4结果与分析

杏子干燥水分比随干燥时间变化曲线如图4所示。由图4可以看出：杏子干燥水分比MR随干燥时间均呈指数下降趋势，说明在杏子热风干燥过程中，水分含量随着干燥过程的进行呈指数规律不断下降。杏子干燥初期水分比MR下降十分迅速，而干燥后期则十分缓慢。这可能是因为干燥初期，杏子含水率较高，杏子表面和干燥介质之间存在着较大的蒸汽压力梯度，水分脱离速度较快；随着干燥的进行，水分由杏子内部向表面迁移的难度不断增加，杏子表面和干燥介质之间的蒸汽压力梯度不断降低，干燥驱动力不断减少，水分比MR缓慢下降。

图4　杏子干燥水分比随干燥时间变化曲线

另外，上述干燥条件下，当杏子含水率降到15 %时，所需时间为64h；干燥后杏子色泽呈金黄色或者深黄色，部分靠近房板上侧部位的杏子呈黄褐色，杏干收缩均匀，总体感官品质均可接受。在干燥室内不同部位取样测试杏子湿基含水率，干燥不均匀度小于3%，符合装置结构设计要求[16]。

3结论

1)从结构来讲，干燥装置采用两种循环给风方式，实现了对物料倒风不倒盘的目的；挡风板的安装，提高了风道处风速的均匀性，将挡风板垂直安装，宽度分别为5、7、10、12cm，距房板距离分别为0.9、1.9、3.8、5.7m时，风速比较均匀，此时在A面测得各风道处风速在1.5～1.53m/s的范围内。

2)从控制系统方面，采用PLC控制系统，可实现手动/自动之间的转换，方便操作；电路控制系统可实现各风机的停启、换向和风门的开闭，以及各部件运行时间的控制，大大降低人工辅助作业时间，提高设备运行准确性。

3)以杏子为研究对象，采用自制的热风干燥装置进行干燥试验，将杏子湿基含水率降到15 %以下需要64h。在干燥室内不同部位取样测试杏子湿基含水率，干燥不均匀度小于3%，符合装置结构设计要求。

参考文献：

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Design and Experiment of Hot Air Drying Equipment

Wang Qinghui1,2, Li Zhongxin2,Yan Shengkun2, Gao Zhenjiang1

Abstract：According to the characteristics of fruit and principle of hot air drying, the drying process is analysised. The main working parts, such as coal stove, wind deflector and circuit control system, and whole drying equipment are designed and a test is carried out. Experimental results show that the wind deflector installs vertically, the width are 5, 7, 10, and 12 cm, distance from the wall plate are 0.9, 1.9, 3.8, and 5.7 m, the wind speed is relative evenly, and the wind speed is from 1.5 to 1.53m/s on a-side. Apricot is dried by this equipment. It is 64 hours when the apricot moisture content on wet basis is below 15%. Dry no-uniformity is less than 3% in dry room. It is meet the requirements of structural design.

Key words：hot air； drying equipment； wind deflector； apricot

文章编号：1003-188X(2016)03-0241-05

中图分类号：S226.6

文献标识码：A

作者简介：王庆惠(1980-)，女，山东梁山人，副研究员，博士研究生，(E-mail)wangqh1201@126.com。通讯作者：高振江(1958-)，男(蒙古族)，内蒙古赤峰人，教授，博士生导师，(E-mail)zjgao@cau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(31460397)

收稿日期：2015-03-11